基于BADA模型的飛機持續下降進近節能減排研究*

吳文潔 胡 榮 張軍峰 陳 琳

(南京航空航天大學民航學院 南京 210016)

基于BADA模型的飛機持續下降進近節能減排研究*

吳文潔 胡 榮 張軍峰 陳 琳

(南京航空航天大學民航學院 南京 210016)

為了促進我國民航業的節能減排，提高飛機運行的燃油經濟性和環保性，考慮實際氣象條件，提出了飛機的燃油消耗量和污染物排放量計算模型.結合飛機性能數據，采用BADA模型仿真，開展了飛機進近階段的節能減排研究.以廣州白云機場B767-300飛機GYA方向進場過程為例，利用MATLAB編程計算飛機分別采用梯級進近和持續下降進近飛行的油耗與排放情況，結果表明，持續下降進近可節約超過1/4的燃油消耗量，節能效果顯著；持續下降進近可以有效減少HC，CO，NOx，CO2和SO2五種污染物的排放量，且對NOx減排效果最佳.推廣持續下降進近的應用有助于實現我國民航的節能減排.

持續下降進近；節能；減排；BADA模型；燃油消耗；航空尾氣排放

0 引 言

節能減排是我國的基本國策，隨著民航運輸業迅速發展，飛機起降架次逐漸增多，燃油消耗與尾氣排放逐步上升，燃油價格波動使得民航運營成本不斷變化，飛機尾氣排放導致大氣環境污染日益加劇，當今社會發展倡導節能減排，因此經濟性和環保性逐漸成為民航發展的更高追求.

飛機是民航重要組成部分，保證民航業經濟、環保、可持續發展的基礎是實現飛機的節能減排.針對飛機節能減排問題，研究學者已開展深入研究并取得豐碩成果，基于其研究內容，主要分為兩個方面.

1) 飛機節能研究 由于航油價格不斷波動，合理控制飛機航油使用成為省油節能的關鍵，而燃油控制的前提則是建立精確的油耗模型.劉婧[1]提出采用飛行數據訓練BP網絡計算燃油流量的模型，簡化油耗估算過程.劉芳[2]根據不同飛行環境歷史油耗數據建立下降階段的分段匹配燃油消耗模型.Collins[3]考慮飛機飛行中的動能和勢能變化，建立基于能量平衡原理的燃油消耗估計模型.Nikoleris等[4]利用真實飛行數據，對達拉斯-沃斯堡國際機場飛機的燃油消耗總量進行估算.Singh等[5]則從宏觀方面對飛機油耗估算方法進行了分類，分析和評價.

2) 飛機減排研究 為了維護民航經濟發展和環境保護之間的平衡，實現飛機污染物排放準確評估成為減排的重要基礎.黃勇等[6-7]根據發動機海平面靜態排放數據，對中國民航飛機的NOx排放量及其分布進行了分析和評估.孫見忠等[8]結合飛機飛行參數和性能數據，利用相對法模型估算了航班污染物排放總量.夏卿等[9]基于我國民航機隊資料和飛行數據，對我國123個機場1周內飛機LTO循環的氣體污染物排放量進行了計算.魏志強等[10-11]利用飛機性能軟件建立污染物排放量計算模型，實現不同飛行階段污染物排放量的計算.Owen等[12]則利用歷史排放數據，對2050年全球航空活動所造成的污染物排放數據進行了大致估算.

在追求“建設資源節約型，環境友好型社會”的形勢下，我國民航局明確提出未來五年要全面推進民航節能減排，其中指出在安全運行前提內，采用經濟方式實施飛行，最大限度地減少燃油消耗和環境污染[13].持續下降進近就是在環保要求日益升溫的背景下提出來的.它是指使飛機保持怠速狀態實現恒定下滑角的下降進近，即以預設的下降梯度，從起始下降高度持續下降到最低下降高度，中間無平飛航段[14].持續下降進近有下滑航線高、推力小、時間短和噪聲低等優點，不僅可以有效減少燃油消耗并降低環境污染，而且可以減輕飛行員負擔并降低事故發生率[15-16].

