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译文
编队飞行力学及其综合物流
Tomas Melina,lowast;, Diane Uyogab
摘 要
本文研究了编队飞行在两种不同型号飞机上应用时的燃油成本降低效果。第一个案例是通用航空公司的Cessna 152和 交错排列的塞斯纳182。第二个案例是两架庞巴迪Dash-8交错编队的商业运输。分析诱导阻力的方法是一种涡格子法。 在整个模拟过程中保持飞机处于配平状态。飞机的总阻力减小分别为4.4%和8%,这将反映在燃料消耗和二氧化碳排放方面。为了评估组建成本的影响，对斯德哥尔摩/伦敦和林科平/阿姆斯特丹之间的航班样本路线进行了业务物流贸易研究。 并在飞行中间加入了分数编队飞行.编队与其综合物流可以优化和维持这条路线，假设燃料约占航空货运直接运营成本的50%。
关键词：编队飞行；运筹物流；综合物流；节油；航空货运
专业术语
Ar高宽比，[-]
CD阻力系数[-]
cd0零升力阻力系数，[-]CF成本分数，[-]
CL升力系数，[-]
厘米俯仰力矩系数，[-]FL飞行水平，[英尺]
FF形成分数，[-]
L/D坡度，[-]
M马赫数，[-]
NM海里，[NM]
e奥斯瓦尔德效率系数，[-]
h 小时，[h]
kts节，[NM/h]
-
介绍
- 背景
商业航空运输中使用编队飞行作为提高燃油效率和提高航空运输系统运力的程序，在过去几年中受到了一些关注。对时间敏感的航空运输对其需求和随后的相关活动（如综合物流）的需求增加。在编队飞行中使用现有的飞机将节省大量燃料，但代价是需要改变航空运输的运营方面。航空运输系统是一个非常复杂的组织，对系统的任何改变，而不是对单个飞机的设计变更，都是一个挑战。本文对商用飞机紧耦合编队飞行中涉及的飞行力学进行了数值研究。提出了两种情况。首先是两艘通用航空飞机的组合：塞斯纳182和塞斯纳152.第二种情况是由两架庞巴迪Dash-8，200系列组成的两舰编队。编队中的Dash-8的飞行如图所示。本文采用的方法在CEAS 2013会议Melin（2013）上进行了介绍，其中编队飞行模拟的数值结果与NASA，Vachon等的飞行测试数据进行了比较。比较显示，数值和实验数据之间有很好的相关性，低纵横比机翼节能潜力可达20％。对于较高纵横比的机翼，巡航中的诱导阻力分量较低时，预计的总阻力下降较低。编队飞行遇到的减阻背后的物理现象已经被理解了很长一段时间，但编队飞行从未被大量用于民用航空的交通。
图1 .Dash-8编队飞行的艺术图
已知迁徙鸟类利用编队飞行进行长途飞行。据报道，Lissaman＆Shollenberger（1970）报道了一组25只鸟与单只鸟的范围相比增加了71％。这相当于类似的燃油消耗量减少，因此也就是总阻力系数。这种相对较高的减阻效果归因于鸟类的变形（生物）能力，他们是否可以单独优化其在飞行中的跨距载荷。这是目前固定翼飞机不可用的东西。在整个飞行过程中，飞机编队理论上可以通过人员控制保持在适当位置，对于编队飞行的军用飞机来说的确是如此。但是，如果系统中不包括自动化功能，那么飞行员的工作量将会很高。 Giulietti等人进行了大量的工作。瑞安（Ryan，2017）制定出站控制问题，同时分析失效模式。在军事方面，编队飞行在过去的100年中被广泛使用，但是主要的考虑因素是战术性的，例如导航或者抑制性的火力覆盖，并且仅仅作为节省燃料的措施。燃油效率的提高是由于起升机翼涡流系统形成的向上清洗引起的感应阻力下降。编队飞行然后成为组成飞机跨度的虚拟延伸，从而增加纵横比。阻力极性等式1：
图2显示了将更多飞机添加到地层时的理论最大诱导减阻。 美国宇航局的飞行测试显示，两艘F18A型飞机中的一架飞机在双船编队中诱发阻力大约下降40％。这个测量值接近理论最大值的50％。然而，主机的减阻并未测量，模拟显示主机的减阻效果明显较低。
图2.基于增加的虚拟纵横比，期望的理论最大诱导阻力从地层飞行减少。
Munks交错定理指出，对于提升表面系统，总感应阻力不依赖于各个机翼的流向位置。然而，机翼或飞机之间诱导阻力的分布情况在编队飞行中，取决于流列式位置。关于地层减阻的知识为分析两个城市对之间编队飞行的成本效益提供了可能性。通过一项简单的飞行路径优化贸易研究，直观地看到了在起飞和到达机场不同的情况下编队飞行的真实影响。
1.2. 综合物流
