基于BADA模型的飛機(jī)持續(xù)下降進(jìn)近節(jié)能減排研究*

吳文潔 胡 榮 張軍峰 陳 琳

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院 南京 210016)

基于BADA模型的飛機(jī)持續(xù)下降進(jìn)近節(jié)能減排研究*

吳文潔 胡 榮 張軍峰 陳 琳

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院 南京 210016)

為了促進(jìn)我國民航業(yè)的節(jié)能減排，提高飛機(jī)運(yùn)行的燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，考慮實(shí)際氣象條件，提出了飛機(jī)的燃油消耗量和污染物排放量計(jì)算模型.結(jié)合飛機(jī)性能數(shù)據(jù)，采用BADA模型仿真，開展了飛機(jī)進(jìn)近階段的節(jié)能減排研究.以廣州白云機(jī)場(chǎng)B767-300飛機(jī)GYA方向進(jìn)場(chǎng)過程為例，利用MATLAB編程計(jì)算飛機(jī)分別采用梯級(jí)進(jìn)近和持續(xù)下降進(jìn)近飛行的油耗與排放情況，結(jié)果表明，持續(xù)下降進(jìn)近可節(jié)約超過1/4的燃油消耗量，節(jié)能效果顯著；持續(xù)下降進(jìn)近可以有效減少HC，CO，NOx，CO2和SO2五種污染物的排放量，且對(duì)NOx減排效果最佳.推廣持續(xù)下降進(jìn)近的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)我國民航的節(jié)能減排.

持續(xù)下降進(jìn)近；節(jié)能；減排；BADA模型；燃油消耗；航空尾氣排放

0 引 言

節(jié)能減排是我國的基本國策，隨著民航運(yùn)輸業(yè)迅速發(fā)展，飛機(jī)起降架次逐漸增多，燃油消耗與尾氣排放逐步上升，燃油價(jià)格波動(dòng)使得民航運(yùn)營成本不斷變化，飛機(jī)尾氣排放導(dǎo)致大氣環(huán)境污染日益加劇，當(dāng)今社會(huì)發(fā)展倡導(dǎo)節(jié)能減排，因此經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性逐漸成為民航發(fā)展的更高追求.

飛機(jī)是民航重要組成部分，保證民航業(yè)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的節(jié)能減排.針對(duì)飛機(jī)節(jié)能減排問題，研究學(xué)者已開展深入研究并取得豐碩成果，基于其研究內(nèi)容，主要分為兩個(gè)方面.

1) 飛機(jī)節(jié)能研究 由于航油價(jià)格不斷波動(dòng)，合理控制飛機(jī)航油使用成為省油節(jié)能的關(guān)鍵，而燃油控制的前提則是建立精確的油耗模型.劉婧[1]提出采用飛行數(shù)據(jù)訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)計(jì)算燃油流量的模型，簡化油耗估算過程.劉芳[2]根據(jù)不同飛行環(huán)境歷史油耗數(shù)據(jù)建立下降階段的分段匹配燃油消耗模型.Collins[3]考慮飛機(jī)飛行中的動(dòng)能和勢(shì)能變化，建立基于能量平衡原理的燃油消耗估計(jì)模型.Nikoleris等[4]利用真實(shí)飛行數(shù)據(jù)，對(duì)達(dá)拉斯-沃斯堡國際機(jī)場(chǎng)飛機(jī)的燃油消耗總量進(jìn)行估算.Singh等[5]則從宏觀方面對(duì)飛機(jī)油耗估算方法進(jìn)行了分類，分析和評(píng)價(jià).

2) 飛機(jī)減排研究 為了維護(hù)民航經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)之間的平衡，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)污染物排放準(zhǔn)確評(píng)估成為減排的重要基礎(chǔ).黃勇等[6-7]根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)海平面靜態(tài)排放數(shù)據(jù)，對(duì)中國民航飛機(jī)的NOx排放量及其分布進(jìn)行了分析和評(píng)估.孫見忠等[8]結(jié)合飛機(jī)飛行參數(shù)和性能數(shù)據(jù)，利用相對(duì)法模型估算了航班污染物排放總量.夏卿等[9]基于我國民航機(jī)隊(duì)資料和飛行數(shù)據(jù)，對(duì)我國123個(gè)機(jī)場(chǎng)1周內(nèi)飛機(jī)LTO循環(huán)的氣體污染物排放量進(jìn)行了計(jì)算.魏志強(qiáng)等[10-11]利用飛機(jī)性能軟件建立污染物排放量計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)不同飛行階段污染物排放量的計(jì)算.Owen等[12]則利用歷史排放數(shù)據(jù)，對(duì)2050年全球航空活動(dòng)所造成的污染物排放數(shù)據(jù)進(jìn)行了大致估算.