盡管目前針對飛機節能減排的研究已取得一定成果，但仍略有不足：①現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，預測精度相對有限，難以滿足民航運輸的實際需要；②國內關于持續下降進近的研究，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，與美歐等發達國家的差距明顯.

基于上述考慮，本文以廣州白云機場GYA方向B767-300飛機進場過程為例，基于BADA模型，考慮氣象條件，利用MATLAB編程，研究梯級進近和持續下降進近的飛機油耗與排放問題，通過模型仿真和理論計算分析持續下降進近對飛機燃油消耗和污染物排放的影響.

1 BADA模型

飛機性能數據庫(base of aircraft data，BADA)模型是由歐洲航空安全組織開發的分析飛行動力學的模型，主要應用于飛行仿真、航跡預測、排放評估和油耗計算四個方面，且在飛行仿真度、復雜性和精確度上具有較大優勢[17-18].

1.1 全能量模型

反映飛機運動過程中速度、推力和高度等飛行參數的變化規律及約束關系，核心內容是合外力做功等于飛機動能和勢能的變化量.

(1)

(3)

式中：T為發動機推力；D為飛機所受阻力；VTAS為飛機真空速；m為飛機質量；g為重力加速度；h為飛行高度；f(Ma)為能量分配系數，表示沿著選定速度剖面爬升或下降時，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.

1.2 氣動及推力模型

飛機在飛行中會受到升力、重力、阻力及推力作用，直接影響其飛行速度，根據各飛行階段的性能系數，可計算飛機的推力和阻力.

(4)

(5)

(6)

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

1.3 風速修正模型

在大氣邊界層內，風速和高度有關.氣象部門一般會提供距離地面10 m高度定時觀測的風速資料，不同高度上的風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處的風速；V0為距地高度為10 m的觀測風速；h0為距地參考高度，取值為10 m；λ為穩定度參數，考慮機場周邊建筑特征，λ一般取值為0.10；φ為飛機的航向角；ω為風向角.

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；f為燃油流量；Cf為推力等級.

2 油耗與排放定量計算

2.1 燃油消耗量計算模型

考慮實際氣象因素，不同的氣溫、氣壓和風速條件都會對飛機燃油消耗產生影響，可利用參數修正法對實際燃油消耗進行修正.

標準燃油流量模型

(12)

(13)

2.2 污染物排放量計算模型

根據飛機-發動機型號組合，參照海平面靜態排放數據，結合氣象因素對各污染物排放指數進行修正，可計算航空氣體污染物的排放量.

(14)

(15)

(16)

3 油耗與排放結果分析

本文以廣州白云機場GYA方向進場過程為例，開展梯級進近和持續下降進近的飛機油耗與排放評估研究.根據飛行數據可知，GYA方向的進場高度是從3 900 m下降至1 800 m.圖1為GYA方向三維飛行軌跡圖，即梯級進近與持續下降進近的空間航跡示意圖，其中X坐標指“經度”，Y坐標指“緯度”，Z坐標指“飛行高度”.

圖1 GYA方向三維飛行軌跡圖

考慮白云機場繁忙程度且持續下降進近安排在夜間運行，對白云機場2015年8月份00:00—03:00所有航班運行情況進行統計，結果表明，B767-300飛機的運行頻次相對較高，故選用 B767-300為本文研究機型.B767-300飛機配備的發動機型號為PW4056，由《Aircraft Engine Exhaust Emissions Data Bank》可知其污染物排放指數，見表1.

表1 PW4056的污染物排放數據

對于污染物CO2與SO2而言，其排放指數和發動機型號及所使用的航空燃油有關，而與飛行階段無關，查閱污染物排放標準可知，PW4056發動機的CO2排放指數為3.104 kg/kg，SO2排放指數為1 g/kg.

