黃夢圓， 胡 榮， 張軍峰， 洪浩強

(南京航空航天大學民航學院, 南京 211106)

民用飛機以航空煤油為燃料,燃燒時會產(chǎn)生碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、二氧化碳(CO2)和二氧化硫(SO2)等廢氣。CO2是常見的溫室氣體,過量排放將增強溫室效應(yīng),影響全球氣候；HC和NOx是光化學煙霧的重要前體物；SO2和NOx轉(zhuǎn)化生成的硫酸和硝酸微粒是造成酸雨的主要原因；CO在空氣中不易與其他物質(zhì)產(chǎn)生化學反應(yīng),可在大氣中停留2～3年之久,如果局部污染嚴重,對人體健康有一定危害。這些廢氣不僅會降低機場周圍的空氣質(zhì)量,影響周邊居民的生活,還會破壞大氣環(huán)境,加劇溫室效應(yīng)。在大力推行綠色可持續(xù)發(fā)展的當下,減少飛機廢氣排放已經(jīng)成為業(yè)界和學術(shù)界研究的重要內(nèi)容之一。計算飛機廢氣排放量是評估其環(huán)境影響、檢驗減排效果的基礎(chǔ)和前提。中外很多學者都對此展開了研究。Kurniawan等[1]從排放指數(shù)、燃油消耗和不確定性等方面,對多種飛機污染物排放計算方法進行了鑒別、比較和評述,并提出國際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)的排放計算模型被廣泛使用,是目前評估著陸和起飛(landing and take off,LTO)循環(huán)階段污染物排放的最可靠方法。現(xiàn)有研究文獻多以ICAO排放計算模型為基礎(chǔ),通過優(yōu)化標準模型來得到更接近實際的計算結(jié)果。

ICAO將廢氣排放量記作燃油消耗量和廢氣排放指數(shù)的乘積,模型的優(yōu)化往往也是從這兩個方面入手。在燃油消耗方面：Khadilkar等[2]建立了一種基于飛行數(shù)據(jù)記錄儀(flight data recorder,FDR)數(shù)據(jù)的飛機滑行階段油耗估算模型,建立了滑行階段燃油消耗量與滑行時間、停止次數(shù)、轉(zhuǎn)彎次數(shù)、加速度次數(shù)等變量的線性函數(shù)；Chati等[3]提出了基于飛行軌跡、飛機控制和發(fā)動機性能的飛機爬升和進近階段燃油消耗的測算方法,有效減少了燃油消耗總量的誤差。而在排放指數(shù)方面,波音燃油流量方法2(boeing fuel flow method 2,BFFM2)是選用較多的排放指數(shù)修正方法。Chati等[4]借助FDR數(shù)據(jù),采用BFFM2對排放指數(shù)進行修正,并將其結(jié)果與ICAO進行對比,發(fā)現(xiàn)ICAO方法的排放量通常偏大。魏志強等[5]利用波音公司的飛機性能計算軟件計算了不同巡航方式、巡航高度、巡航重量、外界溫度偏差等條件下的飛機性能參數(shù),并用BFFM2修正排放指數(shù),建立了巡航階段廢氣排放量的計算模型。

得到廢氣排放數(shù)據(jù)之后,可以進一步分析排放影響因素、制定并檢驗減排措施。Ashok等[6]從空氣質(zhì)量和氣候環(huán)境的角度,對底特律大都會機場實施延遲起飛控制和減推力起飛的減排措施進行了評估。魏志強等[7]提出廢氣排放價格權(quán)重、成本指數(shù)排放因子和綜合成本指數(shù)概念,改進了飛行成本計算模型。

在飛機廢氣排放和影響因素分析方面,現(xiàn)有研究已經(jīng)取得了顯著的成果,但以下幾點仍有進一步探索的價值：①中國評估LTO循環(huán)階段排放的文獻較多,有關(guān)巡航階段排放測算的文獻較少；②排放影響因素分析的實際數(shù)據(jù)來源不足；③在緩解飛機廢氣排放的具體措施方面存在很大的提升空間。因而,基于快速存取記錄器(quick access recorder,QAR)記錄的實際飛行數(shù)據(jù),對ICAO標準模型進行修正,然后計算兩個航班全程的CO2、HC、CO和NOx排放量,進而分析飛機廢氣排放的影響因素,并據(jù)此提出緩解飛機廢氣排放的具體措施,以期為減少民航污染物排放提出實用建議。

1 模型與數(shù)據(jù)

