孫毅剛，雷因特，孫爽

中國(guó)民航大學(xué)，天津 300300

民航業(yè)在飛速發(fā)展的同時(shí)，也面臨一系列問(wèn)題，如大量燃油消耗、噪聲及大氣污染、機(jī)場(chǎng)地面交通擁擠等，因此航空能源實(shí)現(xiàn)低碳是一個(gè)非常重要的發(fā)展目標(biāo)[1]。為減輕相關(guān)負(fù)面影響，達(dá)到節(jié)省燃油、縮短滑行時(shí)間等目的，電動(dòng)滑行系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。電動(dòng)滑行系統(tǒng)基于加載額外電動(dòng)機(jī)的理念，以輔助動(dòng)力裝置（APU）為動(dòng)力源，使飛機(jī)無(wú)須啟動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)，便能在機(jī)場(chǎng)自由移動(dòng)。

在理論研究方面，M.Zhang 等[2]考慮低能見度與滑行因素建立了新的燃油消耗模型，有利于電動(dòng)滑行系統(tǒng)的節(jié)油收益研究。N.M.Dzikus等[3]對(duì)于中短途飛機(jī)采用電動(dòng)滑行、操作拖曳、單發(fā)驅(qū)動(dòng)的推出方式對(duì)比研究其燃油消耗。R.Guo 等[4]為了量化比較機(jī)場(chǎng)地面的環(huán)境影響，基于ICAO的數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算了10個(gè)不同場(chǎng)景下的燃油消耗量及排放量，說(shuō)明電動(dòng)滑行系統(tǒng)的節(jié)能減排收益遠(yuǎn)大于其他滑行方式。唐建軍等[5]設(shè)計(jì)了基于主起落架機(jī)輪驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)電動(dòng)滑行系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。張威等[6]對(duì)電動(dòng)滑行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)研究并加以仿真，結(jié)果表明電動(dòng)滑行驅(qū)動(dòng)最大滑行速度可達(dá)37km/h。在工程應(yīng)用方面，霍尼韋爾公司和賽峰公司共同開發(fā)了民用飛機(jī)綠色電動(dòng)滑行系統(tǒng)（EGTS）方案[7]。Wheel Tug 公司研發(fā)的電動(dòng)滑行技術(shù)將動(dòng)力機(jī)輪安裝在民用飛機(jī)前起落架上，也開展了相關(guān)試驗(yàn)[8]。

對(duì)于電動(dòng)滑行系統(tǒng)的力學(xué)性能與節(jié)油性能，已經(jīng)有了較為成熟的研究。但同時(shí)比較經(jīng)濟(jì)性與排放性能的研究相對(duì)較少，對(duì)應(yīng)用電動(dòng)滑行系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響缺乏更直觀的認(rèn)識(shí)。因此，本文將重點(diǎn)探究電動(dòng)滑行系統(tǒng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)影響與環(huán)境影響，并評(píng)估可能帶來(lái)的效益。進(jìn)一步討論電動(dòng)滑行系統(tǒng)的優(yōu)劣性，通過(guò)BADA 計(jì)算模型的估計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)論證其經(jīng)濟(jì)收益。本文建立了電動(dòng)滑行系統(tǒng)排放性能模型，將應(yīng)用電動(dòng)滑行系統(tǒng)與使用發(fā)動(dòng)機(jī)滑行產(chǎn)生的油耗與排放進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)綜合分析節(jié)能減排性能。

1 電動(dòng)滑行系統(tǒng)應(yīng)用研究

1.1 優(yōu)勢(shì)分析

1.1.1 燃油節(jié)省

通常情況下，飛機(jī)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行實(shí)現(xiàn)地面滑行，在此期間燃油利用率較低。而應(yīng)用電動(dòng)滑行系統(tǒng)的主要目的便是節(jié)約燃油。滑行過(guò)程中的節(jié)油量FC定義為

式中，F(xiàn)Ce為僅使用發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的滑行油耗，F(xiàn)Ca為僅使用APU 時(shí)的滑行油耗，T為滑行時(shí)間。為了量化FCe，需要確定滑行過(guò)程中停車次數(shù)、轉(zhuǎn)彎次數(shù)等因素。因此，通常使用Nikoleris等[9]所建立的公式

