基于快速存取记录器数据的飞机废气排放计算与分析

黄梦圆， 胡 荣， 张军峰， 洪浩强

(南京航空航天大学民航学院, 南京 211106)

民用飞机以航空煤油为燃料,燃烧时会产生碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、二氧化碳(CO2)和二氧化硫(SO2)等废气。CO2是常见的温室气体,过量排放将增强温室效应,影响全球气候；HC和NOx是光化学烟雾的重要前体物；SO2和NOx转化生成的硫酸和硝酸微粒是造成酸雨的主要原因；CO在空气中不易与其他物质产生化学反应,可在大气中停留2～3年之久,如果局部污染严重,对人体健康有一定危害。这些废气不仅会降低机场周围的空气质量,影响周边居民的生活,还会破坏大气环境,加剧温室效应。在大力推行绿色可持续发展的当下,减少飞机废气排放已经成为业界和学术界研究的重要内容之一。计算飞机废气排放量是评估其环境影响、检验减排效果的基础和前提。中外很多学者都对此展开了研究。Kurniawan等[1]从排放指数、燃油消耗和不确定性等方面,对多种飞机污染物排放计算方法进行了鉴别、比较和评述,并提出国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)的排放计算模型被广泛使用,是目前评估着陆和起飞(landing and take off,LTO)循环阶段污染物排放的最可靠方法。现有研究文献多以ICAO排放计算模型为基础,通过优化标准模型来得到更接近实际的计算结果。

ICAO将废气排放量记作燃油消耗量和废气排放指数的乘积,模型的优化往往也是从这两个方面入手。在燃油消耗方面：Khadilkar等[2]建立了一种基于飞行数据记录仪(flight data recorder,FDR)数据的飞机滑行阶段油耗估算模型,建立了滑行阶段燃油消耗量与滑行时间、停止次数、转弯次数、加速度次数等变量的线性函数；Chati等[3]提出了基于飞行轨迹、飞机控制和发动机性能的飞机爬升和进近阶段燃油消耗的测算方法,有效减少了燃油消耗总量的误差。而在排放指数方面,波音燃油流量方法2(boeing fuel flow method 2,BFFM2)是选用较多的排放指数修正方法。Chati等[4]借助FDR数据,采用BFFM2对排放指数进行修正,并将其结果与ICAO进行对比,发现ICAO方法的排放量通常偏大。魏志强等[5]利用波音公司的飞机性能计算软件计算了不同巡航方式、巡航高度、巡航重量、外界温度偏差等条件下的飞机性能参数,并用BFFM2修正排放指数,建立了巡航阶段废气排放量的计算模型。

得到废气排放数据之后,可以进一步分析排放影响因素、制定并检验减排措施。Ashok等[6]从空气质量和气候环境的角度,对底特律大都会机场实施延迟起飞控制和减推力起飞的减排措施进行了评估。魏志强等[7]提出废气排放价格权重、成本指数排放因子和综合成本指数概念,改进了飞行成本计算模型。

在飞机废气排放和影响因素分析方面,现有研究已经取得了显著的成果,但以下几点仍有进一步探索的价值：①中国评估LTO循环阶段排放的文献较多,有关巡航阶段排放测算的文献较少；②排放影响因素分析的实际数据来源不足；③在缓解飞机废气排放的具体措施方面存在很大的提升空间。因而,基于快速存取记录器(quick access recorder,QAR)记录的实际飞行数据,对ICAO标准模型进行修正,然后计算两个航班全程的CO2、HC、CO和NOx排放量,进而分析飞机废气排放的影响因素,并据此提出缓解飞机废气排放的具体措施,以期为减少民航污染物排放提出实用建议。

1 模型与数据

1.1 飞行阶段划分

在研究飞机废气排放时,根据其对环境的影响,通常将飞行阶段划分为两个部分：LTO循环阶段和爬升巡航下降(climb cruise and descent,CCD)阶段。ICAO定义的参考LTO循环包括飞机在机场附近距离地面3 000 英尺(914 m)以下的所有活动(包括滑行、起飞、爬升和降落)。相应地,CCD阶段是指飞机除LTO阶段之外的所有活动[8]。飞机在LTO循环阶段的排放对机场周边的环境影响较大；而在CCD阶段,飞机排放主要影响的是全球气候和臭氧层。

1.2 LTO排放计算模型

ICAO给出了3种计算飞机发动机排放的方法：简单方法、高级方法和复杂方法,考虑到计算方法的准确性、普遍性、可行性与经济性,以ICAO高级方法为基础进行计算,其基本计算公式为

Ej=∑60TIMk×FFk×EIjk×NE)

(1)

式(1)中：Ej为一个LTO循环中废气j的排放总量，g；TIMk为k阶段(起飞、爬升、进近或滑行)的飞行时间，min；FFk为单台发动机在k阶段(起飞、爬升、进近或滑行)的燃油流量，kg/s；EIjk为单台发动机在k阶段(起飞、爬升、进近或滑行)的废气j的排放指数，g/kg；NE为安装的发动机数量。