1.1 飛行階段劃分

在研究飛機廢氣排放時,根據(jù)其對環(huán)境的影響,通常將飛行階段劃分為兩個部分：LTO循環(huán)階段和爬升巡航下降(climb cruise and descent,CCD)階段。ICAO定義的參考LTO循環(huán)包括飛機在機場附近距離地面3 000 英尺(914 m)以下的所有活動(包括滑行、起飛、爬升和降落)。相應(yīng)地,CCD階段是指飛機除LTO階段之外的所有活動[8]。飛機在LTO循環(huán)階段的排放對機場周邊的環(huán)境影響較大；而在CCD階段,飛機排放主要影響的是全球氣候和臭氧層。

1.2 LTO排放計算模型

ICAO給出了3種計算飛機發(fā)動機排放的方法：簡單方法、高級方法和復(fù)雜方法,考慮到計算方法的準確性、普遍性、可行性與經(jīng)濟性,以ICAO高級方法為基礎(chǔ)進行計算,其基本計算公式為

Ej=∑60TIMk×FFk×EIjk×NE)

(1)

式(1)中：Ej為一個LTO循環(huán)中廢氣j的排放總量，g；TIMk為k階段(起飛、爬升、進近或滑行)的飛行時間，min；FFk為單臺發(fā)動機在k階段(起飛、爬升、進近或滑行)的燃油流量，kg/s；EIjk為單臺發(fā)動機在k階段(起飛、爬升、進近或滑行)的廢氣j的排放指數(shù)，g/kg；NE為安裝的發(fā)動機數(shù)量。

將利用快速存取記錄器數(shù)據(jù)(包括飛行高度、實際燃油流量、外界溫度、馬赫數(shù)等),采用BFFM2方法[9],進一步優(yōu)化式(1)中的燃油流量、飛行時間和排放指數(shù)。其中,實際燃油流量和飛行時間可以直接從快速存取記錄器數(shù)據(jù)中獲得；排放指數(shù)則先采用分段線性插值法,按照實際燃油流量對ICAO推薦值進行初步修正,然后根據(jù)環(huán)境條件(外界溫度、氣壓、馬赫數(shù)等)再次修正,從而得到更貼合實際的排放指數(shù)。最后將實際燃油流量、實際運行時間和修正排放指數(shù)代入式(1)求得實際廢氣排放量。

1.2.1 燃油流量換算

ICAO標準數(shù)據(jù)庫的燃油流量是在標準海平面高度和標準大氣條件下的數(shù)值。在進行分段線性插值前,需要將實際燃油流量換算為標準海平面、標準大氣條件下的數(shù)值。換算公式為

(2)

式(2)中：FFM為單臺發(fā)動機的換算燃油流量，kg/s；FF為單臺發(fā)動機的實際燃油流量，kg/s；δ為外界溫度與標準大氣條件下海平面溫度之比，為288.15 K；θ為外界氣壓與標準大氣條件下海平面氣壓之比，為1 013.25 hPa；Ma為飛行馬赫數(shù)。

由于可獲取的快速存取記錄器數(shù)據(jù)中不包含外界氣壓,采用美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)提供的方法,根據(jù)飛行高度和外界溫度推算氣壓,計算公式為

(3)

式(3)中：P為推算得到的外界氣壓，Pa；P0為標準大氣條件下的海平面氣壓，為101 325 Pa；Ptrop為對流層頂?shù)臍鈮?，?2 619 Pa；g為引力常數(shù)，為9.81 m/s2；R為空氣的氣體常數(shù)，為286.9 J/(kg·K)；Ttrop為對流層頂?shù)臏囟龋瑸?16.65 K；h為飛行高度，m；htrop為對流層頂?shù)母叨龋?1 000 m。

1.2.2 分段線性插值修正排放指數(shù)

FAA將HC、CO排放指數(shù)的對數(shù)擬合為燃油流量的對數(shù)的分段線性函數(shù),將NOx排放指數(shù)的對數(shù)擬合為燃油流量的對數(shù)的線性函數(shù),以此描述廢氣排放指數(shù)隨燃油流量的變化。因此,基于換算后的燃油流量,對排放指數(shù)進行分段線性插值計算,計算公式為

(4)

式(4)中：EI0為初步修正得到的廢氣排放指數(shù)，g/kg；EITO、EIC、EIA、EII為ICAO數(shù)據(jù)庫給出的起飛、爬升、進近和滑行階段的標準排放指數(shù)，g/kg；FFTO、FFC、FFA、FFI為ICAO數(shù)據(jù)庫給出的起飛、爬升、進近和滑行階段單臺發(fā)動機的標準燃油流量，kg/s。

1.2.3 根據(jù)環(huán)境因素修正排放指數(shù)

