飛機電動滑行系統(tǒng)應用研究與收益分析

孫毅剛，雷因特，孫爽

中國民航大學，天津 300300

民航業(yè)在飛速發(fā)展的同時，也面臨一系列問題，如大量燃油消耗、噪聲及大氣污染、機場地面交通擁擠等，因此航空能源實現(xiàn)低碳是一個非常重要的發(fā)展目標[1]。為減輕相關負面影響，達到節(jié)省燃油、縮短滑行時間等目的，電動滑行系統(tǒng)便應運而生。電動滑行系統(tǒng)基于加載額外電動機的理念，以輔助動力裝置（APU）為動力源，使飛機無須啟動主發(fā)動機，便能在機場自由移動。

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，有利于電動滑行系統(tǒng)的節(jié)油收益研究。N.M.Dzikus等[3]對于中短途飛機采用電動滑行、操作拖曳、單發(fā)驅動的推出方式對比研究其燃油消耗。R.Guo 等[4]為了量化比較機場地面的環(huán)境影響，基于ICAO的數(shù)據(jù)庫計算了10個不同場景下的燃油消耗量及排放量，說明電動滑行系統(tǒng)的節(jié)能減排收益遠大于其他滑行方式。唐建軍等[5]設計了基于主起落架機輪驅動的飛機電動滑行系統(tǒng)，并對其進行了仿真分析。張威等[6]對電動滑行系統(tǒng)的設計做了詳細研究并加以仿真，結果表明電動滑行驅動最大滑行速度可達37km/h。在工程應用方面，霍尼韋爾公司和賽峰公司共同開發(fā)了民用飛機綠色電動滑行系統(tǒng)（EGTS）方案[7]。Wheel Tug 公司研發(fā)的電動滑行技術將動力機輪安裝在民用飛機前起落架上，也開展了相關試驗[8]。

對于電動滑行系統(tǒng)的力學性能與節(jié)油性能，已經(jīng)有了較為成熟的研究。但同時比較經(jīng)濟性與排放性能的研究相對較少，對應用電動滑行系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響缺乏更直觀的認識。因此，本文將重點探究電動滑行系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟影響與環(huán)境影響，并評估可能帶來的效益。進一步討論電動滑行系統(tǒng)的優(yōu)劣性，通過BADA 計算模型的估計數(shù)據(jù)來論證其經(jīng)濟收益。本文建立了電動滑行系統(tǒng)排放性能模型，將應用電動滑行系統(tǒng)與使用發(fā)動機滑行產(chǎn)生的油耗與排放進行對比，以此來綜合分析節(jié)能減排性能。

1 電動滑行系統(tǒng)應用研究

1.1 優(yōu)勢分析

1.1.1 燃油節(jié)省

通常情況下，飛機通過發(fā)動機低速運行實現(xiàn)地面滑行，在此期間燃油利用率較低。而應用電動滑行系統(tǒng)的主要目的便是節(jié)約燃油?；羞^程中的節(jié)油量FC定義為

式中，F(xiàn)Ce為僅使用發(fā)動機時的滑行油耗，F(xiàn)Ca為僅使用APU 時的滑行油耗，T為滑行時間。為了量化FCe，需要確定滑行過程中停車次數(shù)、轉彎次數(shù)等因素。因此，通常使用Nikoleris等[9]所建立的公式

式中，m表示飛機的5 種狀態(tài)，包括靜止、加速、轉彎、勻速滑行、剎車。tmi為在m狀態(tài)下所花的時間，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。相關發(fā)動機7%推力下的燃油流量見表1。

表1 不同發(fā)動機在7%推力下的燃油流量Table 1 Fuel flow of different engines at 7%thrust

對于裝載電動滑行系統(tǒng)的波音737 及空客A320，在APU達到最大工作負載的情況下，保守估計燃油流量可達到130kg/h，而根據(jù)ACRP[10]的研究，未裝載電動滑行系統(tǒng)的飛機燃油流量僅為75kg/h。由于滑行時間T取決于具體區(qū)域條件，故本文參考H.Khadilkar[11]與來靖晗等[12]的研究，利用BADA模型工具做估測計算。

1.1.2 發(fā)動機維護節(jié)省

裝載電動滑行系統(tǒng)的飛機在滑行階段通過APU 驅動電動機從而驅動機輪，因此可延長發(fā)動機的循環(huán)壽命以及節(jié)省維護成本。發(fā)動機節(jié)省的維護成本W(wǎng)e定義為