将利用快速存取记录器数据(包括飞行高度、实际燃油流量、外界温度、马赫数等),采用BFFM2方法[9],进一步优化式(1)中的燃油流量、飞行时间和排放指数。其中,实际燃油流量和飞行时间可以直接从快速存取记录器数据中获得；排放指数则先采用分段线性插值法,按照实际燃油流量对ICAO推荐值进行初步修正,然后根据环境条件(外界温度、气压、马赫数等)再次修正,从而得到更贴合实际的排放指数。最后将实际燃油流量、实际运行时间和修正排放指数代入式(1)求得实际废气排放量。

1.2.1 燃油流量换算

ICAO标准数据库的燃油流量是在标准海平面高度和标准大气条件下的数值。在进行分段线性插值前,需要将实际燃油流量换算为标准海平面、标准大气条件下的数值。换算公式为

(2)

式(2)中：FFM为单台发动机的换算燃油流量，kg/s；FF为单台发动机的实际燃油流量，kg/s；δ为外界温度与标准大气条件下海平面温度之比，为288.15 K；θ为外界气压与标准大气条件下海平面气压之比，为1 013.25 hPa；Ma为飞行马赫数。

由于可获取的快速存取记录器数据中不包含外界气压,采用美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)提供的方法,根据飞行高度和外界温度推算气压,计算公式为

(3)

式(3)中：P为推算得到的外界气压，Pa；P0为标准大气条件下的海平面气压，为101 325 Pa；Ptrop为对流层顶的气压，为22 619 Pa；g为引力常数，为9.81 m/s2；R为空气的气体常数，为286.9 J/(kg·K)；Ttrop为对流层顶的温度，为216.65 K；h为飞行高度，m；htrop为对流层顶的高度，11 000 m。

1.2.2 分段线性插值修正排放指数

FAA将HC、CO排放指数的对数拟合为燃油流量的对数的分段线性函数,将NOx排放指数的对数拟合为燃油流量的对数的线性函数,以此描述废气排放指数随燃油流量的变化。因此,基于换算后的燃油流量,对排放指数进行分段线性插值计算,计算公式为

(4)

式(4)中：EI0为初步修正得到的废气排放指数，g/kg；EITO、EIC、EIA、EII为ICAO数据库给出的起飞、爬升、进近和滑行阶段的标准排放指数，g/kg；FFTO、FFC、FFA、FFI为ICAO数据库给出的起飞、爬升、进近和滑行阶段单台发动机的标准燃油流量，kg/s。

1.2.3 根据环境因素修正排放指数

结合快速存取记录器数据提供的飞行高度、外界温度等数据,进一步对排放指数进行环境修正,修正公式为

(5)

式(5)中：EIj为废气j的修正排放指数，g/kg；H为湿度因子。

需要注意的是,CO2的排放指数不随发动机型号、外界环境或燃油流量变化,其排放量只与燃油消耗量有关,因此不需要修正。其数值恒定,为3 115 g/kg。

1.2.4 LTO排放量计算

根据快速存取记录器数据给出的实际燃油流量和飞行时间,可以计算LTO阶段废气排放量,计算公式为

(6)

式(6)中：EjLTO为废气j在LTO阶段的排放量，g；n为飞机安装的发动机台数；TLTO为LTO阶段的运行时间，s；FFi为发动机i的实际燃油流量，kg/s；EIij为发动机i的废气j的修正排放指数，g/kg。

1.3 CCD排放计算模型

CCD阶段的排放计算方法与LTO阶段一致,先修正排放指数,再结合实际燃油流量和运行时间,计算得出实际废气排放量。排放指数修正过程参照式(2)～式(5),CCD阶段的废气排量计算公式为

(7)

式(7)中：EjCCD为废气j在CCD阶段的排放量，g；TCCD为CCD阶段的运行时间，s。

1.4 全程排放总量计算模型

将1.2、1.3节的计算结果相加,即可得到废气j的航班全程排放量Ej为

Ej=EjLTO+EjCCD

(8)

1.5 航班基本数据

为了便于对比分析,选取东方航空同一天运行、相同起讫机场的两个航班。航班基本信息如表1所示。飞机快速存取记录器数据的采样间隔为1 s,主要包括燃油流量、大气静温、气压高度、马赫数等信息。

航班A/B的飞行高度剖面如图1所示,可见其飞行高度剖面基本一致,只是部分时间的巡航高度有所不同。由于本文未能获得实时气象数据,而这两个航班的航线一致、起飞时间十分接近,可以粗略地认为其气象环境一致；并且,飞行高度的差异更容易表示,便于纳入影响因素分析,再考虑到实际运行中难以找到两个飞行高度剖面完全相同的航班,因此认为这两个航班适合用于比较研究。

表1 航班基本信息对比

图1 航班A和航班B的飞行高度剖面

2 结果与分析

2.1 与LTO标准模型的结果比较

航班A/B各阶段的废气排放量如表2所示。

由于ICAO只提供了LTO循环阶段的标准排放量,下面对比分析仅针对LTO循环阶段的ICAO标准值与本文计算值的差异,如图2所示(Δ%为ICAO标准值与本文计算值之差相对于计算值的百分比)。