空运货物运输对于今天的全球业务至关重要，尽管它与地面运输相比成本昂贵。根据DHL的说法，DHL在全球220多个国家和地区设有分支机构，每周有超过15,000个整合航班，DHL（2017）。航空货运服务可以有效连接非常遥远的市场，快速灵活地为全球制造业链提供服务。此外，国际物流服务提供商JF Hillebrand的首席执行官兼空运饮料代理业务负责人报告说，他们在91个国家拥有营业额达12亿美元的：Bernard（2017）。 Storto（2017）表示，航空货运业对支持已成为经济发展重要引擎的全球贸易至关重要。使用空运货物使托运人更容易降低总体物流成本。这种成本的降低可以通过使用编队飞行来运输空运货物，减少仓储，库存和重新订购成本来实现。目前在开发敏捷供应链的业务趋势中，即时交付，因此全球外包推动了航空货运市场的增长：Mitra＆Leon（2014）。国际航空运输协会的一份报告预测，今年（2017年）空运国际贸易额将达到5.5万亿美元，占全球贸易量的不到1％，但空运货物运输对贸易至关重要。超过35％的价值。这笔交易每天相当于价值186亿美元的商品。
尽管对时间敏感型航空货物的需求正在成为一个主要问题，尤其是航空公司和航空网络日益拥堵，但Low等人（2010年）表示Azadian（2012）的数量已不再是陆上运营的竞争能力。对于航空货运物流行业而言，物流供应链系统的成本降低和交付周期缩短等于任何注重商业头脑的组织。与其他行业一样，航空货运业也面临着挑战，这些挑战是由结构变化引起的，这些变化冲击了对空运货运服务和全球航空货运业的需求，Dablanc（2009）从世界范围内增加的动荡和不确定性诸如技术破产，制造成本上涨以及经济衰退后保护主义抬头等事件，公司将供应链在总部生产，从而减少了对成品和零件的需求。
电子产品的规模在不断缩小，海运船舶的仓储设施已经开始允许新鲜商品在海上旅行，提供旅客服务的航空公司通过购买波音777等大型飞机提高了运营能力。在斯托尔托（2017年）客机的肚子里有过剩的能力。与海运相比，燃料成本大幅增加，从而提高了航空货运的运输成本，从而严重影响了航空货运业的物流，因为在许多情况下，燃料占航空货运总支出的一半。这些挑战会对空运货运业务产生负面影响，甚至会增加行业内部的竞争压力。处理这种情况挑战，航空货运经营者正在寻找创新解决方案，即使用较小的机场来避免主要机场发生的冲突和延误，用老式飞机机队取代新型节油机型，同时减少排放量和影响关于气候变化，优化航线，特里（2012）以及使用编队飞行。此外，只有不到三分之一的空运货物是通过专用货运飞机以专用货运服务的方式运载的，其中三分之二运载于客机腹舱中，Storto（2017年）。使用客机腹舱运输的货物数量可能会增加超过专用飞机运输的货物数量，除非通过使用专门服务空运货物的编组飞行发现永久解决这一挑战的方案货物运输。事实上，一方面国际航空客运量的增长以及现代汽车的采用,另一方面，诸如波音B777，空中客车A330，波音B787和空中客车A350等远程高效飞机则是Storto（2017年）创造了越来越多的低成本货运能力和不断扩大的目的地和路线网络。因此，许多全球航空货运运营商正在退出专用航空货运市场，而其他一些航空货运运营商正在缩小其机队规模，而其他一些航空运营商正在建立战略联盟以拓宽其航线网络。因此，航空货运业正在进行重组，航空货运服务的灵活性因此成为一个重要问题，允许像编队这样的专业航空公司能够快速有效地适应动荡环境变化的条件。国际航空运输协会报告称，乐观情绪正在蔓延，因为经过多年的增长后，2016年货运吨公里（FTKs）的需求增长了3.8％，几乎比过去五年的行业平均增长率增加了2.0％。货运量，衡量可用货运吨公里（AFTKs），2016年增长了5.3％，IATA（2017）。根据波音2016-17年预测报告，自2008年和2009年全球经济衰退结束以来，世界航空货运量一直在努力保持持续增长，波音公司报告称，2014年航空货运量再次增长，增长率为4.8％。全球转运商证明了这一点，例如Kuehne Nagel在全球300家分支机构Kuehne-Nagel（2017）拥有超过5,000家空运专家网络，是全球第二大空运货运代理公司，年管理超过130万吨。这要求通过将两架或两架以上的飞机一起飞行来优化空运货物运输，从而降低燃料成本，从而大幅降低航空货运物流成本。
尽管燃料价格上涨，但大多数航空公司的航空货运货运是一个重要的业务领域，尽管燃料价格上涨，Barber（2010）预测，到2029年每年增长率将近6％。空运货物运输可以通过任何由载体。 综合物流对国民经济至关重要，因为它涉及空气Chang＆Lai（2017）的设施可以是飞机的形式，全球范围内的货运交付，物流从供应商到整个价值流中的客户流动有助于提高流量和设施的速度。 Barker＆Zabinsky（2010）建议各国政府应立法改善和发展可持续综合物流。