式中，m表示飛機(jī)的5 種狀態(tài)，包括靜止、加速、轉(zhuǎn)彎、勻速滑行、剎車。tmi為在m狀態(tài)下所花的時(shí)間，fmi為在m狀態(tài)下的燃油流量。根據(jù)上述研究，本文假定FCe為7%推力情況下的燃油消耗量。相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)7%推力下的燃油流量見表1。

表1 不同發(fā)動(dòng)機(jī)在7%推力下的燃油流量Table 1 Fuel flow of different engines at 7%thrust

對(duì)于裝載電動(dòng)滑行系統(tǒng)的波音737 及空客A320，在APU達(dá)到最大工作負(fù)載的情況下，保守估計(jì)燃油流量可達(dá)到130kg/h，而根據(jù)ACRP[10]的研究，未裝載電動(dòng)滑行系統(tǒng)的飛機(jī)燃油流量?jī)H為75kg/h。由于滑行時(shí)間T取決于具體區(qū)域條件，故本文參考H.Khadilkar[11]與來(lái)靖晗等[12]的研究，利用BADA模型工具做估測(cè)計(jì)算。

1.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)節(jié)省

裝載電動(dòng)滑行系統(tǒng)的飛機(jī)在滑行階段通過(guò)APU 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)從而驅(qū)動(dòng)機(jī)輪，因此可延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)壽命以及節(jié)省維護(hù)成本。發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)省的維護(hù)成本W(wǎng)e定義為

式中，we對(duì)應(yīng)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘的節(jié)約成本；N為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)成本估計(jì)占整個(gè)維護(hù)成本的40%。根據(jù)S.R. I. Insight[13]的研究，每小時(shí)飛行的維護(hù)成本約為750 歐元，每小時(shí)飛行發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本約為200 歐元。根據(jù)ITIA的成本報(bào)告，每小時(shí)飛行的直接維護(hù)成本約為1018歐元，其中36%用于發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)，約為366歐元。故根據(jù)以上不同的研究報(bào)告可做出保守估計(jì)，每小時(shí)飛行的每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本約為250 歐元。不考慮整個(gè)航程，僅在滑行階段使用電動(dòng)滑行系統(tǒng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的降低也使部件損耗減少，最佳預(yù)計(jì)能節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)50%～60%的運(yùn)行時(shí)間。

1.1.3 污染物排放量的減少

D.C.Carslaw等[14]研究確立了一種檢測(cè)大型機(jī)場(chǎng)排放物的方法，說(shuō)明了在一定滑行距離內(nèi)，裝載電動(dòng)滑行系統(tǒng)的飛機(jī)總共減少86%以上的CO 排放、94%以上的HC 排放、67%以上的NOx排放。本文之后將基于ICAO 公布的排放數(shù)據(jù)庫(kù)與M.N.Postorino 等[15]的研究，建立排放性能模型，并對(duì)電動(dòng)滑行系統(tǒng)的減排性能進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)。

1.1.4 其他

在飛機(jī)后推過(guò)程中一般使用牽引車進(jìn)行作業(yè)。但由于裝載了電動(dòng)滑行系統(tǒng)，其能自主向后移動(dòng)，從而降低搬運(yùn)成本，降低使用曳引車時(shí)發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)S.Cash 等[16]的研究數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)一趟作業(yè)可直接節(jié)省25～100歐元。本文研究使用了最保守值，即每次后推節(jié)省25歐元。

電動(dòng)滑行系統(tǒng)能夠更靈活地做出反應(yīng)，將有更高的滑行效率，所以制動(dòng)器磨損將顯著減少。根據(jù)DiSanto[17]的研究，應(yīng)用電動(dòng)滑行系統(tǒng)的飛機(jī)不必使用剎車來(lái)減速，因此碳剎車的磨損將減少約20%。一個(gè)周期內(nèi)與制動(dòng)器磨損相關(guān)的平均成本在5～10歐元之間，其取決于飛行員的具體滑行操作。本文預(yù)計(jì)每次飛行可節(jié)省約1歐元。