結(jié)合快速存取記錄器數(shù)據(jù)提供的飛行高度、外界溫度等數(shù)據(jù),進一步對排放指數(shù)進行環(huán)境修正,修正公式為

(5)

式(5)中：EIj為廢氣j的修正排放指數(shù)，g/kg；H為濕度因子。

需要注意的是,CO2的排放指數(shù)不隨發(fā)動機型號、外界環(huán)境或燃油流量變化,其排放量只與燃油消耗量有關(guān),因此不需要修正。其數(shù)值恒定,為3 115 g/kg。

1.2.4 LTO排放量計算

根據(jù)快速存取記錄器數(shù)據(jù)給出的實際燃油流量和飛行時間,可以計算LTO階段廢氣排放量,計算公式為

(6)

式(6)中：EjLTO為廢氣j在LTO階段的排放量，g；n為飛機安裝的發(fā)動機臺數(shù)；TLTO為LTO階段的運行時間，s；FFi為發(fā)動機i的實際燃油流量，kg/s；EIij為發(fā)動機i的廢氣j的修正排放指數(shù)，g/kg。

1.3 CCD排放計算模型

CCD階段的排放計算方法與LTO階段一致,先修正排放指數(shù),再結(jié)合實際燃油流量和運行時間,計算得出實際廢氣排放量。排放指數(shù)修正過程參照式(2)～式(5),CCD階段的廢氣排量計算公式為

(7)

式(7)中：EjCCD為廢氣j在CCD階段的排放量，g；TCCD為CCD階段的運行時間，s。

1.4 全程排放總量計算模型

將1.2、1.3節(jié)的計算結(jié)果相加,即可得到廢氣j的航班全程排放量Ej為

Ej=EjLTO+EjCCD

(8)

1.5 航班基本數(shù)據(jù)

為了便于對比分析,選取東方航空同一天運行、相同起訖機場的兩個航班。航班基本信息如表1所示。飛機快速存取記錄器數(shù)據(jù)的采樣間隔為1 s,主要包括燃油流量、大氣靜溫、氣壓高度、馬赫數(shù)等信息。

航班A/B的飛行高度剖面如圖1所示,可見其飛行高度剖面基本一致,只是部分時間的巡航高度有所不同。由于本文未能獲得實時氣象數(shù)據(jù),而這兩個航班的航線一致、起飛時間十分接近,可以粗略地認為其氣象環(huán)境一致；并且,飛行高度的差異更容易表示,便于納入影響因素分析,再考慮到實際運行中難以找到兩個飛行高度剖面完全相同的航班,因此認為這兩個航班適合用于比較研究。

表1 航班基本信息對比

圖1 航班A和航班B的飛行高度剖面

2 結(jié)果與分析

2.1 與LTO標準模型的結(jié)果比較

航班A/B各階段的廢氣排放量如表2所示。

由于ICAO只提供了LTO循環(huán)階段的標準排放量,下面對比分析僅針對LTO循環(huán)階段的ICAO標準值與本文計算值的差異,如圖2所示(Δ%為ICAO標準值與本文計算值之差相對于計算值的百分比)。

經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),在LTO循環(huán)的各個階段,絕大多數(shù)情況下,CO2、HC、CO、NOx的ICAO標準排放量高于實際排放量(除起飛和進近著陸階段的CO排放量,以及進近著陸階段的HC排放量)。ICAO標準排放量普遍比實際排放量高50%以上,在滑行階段的差值甚至超過了實際值的500%。李娜等[10]的研究也發(fā)現(xiàn)ICAO標準值一般偏大。因而,如果條件允許(資金充足、數(shù)據(jù)可得等),建議采用修正后的模型分析飛機排放。

2.2 機型/發(fā)動機對排放的影響

利用2.1節(jié)中的排放數(shù)據(jù),逐一分析航班廢氣排放的影響因素。

圖2 本文計算值與ICAO標準值比較

由表2可知,在任意飛行階段,航班A(A332)4種廢氣的排放量均比航班B(B738)高。考慮到A332的座位數(shù)比B738多44%左右(表2),進一步對比兩個航班的人均廢氣排放量,結(jié)果如圖3所示?？梢钥吹胶桨郃的4種廢氣在各個飛行階段的人均排放量依然比航班B高?？紤]座位數(shù)之后,兩個航班的排放差異明顯縮小了。但在本文案例中,無論以廢氣排放總量還是人均廢氣排放量衡量機型的環(huán)保性,B738的環(huán)保性都比A332好。

