基于時間間隔的飛機進近污染物減排研究?

潘衛軍 吳天祎 曾 琛 冷元飛

（1.中國民用航空飛行學院空中交通管理學院 廣漢 618307）（2.中國民用航空飛行學院新津分院 成都 611431）

1 引言

近年來，隨著民航業的高速發展，飛機燃油消耗和污染排放已成為熱門話題［1］。飛機活動產生的污染物對人類健康有害，對環境造成破壞［2］。飛機排放的主要污染物包括HC、CO、NOX、CO2等，其中，CO2占該行業溫室氣體排放的絕大多數，而HC、CO、NOX會對環境和人類健康造成嚴重損害［3～5］。2020 年，習近平總書記在氣候雄心峰會和聯合國大會等多個場合強調“碳達峰”，“碳中和”的概念。因此，減少污染物排放量，以實現改善機場環境，減少機場對周邊環境的影響有重要的現實意義。

然而，為能確保著陸時的運行安全，飛機在最后進近著陸階段，前后兩架著陸飛機還需要保持一定的安全間隔［6］。目前我國各空管局在實際運行中實行的尾流間隔標準是采用一種基于距離的間隔（Distance-based separation，DBS），這種尾流間隔標準過于保守，還有很大的優化縮減空間。若在最后進近階段出現較大的逆風或側風將會對尾流移動和耗散的產生巨大影響。飛機在下降著陸時，逆風風速越大，飛機的地速就會相對越小，同時逆風也會加快飛機尾流的耗散，削弱前機尾流對后機的影響程度，如果兩架飛機依然保持固定的DBS間隔飛行，則兩機的著陸時間間隔將大大增加，導致單位時間內飛機的進場數量減少，從而影響跑道的吞吐量，而且會導致機場大面積航班延誤，增加飛機的飛行時間，消耗更多的燃油，排放大量的尾氣污染物造成環境污染［7］。隨著民航業的發展，空中交通十分擁擠，流量急劇的增加，使這一問題進一步加劇［8］。

2000 年初，EUROCONTROL 開始研究一種通過時間而不是距離確定飛機間隔的新運行程序，即基于時間的間隔（Time-based separation，TBS）。TBS 通過飛機在較大的逆風情況下的動態減小前后飛機之間的時間間隔來有效解決逆風的干擾，從而提高運行效率，提高跑道吞吐量［9］。在單一歐洲天空空管研究計劃06.08.01 項目的研究范圍內進一步系統的發展和評估了TBS概念［10］。2015年，英國希斯羅機場實施TBS標準后，根據希斯羅機場相關部門統計，運用DBS 標準運行時，逆風導致的航空器地速顯著減小，從而導致每架航空器的平均進近著陸時間延長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。大逆風條件下應用TBS 運行標準后，穩定了飛機著陸時間間隔，著陸效率可恢復到40～43架次/h的水平［11］。

鑒于此，本文建立了基于時間間隔的計算模型、燃油消耗及污染物排放模型，結合浦東機場氣象數據和航班數據，提出適合我國的TBS 運行標準，從理論上研究了TBS運行標準與DBS運行標準相比節省的時間。在航班數和航班序列接近相同的情況下，評估了TBS運行標準與DBS運行標準相比的顯著節能減排效果。TBS 運行標準的應用可以有效減少逆風條件下飛機飛行時間，提高運行效率，減少燃油消耗，減少污染物排放。

2 基于時間間隔的模型

2.1 尾流間隔標準

對比靜風條件，逆風會加速前機尾流的耗散，所以在強逆風條件作用下，前機尾流會以較快的速度耗散到后機可接受的強度，所以TBS可以安全高效地減小前后飛機間隔。為了提高大逆風天氣情況下的運行效率，降低機場不必要的延誤，減少燃油消耗及污染物排放，2015 年英國希斯羅機場開始實施TBS 標準。考慮到目前現有飛機尾流間隔標準中機型分類標準過于單一保守，難以全面滿足國際民航業的發展，美國FAA、歐洲EUROCONTROL和國際民航組織全面優化與縮減改進現行尾流間隔，將現行尾流間隔的機型分類標準再分類。ICAO RECAT 基于距離的間隔標準和基于時間的間隔標準如表1～2所示［12］。

表1 ICAO RECAT尾流間隔標準/km

表2 ICAO RECAT尾流間隔標準/s

2015 年，中國民航局根據國外尾流間隔發展的成果和國際民航組織的指導意見，出臺了《中國民航航空系統組塊升級（ASBU）發展與實施策略》。2019 年1 月23 日，空管局在廣州擬定了RECAT-CN 標準［13］。該分類方式在一定程度上縮減飛機間的運行間隔，間隔標準如表3所示。