式中，we對應每臺發(fā)動機每分鐘的節(jié)約成本；N為發(fā)動機臺數(shù)。發(fā)動機維護成本估計占整個維護成本的40%。根據(jù)S.R. I. Insight[13]的研究，每小時飛行的維護成本約為750 歐元，每小時飛行發(fā)動機的維護成本約為200 歐元。根據(jù)ITIA的成本報告，每小時飛行的直接維護成本約為1018歐元，其中36%用于發(fā)動機維護，約為366歐元。故根據(jù)以上不同的研究報告可做出保守估計，每小時飛行的每臺發(fā)動機維修成本約為250 歐元。不考慮整個航程，僅在滑行階段使用電動滑行系統(tǒng)時，發(fā)動機排氣溫度的降低也使部件損耗減少，最佳預計能節(jié)省發(fā)動機50%～60%的運行時間。

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大型機場排放物的方法，說明了在一定滑行距離內，裝載電動滑行系統(tǒng)的飛機總共減少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)庫與M.N.Postorino 等[15]的研究，建立排放性能模型，并對電動滑行系統(tǒng)的減排性能進行仿真預測。

1.1.4 其他

在飛機后推過程中一般使用牽引車進行作業(yè)。但由于裝載了電動滑行系統(tǒng)，其能自主向后移動，從而降低搬運成本，降低使用曳引車時發(fā)生事故的風險。根據(jù)S.Cash 等[16]的研究數(shù)據(jù)，預計一趟作業(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。

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

1.2 消極影響

1.2.1 額外的油耗

電動滑行系統(tǒng)的重量（質量）因制造商而異，根據(jù)已有的工程應用案例，估計其重量在150～300kg 之間。這種額外增重將伴隨整個航程，這必定會導致額外的燃油消耗。額外燃油消耗AFC定義為

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

針對額外燃油消耗的計算較為復雜，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算更為繁復，因此本文僅粗略估計。通過BADA 計算工具以及QAR 數(shù)據(jù)對某架波音737-800 的整個航程進行測試與計算。結果顯示，對于每增加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，估測得知此架波音737-800 每一個飛行周期內，每額外增重100kg，便額外消耗約5kg的燃油。

1.2.2 APU額外的維護費用與污染物排放

由于裝載電動滑行系統(tǒng)，APU 需要進行額外維護。根據(jù)Ackert[19]的研究，APU 每小時的維護成本達到35 歐元。由于在最大工作功率下的運行時間較長，預期壽命可能會減少20%，因此使用電動滑行系統(tǒng)時，額外的APU 維護成本為每小時約5歐元。

在滑行階段，APU 給電動機供電，將會產(chǎn)生額外的排放。不同機型、不同APU 型號所產(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算，而額外的排放則基于燃油消耗量來計算。

1.2.3 其他

應用電動滑行系統(tǒng)后，牽引力通過輪胎傳遞，因此輪胎的磨損將會更大?？紤]到機輪啟動時的打滑狀況，從動輪會有額外的磨料磨損。在滑行過程中產(chǎn)生的劇烈操縱，也會導致額外的磨損。在正常情況下，波音737 上的主輪輪胎每個價格高達1萬歐元。前起落架上的單個機輪價格比主起落架上的機輪低約60%。但該輪胎承受的更高的應變會導致其更快磨損。在本文研究中，此成本參考Pacejke[21]的研究做簡單估計，額外花費不到輪胎成本的2%。

配備電動滑行系統(tǒng)的飛機不會對自身航程造成延誤，但可能會對其后起飛的飛機造成延誤。由于延長了整體的滑行時間，可能會抵消應用電動滑行系統(tǒng)產(chǎn)生的整體燃油節(jié)省。在本文研究中，假設電動滑行系統(tǒng)不產(chǎn)生可能出現(xiàn)的延遲，并不考慮裝載電動滑行系統(tǒng)產(chǎn)生的一次性費用。

2 經(jīng)濟性與環(huán)保性分析

2.1 模型建立

本文對某架應用電動滑行系統(tǒng)的波音737-800進行經(jīng)濟性與環(huán)保性分析。此過程中盡可能采用成本最高的估計，便于顯現(xiàn)電動滑行系統(tǒng)在較為極端條件下的優(yōu)勢。已知條件如下:裝載兩臺CFM56-7B22 發(fā)動機，APU 型號為GTCP 36-300，飛行時間約為2h，滑行時間約為15min（900s），滑行長度約為2000m，電動滑行系統(tǒng)的預估重量為300kg，燃油費用為0.75 歐元/kg。在主起落架上裝載電動機。發(fā)動機與APU相關參數(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)動機性能參數(shù)［22］Table 3 CFM56-7B22 engine performance parameters［22］

