About the Influence of the Use of Geometric Altimetry on the Flight Efficiency in Climb and Descent

几十年来，天空的航行一直依赖于一种利用空气本身来告知飞行员飞行高度的系统。飞机并不是测量与地面的距离，而是使用气压高度计来感知大气压力。随着飞机爬升，空气变得稀薄，压力随之下降；随着飞机下降，压力则上升。通过将这种压力与标准大气模型进行校准，飞行员可以确定自己的高度。这种方法稳健且简单，但并不完美。由于大气随天气和位置而变化，特定高度下的压力可能会有所不同。为了应对这一问题，飞行员不断调整仪表以匹配当地的海平面压力，这一设置被称为 QNH。在高空飞行时，他们会切换到标准压力设置，以确保天空中所有的飞机都使用相同的参考基准，从而创建“飞行高度层”来确保飞机的安全间隔。然而，这个系统需要一个过渡区，让飞行员在局部设置和标准设置之间进行切换，并且这意味着飞机的实际高度相对于地面可能会因天气原因而产生轻微漂移，即使仪表显示的数值保持不变。

想象一下，当你试图走直线时，脚下的地面却在不断地上下移动；这就是使用基于压力的高度计进行飞行的挑战。德国航空航天中心的研究人员探索了一种新方法，建议用一个固定的参考值——几何高度，来取代这个不断变化的参考值。这种方法利用卫星信号，特别是全球导航卫星系统，来测量飞机距离地心的精确距离，从而提供一个精确、不变的高度，无论天气如何变化。驱动近期研究的问题是：这种转变是否会提高飞行的效率，在机场起飞爬升和降落着陆的关键阶段节省燃料。虽然拥有一个完美准确的高度计听起来是一个显而易见的改进，但飞行的物理学非常复杂，答案并不像“精度越高等于更省油”那么简单。

安德烈·科洛钦（André Koloschin）是德国航空航天中心的一位研究人员，他进行了一项详细的研究来回答这个问题，研究对象是常见的商用客机空中客车 A320。他并没有驾驶真实的飞机，而是使用了一个经过真实飞行测试数据验证的高度精确的计算机模拟模型。这架虚拟飞机接受了一系列严格的测试，模拟了 294 种不同的飞行场景。这些场景涵盖了伦敦地区三大主要机场——希思罗、斯坦斯特德和卢顿的爬升和下降过程。其目标是比较虚拟飞机使用传统的基于压力的系统与新的基于卫星的几何系统时，燃料消耗量的差异。至关重要的是，该研究考察了两种使用新系统的不同方式。首先，它测试了在保持现有飞行路径完全不变的情况下，仅仅更换高度测量工具的直接影响。其次，它探索了间接收益：如果这种更精确的新系统能够让空管人员设计出目前因为旧系统不够精确而无法实现的、更高效的飞行路径，情况会如何？

模拟结果呈现出一幅细致入微的图景。当研究人员仅仅更换了高度测量工具而没有改变飞行路径时，燃料消耗量的差异微乎其微。在许多情况下，使用几何高度带来的直接收益非常小，以至于可以忽略不计。研究发现，节省或浪费燃料的量很大程度上取决于当时的天气状况，特别是大气压力。在某些压力设置的日子里，几何系统可能会节省极少量的燃料；而在另一些日子里，它可能会多消耗一点点燃料。在天气不断变化的长周期内，这些微小的增益和损失会在很大程度上相互抵消。研究人员得出结论，单纯依靠切换到几何高度，其直接优势并不是驱动燃料节省的主要因素。

然而，当研究人员允许针对新系统优化飞行路径时，情况发生了变化。因为几何高度非常精确，它消除了目前使用基于压力的测量时所需的宽泛安全裕度。在模拟中，研究人员设计了比目前的“基准”路径更紧凑、更直接的“解决方案”路径。这些新路径移除了飞机必须平飞后再爬升的那些不必要的平坦段，并允许飞机在下降过程中在更高、更高效的高度停留更长时间。当执行这些优化后的路径时，燃料节省非常显著。在测试的下降场景中，优化后的路径每架次飞行节省了约 23 公斤燃料，这大约占该阶段总燃料消耗的 6.6%。这种节省并不是因为卫星系统本身更高效，而是因为该系统的精确性使得飞行一条更智能的路径成为可能，而如果使用旧的、精度较低的系统，这条路径会被认为具有风险。

爬升场景讲述了一个略有不同的故事。在这里，通过优化实现的燃料节省要小得多，每架次飞行仅约 2 公斤，约为所用燃料的 0.25%。研究人员发现，虽然消除平飞段有助于节省燃料，但新系统要求飞机在各点之间遵循严格固定的爬升角。这种僵化的要求实际上违背了飞机的自然性能。一架飞机在爬升过程中，通过随着高度增加和空气变薄来调整爬升角，才能实现最高效的飞行，而固定的角度要求迫使它在部分爬升阶段的飞行效率降低。这抵消了平滑路径带来的好处，导致最终只有微小的净收益。在某些模拟案例中，这种僵化的规则甚至导致飞机比使用现有系统时消耗了更多燃料。这表明，虽然几何高度可以改善爬升，但管理这些爬升的规则需要具备灵活性，才能真正释放其潜力。

研究还强调了爬升阶段和下降阶段之间的关键区别。在下降过程中，飞机的性能相对稳定且可预测，因此非常适合由几何高度所实现的固定角度路径。然而在爬升过程中，性能会根据飞机的重量和空气密度发生剧烈变化，使得“一刀切”的固定路径效率较低。研究人员指出，本研究中最大的燃料节省来自于下降阶段的优化，即通过能够进行连续、平滑飞行而不必停下来平飞的能力。他们还指出，研究中使用的伦敦空域异常繁忙且复杂，存在许多飞行路径交叉的情况。在不太拥挤的天空中，对这种紧凑、优化路径的需求可能没那么迫切，燃料节省也可能较小。

尽管直接的燃料节省有限，但研究人员认为，从其他方面来看，支持几何高度的理由依然很充分。现有的系统要求飞行员根据当地压力报告手动调整仪表，这一过程引入了人为错误的风险。过去曾发生过因设置错误导致飞机飞行高度过低的事故，如果高度直接由卫星测量，这种危险将会被消除。此外，现有系统需要一个飞行员在局部压力设置和标准压力设置之间进行切换的过渡层，这一区域限制了单位时间内空域内的飞机容量。移除这一层可以提高空域容量。研究还指出，虽然几何高度很精确，但它依赖卫星信号，而卫星信号容易受到干扰或屏蔽的影响，这是使用机载独立压力传感器所不存在的风险。

最终，研究表明，飞行效率的未来可能不在于高度测量工具本身，而在于该工具能让我们做什么。从压力测量直接切换到几何高度，其自身的直接燃料收益并不大。真正的价值在于能够重新设计更平滑、更直接且更安全的飞行程序。如果航空业能够解决卫星可靠性的挑战，并设计出能够利用这种新精度的灵活飞行路径，那么间接收益将会非常可观。目前，研究建议，虽然爬升程序需要重新思考以避免燃料惩罚，但下降程序已经准备好进行此类优化。前进的道路不仅仅是改变仪表上的一个数字，而是重新构想飞机如何在天空中移动，从而最有效地利用周围的空气。