魏志強(qiáng)， 張文秀， 韓博

1.中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院， 天津 300300

2.中國民航大學(xué) 天津市空管運(yùn)行規(guī)劃與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300300

考慮飛機(jī)排放因素的飛機(jī)巡航性能參數(shù)優(yōu)化方法

魏志強(qiáng)1,2*， 張文秀1， 韓博1

1.中國民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院， 天津 300300

2.中國民航大學(xué) 天津市空管運(yùn)行規(guī)劃與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300300

巡航是民航飛機(jī)主要的飛行階段，航班飛行中絕大多數(shù)的燃油消耗、飛行時(shí)間和污染物排放均發(fā)生在該階段?；趪H民航組織(ICAO)基準(zhǔn)排放數(shù)據(jù)和BM2方法，建立了污染物排放量和排放成本計(jì)算模型；提出污染物排放價(jià)格權(quán)重、成本指數(shù)排放因子和綜合成本指數(shù)概念，以改進(jìn)飛行成本計(jì)算模型，考慮污染物排放對飛行成本優(yōu)化的影響；通過計(jì)算分析輸入成本指數(shù)對性能參數(shù)和飛行成本的影響，建立了基于搜索方法的綜合成本指數(shù)優(yōu)化流程，并采用Visual Studio予以開發(fā)實(shí)現(xiàn)；然后計(jì)算了綜合成本指數(shù)飛行的經(jīng)濟(jì)效益，以及飛機(jī)質(zhì)量、成本指數(shù)和巡航高度對飛行成本的影響。結(jié)果表明，選擇合適的綜合成本指數(shù)和巡航高度，可使總飛行成本達(dá)到最小，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。與傳統(tǒng)巡航相比，在典型情況下采用綜合成本指數(shù)巡航可以降低相同條件下的總飛行成本的0.15%。

環(huán)境污染； 巡航性能； 綜合成本指數(shù)； 排放指數(shù)； 巡航高度

根據(jù)民用飛機(jī)在飛行中廢氣排放的時(shí)空分布情況，飛機(jī)發(fā)動機(jī)對環(huán)境影響可分為兩大領(lǐng)域：全球范圍內(nèi)的溫室效應(yīng)和機(jī)場區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量問題[1]。為控制和減少航空業(yè)對溫室效應(yīng)的影響，歐盟力爭將航空公司的飛機(jī)碳排放納入了碳排放交易體系[2]。根據(jù)發(fā)動機(jī)廠家審定數(shù)據(jù)，國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)建立了機(jī)型排放數(shù)據(jù)庫，采用標(biāo)準(zhǔn)的起飛著陸循環(huán)(Landing and takeoff，LTO)來計(jì)算在機(jī)場范圍內(nèi)1 000 m以下飛機(jī)的滑行、起飛、爬升、進(jìn)近著陸等階段的CO、HC、SO2和NOx排放量，但對于耗時(shí)近80%的航路飛行排放，則沒有涉及[3]。

為考慮航路飛行階段的排放影響，波音公司提出了BM2方法，實(shí)現(xiàn)對ICAO模型的修正。采用該模型，Tamara和Robert根據(jù)空中交通流量數(shù)據(jù)，對英國的航空排放問題進(jìn)行了總體估算[4]；基于澳大利亞2008年的空管航跡數(shù)據(jù)，Pham等研究建立了精度為1°×1°×1 000 ft (1 ft=30.48 cm)的四維排放數(shù)據(jù)庫清單[5]；Owen等對2050年全球航空活動所造成的污染物排放數(shù)據(jù)進(jìn)行了估算[6]。魏志強(qiáng)等依據(jù)建立了排放指數(shù)修正模型，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)飛行階段的污染物排放量的估算分析[7-8]。上述研究實(shí)現(xiàn)了對污染物排放清單的估算，但都沒有涉及到如何通過優(yōu)化飛行參數(shù)來降低飛機(jī)污染物的排放量。