電動滑行系統(tǒng)主要包括機械系統(tǒng)模型、電氣系統(tǒng)模型以及排放系統(tǒng)模型。飛行員起動APU 給電動滑行系統(tǒng)供電，然后控制手柄使其置于前進或后退擋；電機控制器通過一系列的電力電子元件，控制主起落架上的電機正轉或反轉，再通過傳動機構將運動傳遞到機輪，控制機輪轉動，從而實現(xiàn)飛機向前或向后滑行。由于本文主要研究經(jīng)濟性與環(huán)保性，故電動滑行系統(tǒng)整體建模不在此贅述,電動滑行系統(tǒng)結構簡圖如圖1所示。

圖1 電動滑行系統(tǒng)組成結構框圖Fig.1 Structure block diagram of electric taxiing system

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

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

本文根據(jù)APU與發(fā)動機的具體參數(shù)，利用數(shù)學方法得到發(fā)動機推力與燃油消耗率的插值關系以及有害氣體排放量與燃油消耗率的擬合關系，再用Matlab/Simulink 平臺搭建發(fā)動機與APU的排放性能模型，如圖2所示。

圖2 電動滑行系統(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場測量的某值與標準狀況下海平面的某值之比，為了提高仿真的準確性，引入修正值對能耗排放系數(shù)進行修正，最后得到油耗與排放量。因為實際的環(huán)境條件存在差異，APU與發(fā)動機型號也各不相同，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詳細參數(shù)，對電動滑行系統(tǒng)進行排放性能的仿真。

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，由此計算出使用電動滑行系統(tǒng)代替發(fā)動機驅動飛機的節(jié)油率和有害氣體減排率。通過這種方式，本文對此系統(tǒng)的節(jié)能減排性能進行了研究。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果?；须A段燃油消耗量極大減少，各相關有害氣體排放量也相對減少。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 兩種驅動方式燃油消耗及排放對比Fig.3 Comparison between fuel consumption and emission of two driving modes

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

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

2.3 經(jīng)濟性分析

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130kg/h，即0.036kg/s。結合第一節(jié)的研究分析，此飛機在規(guī)定工況下滑行階段的節(jié)油計算如下:

計算得知，在此滑行階段節(jié)省燃油量FCe約176.4kg，應用電動滑行系統(tǒng)的燃油消耗率僅為使用發(fā)動機滑行燃油消耗率的15.5%。燃油節(jié)省費用WF=176.4×0.75=132.3 歐元；根據(jù)優(yōu)勢分析可得知后推節(jié)省費用WP=25 歐元；發(fā)動機維護節(jié)省We=250×（1-60%）×2×0.25=50 歐元；碳剎車節(jié)省費用Wb=1歐元?？偣补?jié)省費用Wsave為

通過優(yōu)勢分析計算得知，一趟中短型航班可節(jié)省約208.3 歐元。通過第1 節(jié)的消極影響分析得知飛機增重300kg于滑行段多消耗約15kg燃油。因此計算得到額外燃油花費QF=15×0.75=11.25 歐元；輪胎所多承受的應變磨損導致的額外維護費用QW為2 歐元；APU 額外維護費用Qa=5×2=10歐元?？偣差~外費用Qcost為

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

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

3 結論

本文對電動滑行系統(tǒng)的應用進行了詳細研究，主要包括其優(yōu)勢以及可能帶來的負面影響。利用BADA計算模型與Matlab/Simulink 仿真軟件對其經(jīng)濟性與環(huán)保性進行分析，得到以下結論:

（1）飛機滑行階段使用電動滑行系統(tǒng)存在兩個方面的影響。在不考慮隨機狀況的情況下，使用電動滑行系統(tǒng)滑行優(yōu)于傳統(tǒng)的使用發(fā)動機驅動滑行。

（2）在給定條件下，電動滑行系統(tǒng)代替發(fā)動機進行地面滑行的節(jié)油率高達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)計算，每一趟中短型航班可節(jié)省約185歐元；保守估計每架飛機每年飛行1000次，則每有一臺使用電動滑行系統(tǒng)的飛機，即可為航空公司每年節(jié)省約18.5萬歐元。

在后續(xù)研究過程中，模型與公式可進一步優(yōu)化完善。本文對電動滑行系統(tǒng)的認識設計具有一定參考意義。