基于时间间隔的飞机进近污染物减排研究∗

潘卫军 吴天祎 曾 琛 冷元飞

（1.中国民用航空飞行学院空中交通管理学院 广汉 618307）（2.中国民用航空飞行学院新津分院 成都 611431）

1 引言

近年来，随着民航业的高速发展，飞机燃油消耗和污染排放已成为热门话题［1］。飞机活动产生的污染物对人类健康有害，对环境造成破坏［2］。飞机排放的主要污染物包括HC、CO、NOX、CO2等，其中，CO2占该行业温室气体排放的绝大多数，而HC、CO、NOX会对环境和人类健康造成严重损害［3～5］。2020 年，习近平总书记在气候雄心峰会和联合国大会等多个场合强调“碳达峰”，“碳中和”的概念。因此，减少污染物排放量，以实现改善机场环境，减少机场对周边环境的影响有重要的现实意义。

然而，为能确保着陆时的运行安全，飞机在最后进近着陆阶段，前后两架着陆飞机还需要保持一定的安全间隔［6］。目前我国各空管局在实际运行中实行的尾流间隔标准是采用一种基于距离的间隔（Distance-based separation，DBS），这种尾流间隔标准过于保守，还有很大的优化缩减空间。若在最后进近阶段出现较大的逆风或侧风将会对尾流移动和耗散的产生巨大影响。飞机在下降着陆时，逆风风速越大，飞机的地速就会相对越小，同时逆风也会加快飞机尾流的耗散，削弱前机尾流对后机的影响程度，如果两架飞机依然保持固定的DBS间隔飞行，则两机的着陆时间间隔将大大增加，导致单位时间内飞机的进场数量减少，从而影响跑道的吞吐量，而且会导致机场大面积航班延误，增加飞机的飞行时间，消耗更多的燃油，排放大量的尾气污染物造成环境污染［7］。随着民航业的发展，空中交通十分拥挤，流量急剧的增加，使这一问题进一步加剧［8］。

2000 年初，EUROCONTROL 开始研究一种通过时间而不是距离确定飞机间隔的新运行程序，即基于时间的间隔（Time-based separation，TBS）。TBS 通过飞机在较大的逆风情况下的动态减小前后飞机之间的时间间隔来有效解决逆风的干扰，从而提高运行效率，提高跑道吞吐量［9］。在单一欧洲天空空管研究计划06.08.01 项目的研究范围内进一步系统的发展和评估了TBS概念［10］。2015年，英国希斯罗机场实施TBS标准后，根据希斯罗机场相关部门统计，运用DBS 标准运行时，逆风导致的航空器地速显著减小，从而导致每架航空器的平均进近着陆时间延长20s～30s，大大降低了跑道容量，并增加燃油消耗，增大污染物排放量。大逆风条件下应用TBS 运行标准后，稳定了飞机着陆时间间隔，着陆效率可恢复到40～43架次/h的水平［11］。

鉴于此，本文建立了基于时间间隔的计算模型、燃油消耗及污染物排放模型，结合浦东机场气象数据和航班数据，提出适合我国的TBS 运行标准，从理论上研究了TBS运行标准与DBS运行标准相比节省的时间。在航班数和航班序列接近相同的情况下，评估了TBS运行标准与DBS运行标准相比的显著节能减排效果。TBS 运行标准的应用可以有效减少逆风条件下飞机飞行时间，提高运行效率，减少燃油消耗，减少污染物排放。

2 基于时间间隔的模型

2.1 尾流间隔标准

对比静风条件，逆风会加速前机尾流的耗散，所以在强逆风条件作用下，前机尾流会以较快的速度耗散到后机可接受的强度，所以TBS可以安全高效地减小前后飞机间隔。为了提高大逆风天气情况下的运行效率，降低机场不必要的延误，减少燃油消耗及污染物排放，2015 年英国希斯罗机场开始实施TBS 标准。考虑到目前现有飞机尾流间隔标准中机型分类标准过于单一保守，难以全面满足国际民航业的发展，美国FAA、欧洲EUROCONTROL和国际民航组织全面优化与缩减改进现行尾流间隔，将现行尾流间隔的机型分类标准再分类。ICAO RECAT 基于距离的间隔标准和基于时间的间隔标准如表1～2所示［12］。

表1 ICAO RECAT尾流间隔标准/km

表2 ICAO RECAT尾流间隔标准/s

2015 年，中国民航局根据国外尾流间隔发展的成果和国际民航组织的指导意见，出台了《中国民航航空系统组块升级（ASBU）发展与实施策略》。2019 年1 月23 日，空管局在广州拟定了RECAT-CN 标准［13］。该分类方式在一定程度上缩减飞机间的运行间隔，间隔标准如表3所示。