巡航是民航飛機(jī)主要的飛行階段，航班飛行中絕大多數(shù)的燃油消耗、飛行時(shí)間和污染物物排放量均發(fā)生在該階段。傳統(tǒng)的研究主要是通過選擇合適的巡航方式、速度和高度，以達(dá)到節(jié)油或降低成本的目的。Singh引入成本指數(shù)的概念，從降低運(yùn)行成本的角度研究了混合動力飛機(jī)垂直飛行剖面參數(shù)的優(yōu)化問題[9]。Miyazawa等構(gòu)建了自由飛行概念下的飛機(jī)巡航參數(shù)計(jì)算模型，研究發(fā)動機(jī)特性參數(shù)和大氣因素對巡航性能及參數(shù)優(yōu)化的影響[10]。Erzberger和Lee研究了在推力受限條件下的巡航參數(shù)優(yōu)化問題。研究表明，對推力的約束會影響到最小運(yùn)行成本條件下的最佳航程、巡航高度和速度[11]。Franco和Rivas在給定高度巡航參數(shù)優(yōu)化中，引入了航路隨機(jī)風(fēng)的干擾，使得優(yōu)化出的巡航速度參數(shù)具有更高的魯棒性[12]。Valenzuela和Rivas研究了基于空中交通規(guī)則的約束的巡航參數(shù)優(yōu)化，以降低直接運(yùn)營成本[13]。Sridhar和Grabbe研究了高空風(fēng)對最佳巡航高度的影響，表明在最佳風(fēng)速航跡飛行中，通過優(yōu)化垂直剖面可以降低1%～3%的飛機(jī)油耗與時(shí)間[14]。針對軍用大型運(yùn)輸機(jī)巡航段航跡優(yōu)化問題，楊杰等提出了一種近似工程化的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)對巡航參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算[15]；魏志強(qiáng)等研究了基于基本性能數(shù)據(jù)(Basic Aircraft Data， BADA)模型的遠(yuǎn)程巡航方式(Long Range Cruise, LRC)下的巡航參數(shù)計(jì)算方法[16]；王超等研究了基于BADA模型的飛行軌跡預(yù)測與優(yōu)化算法[17]。上述研究在對飛行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，沒有考慮飛機(jī)排放的影響。

通過優(yōu)化飛行參數(shù)以降低航班飛行對環(huán)境的影響，是國外研究的新動態(tài)之一。Schumann等建立了基于尾跡云和燃油消耗的航路優(yōu)化方法，以盡量減少航班運(yùn)行對環(huán)境的影響[18]。Kaiser等建立了飛行航跡優(yōu)化模型，通過優(yōu)化飛行氣壓高度參數(shù)，以降低發(fā)動機(jī)排放對尾跡云形成和發(fā)展的影響[19]。Crewe將排放成本引入航班運(yùn)行成本中，實(shí)現(xiàn)對飛行軌跡的優(yōu)化[20]。Cook等研究了不同污染物之間的權(quán)重關(guān)系，提出涵蓋排放成本的動態(tài)成本指數(shù)概念，并用于航班延誤分析[21]。

通過對巡航參數(shù)的優(yōu)化，可以降低飛行活動對環(huán)境的影響?；贗CAO基準(zhǔn)排放數(shù)據(jù)和BM2方法，本文建立了污染物排放成本計(jì)算模型；提出了污染物排放價(jià)格權(quán)重、成本指數(shù)排放因子和綜合成本指數(shù)概念，以改進(jìn)飛行成本計(jì)算模型，考慮污染物排放對飛行成本優(yōu)化的影響；通過計(jì)算分析輸入成本指數(shù)對性能參數(shù)和飛行成本的影響，建立了基于搜索方法的綜合成本指數(shù)優(yōu)化流程，并采用Visual Studio予以編程開發(fā)；最后分析了綜合成本指數(shù)飛行的經(jīng)濟(jì)效益，以及飛機(jī)質(zhì)量、成本指數(shù)和巡航高度對飛行成本的影響。

1 污染物排放計(jì)算模型

1.1 污染物排放成本計(jì)算模型

飛機(jī)發(fā)動機(jī)的污染物排放種類主要包括CO2、NOx、HC、CO和SO2。其排放成本(CE)與污染物排放價(jià)格、排放量有關(guān)[19]。而排放量又取決于飛行中的燃油消耗量和發(fā)動機(jī)污染物排放指數(shù)(即單位油耗下的污染物排放量)。即

(1)

