進場飛機污染物減排策略研究

摘" 要：近年來，隨著全球航空業的快速發展，航空運輸量呈現出急劇增加的趨勢，在這一過程中，相關航空器的污染物排放問題日趨嚴重，極大地影響到大氣環境質量?；谶@種情況，當前的相關研究中，對飛機污染物的排放關注程度也越來越高，在該研究之中，通過對當前我國進場飛機的污染情況進行總結與分析的方法，結合實際情況與飛機的燃油消耗模型，提出若干降低進場飛機污染的措施，包括優化機隊、航線及高度層配備等，期望對實際工作提供幫助。

關鍵詞：進場飛機；污染物排放；減排技術;策略；航空器

中圖分類號：X738" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0132-05

Abstract： In recent years， with the rapid development of the global aviation industry， air traffic shows a sharp increasing trend. In this process， the pollutant emission problem of related aircraft is becoming more and more serious， which greatly affects the quality of the atmospheric environment. Based on this situation， in the current related research， more and more attention has been paid to aircraft pollutant emissions. In this study， through the method of summarizing and analyzing the current pollution situation of approach aircraft in our country， combined with the actual situation and aircraft fuel consumption model， a number of measures to reduce incoming aircraft pollution are put forward， including optimizing fleet， route and altitude equipment， etc. It is expected to be helpful to the actual work.

Keywords： incoming aircraft; pollutant emissions; emission reduction technology; strategy; aircraft

飛機排放物會對大氣環境造成污染，是人們長期以來關注的一個問題?，F階段的航空發動機，其使用的化石燃在料燃燒過程中產生的一系列污染物，是造成這種現象的根本原因，相關排放物中的部分物質會對大氣中的自然化學反應形成干擾，進而引起污染。在當前環境下，由于機場越來越繁忙，相關飛機在進場過程中出現的延誤和擁堵不僅給安全帶來了隱患，同時也造成了能源的嚴重浪費和突出的環境污染問題。

1" 飛機的排放概念及計算方法

1.1" 飛機的排放

現階段的民用航空主要采用煤油作為燃料，因此飛機排放AXOT=ATOT-AOBT=ALDT-AIBT尾流廢氣包括了煤油燃燒和大氣成分通過燃燒室產生的物質。碳氫化合物燃燒產生CO2和H2O，其他排放物則是NO2，NO2是大氣中的氮在燃燒室之中發生氧化反應的重要產物，同時還會排放SOx、CO和燃燒產生的煤煙顆粒等，而硫酸氣霧可以通過SO2的進一步氧化產生。在造成的影響方面，對應的地面環境條件下，航空排放物會對機場和周邊的空氣質量形成影響，而眾多污染物之中，產生影響最大的被認為是NOx、未燃燒的碳氫化合物和細微顆粒。其中氮氧化物本身是具有刺激性的氣體，其不僅會對人體的肺部形成影響，還會對空氣流通形成一定的負面作用。細小懸浮顆粒的存在，會加重對人體心肺功能的影響；廢氣之中的多環芳香烴則能夠對細胞中的遺傳物質形成損壞，并增加人們發生癌癥的可能性[1]。在飛機處于爬升、下降和巡航高度下的時候，對應的排放物會對大范圍的大氣環境形成影響。從我國的實際情況來看，在改革開放以來，我國民航運輸總周轉量以年均16.5%的增長率持續增長，航油消耗量則保持在13.6%左右的年均增長[2]，在這一過程之中不僅導致了大量的能源浪費，同時不合理的燃油消耗情況，也對因為航空業而產生的環境污染問題造成重要影響，整體呈現出愈演愈烈的現象。此外，與當前發達國家進行比較，也可以了解到現階段我國在進行飛機污染物排放控制方面，仍然具有較大的潛力，如國內某航空公司與美國航空公司的單位油耗進行比較，其均普遍存在消耗量更大的現象（表1），這種情況顯然與目前綠色飛行的理念相違背。