表3 RECAT-CN尾流間隔標準/km

2.2 前機尾流耗散模型

前機尾流初始渦環量、初始渦核半徑、初始渦間距、特征速度和特征時間的計算公式為［14～16］

式中：Γ0為初始渦環量；M為飛機重量；g為重力加速度；ρ為空氣密度；B為飛機翼展；vi為前機(i)飛行速度；b0為初始尾渦間距；r0為初始渦核半徑；v0為特征速度；t0為特征時間。

飛機尾流的耗散可分為近渦耗散和遠渦耗散兩個階段。近渦階段的持續時間與湍流耗散率、尾渦初始特征速度、特征時間和初始渦核間距有關，其計算公式為

式中：ε*=渦耗散率；t*=近渦階段持續時間；ε為湍流耗散率，其計算公式為

式中：Cmu=0.09 是常數；k為湍動能；l為湍流特征尺度。

前機尾流的遠渦耗散階段環量計算方法如下［17］：

式中：C=0.45 是常數；Γts為后機安全的尾渦環量大小；ts為遠渦階段后機遭遇前機安全尾渦環量的時間：0.25N*2為大氣層結對尾渦耗散的影響。

2.3 DBS和TBS轉化模型

通過當前基于距離的間隔標準，建立飛機(i)和(j)之間靜風條件下的時間間隔tij模型，其公式為

式中：δij為著陸飛機對(i,j)的最小基于距離的間隔；vj為后機(j)的平均進近速度。

基于時間的最小間隔規則tij/min可表示為

如果vi≤vj，則當前機(i)處于跑道入口時，應建立最小時間間隔規則tij/min。此外，必須滿足以下條件：tij/min≥tROTi，其中tROTi是前機(i)的跑道占用時間。

當vi>vj時，應在前機(i)剛好在最后進近點時，建立最小時間間隔規則tij/min。

所以，飛機對(i,j)在跑道入口處的基于時間的最小間隔規則Tij/min可確定如下：

其中，r為公共下滑道長度。

以RECAT-CN 規定的尾流最低距離間隔標準為基礎，根據上文TBS 間隔計算模型，并結合ICAO RECAT 的間隔標準進行修正，計算出在RECAT-CN 間隔標準下，不同機型組合的基于時間的間隔（TBS）標準，如表4所示。

表4 RECAT-CN尾流間隔標準/s

3 污染物排放基本模型

ICAO 公布的發動機排放數據中，基于標準海平面高度與標準大氣條件發布了燃油消耗指數與各污染物排放指數［17］。考慮到不同地區的不同機場海拔高度、地理位置存在較大差異，且大氣環境的變化對飛機發動機的燃油消耗和污染物排放有影響顯著，故需要將飛機的燃油流量換算成國際標準大氣條件下的修正燃油流量，也需對飛機的污染物排放指數予以修正［19］：

式中：fc為單個發動機的修正燃油流量；f0為ICAO 公布的單個發動機的燃油流量；M為飛行馬赫數；θ為氣溫比，計算公式為

δ為氣壓比，計算公式為

式中：Th為高度為h處的大氣溫度；TISA為標準大氣條件下海平面溫度，取值為288.15K；T0為場面氣溫；Ph為高度為h處的大氣壓強；PISA為標準大氣條件下海平面壓強，取值為1013.25hPa；P0為場面氣壓；h為飛行高度；h0為參考高度，取值為10m。

氣象部門提供的風速資料一般是在距地面10m 高度觀測的，風速大小和飛行高度有關，不同高度上的風速采用乘冪律公式修正：

式中：Vh為高度為h處的風速；V0為參考風速；λ為穩定度參數，一般取值為0.10。

飛機在飛行過程中產生的污染物排放量與燃油消耗量成正比，同時還與各污染物排放指數有關。氣溫、氣壓和風速條件都會對飛機燃油消耗和污染物排放產生影響，故而需要考慮到實際氣象因素對于污染物排放指數進行修正計算。

結合飛行過程中的氣象因素利用參數修正法對飛機的污染物排放指數值進行修正，根據各飛機發動機型號組合，參照海平面靜態污染物排放數據［20］，計算出飛機產生的靜態污染物排放量：

式中：Ijc為污染物j的修正排放指數；Ij為污染物j的實排放指數；φ為大氣相對濕度。

利用ICAO 的標準燃油流量法，可以估算飛機的燃油消耗量為

式中：Q為飛機的燃油消耗總量；n為發動機數量；tT為總飛行時間。

在計算出飛機的油耗量之后，再結合各污染物的排放指數，可以估算出各污染物排放量為

式中：Ej為污染物j的排放量。

4 結果與討論

上海浦東國際機場是我國航班數量最繁忙的機場之一，為4F 級民用機場，容量已經達到飽和。浦東機場為我國沿海機場，大逆風天氣較多，此時在DBS 標準下，逆風將嚴重影響機場的容量，隨著風速的增大，航班飛行時間會增加，會造成航班的延誤，增加油耗和污染物排放，產生極大的損失。