式中：下標(biāo)i為污染物的類別；CEi為i類污染物的排放成本(￥)，具體計(jì)算公式為

CEi=PPiEPi=PPiFfEi

(2)

式中：PPi為i類污染物的排放價(jià)格(￥/kg)；EPi為i污染物的排放量(kg)；Ff為燃油流量(kg/h)；Ei為i類污染物的排放指數(shù)(kg/kg)。為考慮污染物排放的影響，本文將污染物的排放價(jià)格(PPi，￥/kg)與燃油價(jià)格(PF，￥/kg)之比定義為污染物的排放價(jià)格權(quán)重(Wi)，即

(3)

在此基礎(chǔ)上，提出無量綱的成本指數(shù)排放因子K，以反映污染物排放價(jià)格權(quán)重和排放指數(shù)的影響，具體定義為

(4)

將式(2)、式(3)和式(4)代入式(1)，可以推導(dǎo)出給定巡航距離(R, km)下的污染物排放成本計(jì)算公式為

(5)

式中：VG為地速大小(m/s)。

1.2 污染物排放量計(jì)算模型

ICAO定義了標(biāo)準(zhǔn)的起飛降落循環(huán)，包括進(jìn)近著陸、滑行、起飛和爬升4個(gè)飛行階段。在此基礎(chǔ)上，發(fā)動機(jī)廠家基于試飛數(shù)據(jù)，提供了海平面、國際標(biāo)準(zhǔn)大氣模型(International Standard Atmosphere Model，ISAM)條件下的排放指數(shù)數(shù)據(jù)。本文以B737-800飛機(jī)(CFM56-7B24發(fā)動機(jī))為例進(jìn)行巡航參數(shù)的優(yōu)化研究，所用到的排放指數(shù)如表2所示[3]。

由于飛機(jī)真實(shí)飛行條件不同于適航審定狀態(tài)，需要根據(jù)實(shí)際飛行條件修正排放指數(shù)，以得到更為精確的污染物排放成本。在航空燃油種類一定的情況下，CO2和SO2的排放指數(shù)與其他因素?zé)o關(guān)，無需修正。由于飛機(jī)的實(shí)際巡航狀態(tài)與基準(zhǔn)飛行階段所對應(yīng)的飛行條件不同，需要依據(jù)ICAO的BM2方法對其他污染物的排放指數(shù)進(jìn)行修正，以考慮巡航參數(shù)(燃油流量、飛行氣壓高度、溫度偏差等)的影響，具體如文獻(xiàn)[7]所示。

表1 燃油價(jià)格與污染物排放價(jià)格信息[21]Table 1 Information about fuel price and pollution emission price[21]

表2 CFM56-7B24發(fā)動機(jī)基準(zhǔn)排放數(shù)據(jù)[3]Table 2 Basic emission data of CFM56-7B24 engine[3]

2 民用飛機(jī)總飛行成本計(jì)算模型與實(shí)現(xiàn)

2.1 傳統(tǒng)的飛行成本計(jì)算模型

飛行成本是經(jīng)濟(jì)巡航方式下的優(yōu)化目標(biāo)。通常情況下的飛行成本包括燃油成本、時(shí)間成本和固定成本3部分。計(jì)算公式為

C=CT+CF+CC=

(6)

式中：C為飛行成本(￥)；CT為時(shí)間成本(￥)；CF為燃油成本(￥)；CC為固定成本(￥)，與航空公司財(cái)務(wù)狀況有關(guān)，在優(yōu)化時(shí)可假定為固定常數(shù)；CI成本指數(shù)(kg/h)，即時(shí)間價(jià)格與燃油價(jià)格之比。根據(jù)航空公司的運(yùn)行狀況，財(cái)務(wù)部門計(jì)算出與上一年度的飛行時(shí)間成本(包括維修費(fèi)、租賃費(fèi)、飛行小時(shí)費(fèi)等)和時(shí)間價(jià)格，然后用時(shí)間價(jià)格除以航油價(jià)格即可得到所需要的成本指數(shù)大小。

