基于快速存取記錄器數(shù)據(jù)的飛機(jī)廢氣排放計(jì)算與分析

黃夢圓， 胡 榮， 張軍峰， 洪浩強(qiáng)

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院, 南京 211106)

民用飛機(jī)以航空煤油為燃料,燃燒時(shí)會產(chǎn)生碳?xì)浠衔?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(qiáng)溫室效應(yīng),影響全球氣候；HC和NOx是光化學(xué)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(xué)反應(yīng),可在大氣中停留2～3年之久,如果局部污染嚴(yán)重,對人體健康有一定危害。這些廢氣不僅會降低機(jī)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(dāng)下,減少飛機(jī)廢氣排放已經(jīng)成為業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的重要內(nèi)容之一。計(jì)算飛機(jī)廢氣排放量是評估其環(huán)境影響、檢驗(yàn)減排效果的基礎(chǔ)和前提。中外很多學(xué)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(jī)污染物排放計(jì)算方法進(jìn)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(jì)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(xiàn)多以ICAO排放計(jì)算模型為基礎(chǔ),通過優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)模型來得到更接近實(shí)際的計(jì)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(gè)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(jī)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(shí)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(jī)控制和發(fā)動機(jī)性能的飛機(jī)爬升和進(jìn)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(jìn)行修正,并將其結(jié)果與ICAO進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)ICAO方法的排放量通常偏大。魏志強(qiáng)等[5]利用波音公司的飛機(jī)性能計(jì)算軟件計(jì)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(jī)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(jì)算模型。

得到廢氣排放數(shù)據(jù)之后,可以進(jìn)一步分析排放影響因素、制定并檢驗(yàn)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(jī)場實(shí)施延遲起飛控制和減推力起飛的減排措施進(jìn)行了評估。魏志強(qiáng)等[7]提出廢氣排放價(jià)格權(quán)重、成本指數(shù)排放因子和綜合成本指數(shù)概念,改進(jìn)了飛行成本計(jì)算模型。

在飛機(jī)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(diǎn)仍有進(jìn)一步探索的價(jià)值：①中國評估LTO循環(huán)階段排放的文獻(xiàn)較多,有關(guān)巡航階段排放測算的文獻(xiàn)較少；②排放影響因素分析的實(shí)際數(shù)據(jù)來源不足；③在緩解飛機(jī)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(shí)際飛行數(shù)據(jù),對ICAO標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行修正,然后計(jì)算兩個(gè)航班全程的CO2、HC、CO和NOx排放量,進(jìn)而分析飛機(jī)廢氣排放的影響因素,并據(jù)此提出緩解飛機(jī)廢氣排放的具體措施,以期為減少民航污染物排放提出實(shí)用建議。

1 模型與數(shù)據(jù)

1.1 飛行階段劃分

在研究飛機(jī)廢氣排放時(shí),根據(jù)其對環(huán)境的影響,通常將飛行階段劃分為兩個(gè)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(jī)在機(jī)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(jī)除LTO階段之外的所有活動[8]。飛機(jī)在LTO循環(huán)階段的排放對機(jī)場周邊的環(huán)境影響較大；而在CCD階段,飛機(jī)排放主要影響的是全球氣候和臭氧層。

1.2 LTO排放計(jì)算模型

ICAO給出了3種計(jì)算飛機(jī)發(fā)動機(jī)排放的方法：簡單方法、高級方法和復(fù)雜方法,考慮到計(jì)算方法的準(zhǔn)確性、普遍性、可行性與經(jīng)濟(jì)性,以ICAO高級方法為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算,其基本計(jì)算公式為

Ej=∑60TIMk×FFk×EIjk×NE)

(1)

式(1)中：Ej為一個(gè)LTO循環(huán)中廢氣j的排放總量，g；TIMk為k階段(起飛、爬升、進(jìn)近或滑行)的飛行時(shí)間，min；FFk為單臺發(fā)動機(jī)在k階段(起飛、爬升、進(jìn)近或滑行)的燃油流量，kg/s；EIjk為單臺發(fā)動機(jī)在k階段(起飛、爬升、進(jìn)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(jī)數(shù)量。

將利用快速存取記錄器數(shù)據(jù)(包括飛行高度、實(shí)際燃油流量、外界溫度、馬赫數(shù)等),采用BFFM2方法[9],進(jìn)一步優(yōu)化式(1)中的燃油流量、飛行時(shí)間和排放指數(shù)。其中,實(shí)際燃油流量和飛行時(shí)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(shí)際燃油流量對ICAO推薦值進(jìn)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(shí)際的排放指數(shù)。最后將實(shí)際燃油流量、實(shí)際運(yùn)行時(shí)間和修正排放指數(shù)代入式(1)求得實(shí)際廢氣排放量。

1.2.1 燃油流量換算

ICAO標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的燃油流量是在標(biāo)準(zhǔn)海平面高度和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的數(shù)值。在進(jìn)行分段線性插值前,需要將實(shí)際燃油流量換算為標(biāo)準(zhǔn)海平面、標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的換算燃油流量，kg/s；FF為單臺發(fā)動機(jī)的實(shí)際燃油流量，kg/s；δ為外界溫度與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下海平面溫度之比，為288.15 K；θ為外界氣壓與標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算公式為

(3)