4.1 浦東機場跑道構型情況

浦東機場目前擁有兩組近距平行跑道，其中1、2 號跑道（17L/35R、16R/34L）主要用于起飛，3、4號跑道（17R/35L、16L/34R）用于降落。

4.2 數據準備

本文根據2018 年12 月31 日至2019 年2 月20日浦東機場52 天的氣象數據對污染物排放的影響進行分析，主要包括逆風風速大小，場面溫度，場面氣壓。圖1 是該段時間浦東機場日平均風速曲線圖，圖中黑線為希思羅機場TBS標準開始縮減間隔的逆風風速參考值3.6m/s。日平均場面溫度和場面氣壓如圖2～3所示。

圖1 浦東機場日平均風速圖

圖2 浦東機場日平均場面溫度圖

圖3 浦東機場日平均場面氣壓圖

由圖1 可知，計算得出82.7%的時間里風速大于3.6m/s，此時可以借鑒本文計算出的REACT-CN TBS 標準，使用TBS 標準優化飛機進近著陸間隔，降低逆風所帶來的影響。由圖2～3 所知，根據氣溫和場壓數據，得出浦東機場1～2 月份日平均溫度2℃～14℃之間，日平均場壓在1013hPa～1039hPa 之間。

統計2018 年12 月31 日至2019 年2 月20 日浦東機場，進近著陸的航空器類型前后飛機對組合，有11 種組合，飛機對類型( )i,j在著陸組合中的比例如表5所示。

表5 飛機對組合概率

根據著陸航空器的類型，確定每種機型的發動機型號，依據ICAO 發布的《Aircraft Engine Exhaust Emissions Data Bank》，獲取各類型發動機各進近著陸階段的標準排放數據，如表6所示。

表6 各機型發動機型號及排放數據

ICAO 公布的發動機排放數據中，油耗系數與各污染物排放指數均基于標準海平面高度與標準大氣條件。故須結合浦東機場氣象數據，對排放指標進行修正。

通過統計，浦東機場每日著陸航班序列基本相同，故從理論上研究了TBS運行標準與DBS運行標準相比節省的時間，每日利用TBS間隔標準所節省的時間和逆風風速關系如圖4所示。

圖4 逆風風速和節約時間圖

由圖4 可知，TBS 間隔標準運行效率與每日逆風風速大小成正比，風速越大，節約的時間越多，效率提升越明顯，2 月4 日日平均風速最小為2.1m/s，時間節省量為3.2h，而2 月7 日日平均風速最大為9.6m/s，時間節省量為6.1h。

依據運行節省時間，結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圖5所示。

圖5 各污染物排放量和油耗圖

由圖5 可知，與同時期的DBS 運行標準相比，TBS 運行標準的可顯著減少燃油消耗量及污染物排放量，逆風風速越大，節油率越大，污染物減排率越大。TBS 運行標準可以為航空公司節省許多燃油成本，并減少機場的污染物排放。其中HC、CO、NOX減排量各為201.36g，2255.44g，9023.81g，減少燃油消耗568.0t。與同時期的DBS 運行標準相比，TBS 運行標準各污染物減排效率和減少油耗效率如圖6所示。

圖6 減排效率圖

由圖6 可知，飛機進近著陸階段，運用TBS 運行標準節油率可達到21.94%；HC 污染物排放量減少了21.60%；CO污染物排放減少了20.22%；NOX污染物減排分別為21.52%。其中節油率達到最大，各污染物減排率都在20%以上。對于沿海大型機場，應該更加重視節能減排，應用TBS運行標準，將會對我國民航建設帶來巨大好處。

5 結語

本文主要依托在傳統ATC 基于距離的間隔標準（DBS）上引入基于時間的間隔標準（TBS）對飛機污染物排放和油耗進行分析，得出結論如下：

1）進近著陸階段，與DBS 運行標準相比，TBS運行標準將降低燃油消耗568.0t，減少HC 排放201.36g，CO排放2255.44g，NOX排放9023.81g；

2）TBS 運行標準將對機場的節能減排做出重大貢獻。可以減少至少20%的燃油消耗和污染物排放；

3）TBS 間隔標準在逆風條件下運行時，運行效率與逆風風速大小成正比，風速越大，節約的時間越多，效率提升越明顯；

4）隨著“碳達峰”、“碳中和”等概念的提出，考慮到逆風天氣條件較強，一些沿海機場的油耗和污染物排放較大，空管局或航空公司可考慮實施TBS運行標準，以減少燃油和污染物排放。