在飛行前，飛行員可在飛行管理系統(tǒng)(FMS)中輸入CI，即可使FMS計(jì)算出優(yōu)化后巡航速度，并控制飛機(jī)按此最佳速度進(jìn)行巡航，實(shí)現(xiàn)巡航成本的最優(yōu)化。對于B737-800而言，CI的取值范圍為0～999。CI越大優(yōu)化出的飛行速度就越大；當(dāng)CI取到999時(shí)，F(xiàn)MS將忽略燃油價(jià)格，此時(shí)將會使飛行按最大限制速度巡航；反之當(dāng)CI取0時(shí)對應(yīng)于理論上最節(jié)油的最大航程速度。

2.2 考慮排放影響的總飛行成本計(jì)算模型

為考慮發(fā)動機(jī)污染物排放成本的影響，在式(6)中增加污染物排放成本的影響，進(jìn)而得到總飛行成本的計(jì)算公式為

C=CT+CF+CE+CC

(7)

再將式(5)代入式(7)，可得

(8)

式中：CIH為綜合成本指數(shù)(kg/h)，反映了污染物排放價(jià)格對經(jīng)濟(jì)巡航的影響，其定義為

(9)

飛行成本是飛機(jī)巡航參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)。文中式(6)為機(jī)載FMS在進(jìn)行巡航性能優(yōu)化時(shí)的優(yōu)化目標(biāo)計(jì)算公式，而式(8)為考慮污染物排放影響后的優(yōu)化目標(biāo)計(jì)算公式。由于飛機(jī)上的FMS在進(jìn)行巡航速度優(yōu)化時(shí)尚未考慮污染物的影響(即只能輸入成本指數(shù))，為此可以在航空公司財(cái)務(wù)部門提供的CI基礎(chǔ)上，根據(jù)式(9)計(jì)算出CIH后輸入到FMS系統(tǒng)中。從式(9)中可以看出，考慮污染物排放成本影響時(shí)的CIH要小于傳統(tǒng)的成本指數(shù)，即可以適度降低CI以使考慮污染物排放成本影響時(shí)總飛行成本達(dá)到最低。

2.3 輸入成本指數(shù)對飛行性能參數(shù)及成本的影響

從理論上講，CI是由公司財(cái)務(wù)部門確定的。但在實(shí)際飛行中，飛行員可以通過輸入不同的成本指數(shù)，滿足飛行性能優(yōu)化需要。在性能參數(shù)優(yōu)化中，由于燃油流量與飛機(jī)速度之間的關(guān)系很難顯性表示，致使Ei也無法直接根據(jù)飛行速度來計(jì)算。飛機(jī)廠家提供的性能軟件(如波音公司的BPS軟件)可以計(jì)算給定質(zhì)量、巡航高度、溫度偏差和成本指數(shù)條件下的經(jīng)濟(jì)巡航馬赫數(shù)、燃油流量，但沒有考慮污染物排放量的影響。

本文采用BPS軟件計(jì)算不同輸入成本指數(shù)(CII)下的燃油流量數(shù)據(jù)，然后按照上述計(jì)算模型編程計(jì)算出在給定燃油價(jià)格、成本指數(shù)和污染物價(jià)格的情況下的總飛行成本(C)，以考察輸入成本指數(shù)(CII)對飛行性能參數(shù)和飛行成本的影響。

計(jì)算條件如下：燃油價(jià)格為6 000 ￥/t，成本指數(shù)為(CI)30，輸入成本指數(shù)(CII)計(jì)算范圍為0～60(即實(shí)際飛行中的常用取值范圍)；燃油價(jià)格見表1，B737-800飛機(jī)，初始巡航質(zhì)量68 t，飛行距離為100 km，巡航高度為7 800 m，溫度偏差為ISA+10，靜風(fēng)。具體計(jì)算結(jié)果如表3和表4所示。

從表3看出，在飛機(jī)發(fā)動機(jī)的污染物排放量中，CO2占絕大優(yōu)勢，是民航業(yè)節(jié)能減排的關(guān)注重點(diǎn)。但從表4的成本對比中可以看出，盡管NOx的排放量不及CO2的1%，但由于NOx的排放價(jià)格較高(見表1)，使得其排放成本接近CO2的2/3，需要引起業(yè)界的高度重視。在其他參數(shù)一定情況下，改變輸入成本指數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)性能參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)而影響總飛行成本的大小及構(gòu)成情況。飛機(jī)總飛行成本隨輸入成本指數(shù)增加會先減后增，因此可以優(yōu)化方法搜索到最小飛行成本所對應(yīng)的輸入成本指數(shù)即為綜合成本指數(shù)。