表3 RECAT-CN尾流间隔标准/km

2.2 前机尾流耗散模型

前机尾流初始涡环量、初始涡核半径、初始涡间距、特征速度和特征时间的计算公式为［14～16］

式中：Γ0为初始涡环量；M为飞机重量；g为重力加速度；ρ为空气密度；B为飞机翼展；vi为前机(i)飞行速度；b0为初始尾涡间距；r0为初始涡核半径；v0为特征速度；t0为特征时间。

飞机尾流的耗散可分为近涡耗散和远涡耗散两个阶段。近涡阶段的持续时间与湍流耗散率、尾涡初始特征速度、特征时间和初始涡核间距有关，其计算公式为

式中：ε*=涡耗散率；t*=近涡阶段持续时间；ε为湍流耗散率，其计算公式为

式中：Cmu=0.09 是常数；k为湍动能；l为湍流特征尺度。

前机尾流的远涡耗散阶段环量计算方法如下［17］：

式中：C=0.45 是常数；Γts为后机安全的尾涡环量大小；ts为远涡阶段后机遭遇前机安全尾涡环量的时间：0.25N*2为大气层结对尾涡耗散的影响。

2.3 DBS和TBS转化模型

通过当前基于距离的间隔标准，建立飞机(i)和(j)之间静风条件下的时间间隔tij模型，其公式为

式中：δij为着陆飞机对(i,j)的最小基于距离的间隔；vj为后机(j)的平均进近速度。

基于时间的最小间隔规则tij/min可表示为

如果vi≤vj，则当前机(i)处于跑道入口时，应建立最小时间间隔规则tij/min。此外，必须满足以下条件：tij/min≥tROTi，其中tROTi是前机(i)的跑道占用时间。

当vi>vj时，应在前机(i)刚好在最后进近点时，建立最小时间间隔规则tij/min。

所以，飞机对(i,j)在跑道入口处的基于时间的最小间隔规则Tij/min可确定如下：

其中，r为公共下滑道长度。

以RECAT-CN 规定的尾流最低距离间隔标准为基础，根据上文TBS 间隔计算模型，并结合ICAO RECAT 的间隔标准进行修正，计算出在RECAT-CN 间隔标准下，不同机型组合的基于时间的间隔（TBS）标准，如表4所示。

表4 RECAT-CN尾流间隔标准/s

3 污染物排放基本模型

ICAO 公布的发动机排放数据中，基于标准海平面高度与标准大气条件发布了燃油消耗指数与各污染物排放指数［17］。考虑到不同地区的不同机场海拔高度、地理位置存在较大差异，且大气环境的变化对飞机发动机的燃油消耗和污染物排放有影响显著，故需要将飞机的燃油流量换算成国际标准大气条件下的修正燃油流量，也需对飞机的污染物排放指数予以修正［19］：

式中：fc为单个发动机的修正燃油流量；f0为ICAO 公布的单个发动机的燃油流量；M为飞行马赫数；θ为气温比，计算公式为

δ为气压比，计算公式为

式中：Th为高度为h处的大气温度；TISA为标准大气条件下海平面温度，取值为288.15K；T0为场面气温；Ph为高度为h处的大气压强；PISA为标准大气条件下海平面压强，取值为1013.25hPa；P0为场面气压；h为飞行高度；h0为参考高度，取值为10m。

气象部门提供的风速资料一般是在距地面10m 高度观测的，风速大小和飞行高度有关，不同高度上的风速采用乘幂律公式修正：

式中：Vh为高度为h处的风速；V0为参考风速；λ为稳定度参数，一般取值为0.10。

飞机在飞行过程中产生的污染物排放量与燃油消耗量成正比，同时还与各污染物排放指数有关。气温、气压和风速条件都会对飞机燃油消耗和污染物排放产生影响，故而需要考虑到实际气象因素对于污染物排放指数进行修正计算。

结合飞行过程中的气象因素利用参数修正法对飞机的污染物排放指数值进行修正，根据各飞机发动机型号组合，参照海平面静态污染物排放数据［20］，计算出飞机产生的静态污染物排放量：

式中：Ijc为污染物j的修正排放指数；Ij为污染物j的实排放指数；φ为大气相对湿度。

利用ICAO 的标准燃油流量法，可以估算飞机的燃油消耗量为

式中：Q为飞机的燃油消耗总量；n为发动机数量；tT为总飞行时间。

在计算出飞机的油耗量之后，再结合各污染物的排放指数，可以估算出各污染物排放量为

式中：Ej为污染物j的排放量。

4 结果与讨论

上海浦东国际机场是我国航班数量最繁忙的机场之一，为4F 级民用机场，容量已经达到饱和。浦东机场为我国沿海机场，大逆风天气较多，此时在DBS 标准下，逆风将严重影响机场的容量，随着风速的增大，航班飞行时间会增加，会造成航班的延误，增加油耗和污染物排放，产生极大的损失。