在追求“建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會(huì)”的形勢(shì)下，我國民航局明確提出未來五年要全面推進(jìn)民航節(jié)能減排，其中指出在安全運(yùn)行前提內(nèi)，采用經(jīng)濟(jì)方式實(shí)施飛行，最大限度地減少燃油消耗和環(huán)境污染[13].持續(xù)下降進(jìn)近就是在環(huán)保要求日益升溫的背景下提出來的.它是指使飛機(jī)保持怠速狀態(tài)實(shí)現(xiàn)恒定下滑角的下降進(jìn)近，即以預(yù)設(shè)的下降梯度，從起始下降高度持續(xù)下降到最低下降高度，中間無平飛航段[14].持續(xù)下降進(jìn)近有下滑航線高、推力小、時(shí)間短和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以有效減少燃油消耗并降低環(huán)境污染，而且可以減輕飛行員負(fù)擔(dān)并降低事故發(fā)生率[15-16].

盡管目前針對(duì)飛機(jī)節(jié)能減排的研究已取得一定成果，但仍略有不足：①現(xiàn)有油耗和排放的理論研究，較少考慮飛行過程中的氣象條件，預(yù)測(cè)精度相對(duì)有限，難以滿足民航運(yùn)輸?shù)膶?shí)際需要；②國內(nèi)關(guān)于持續(xù)下降進(jìn)近的研究，大多從宏觀層面開展，由具體案例分析開展的研究成果比較少，與美歐等發(fā)達(dá)國家的差距明顯.

基于上述考慮，本文以廣州白云機(jī)場(chǎng)GYA方向B767-300飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)過程為例，基于BADA模型，考慮氣象條件，利用MATLAB編程，研究梯級(jí)進(jìn)近和持續(xù)下降進(jìn)近的飛機(jī)油耗與排放問題，通過模型仿真和理論計(jì)算分析持續(xù)下降進(jìn)近對(duì)飛機(jī)燃油消耗和污染物排放的影響.

1 BADA模型

飛機(jī)性能數(shù)據(jù)庫(base of aircraft data，BADA)模型是由歐洲航空安全組織開發(fā)的分析飛行動(dòng)力學(xué)的模型，主要應(yīng)用于飛行仿真、航跡預(yù)測(cè)、排放評(píng)估和油耗計(jì)算四個(gè)方面，且在飛行仿真度、復(fù)雜性和精確度上具有較大優(yōu)勢(shì)[17-18].

1.1 全能量模型

反映飛機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中速度、推力和高度等飛行參數(shù)的變化規(guī)律及約束關(guān)系，核心內(nèi)容是合外力做功等于飛機(jī)動(dòng)能和勢(shì)能的變化量.

(1)

(3)

式中：T為發(fā)動(dòng)機(jī)推力；D為飛機(jī)所受阻力；VTAS為飛機(jī)真空速；m為飛機(jī)質(zhì)量；g為重力加速度；h為飛行高度；f(Ma)為能量分配系數(shù)，表示沿著選定速度剖面爬升或下降時(shí)，用于爬升或下降的能量占所有可用能量的比值；Ma為飛行馬赫數(shù).

1.2 氣動(dòng)及推力模型

飛機(jī)在飛行中會(huì)受到升力、重力、阻力及推力作用，直接影響其飛行速度，根據(jù)各飛行階段的性能系數(shù)，可計(jì)算飛機(jī)的推力和阻力.

(4)

(5)

(6)

式中：γ為下降航跡角；CD0，CD1為與機(jī)型有關(guān)的阻力系數(shù)；ρ為空氣密度；S為機(jī)翼面積；V為飛行速度.

1.3 風(fēng)速修正模型

在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速和高度有關(guān).氣象部門一般會(huì)提供距離地面10 m高度定時(shí)觀測(cè)的風(fēng)速資料，不同高度上的風(fēng)速采用乘冪律公式修正.

(7)

V=VTAScosφ+VWcosω

(8)

式中:VW為距地高度為h處的風(fēng)速；V0為距地高度為10 m的觀測(cè)風(fēng)速；h0為距地參考高度，取值為10 m；λ為穩(wěn)定度參數(shù)，考慮機(jī)場(chǎng)周邊建筑特征，λ一般取值為0.10；φ為飛機(jī)的航向角；ω為風(fēng)向角.

1.4 油耗模型

單位推力的燃油消耗率

(9)

(10)

燃油流量f=ηCfT

(11)

式中：η為單位推力的燃油消耗率；Cf1，Cf2為油耗參數(shù)；f為燃油流量；Cf為推力等級(jí).

2 油耗與排放定量計(jì)算

2.1 燃油消耗量計(jì)算模型

考慮實(shí)際氣象因素，不同的氣溫、氣壓和風(fēng)速條件都會(huì)對(duì)飛機(jī)燃油消耗產(chǎn)生影響，可利用參數(shù)修正法對(duì)實(shí)際燃油消耗進(jìn)行修正.