表3 污染物的排放量與輸入成本指數(shù)的關(guān)系Table 3 Relations between pollution emissions and inputted cost index

表4 污染物排放成本與輸入成本指數(shù)的關(guān)系Table 4 Relations between pollution emission cost and inputted cost index

2.4 綜合成本指數(shù)計(jì)算流程設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)

本文采取優(yōu)化遍歷搜索方法計(jì)算出給定大氣相對濕度(φ)、飛行氣壓高度(HP)、溫度偏差(ΔT)、飛機(jī)質(zhì)量(m)、燃油價(jià)格(PF)、成本指數(shù)(CI)、航程(R)等條件下的綜合成本指數(shù)(CIH)。具體優(yōu)化計(jì)算流程圖如圖1所示。

依據(jù)圖1所示的綜合成本指數(shù)計(jì)算流程圖和文中的相關(guān)計(jì)算公式，采用Visual Studio C#開發(fā)了民用飛機(jī)綜合巡航性能計(jì)算分析軟件，主要包括BPS軟件計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)加載、大氣參數(shù)計(jì)算、排放指數(shù)修正計(jì)算、成本計(jì)算、最小成本條件判斷及綜合成本指數(shù)計(jì)算等功能模塊，能根據(jù)輸入的飛機(jī)質(zhì)量、巡航高度、溫度偏差及成本指數(shù)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對綜合成本指數(shù)的計(jì)算。

圖1 綜合成本指數(shù)優(yōu)化計(jì)算流程圖Fig.1 Flowchart of optimizing calculation of integrated cost index

3 基于綜合成本指數(shù)的巡航性能計(jì)算分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

傳統(tǒng)的巡航方式是按照給定的成本指數(shù)由機(jī)載飛行管理系統(tǒng)來對飛行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，沒有考慮污染物排放的成本影響。依據(jù)本文開發(fā)的民用飛機(jī)綜合巡航性能計(jì)算軟件，以B737-800飛機(jī)為例選取典型條件計(jì)算出綜合成本指數(shù)，并對巡航參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。具體計(jì)算條件為：巡航初始質(zhì)量為65 t；巡航高度為8 900 m；巡航距離為1 000 km；標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度環(huán)境；靜風(fēng)；航空公司財(cái)務(wù)部門直接提供的成本指數(shù)(CI)為30(不考慮污染物排放影響)；燃油價(jià)格6 000 ￥/t。表5的第2行為飛機(jī)按給定成本指數(shù)(CI=30)飛行的性能數(shù)據(jù)；第3行為按照優(yōu)化出的綜合成本指數(shù)(CIH=22)飛行時(shí)的性能數(shù)據(jù)。表6則為上述兩種飛行方式下的飛行成本對比。

表5 成本指數(shù)巡航與綜合成本指數(shù)巡航性能數(shù)據(jù)的對比Table 5 Comparison of cruise performance data between cost index and integrated cost index

表6 成本指數(shù)巡航與綜合成本指數(shù)巡航的對比Table 6 Comparison of cruise cost data between cost index and integrated cost index

從表5、表6可以看出，計(jì)算出的綜合成本指數(shù)小于航空公司財(cái)務(wù)部門直接提供的成本指數(shù)大小，采用綜合成本指數(shù)飛行可降低相同條件下的總飛行成本的 0.15%。由于綜合成本指數(shù)偏小會導(dǎo)致飛行速度減緩，因此飛行時(shí)間略有增加，導(dǎo)致時(shí)間成本增加 2.6%。同時(shí)，燃油消耗會有所減少，燃油成本降低 1.1%。除CO外的其他污染物排放量也都會降低，其中絕對降幅和相對降幅最大的是NOx。因此，采用該飛行方式將會更有利于降低民航運(yùn)輸飛行對大氣環(huán)境的影響。

3.2 飛行成本的影響因素分析

在飛機(jī)型號、污染物價(jià)格一定的情況下，飛機(jī)初始質(zhì)量、成本指數(shù)和巡航高度是飛行成本的主要影響因素。圖2給出了飛機(jī)初始巡航質(zhì)量對飛行成本的影響。計(jì)算條件：巡航高度9 500 m，巡航距離1 200 km，靜風(fēng)，ISA+10，成本指數(shù)(CI)為35，燃油價(jià)格6 000 ￥/t。