1.2" 進場飛機發動機燃油消耗量計算方法

飛機在機場的全部活動，可以用起降循環LTO來進行描述，其所指的是相關飛行器在離開登機口至回到登機口的全部過程，該過程整體可以劃分為滑行、起飛、爬升和進近等多個階段。在國際民航組織（ICAO）的定義之中，認為LTO階段為機場終端區混合層高度915 m以下的航空器運行階段，而該定義則包括了上述的幾個階段，同時ICAO也對當前各類飛行模式下，相應的航空器發動機具體推力值和對應模式下運行的具體時間進行了明確（表2）。

在實際工作之中，人們可依據對應航班的時刻信息，實際撤輪擋時間（AOBT）、實際擋輪擋時間（AIBT）、實際起飛時間（ATOT）和實際降落時間（ALDT）等，對相應飛行器的滑出（AXOT）進行比較準確的計算，該過程中方相關的計算方法為

AXOT=ATOT-AOBT=ALDT-AIBT。

同時，依據ADS-B數據中，相關航空器起飛和降落機場壓力高度為915 m的時間戳，就能夠了解到設備爬出消耗的時間和進近著落所消耗的時間，這一方法可以有效提升LTO階段中，航空器的各個飛行模式的準確時間消耗，讓在這個階段之中的污染物排放情況可以得到精確的計算。

燃油消耗是航空器污染排放計算過程中的重要一環，在進場飛機的燃油消耗計算過程中，理論上可以通過把握對應航空器在特定運行模式下的燃油流量、運行時間，通過兩者的乘積來獲得具體的燃油消耗量[3]。在ICAO所劃定的飛機LTO階段相關參數基礎上，進行計算的時候可以結合不同發動機廠商提供的飛機運行各階段基準燃油量、排放指數等展開，相關數據可通過ICAO EEDB數據庫獲知，在計算過程中，可將飛機在LTO階段之中的燃油消耗情況表示為

式中：TIMi和FFi表示對應模式下飛機運行的具體時間，以及該過程中的燃油流量，而Neng則表示相關飛機所擁有的發動機數量。而同時，在飛機性能數據庫（BADA）中，也針對飛機在下降的過程中其燃油消耗的具體模型進行了建立，其表示為

式中：FFi為飛機運行在i階段之中的燃油流量，而Ti則表示飛機在i階段之中的運行時間，通過這些方法，即可比較清晰地掌握相關進場飛機的燃油消耗情況，從而為后續進行污染排放的計算提供條件。

1.3" 進場飛機排放物的計算方法

要實現進場飛機的節能減排，相關單位和人員在工作之中還需要對進場飛機的污染物排放量進行充分的把握，從而制定相應的減排計劃。通常而言，飛機運行階段會產生大量的污染排放物，這些污染物主要包括碳氧化合物、碳氫化合物、氮氧化合物等[4]。在進行各類污染物排放水平計算的時候，相關人員可以通過查閱ICAO EEDB對飛機LTO階段的各類污染物排放指數進行獲?。ū?），通過以燃油消耗量乘以污染物指數的方式，得到具體的污染物排放量。實際上，當相關飛機處于飛行過程中，其產生的污染物排放量是與自身的燃油消耗量呈正相關的，一般而言，HC氣體、CO氣體2種氣體排放在飛機的發動機處于慢車狀態下的時候最大，而當飛機處于起飛狀態，發動機的推力較大，因而相關氣體的排放量往往處于最小的狀態，且這2種狀態之間的差值可以達到數十倍。

2" 進場飛機污染排放影響因素分析

2.1" 空中無效用油

從前文的內容之中可以了解到，燃油消耗量是影響進場飛機污染物排放的關鍵指標。在既往的工作之中，我國空域內的各個航線均是固定的，無論是航空器的運營人或者是空管部門，都沒有自主進行航線具體走向自主決策的權利，同時多數空域都為軍隊占用，民航飛機在進行飛行和空域使用的時候，所占據的空域比例較小，正是這種情況的存在，在進場過程中相關飛行器的空域整體自由度不高，空域利用率較低，導致進場階段存在諸多不利于航空器節油的繞飛，甚至一些航線呈現出顯著的舍近求遠的情況，大大地增加了進場飛機的飛行距離和飛行時間，而飛行距離和飛行時間的增加又勢必導致飛機燃油消耗量的增加，從而導致燃油使用量的增加，污染物排放量增大[5]。同時，當前我國民航飛機在進場階段，也存在著較大比例的空中盤旋等待時間，這一部分時間也會增加飛機的燃油消耗。