標(biāo)準(zhǔn)燃油流量模型

(12)

(13)

2.2 污染物排放量計(jì)算模型

根據(jù)飛機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)組合，參照海平面靜態(tài)排放數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象因素對(duì)各污染物排放指數(shù)進(jìn)行修正，可計(jì)算航空氣體污染物的排放量.

(14)

(15)

(16)

3 油耗與排放結(jié)果分析

本文以廣州白云機(jī)場(chǎng)GYA方向進(jìn)場(chǎng)過程為例，開展梯級(jí)進(jìn)近和持續(xù)下降進(jìn)近的飛機(jī)油耗與排放評(píng)估研究.根據(jù)飛行數(shù)據(jù)可知，GYA方向的進(jìn)場(chǎng)高度是從3 900 m下降至1 800 m.圖1為GYA方向三維飛行軌跡圖，即梯級(jí)進(jìn)近與持續(xù)下降進(jìn)近的空間航跡示意圖，其中X坐標(biāo)指“經(jīng)度”，Y坐標(biāo)指“緯度”，Z坐標(biāo)指“飛行高度”.

圖1 GYA方向三維飛行軌跡圖

考慮白云機(jī)場(chǎng)繁忙程度且持續(xù)下降進(jìn)近安排在夜間運(yùn)行，對(duì)白云機(jī)場(chǎng)2015年8月份00:00—03:00所有航班運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，B767-300飛機(jī)的運(yùn)行頻次相對(duì)較高，故選用 B767-300為本文研究機(jī)型.B767-300飛機(jī)配備的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為PW4056，由《Aircraft Engine Exhaust Emissions Data Bank》可知其污染物排放指數(shù)，見表1.

表1 PW4056的污染物排放數(shù)據(jù)

對(duì)于污染物CO2與SO2而言，其排放指數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)及所使用的航空燃油有關(guān)，而與飛行階段無關(guān)，查閱污染物排放標(biāo)準(zhǔn)可知，PW4056發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2排放指數(shù)為3.104 kg/kg，SO2排放指數(shù)為1 g/kg.

3.1 持續(xù)下降進(jìn)近節(jié)能效果評(píng)估

節(jié)約燃油是在確保飛行安全前提下成本控制首要考慮的因素，基于BADA模型仿真，利用MATLAB計(jì)算B767-300飛機(jī)分別采用梯級(jí)進(jìn)近和持續(xù)下降進(jìn)近的燃油消耗量為202.80 kg和149.60 kg，相比梯級(jí)進(jìn)近，持續(xù)下降進(jìn)近可減少燃油消耗53.20 kg，節(jié)約航空燃油26.23%.

3.2 持續(xù)下降進(jìn)近減排效果評(píng)估

一般來說節(jié)能意味著減排，減少燃油消耗的同時(shí)可在一定程度上減輕飛機(jī)排放污染.飛機(jī)排放的污染物主要包括HC，CO，NOx，CO2和SO2等，這些污染物不僅會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊環(huán)境與公共健康造成嚴(yán)重危害，而且會(huì)導(dǎo)致全球溫室效應(yīng)和氣候變化.根據(jù)修正污染物排放計(jì)算模型，利用MATLAB分別估算B767-300飛機(jī)采用梯級(jí)進(jìn)近和持續(xù)下降進(jìn)近的五種污染物排放量，具體排放情況見表2.

表2 五種污染物排放量

注：減排量=梯級(jí)進(jìn)近排放量-持續(xù)下降進(jìn)近排放量；減排比例=減排量/梯級(jí)進(jìn)近排放量.

由表2可知，相比梯級(jí)進(jìn)近，持續(xù)下降進(jìn)近能在不同程度上減少飛機(jī)污染物排放并減輕大氣環(huán)境污染，減排效果明顯.

3.3 持續(xù)下降進(jìn)近節(jié)能減排原因分析

3.3.1 節(jié)能原因分析

由燃油消耗量的計(jì)算原理可知，影響油耗的兩大因素是燃油流量和飛行時(shí)間，圖2為燃油流量和飛行時(shí)間對(duì)比圖.

圖2 燃油流量和飛行時(shí)間對(duì)比圖

由圖2a)可知，在GYA方向進(jìn)場(chǎng)飛行過程中，采用持續(xù)下降進(jìn)近飛行的燃油流量始終低于梯級(jí)進(jìn)近.由圖2b)可知，相比梯級(jí)進(jìn)近，持續(xù)下降進(jìn)近可減少飛行時(shí)間9 s，可節(jié)省時(shí)間2.13%.

因此綜合燃油流量和飛行時(shí)間考慮，持續(xù)下降進(jìn)近能明顯減少燃油消耗.