從圖2可以看出，隨著飛機(jī)質(zhì)量增加，飛機(jī)的巡航時(shí)間基本不變，但燃油消耗有較大增加，使得燃油成本和污染物排放成本也有較大增加。圖3給出了不同巡航方式(成本指數(shù))對飛行參數(shù)和飛行成本的影響。計(jì)算條件：初始巡航質(zhì)量68 t，巡航距離1 500 km，靜風(fēng)，ISA，巡航高度8 900 m，燃油價(jià)格6 000 ￥/t。

從圖3可以看出，燃油成本和污染物成本基本與公司的成本指數(shù)無關(guān)，但由于時(shí)間成本隨成本指數(shù)增加而增加，使得總飛行成本也逐漸減增大。圖4給出了巡航高度對飛行參數(shù)和飛行成本的影響。計(jì)算條件：初始巡航質(zhì)量70 t，巡航距離800 km，靜風(fēng)，ISA，成本指數(shù)(CI)為30，燃油價(jià)格6 000 ￥/t。

圖2 巡航初始質(zhì)量對飛行成本的影響Fig.2 Influence of initial cruise mass on flight cost

圖3 成本指數(shù)對飛行成本的影響Fig.3 Influence of cost index on flight cost

圖4 巡航高度對飛行成本的影響Fig.4 Influence of cruise altitude on flight cost

從圖4可以看出，在常用巡航高度范圍內(nèi)，總飛行成本隨高度升高而先降后略增，其最低值對應(yīng)于飛機(jī)的最佳巡航高度。

通過對不同條件下總飛行成本的計(jì)算和對比(見圖2～圖4)，在運(yùn)行上可通過如下舉措來優(yōu)化飛機(jī)性能參數(shù)，降低航班運(yùn)行成本。

1) 在控制飛機(jī)質(zhì)量方面，盡可能減少不必要的載重。

2) 在成本指數(shù)方面，盡可能減少成本指數(shù)大小。為此需要航空公司進(jìn)一步壓縮飛機(jī)維修費(fèi)用和機(jī)組人員的小時(shí)費(fèi)，通過降低時(shí)間價(jià)格來減小成本指數(shù)。

3) 在巡航高度方面，可計(jì)算出不同飛行氣壓高度下的總飛行成本，然后盡可能地選擇最小成本對應(yīng)的高度來巡航，降低總飛行成本。

4 結(jié) 論

基于ICAO基準(zhǔn)排放數(shù)據(jù)和BM2方法，本文建立了污染物排放成本計(jì)算模型，改進(jìn)了飛行成本計(jì)算模型，建立了基于搜索方法的綜合成本指數(shù)優(yōu)化流程，開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算軟件，以考慮污染物排放對飛行成本優(yōu)化的影響。在其他條件一定時(shí)，選擇合適的綜合成本指數(shù)和巡航高度，可使總飛行成本達(dá)到最小，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

通過改變污染物的排放價(jià)格權(quán)重，還可以計(jì)算不同污染物種類關(guān)注度下的最佳巡航性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)飛行成本、燃油成本和排放成本的總體最優(yōu)化飛行。與傳統(tǒng)巡航相比，在典型情況下采用文中的綜合成本指數(shù)巡航可以降低相同條件下的總飛行成本的0.15%，其中飛行時(shí)間成本增加2.6%、燃油成本降低1.1%、污染物總體排放成本降低3.6%、各種污染物排放成本中降幅最大的是NOx。研究表明，采用該飛行方式將會更有利于降低民航運(yùn)輸飛行對大氣環(huán)境的影響。研究結(jié)果可用于民航飛機(jī)的日常巡航性能優(yōu)化運(yùn)行，提高航班運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。

[1] 張弛， 林宇震， 徐華勝， 等． 民用航空發(fā)動機(jī)低排放燃燒室技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及水平[J]. 航空學(xué)報(bào)， 2014， 35(2)： 332-350．

ZHANG C， LIN Y Z， XU H S， et al. Development status and level of low emissions combustor technologies for civil aero-engine[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2014, 35(2): 332-350 (in Chinese).