1.2 消極影響

1.2.1 額外的油耗

電動(dòng)滑行系統(tǒng)的重量（質(zhì)量）因制造商而異，根據(jù)已有的工程應(yīng)用案例，估計(jì)其重量在150～300kg 之間。這種額外增重將伴隨整個(gè)航程，這必定會(huì)導(dǎo)致額外的燃油消耗。額外燃油消耗AFC定義為

式中，TFL為巡航時(shí)間，AFCFL為巡航階段的每小時(shí)額外消耗燃油量，To為爬升至巡航高度的時(shí)間，AFCo為爬升至巡航高度期間每分鐘額外燃油消耗。

針對(duì)額外燃油消耗的計(jì)算較為復(fù)雜，其取決于真空速、環(huán)境變量、飛行高度等。而爬升階段的額外燃油消耗計(jì)算更為繁復(fù)，因此本文僅粗略估計(jì)。通過(guò)BADA 計(jì)算工具以及QAR 數(shù)據(jù)對(duì)某架波音737-800 的整個(gè)航程進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算。結(jié)果顯示，對(duì)于每增加100kg的重量，其燃油消耗率約為1.8kg/h。并基于D.Poles 等[18]的研究，估測(cè)得知此架波音737-800 每一個(gè)飛行周期內(nèi)，每額外增重100kg，便額外消耗約5kg的燃油。

1.2.2 APU額外的維護(hù)費(fèi)用與污染物排放

由于裝載電動(dòng)滑行系統(tǒng)，APU 需要進(jìn)行額外維護(hù)。根據(jù)Ackert[19]的研究，APU 每小時(shí)的維護(hù)成本達(dá)到35 歐元。由于在最大工作功率下的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，預(yù)期壽命可能會(huì)減少20%，因此使用電動(dòng)滑行系統(tǒng)時(shí)，額外的APU 維護(hù)成本為每小時(shí)約5歐元。

在滑行階段，APU 給電動(dòng)機(jī)供電，將會(huì)產(chǎn)生額外的排放。不同機(jī)型、不同APU 型號(hào)所產(chǎn)生的排放量均不同。F.Re[20]研究指出，APU 燃油消耗率可以用發(fā)電量來(lái)表示，在得到直流環(huán)節(jié)的功率需求后，將可用于其燃油消耗量的計(jì)算，而額外的排放則基于燃油消耗量來(lái)計(jì)算。

1.2.3 其他

應(yīng)用電動(dòng)滑行系統(tǒng)后，牽引力通過(guò)輪胎傳遞，因此輪胎的磨損將會(huì)更大?？紤]到機(jī)輪啟動(dòng)時(shí)的打滑狀況，從動(dòng)輪會(huì)有額外的磨料磨損。在滑行過(guò)程中產(chǎn)生的劇烈操縱，也會(huì)導(dǎo)致額外的磨損。在正常情況下，波音737 上的主輪輪胎每個(gè)價(jià)格高達(dá)1萬(wàn)歐元。前起落架上的單個(gè)機(jī)輪價(jià)格比主起落架上的機(jī)輪低約60%。但該輪胎承受的更高的應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致其更快磨損。在本文研究中，此成本參考Pacejke[21]的研究做簡(jiǎn)單估計(jì)，額外花費(fèi)不到輪胎成本的2%。

配備電動(dòng)滑行系統(tǒng)的飛機(jī)不會(huì)對(duì)自身航程造成延誤，但可能會(huì)對(duì)其后起飛的飛機(jī)造成延誤。由于延長(zhǎng)了整體的滑行時(shí)間，可能會(huì)抵消應(yīng)用電動(dòng)滑行系統(tǒng)產(chǎn)生的整體燃油節(jié)省。在本文研究中，假設(shè)電動(dòng)滑行系統(tǒng)不產(chǎn)生可能出現(xiàn)的延遲，并不考慮裝載電動(dòng)滑行系統(tǒng)產(chǎn)生的一次性費(fèi)用。