2.2" 單位時間油耗過高

單位時間油耗也是影響到飛機污染物排放的重要因素，這種情況的出現則與高度層利用、進場飛行程序設計、飛機選型與改裝等多種因素相關。首先從飛行高度層利用的情況來看，目前我國的空管體制之下，相應的固定航線飛行高度層絕大多數都較對應飛機的最佳飛行高度層存在差距，以某航班的B737-300/500、B737-700、B757-200三種飛機的飛行高度層為例（表4），其中B737-300/500的最佳飛行高度為10 973 m，當前的體制之下，其加權平均指定高度則為8 430 m，與最佳飛行高度相差2 543 m，客觀上增加了飛行的油耗，從而增大了污染物的排放量。在飛機進場的階段，由于空域的使用存在限制，因此會導致進場飛行航線與離場航線之間存在交叉的問題，這種情況將會導致空中等待時間延長，同時為了避免出現沖突現象，部分進場飛機必須采取迂回避讓的策略，從而增加油耗。此外，從飛機的選型與改裝角度來看，不同機型的燃油消耗情況是存在客觀差異的，通常而言，老舊飛機受自身的設計、材料使用和設備技術落后等原因的影響，會出現飛行過程中燃油使用效率較低的現象。但同時，對機型的更新又會導致企業的運營、航線規劃、維修等受到影響。當然，對飛機的適當改裝能夠在一定程度上實現節油的效果。

2.3" 燃油攜帶與重量控制

燃油攜帶量過大會導致飛機本身的重量增加，從而增大飛機的油耗量，導致污染排放的加重。當前我國的相關規定之中，雖然對飛機的燃油攜帶量進行了較為明確的規范，但在實際操作過程中，往往可能受多種因素的影響，而出現攜帶超量備份燃料的現象。這種不精確的現象，主要是因為相關人員在進行燃油量管理的過程中，依賴于飛行員和統計人員的經驗數據，缺乏對燃油需求量的精確計算與管理，最終導致燃油量估算保守，增加了加油量。其次，備降機場選擇不合理也是進場飛機燃油量攜帶增加的重要原因，一般而言，為了應對由于惡劣天氣等因素導致的無法有效降落目標機場的問題，需要選擇附近的備降機場，而備降機場的接受能力、地理環境、距離等因素，會影響到燃油需求量，如果相關備降機場與目標機場距離較近，則所需的燃油量就會相對較少，如果距離遠，則會導致燃油需求量增大。部分單位在進行備降機場選擇的過程中，往往缺乏對這些情況的判斷，通常是以簽派人員或者是飛行人員的主觀意志為方向，導致了進場飛機的燃油冗余過多，油耗和污染問題更為嚴重。

3" 進場飛機污染物減排策略

3.1" 優化進場飛機線路

選擇合理優化線路，將能夠適當縮短航路，避免出現無效飛行的現象，有助于降低飛機的燃油消耗，減少污染物排放量。在實際工作之中，可通過航路取直、優選備降機場等措施達到目標。首先在航路取直方面，相關單位需要充分利用計算機飛行計劃系統使用導航、飛機性能、氣象、航線、政策和信息等數據庫，將其與其他部門的數據庫和計算機系統進行連接，讓相應的簽派人員在工作之中針對飛機的不同航路、高度層等方案進行比較與分析，從而尋找最佳的方案，以此降低飛機的燃油消耗。實施過程中，可以在此基礎上選擇最佳的飛行高度剖面、速度剖面，盡可能保證航路最近。其次，在進行備降長的選擇過程中，應當對接受能力、地理環境、目的地距離等多種因素進行考量。近些年來針對備降長選擇的過程中，因為天氣原因長時間在空中等待是不允許的，同時隨著當前技術的進一步發展，由于天氣因素而選擇備降的可能性已經很低，那么因這個原因而選擇攜帶大量的冗余油料是較為不合理的現象。在當前的環境下，相關單位可以選擇一個靠近航路的備降場作為主備降場來代替傳統備降場。在選擇的過程中，可以通過提供多個備降場供相關簽派員與飛行員進行選擇，確保其中1～2個在目的地100 n mile以內即可。同時在工作之中可以采取依托飛行數據庫和對應區域的天氣報告等，來對相關備降場的可用性進行評估，掌握對應區域備降場棄用的可能性，這些方法均可以降低進場飛機空中無用耗油量，減輕進場飛機的污染物排放。