[2] MALINA R, MCCONNACHIE D, WINCHESTER N, et al. The impact of the european union emissions trading scheme on US aviation[J]. Journal of Air Transport Management, 2012, 19(3): 36-41.

[3] ICAO. Engine exhaust emissions data bank: Doc 9646-AN/943[R]. Montreal: ICAO, 2009.

[4] TAMARA P, ROBERT B. Estimates of UK CO2emissions from aviation using air traffic data[J]. Climatic Change, 2007, 88(3-4): 367-384.

[5] PHAM V, TANG J, ALAM S, et al. Aviation emission inventory development and analysis[J]. Environmental Modelling & Software, 2010, 25(12): 1738-1753.

[6] OWEN B, LEE D S, LIM L. Flying into the future: Aviation emissions scenarios to 2050[J]. Environmental Science Technology, 2010, 44(10): 2255-2260.

[7] 魏志強(qiáng)， 王超. 航班飛行各階段污染物排放量估算方法[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2010, 10(6): 48-52.

WEI Z Q, WANG C. Estimating method of pollution emissions for scheduled flight in different phases[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2010, 10(6): 48-52 (in Chinese).

[8] 魏志強(qiáng)， 刁華智， 韓博. 民用飛機(jī)巡航階段污染物排放量計(jì)算研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2014, 14(19): 1617-1815.

WEI Z Q, DIAO H Z, HAN B. Research on calculating of aircraft pollution emissions in cruise phase[J]. Science Technology and Engineering, 2014, 14(19): 1617-1815 (in Chinese).

[9] SINGH R. Cost-based flight technique optimization for hybrid energy aircraft[J]. Aircraft Engineering & Aerospace Technology, 2014, 86(6): 591-598.

[10] MIYAZAWA Y, HARADA A, WICKRAMASINGHE N K, et al. Effect of jet passenger aircraft performance model on the optimal periodic cruise maneuver[J]. Space Technology Japan the Japan Society for Aeronautical & Spaceences, 2013, 12: 99-105.

[11] ERZBERGER H, LEE H. Constrained optimum trajectories with specified range[J]. Journal of Guidance Control & Dynamics, 2012, 3(1): 78-85.

[12] FRANCO A, RIVAS D. Minimum-cost cruise at constant altitude of commercial aircraft including wind effects[J]. Journal of Guidance Control & Dynamics, 2011, 34(4): 1253-1260.

[13] VALENZUELA A, RIVAS D. Optimization of aircraft cruise procedures using discrete trajectory patterns[J]. Journal of Aircraft, 2014, 51(51): 1632-1640.

[14] SRIDHAR B, GRABBE S. Optimizing aircraft trajectories with multiple cruise altitudes in the presence of winds[J]. Journal of Aerospace Information Systems, 2014, 11(1): 35-47.

[15] 楊杰， 薛建平， 王發(fā)威, 等. 大型運(yùn)輸機(jī)巡航航跡優(yōu)化方案建模與分析[J]. 飛行力學(xué), 2012, 30(4): 314-317.

YANG J, XUE J P, WANG F W, et al. Cruise trajectory optimization modeling and analysis for large transport[J]. Flight Dynamics, 2012, 30(4): 314-317 (in Chinese).

[16] WEI Z Q, WANG C, LIU F. Calculation of long range cruise performance based on the BADA model[C]//ICCTP 2010: Integrated Transportation Systems: Green, Intelligent, Reliable, 2010: 1097-1103.

[17] 王超， 郭九霞， 沈志鵬. 基于基本飛行模型的4D航跡預(yù)測方法[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 44(2): 295-300.

WANG C， GUO J X， SHEN Z P. Prediction of 4D trajectory based on basic flight models[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2009, 44(2): 295-300 (in Chinese).

[18] SCHUMANN U, GRAF K, MANNSTEIN H. Potential to reduce the climate impact of aviation by flight level changes[C] //3rd AIAA Atmosphere Space Environments Conference. Reston: AIAA, 2011.

[19] KAISER M, ROSENOW J, FRICKE H, et al. Tradeoff between optimum altitude and contrail layer to ensure maximum ecological en-route performance using the enhanced trajectory prediction model (ETPM)[C]//International Conference on Application and Theory of Automation in Command and Control Systems, 2012: 127-134.