3.3.2 減排原因分析

由污染物排放量計(jì)算模型可知，影響飛機(jī)排放的兩大因素是燃油消耗量和排放指數(shù).其中，燃油消耗量主要和燃油流量和飛行時(shí)間有關(guān).

而排放指數(shù)則受外界氣象條件如濕度因子、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫和氣壓等影響，這些影響因素又與飛行高度有關(guān)，所以影響飛機(jī)排放的一個(gè)關(guān)鍵因素就是飛行高度.根據(jù)飛行數(shù)據(jù)可知，GYA方向進(jìn)場(chǎng)距離為62 km，圖3為GYA方向飛行剖面示意圖，其中橫坐標(biāo)“飛行距離”是指飛機(jī)到最后進(jìn)近定位點(diǎn)的水平距離.

圖3 GYA方向飛行剖面圖

由圖3可知，持續(xù)下降進(jìn)近的飛行高度整體高于梯級(jí)進(jìn)近.一般情況下，海拔高度每上升100 m，氣溫平均下降約0.6 ℃，氣壓平均下降約1 000 Pa.相比梯級(jí)進(jìn)近，持續(xù)下降進(jìn)近的飛行高度升高，濕度因子增大，外界氣溫和氣壓降低，導(dǎo)致HC，CO和NOx的排放指數(shù)減小，雖然CO2和SO2的排放指數(shù)與飛行高度無關(guān)，但是持續(xù)下降進(jìn)近的燃油消耗量明顯低于梯級(jí)進(jìn)近，因此綜合燃油消耗量和排放指數(shù)考慮，持續(xù)下降進(jìn)近能有效降低各種污染物排放.

4 結(jié) 論

1) 相比梯級(jí)進(jìn)近，持續(xù)下降進(jìn)近的發(fā)動(dòng)機(jī)推力小，燃油流量低，飛行時(shí)間短，可節(jié)約超過1/4的燃油.

2) 相比梯級(jí)進(jìn)近，持續(xù)下降進(jìn)近的飛行高度高，污染物排放指數(shù)小，因此持續(xù)下降進(jìn)近對(duì)HC，CO和NOx的減排效果明顯，且對(duì)NOx的減排效果尤為顯著.

3) 由于CO2和SO2排放指數(shù)不變，其排放量與油耗成正比，因此持續(xù)下降進(jìn)近對(duì)CO2和SO2的減排效果相同.

4) 持續(xù)下降進(jìn)近節(jié)能減排的主要原因是其推力較小、飛行高度較高和飛行時(shí)間較短.

然而本文僅從理論計(jì)算和模型仿真的層面研究持續(xù)下降進(jìn)近節(jié)能減排效果，對(duì)真機(jī)試驗(yàn)的實(shí)證分析仍需進(jìn)一步研究.此外本文僅研究飛機(jī)自身的節(jié)能減排問題，對(duì)于民航業(yè)的節(jié)能減排，未來可以考慮從技術(shù)、運(yùn)營和市場(chǎng)三個(gè)宏觀角度著手研究，比如采用新型發(fā)動(dòng)機(jī)和開發(fā)可替代航空燃油、提高空管和機(jī)場(chǎng)運(yùn)營保障能力以及采用碳抵消和碳稅費(fèi)等經(jīng)濟(jì)措施來倡導(dǎo)民航節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)我國綠色民航發(fā)展.

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Research on Aircraft Energy-saving and Emission-reduction of Continuous Descent Approach Based on BADA model

WU Wenjie HU Rong ZHANG Junfeng CHEN Lin

(CollegeofCivilAviation,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

In order to promote the energy-saving and emission-reduction in China’s civil aviation and improve the fuel economy and environmental protection of aircraft operation, the fuel consumption model and pollutants emission model are presented according to the actual weather conditions. Combined with the aircraft performance data and based on the BADA simulation model, the research on aircraft energy-saving and emission-reduction in approach stage is conducted. Using the example of GYA arrival point of Guangzhou-Baiyun airport and B767-300 aircraft, a MATLAB programming software is used to estimate the fuel consumption and pollutants emission by step-down approach and Continuous Descent Approach, respectively. The results show that: compared with the step-down approach, the Continuous Descent Approach can save over a quarter of the fuel consumption per flight and it has significant energy-saving effect; Continuous Descent Approach also has different emission-reduction effect on five pollutants including HC, CO, NOx, CO2and SO2, and the effect for NOxis more significant. The promotion of Continuous Descent Approach is found to be helpful to reaching the objective of energy-saving and emission-reduction in China’s civil aviation.

continuous descent approach; energy-saving; emission-reduction; BADA model; fuel consumption; exhaust gas emission

2017-02-08

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(71401072，71201082)

V249.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.027

吳文潔(1993—)：女，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榫G色民航，交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理