3.1 持續下降進近節能效果評估

節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計算B767-300飛機分別采用梯級進近和持續下降進近的燃油消耗量為202.80 kg和149.60 kg，相比梯級進近，持續下降進近可減少燃油消耗53.20 kg，節約航空燃油26.23%.

3.2 持續下降進近減排效果評估

一般來說節能意味著減排，減少燃油消耗的同時可在一定程度上減輕飛機排放污染.飛機排放的污染物主要包括HC，CO，NOx，CO2和SO2等，這些污染物不僅會對機場周邊環境與公共健康造成嚴重危害，而且會導致全球溫室效應和氣候變化.根據修正污染物排放計算模型，利用MATLAB分別估算B767-300飛機采用梯級進近和持續下降進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=梯級進近排放量-持續下降進近排放量；減排比例=減排量/梯級進近排放量.

由表2可知，相比梯級進近，持續下降進近能在不同程度上減少飛機污染物排放并減輕大氣環境污染，減排效果明顯.

3.3 持續下降進近節能減排原因分析

3.3.1 節能原因分析

由燃油消耗量的計算原理可知，影響油耗的兩大因素是燃油流量和飛行時間，圖2為燃油流量和飛行時間對比圖.

圖2 燃油流量和飛行時間對比圖

由圖2a)可知，在GYA方向進場飛行過程中，采用持續下降進近飛行的燃油流量始終低于梯級進近.由圖2b)可知，相比梯級進近，持續下降進近可減少飛行時間9 s，可節省時間2.13%.

因此綜合燃油流量和飛行時間考慮，持續下降進近能明顯減少燃油消耗.

3.3.2 減排原因分析

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

而排放指數則受外界氣象條件如濕度因子、風速、風向、氣溫和氣壓等影響，這些影響因素又與飛行高度有關，所以影響飛機排放的一個關鍵因素就是飛行高度.根據飛行數據可知，GYA方向進場距離為62 km，圖3為GYA方向飛行剖面示意圖，其中橫坐標“飛行距離”是指飛機到最后進近定位點的水平距離.

圖3 GYA方向飛行剖面圖

由圖3可知，持續下降進近的飛行高度整體高于梯級進近.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.相比梯級進近，持續下降進近的飛行高度升高，濕度因子增大，外界氣溫和氣壓降低，導致HC，CO和NOx的排放指數減小，雖然CO2和SO2的排放指數與飛行高度無關，但是持續下降進近的燃油消耗量明顯低于梯級進近，因此綜合燃油消耗量和排放指數考慮，持續下降進近能有效降低各種污染物排放.

4 結 論

1) 相比梯級進近，持續下降進近的發動機推力小，燃油流量低，飛行時間短，可節約超過1/4的燃油.

2) 相比梯級進近，持續下降進近的飛行高度高，污染物排放指數小，因此持續下降進近對HC，CO和NOx的減排效果明顯，且對NOx的減排效果尤為顯著.

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

4) 持續下降進近節能減排的主要原因是其推力較小、飛行高度較高和飛行時間較短.

然而本文僅從理論計算和模型仿真的層面研究持續下降進近節能減排效果，對真機試驗的實證分析仍需進一步研究.此外本文僅研究飛機自身的節能減排問題，對于民航業的節能減排，未來可以考慮從技術、運營和市場三個宏觀角度著手研究，比如采用新型發動機和開發可替代航空燃油、提高空管和機場運營保障能力以及采用碳抵消和碳稅費等經濟措施來倡導民航節能減排，實現我國綠色民航發展.

[1]劉婧.基于飛行數據分析的飛機燃油估計模型[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[2]劉芳.下降階段的飛機油耗優化建模方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.

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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

*國家自然科學基金項目資助(71401072，71201082)

V249.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.027

吳文潔(1993—)：女，碩士生，主要研究領域為綠色民航，交通運輸規劃與管理