[20] GREWE V, FR?MMING C, J?CKEL P, et al. Climate cost functions as a basis for climate optimized flight trajectories[C] //Tenth USA/Europe Air Traffic Management Research and Development Seminar (ATM2013), 2013.

[21] COOK A, TANNER G, WILLIAMS V, et al. Dynamic cost indexing managing airline delay costs[J]. Journal of Air Transport Management, 2010: 26-35.

魏志強(qiáng)男， 碩士， 副教授， 碩士生導(dǎo)師。主要研究方向： 飛機(jī)性能。

Tel.: 022-24092905

E-mail: weizhiqia@sina.com

張文秀女， 碩士研究生。主要研究方向： 飛機(jī)性能。

Tel.: 022-24092434

E-mail: wxzhang@cauc.edu.cn

韓博男， 博士， 講師。主要研究方向： 航空氣象與環(huán)境。

Tel.: 022-24092905

E-mail: bohan@cauc.edu.cn

*Correspondingauthor.Tel.：022-24092905E-mail:weizhiqia@sina.com

Optimizationmethodofaircraftcruiseperformanceparametersconsideringpollutionemissions

WEIZhiqiang1,2,*,ZHANGWenxiu1,HANBo1

1.CollegeofAirTrafficManagement,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China2.TianjinKeyLaboratoryofOperationProgrammingandSafetyTechnologyofAirtrafficManagement,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China

Cruiseisthemainflightphaseforcivilaircraft,andmostofthefuelconsumption,flighttimeandpollutantsareconsumedorproducedinthisphase.ThepollutantemissioncalculationmodelandemissioncostmodelareestablishedbasedontheInternationalCivilAviationOrganization(ICAO)basicemissiondataandBM2methods.Inordertoconsidertheeffectofpollutionemission,theconceptsofpriceweightforpollutionemission,costindexemissionfactorandintegratedcostindexareproposedinthispapertoimprovethetotalflightcostmodel.Duetocalculatingandanalyzingtheinfluenceofinputtedcostindexonflightcost,theoptimumflowchartforcalculatingintegratedcostindexisestablishedbasedonoptimumsearchmethod.TheemissioncalculationsoftwareisdevelopedbyVisualStudioforcalculatingtheeconomicincomeforcruiseflightusingintegratedcostindex.Meanwhile,basedonresultdatacalculatedbythesoftware,theimpactsofinitialcruisemass,costindexandcruisealtitudeonflightcostarealsoanalyzed.Theresultsshowthattheflightcostcanachievetheminimumbychoosingadequateintegratedcostindexandcruisealtitude,asotherconditionsareconstant.Comparedwithtraditionalflightmode,thetotalflightcostcandecrease0.15%atgivenflightcondition.

environmentalpollution;cruiseperformance;integratedcostindex;emissionindex;cruisealtitude

2015-11-20；Revised2016-03-14；Accepted2016-04-11；Publishedonline2016-05-041435

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160504.1435.012.html

s：NationalHigh-techResearchandDevelopmentProgramofChina(2014AA110501);NationalNaturalScienceFoundationofChina(U1533116，21407174);AeronauticalScienceFoundationofChina(20140267002);TianjinResearchProgramofApplicationFoundationandAdvancedTechnology(14JCQNJC08100)

2015-11-20；退修日期2016-03-14；錄用日期2016-04-11； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2016-05-041435

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160504.1435.012.html

國家“863”計(jì)劃 (2014AA110501)； 國家自然科學(xué)基金 (U1533116，21407174); 航空科學(xué)基金 (20140267002); 天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃 (14JCQNJC08100)

*

.Tel.：022-24092905E-mailweizhiqia@sina.com

魏志強(qiáng)， 張文秀， 韓博． 考慮飛機(jī)排放因素的飛機(jī)巡航性能參數(shù)優(yōu)化方法J． 航空學(xué)報(bào),2016,37(11):3485-3493.WEIZQ,ZHANGWX,HANB.OptimizationmethodofaircraftcruiseperformanceparametersconsideringpollutionemissionsJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(11):3485-3493.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0119

V212.13+3

A

1000-6893(2016)11-3485-09