然而，尽管许多论文都把重点放在了供应链环境下的可持续性理念上（参考Seuring和Mller，2008; Srivastava，2007年的评论），但很少有工作去理解综合物流的作用和重要性一个组织对可持续性的追求，Dey et al。 （2011年），空运货物运输。虽然在整个组织中增加可持续性需要创造力，但许多公司已经学会了如何使用它来与竞争对手区分开来，降低成本并改善对客户的服务，Seuring＆Gold（2012）。空运货物运输已逐步发展成为今天综合物流过程面临的权威性问题。物流业务代表了将产品通过供应链所需的所有活动以及物流成本Bin＆Chaoyuan（2005）的综合管理。对于大多数盈利组织来说，物流成本是很大的，仅次于销售商品的成本。据国际货币基金组织（IMF）称，物流成本平均每年约为全球国内生产总值的12％，Ballou（2004）。伍德等人（2012）指出，物流系统是指促进交易，交易和货物流动的运输商，货运代理商，银行家和贸易商。具体而言，典型物流系统的组成部分包括：客户服务，需求预测，分销通讯，库存控制，物料处理，订单处理，零件和服务支持，工厂和仓库选址，采购，包装，退货处理和运输，仓储和存储。 Baykasoglu＆Kaplanoglu（2007）指出，公司与供应商（供应商，托运人，分销商和客户）合作，改善其物流活动，从而大大提高业务绩效，Sandberg＆Abrahamsson（2011），并降低物流成本。对于企业具有竞争优势，物流职能需要在Mollenkopf（2010）等人在削减成本方面发挥重要作用。
从业内人士和研究机构的角度来看，通过形成飞行方式优化航空货运物流是一个值得探索的领域。 事实上，在现有文献中可以找到许多有关航空货运物流和航班形成主题的文章，但这两个主题的结合还没有得到解决，因此成为一项强有力的和新颖的研究。 因此，本研究的重点是通过形成航班的货运货运以及如何优化和维持货运物流。讨论主要是从公众角度出发，而不是专注于公司对航空货运的需求。
Chang＆Lai（2017）的一项研究发现，物流基础设施是一个重要因素。 虽然Ke等人（2015）在他们的研究中发现，具有较高贡献率的行业使用更多的空运费用。 这项研究推进了Fisher（1997）和Ke等人提出的论点。（2015年），航空货运运输需要高效的综合物流和更快速的供应链，通过编队飞行降低成本。
- 方法
由于感应阻力背后的物理原理覆盖在潜在流动的范围内，因此可以使用势流数值方法很容易地研究这种现象。本文分析了编队飞行的两个应用实例。第一架是两架通用航空飞机，第二架是两架商用涡轮螺旋桨飞机。该飞机在旋涡格子方法Tornado中进行了数值模拟。进行网格收敛研究以确保网格划分的结果灵敏度较低。计算出地层y-z平面中的各种相对位置，两架飞机均处于修剪状态。修剪是在4个轴上完成的：升沉，俯仰滚动和偏航。结果浪涌成分被留下，即过量/不足推力。在整个纵向间隔保持2.75跨度，以便与NASA的飞行测试数据进行比较，并确保对主机的影响保持在较低水平。输出与单个飞机空气动力学的基线进行比较。结果矩阵设置了不同的横向和正常（主要）位置，以评估最佳的相对翼尖位置。从诱导减阻图中，选择30-40％的截断水平以给予足够大的甜点，以使人类飞行员具有操纵室以保持编队站。总阻力由诱导阻力和摩擦力，零升阻力系数构成。在两种情况下零升力阻力的处理方式不同，在通用航空制造商数据中使用了数据，而在商业案例中，阻力部件增加采用。假定阻力与燃料消耗之间存在线性关系，可直接获得总飞行燃料支出。
为了最大限度地减少出行成本，评估现金运营成本（COC），进行了航线优化。 假定中等高燃料价格将燃料成本设定为每乘客一英里COC的一半。 对单独飞行和部分编队飞行的费用进行了比较。 在编队飞行的情况下，为满足编队需要的单脚提供了津贴。 图3显示了一个具有两个独立出发和到达城市的例子。 显示了单独航班A和B以及最佳（最少燃油消耗）部分形成路线。
图3.分数形成飞行的典型设置。 两架飞机从不同的机场起飞; 在集会点合并他们的飞行路线，在最后一个单腿向各自的目的地机场分手。
- 结论
3.1. 专用航空
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