4.1 浦东机场跑道构型情况

浦东机场目前拥有两组近距平行跑道，其中1、2 号跑道（17L/35R、16R/34L）主要用于起飞，3、4号跑道（17R/35L、16L/34R）用于降落。

4.2 数据准备

本文根据2018 年12 月31 日至2019 年2 月20日浦东机场52 天的气象数据对污染物排放的影响进行分析，主要包括逆风风速大小，场面温度，场面气压。图1 是该段时间浦东机场日平均风速曲线图，图中黑线为希思罗机场TBS标准开始缩减间隔的逆风风速参考值3.6m/s。日平均场面温度和场面气压如图2～3所示。

图1 浦东机场日平均风速图

图2 浦东机场日平均场面温度图

图3 浦东机场日平均场面气压图

由图1 可知，计算得出82.7%的时间里风速大于3.6m/s，此时可以借鉴本文计算出的REACT-CN TBS 标准，使用TBS 标准优化飞机进近着陆间隔，降低逆风所带来的影响。由图2～3 所知，根据气温和场压数据，得出浦东机场1～2 月份日平均温度2℃～14℃之间，日平均场压在1013hPa～1039hPa 之间。

统计2018 年12 月31 日至2019 年2 月20 日浦东机场，进近着陆的航空器类型前后飞机对组合，有11 种组合，飞机对类型( )i,j在着陆组合中的比例如表5所示。

表5 飞机对组合概率

根据着陆航空器的类型，确定每种机型的发动机型号，依据ICAO 发布的《Aircraft Engine Exhaust Emissions Data Bank》，获取各类型发动机各进近着陆阶段的标准排放数据，如表6所示。

表6 各机型发动机型号及排放数据

ICAO 公布的发动机排放数据中，油耗系数与各污染物排放指数均基于标准海平面高度与标准大气条件。故须结合浦东机场气象数据，对排放指标进行修正。

通过统计，浦东机场每日着陆航班序列基本相同，故从理论上研究了TBS运行标准与DBS运行标准相比节省的时间，每日利用TBS间隔标准所节省的时间和逆风风速关系如图4所示。

图4 逆风风速和节约时间图

由图4 可知，TBS 间隔标准运行效率与每日逆风风速大小成正比，风速越大，节约的时间越多，效率提升越明显，2 月4 日日平均风速最小为2.1m/s，时间节省量为3.2h，而2 月7 日日平均风速最大为9.6m/s，时间节省量为6.1h。

依据运行节省时间，结合污染物排放和燃油消耗修正模型，仿真估算每日各得出污染物HC、CO、NOX排放量和燃油消耗量如图5所示。

图5 各污染物排放量和油耗图

由图5 可知，与同时期的DBS 运行标准相比，TBS 运行标准的可显著减少燃油消耗量及污染物排放量，逆风风速越大，节油率越大，污染物减排率越大。TBS 运行标准可以为航空公司节省许多燃油成本，并减少机场的污染物排放。其中HC、CO、NOX减排量各为201.36g，2255.44g，9023.81g，减少燃油消耗568.0t。与同时期的DBS 运行标准相比，TBS 运行标准各污染物减排效率和减少油耗效率如图6所示。

图6 减排效率图

由图6 可知，飞机进近着陆阶段，运用TBS 运行标准节油率可达到21.94%；HC 污染物排放量减少了21.60%；CO污染物排放减少了20.22%；NOX污染物减排分别为21.52%。其中节油率达到最大，各污染物减排率都在20%以上。对于沿海大型机场，应该更加重视节能减排，应用TBS运行标准，将会对我国民航建设带来巨大好处。

5 结语

本文主要依托在传统ATC 基于距离的间隔标准（DBS）上引入基于时间的间隔标准（TBS）对飞机污染物排放和油耗进行分析，得出结论如下：

1）进近着陆阶段，与DBS 运行标准相比，TBS运行标准将降低燃油消耗568.0t，减少HC 排放201.36g，CO排放2255.44g，NOX排放9023.81g；

2）TBS 运行标准将对机场的节能减排做出重大贡献。可以减少至少20%的燃油消耗和污染物排放；

3）TBS 间隔标准在逆风条件下运行时，运行效率与逆风风速大小成正比，风速越大，节约的时间越多，效率提升越明显；

4）随着“碳达峰”、“碳中和”等概念的提出，考虑到逆风天气条件较强，一些沿海机场的油耗和污染物排放较大，空管局或航空公司可考虑实施TBS运行标准，以减少燃油和污染物排放。