3.2" 控制單位耗油量

單位耗油量對進場飛機污染物排放的影響較為深遠，采取相應的飛行操作將能夠在一定程度上對單位耗油量起到降低作用，相關的統計數據提示，在飛行員采取合理操作的情況下，可以節省燃油4%～7%。對于進場飛機而言，在進行操作的過程中，首先應當選擇最佳高度層飛行，而隨著燃油的消耗，飛機重量的減輕，這一高度也會隨之變高，當進入到進近階段的時候，相關飛行員則可采取連續進近著陸的方式，即航班飛機脫離航路之后，從初始進近到著陸采取持續下降飛行的方式，這種方式是當前國際航協推薦的進場飛行方案，可有效節約燃油。同時，影響飛機單位油耗的因素還包括飛機的自身重量，如飛機的清潔、噴漆、機載設備和用水等都會增加飛機的重量，導致油耗增加。為了降低因為飛機自重帶來的單位油耗量，相關單位在工作之中應當盡可能保持飛機清潔，對機載設備、飲用水和食品的攜帶量進行控制，降低飛機自重。

3.3" 合理進行機隊管理

在當前的環境下，不同機型在節油能力方面是存在著較大差異的，同時相關企業的機隊也處在不斷地淘汰與補充過程中，基于此合理地進行老舊設備的淘汰，更換新型飛機是當前航空公司節油的重要手段。首先在飛機型號的選擇方面，相關單位應當考慮企業的運營方式、市場規模、客貨特點和航程長短等因素，以實際情況為例，同為大型寬體客機的B747-400與B777-200A相比，其在正班客座率與載運率方面相當，但是B747-400的單位油耗與總油耗則會高出B777-200A 72%和22%左右，基于此選擇B777-200A顯然能夠顯著地節約油料，降低污染排放。同時相關單位在工作之中也可以針對飛機進行特定的改造，以改善飛行能力，例如為飛機加裝翼梢小翼，這種方法也可以比較有效地起到節油減排的效果。當然，從航空公司的角度來看，通過對航線特征的把握，與采取合理的機隊與航線優化方案將可以降低自身的成本，而成本降低，則提示機隊的油料消耗減少，這種情況下進場飛機所造成的污染也必然會得到控制。

以最低成本的機隊、航線優化目標為例，在實施過程中，假設需要獲取特定航線上運營的特定型號飛機的最低數量Xzy，其中z為飛機型號，y表示航線。則在進行模型建立的過程中，需要航空公司對y航線的單位貨運費用（Gy），z型飛機在y航線上航單位時間之內的最大航行次數（Szy）等指標進行明確，并構建如下模型進行對航線上飛機數量的調整即可，目標函數

通過獲取在對應航線上運行的最低成本，可以達到控制飛機數量、航班等因素的目的，保證航空公司在運營過程中取得更為良好的經濟性目標。同時，在該措施之下，進場飛機的數量也必然得到降低，從而對進場飛機的污染形成控制，最終可以達到經濟效益和環境效益的有效平衡。

4" 結束語

綜上所述，進場飛機污染排放的核心影響因素就是燃油的消耗情況，當其燃油消耗量增加時，飛機的污染物排放將會顯著增大，而對燃油消耗量進行有效的控制，則能夠起到節油減排的作用。基于此，相關單位和人員在工作之中，可以通過對進場飛行方案、飛機自重和飛機型號等進行科學的選擇，從而減少污染物排放。

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