2 經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析

2.1 模型建立

本文對(duì)某架應(yīng)用電動(dòng)滑行系統(tǒng)的波音737-800進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析。此過(guò)程中盡可能采用成本最高的估計(jì)，便于顯現(xiàn)電動(dòng)滑行系統(tǒng)在較為極端條件下的優(yōu)勢(shì)。已知條件如下:裝載兩臺(tái)CFM56-7B22 發(fā)動(dòng)機(jī)，APU 型號(hào)為GTCP 36-300，飛行時(shí)間約為2h，滑行時(shí)間約為15min（900s），滑行長(zhǎng)度約為2000m，電動(dòng)滑行系統(tǒng)的預(yù)估重量為300kg，燃油費(fèi)用為0.75 歐元/kg。在主起落架上裝載電動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)與APU相關(guān)參數(shù)見表2、表3[22]。

表2 APU性能參數(shù)Table 2 APU performance parameters

表3 CFM56-7B22發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)［22］Table 3 CFM56-7B22 engine performance parameters［22］

電動(dòng)滑行系統(tǒng)主要包括機(jī)械系統(tǒng)模型、電氣系統(tǒng)模型以及排放系統(tǒng)模型。飛行員起動(dòng)APU 給電動(dòng)滑行系統(tǒng)供電，然后控制手柄使其置于前進(jìn)或后退擋；電機(jī)控制器通過(guò)一系列的電力電子元件，控制主起落架上的電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，再通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)傳遞到機(jī)輪，控制機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)向前或向后滑行。由于本文主要研究經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，故電動(dòng)滑行系統(tǒng)整體建模不在此贅述,電動(dòng)滑行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)滑行系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of electric taxiing system

電動(dòng)滑行系統(tǒng)消耗的電能源于APU的發(fā)電機(jī)，其消耗的也是航空燃油，因此對(duì)電動(dòng)滑行系統(tǒng)排放性能的評(píng)估本質(zhì)上需要建立APU 的油耗排放模型。排放模型的建立需要電動(dòng)滑行系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，見表4。

表4 電動(dòng)滑行系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)Table 4 Electric taxi system related parameters

本文根據(jù)APU與發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)，利用數(shù)學(xué)方法得到發(fā)動(dòng)機(jī)推力與燃油消耗率的插值關(guān)系以及有害氣體排放量與燃油消耗率的擬合關(guān)系，再用Matlab/Simulink 平臺(tái)搭建發(fā)動(dòng)機(jī)與APU的排放性能模型，如圖2所示。

圖2 電動(dòng)滑行系統(tǒng)排放性能模型Fig.2 Emission performance model of electric taxi system

此模型中輸入的比值均為機(jī)場(chǎng)測(cè)量的某值與標(biāo)準(zhǔn)狀況下海平面的某值之比，為了提高仿真的準(zhǔn)確性，引入修正值對(duì)能耗排放系數(shù)進(jìn)行修正，最后得到油耗與排放量。因?yàn)閷?shí)際的環(huán)境條件存在差異，APU與發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)也各不相同，此模型的具體參數(shù)及函數(shù)也隨之改變。本文基于上述所給定的某架波音737-800詳細(xì)參數(shù)，對(duì)電動(dòng)滑行系統(tǒng)進(jìn)行排放性能的仿真。

2.2 環(huán)保性分析

在同樣的工況下，仿真比較分析兩種滑行模式的油耗及CO、HC、NOx排放量，由此計(jì)算出使用電動(dòng)滑行系統(tǒng)代替發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)的節(jié)油率和有害氣體減排率。通過(guò)這種方式，本文對(duì)此系統(tǒng)的節(jié)能減排性能進(jìn)行了研究。圖3 顯示了兩種不同滑行模式下的燃料消耗量和有害氣體排放量的比較結(jié)果?；须A段燃油消耗量極大減少，各相關(guān)有害氣體排放量也相對(duì)減少。為更直觀地表現(xiàn)油耗節(jié)省以及節(jié)能減排能力，現(xiàn)引入收益率η（節(jié)油率為ηFC,CO、HC、NOx減排率表現(xiàn)為η1、η2、η3），得到收益率曲線如圖4所示。