经比较发现,在LTO循环的各个阶段,绝大多数情况下,CO2、HC、CO、NOx的ICAO标准排放量高于实际排放量(除起飞和进近着陆阶段的CO排放量,以及进近着陆阶段的HC排放量)。ICAO标准排放量普遍比实际排放量高50%以上,在滑行阶段的差值甚至超过了实际值的500%。李娜等[10]的研究也发现ICAO标准值一般偏大。因而,如果条件允许(资金充足、数据可得等),建议采用修正后的模型分析飞机排放。

2.2 机型/发动机对排放的影响

利用2.1节中的排放数据,逐一分析航班废气排放的影响因素。

图2 本文计算值与ICAO标准值比较

由表2可知,在任意飞行阶段,航班A(A332)4种废气的排放量均比航班B(B738)高。考虑到A332的座位数比B738多44%左右(表2),进一步对比两个航班的人均废气排放量,结果如图3所示。可以看到航班A的4种废气在各个飞行阶段的人均排放量依然比航班B高。考虑座位数之后,两个航班的排放差异明显缩小了。但在本文案例中,无论以废气排放总量还是人均废气排放量衡量机型的环保性,B738的环保性都比A332好。

当然,不同机型排放的差异关键体现在所配备的发动机型号区别。虽然不同型号发动机的主要工作原理大同小异,但很多设计参数与制造工艺存在区别,这就导致了在废气排放方面的表现有所差异。例如，航班B配备的CFM56-7B26E发动机采用双环腔头部的燃烧室,可大幅降低NOx的排放。

表2 航班全程各阶段废气排放量计算结果

图3 航班A/B的废气排放总量比值和人均排放量比值

2.3 运行时间对排放的影响

在不同航班的同一飞行阶段,运行时间不同会导致两者排放量不同。两个航班各个飞行阶段的飞行时间比较结果如表3所示,可见航班A的爬升、进近着陆和滑行时间都大于航班B；特别地,航班A的滑行时间比航班B长795 s,几乎是航班B的5倍,而与之对应的是,航班A在滑行阶段4种废气的人均排放量是航班B的4～11倍(图3)。在起飞和CCD阶段,航班A的运行时间比航班B短,这两个阶段航班A与航班B的废气排放量比值相对于其他阶段也更小(图3)。因此,对于同一飞行阶段,运行时间是造成废气排放差异的原因之一,并且,时间越长,排放量越大。

表3 航班A/B各阶段飞行时间对比

同样,对于同一航班的不同飞行阶段,运行时间也会影响各阶段的废气排放。航班A各个飞行阶段的运行时间占比及各种废气在不同飞行阶段的排放量分布如图4所示。显而易见,对于各类废气而言,排放量所占比重最大的阶段皆为CCD阶段,这是因为CCD阶段的时长远大于其他阶段。因此,减少CCD阶段的废气排放是民航减排的一个切入点。魏志强等[7]将排放因素添加到飞机巡航性能参数优化中,进而可选择某种污染物排放量最低的巡航高度/巡航方式。

值得注意的是,尽管滑行时间在LTO阶段中占比最大,但该阶段的CO2和NOx排放量却不是最大的,这与发动机不同工况下的燃油流量与排放指数密切相关[11]。

图4 航班A各飞行阶段的时间占比和废气排放量占比

2.4 燃油流量对排放的影响

由式(1)可知,燃油流量和排放指数对排放量有直接影响；而在排放指数修正过程中,又利用了燃油流量进行分段线性插值。因此,燃油流量对排放量既有直接影响,又有间接影响。

进一步地,计算LTO各阶段的平均燃油流量后发现,航班A进近着陆的阶段的平均燃油流量是滑行阶段的3倍,起飞和爬升阶段是滑行阶段的12倍(表4)。这也部分解释了2.3节中滑行时间在LTO中占比最长,而CO2和NOx排放量占比却不是最大的原因。

表4 航班A各飞行阶段的平均燃油流量

3 结论

为准确计算并分析飞机废气排放，基于快速存取记录器数据优化了ICAO标准排放计算模型,计算了实际运行航班的废气排放,并从机型/发动机型号、运行时间及燃油流量3个方面探讨了影响飞机排放的关键因素。基于研究结论,提出如下3点建议以减少航班废气排放。

(1)改善机队组合。一方面,飞机制造商应该研发更节能、更环保的飞机和发动机；另一方面,航空公司要注意及时更新和调整机队组合,引进环保性相对较好的飞机,并基于快速存取记录器数据监控飞机状态,及时淘汰机龄较长、性能退化较大的飞机。

(2)优化场面运行程序。滑行阶段在LTO循环中所占的比重最大,对周边环境的影响较大。随着机坪管制移交工作的逐步推进,机场可以结合历史运行数据,开展场面运行状况预测,制定不同的推出和滑行方案,尽量减少场面滑行时间和距离。

(3)调整航路和巡航模式。CCD阶段在航班全程中所占比重最大,会影响全球气候。民航空管部门需要积极协调使用临时航线,实现航班“截弯取直”飞行,尽量缩短飞行距离；航空公司可以将环境成本添加到飞行成本中,估算最佳巡航速度,减少巡航过程中的燃油消耗和废气排放。