式(3)中：P為推算得到的外界氣壓，Pa；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的海平面氣壓，為101 325 Pa；Ptrop為對流層頂?shù)臍鈮海瑸?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?，?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(jìn)行分段線性插值計(jì)算,計(jì)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(jìn)近和滑行階段的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)近和滑行階段單臺發(fā)動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)一步對排放指數(shù)進(jìn)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(jī)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(jì)算

根據(jù)快速存取記錄器數(shù)據(jù)給出的實(shí)際燃油流量和飛行時(shí)間,可以計(jì)算LTO階段廢氣排放量,計(jì)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(jī)安裝的發(fā)動機(jī)臺數(shù)；TLTO為LTO階段的運(yùn)行時(shí)間，s；FFi為發(fā)動機(jī)i的實(shí)際燃油流量，kg/s；EIij為發(fā)動機(jī)i的廢氣j的修正排放指數(shù)，g/kg。

1.3 CCD排放計(jì)算模型

CCD階段的排放計(jì)算方法與LTO階段一致,先修正排放指數(shù),再結(jié)合實(shí)際燃油流量和運(yùn)行時(shí)間,計(jì)算得出實(shí)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(jì)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(yùn)行時(shí)間，s。

1.4 全程排放總量計(jì)算模型

將1.2、1.3節(jié)的計(jì)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(yùn)行、相同起訖機(jī)場的兩個(gè)航班。航班基本信息如表1所示。飛機(jī)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(shí)間的巡航高度有所不同。由于本文未能獲得實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù),而這兩個(gè)航班的航線一致、起飛時(shí)間十分接近,可以粗略地認(rèn)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(shí)際運(yùn)行中難以找到兩個(gè)飛行高度剖面完全相同的航班,因此認(rèn)為這兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)排放量,下面對比分析僅針對LTO循環(huán)階段的ICAO標(biāo)準(zhǔn)值與本文計(jì)算值的差異,如圖2所示(Δ%為ICAO標(biāo)準(zhǔn)值與本文計(jì)算值之差相對于計(jì)算值的百分比)。

經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),在LTO循環(huán)的各個(gè)階段,絕大多數(shù)情況下,CO2、HC、CO、NOx的ICAO標(biāo)準(zhǔn)排放量高于實(shí)際排放量(除起飛和進(jìn)近著陸階段的CO排放量,以及進(jìn)近著陸階段的HC排放量)。ICAO標(biāo)準(zhǔn)排放量普遍比實(shí)際排放量高50%以上,在滑行階段的差值甚至超過了實(shí)際值的500%。李娜等[10]的研究也發(fā)現(xiàn)ICAO標(biāo)準(zhǔn)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(jī)排放。

2.2 機(jī)型/發(fā)動機(jī)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(jì)算值與ICAO標(biāo)準(zhǔn)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?？紤]到A332的座位數(shù)比B738多44%左右(表2),進(jìn)一步對比兩個(gè)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(gè)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(gè)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(jī)型的環(huán)保性,B738的環(huán)保性都比A332好。

當(dāng)然,不同機(jī)型排放的差異關(guān)鍵體現(xiàn)在所配備的發(fā)動機(jī)型號區(qū)別。雖然不同型號發(fā)動機(jī)的主要工作原理大同小異,但很多設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)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(yùn)行時(shí)間對排放的影響

在不同航班的同一飛行階段,運(yùn)行時(shí)間不同會導(dǎo)致兩者排放量不同。兩個(gè)航班各個(gè)飛行階段的飛行時(shí)間比較結(jié)果如表3所示,可見航班A的爬升、進(jìn)近著陸和滑行時(shí)間都大于航班B；特別地,航班A的滑行時(shí)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(yùn)行時(shí)間比航班B短,這兩個(gè)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(yùn)行時(shí)間是造成廢氣排放差異的原因之一,并且,時(shí)間越長,排放量越大。

表3 航班A/B各階段飛行時(shí)間對比

同樣,對于同一航班的不同飛行階段,運(yùn)行時(shí)間也會影響各階段的廢氣排放。航班A各個(gè)飛行階段的運(yùn)行時(shí)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?yàn)镃CD階段的時(shí)長遠(yuǎn)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(gè)切入點(diǎn)。魏志強(qiáng)等[7]將排放因素添加到飛機(jī)巡航性能參數(shù)優(yōu)化中,進(jìn)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(shí)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(jī)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(shí)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(jìn)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(jìn)一步地,計(jì)算LTO各階段的平均燃油流量后發(fā)現(xiàn),航班A進(jìn)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(shí)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(zhǔn)確計(jì)算并分析飛機(jī)廢氣排放，基于快速存取記錄器數(shù)據(jù)優(yōu)化了ICAO標(biāo)準(zhǔn)排放計(jì)算模型,計(jì)算了實(shí)際運(yùn)行航班的廢氣排放,并從機(jī)型/發(fā)動機(jī)型號、運(yùn)行時(shí)間及燃油流量3個(gè)方面探討了影響飛機(jī)排放的關(guān)鍵因素?；谘芯拷Y(jié)論,提出如下3點(diǎn)建議以減少航班廢氣排放。

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

(2)優(yōu)化場面運(yùn)行程序?；须A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(jī)坪管制移交工作的逐步推進(jìn),機(jī)場可以結(jié)合歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),開展場面運(yùn)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(shí)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(shí)航線,實(shí)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。