當然,不同機型排放的差異關(guān)鍵體現(xiàn)在所配備的發(fā)動機型號區(qū)別。雖然不同型號發(fā)動機的主要工作原理大同小異,但很多設(shè)計參數(shù)與制造工藝存在區(qū)別,這就導(dǎo)致了在廢氣排放方面的表現(xiàn)有所差異。例如，航班B配備的CFM56-7B26E發(fā)動機采用雙環(huán)腔頭部的燃燒室,可大幅降低NOx的排放。

表2 航班全程各階段廢氣排放量計算結(jié)果

圖3 航班A/B的廢氣排放總量比值和人均排放量比值

2.3 運行時間對排放的影響

在不同航班的同一飛行階段,運行時間不同會導(dǎo)致兩者排放量不同。兩個航班各個飛行階段的飛行時間比較結(jié)果如表3所示,可見航班A的爬升、進近著陸和滑行時間都大于航班B；特別地,航班A的滑行時間比航班B長795 s,幾乎是航班B的5倍,而與之對應(yīng)的是,航班A在滑行階段4種廢氣的人均排放量是航班B的4～11倍(圖3)。在起飛和CCD階段,航班A的運行時間比航班B短,這兩個階段航班A與航班B的廢氣排放量比值相對于其他階段也更小(圖3)。因此,對于同一飛行階段,運行時間是造成廢氣排放差異的原因之一,并且,時間越長,排放量越大。

表3 航班A/B各階段飛行時間對比

同樣,對于同一航班的不同飛行階段,運行時間也會影響各階段的廢氣排放。航班A各個飛行階段的運行時間占比及各種廢氣在不同飛行階段的排放量分布如圖4所示。顯而易見,對于各類廢氣而言,排放量所占比重最大的階段皆為CCD階段,這是因為CCD階段的時長遠大于其他階段。因此,減少CCD階段的廢氣排放是民航減排的一個切入點。魏志強等[7]將排放因素添加到飛機巡航性能參數(shù)優(yōu)化中,進而可選擇某種污染物排放量最低的巡航高度/巡航方式。

值得注意的是,盡管滑行時間在LTO階段中占比最大,但該階段的CO2和NOx排放量卻不是最大的,這與發(fā)動機不同工況下的燃油流量與排放指數(shù)密切相關(guān)[11]。

圖4 航班A各飛行階段的時間占比和廢氣排放量占比

2.4 燃油流量對排放的影響

由式(1)可知,燃油流量和排放指數(shù)對排放量有直接影響；而在排放指數(shù)修正過程中,又利用了燃油流量進行分段線性插值。因此,燃油流量對排放量既有直接影響,又有間接影響。

進一步地,計算LTO各階段的平均燃油流量后發(fā)現(xiàn),航班A進近著陸的階段的平均燃油流量是滑行階段的3倍,起飛和爬升階段是滑行階段的12倍(表4)。這也部分解釋了2.3節(jié)中滑行時間在LTO中占比最長,而CO2和NOx排放量占比卻不是最大的原因。

表4 航班A各飛行階段的平均燃油流量

3 結(jié)論

為準確計算并分析飛機廢氣排放，基于快速存取記錄器數(shù)據(jù)優(yōu)化了ICAO標準排放計算模型,計算了實際運行航班的廢氣排放,并從機型/發(fā)動機型號、運行時間及燃油流量3個方面探討了影響飛機排放的關(guān)鍵因素?；谘芯拷Y(jié)論,提出如下3點建議以減少航班廢氣排放。

(1)改善機隊組合。一方面,飛機制造商應(yīng)該研發(fā)更節(jié)能、更環(huán)保的飛機和發(fā)動機；另一方面,航空公司要注意及時更新和調(diào)整機隊組合,引進環(huán)保性相對較好的飛機,并基于快速存取記錄器數(shù)據(jù)監(jiān)控飛機狀態(tài),及時淘汰機齡較長、性能退化較大的飛機。

(2)優(yōu)化場面運行程序。滑行階段在LTO循環(huán)中所占的比重最大,對周邊環(huán)境的影響較大。隨著機坪管制移交工作的逐步推進,機場可以結(jié)合歷史運行數(shù)據(jù),開展場面運行狀況預(yù)測,制定不同的推出和滑行方案,盡量減少場面滑行時間和距離。

(3)調(diào)整航路和巡航模式。CCD階段在航班全程中所占比重最大,會影響全球氣候。民航空管部門需要積極協(xié)調(diào)使用臨時航線,實現(xiàn)航班“截彎取直”飛行,盡量縮短飛行距離；航空公司可以將環(huán)境成本添加到飛行成本中,估算最佳巡航速度,減少巡航過程中的燃油消耗和廢氣排放。