圖3 兩種驅(qū)動(dòng)方式燃油消耗及排放對(duì)比Fig.3 Comparison between fuel consumption and emission of two driving modes

由圖4可知，裝載電動(dòng)滑行系統(tǒng)的飛機(jī)在規(guī)定工況下，僅在滑行階段燃油節(jié)省最高可達(dá)84%，而CO 減排率可達(dá)85%左右，HC 減排率甚至能達(dá)95%，NOx減排率約為68%。節(jié)能減排效應(yīng)較為明顯。

圖4 滑行階段相對(duì)收益率Fig.4 Relative rate of return during taxiing

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)S. Ekici 等[23]的研究，APU 在最大工作功率條件下，油耗可達(dá)130kg/h，即0.036kg/s。結(jié)合第一節(jié)的研究分析，此飛機(jī)在規(guī)定工況下滑行階段的節(jié)油計(jì)算如下:

計(jì)算得知，在此滑行階段節(jié)省燃油量FCe約176.4kg，應(yīng)用電動(dòng)滑行系統(tǒng)的燃油消耗率僅為使用發(fā)動(dòng)機(jī)滑行燃油消耗率的15.5%。燃油節(jié)省費(fèi)用WF=176.4×0.75=132.3 歐元；根據(jù)優(yōu)勢(shì)分析可得知后推節(jié)省費(fèi)用WP=25 歐元；發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)節(jié)省We=250×（1-60%）×2×0.25=50 歐元；碳剎車節(jié)省費(fèi)用Wb=1歐元?？偣补?jié)省費(fèi)用Wsave為

通過(guò)優(yōu)勢(shì)分析計(jì)算得知，一趟中短型航班可節(jié)省約208.3 歐元。通過(guò)第1 節(jié)的消極影響分析得知飛機(jī)增重300kg于滑行段多消耗約15kg燃油。因此計(jì)算得到額外燃油花費(fèi)QF=15×0.75=11.25 歐元；輪胎所多承受的應(yīng)變磨損導(dǎo)致的額外維護(hù)費(fèi)用QW為2 歐元；APU 額外維護(hù)費(fèi)用Qa=5×2=10歐元?？偣差~外費(fèi)用Qcost為

通過(guò)消極影響分析計(jì)算得知，一趟中短型航班需額外花費(fèi)23.25歐元。最終的總體經(jīng)濟(jì)收益U定義為

綜上所述，在某中短航程的波音737-800 客機(jī)上裝載地面電動(dòng)滑行系統(tǒng)，滑行階段最終所能帶來(lái)的成本節(jié)省約為185歐元。

3 結(jié)論

本文對(duì)電動(dòng)滑行系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)研究，主要包括其優(yōu)勢(shì)以及可能帶來(lái)的負(fù)面影響。利用BADA計(jì)算模型與Matlab/Simulink 仿真軟件對(duì)其經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:

（1）飛機(jī)滑行階段使用電動(dòng)滑行系統(tǒng)存在兩個(gè)方面的影響。在不考慮隨機(jī)狀況的情況下，使用電動(dòng)滑行系統(tǒng)滑行優(yōu)于傳統(tǒng)的使用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滑行。

（2）在給定條件下，電動(dòng)滑行系統(tǒng)代替發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面滑行的節(jié)油率高達(dá)84%，而CO 減少約85%的排放量，HC減少約95%的排放量，NOx減少約68%的排放量，節(jié)能減排效果明顯。

（3）在給定條件下，根據(jù)計(jì)算，每一趟中短型航班可節(jié)省約185歐元；保守估計(jì)每架飛機(jī)每年飛行1000次，則每有一臺(tái)使用電動(dòng)滑行系統(tǒng)的飛機(jī)，即可為航空公司每年節(jié)省約18.5萬(wàn)歐元。

在后續(xù)研究過(guò)程中，模型與公式可進(jìn)一步優(yōu)化完善。本文對(duì)電動(dòng)滑行系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)具有一定參考意義。