SAGE模型在民航發(fā)動機(jī)排放中的應(yīng)用研究

曹惠玲，涂迅來，梁大敏，馬永鋒，牛 軍

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

當(dāng)今社會，節(jié)能減排的呼聲日益強(qiáng)烈，航空排放受到了高度的重視。排放量數(shù)據(jù)是衡量排放控制措施優(yōu)劣和技術(shù)發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)，因此如何準(zhǔn)確計算航空排放量很重要。在國外，開發(fā)出了很多用于航空排放計算的模型，其中用得最多的是Aero2k和SAGE模型。然而，在國內(nèi)尚缺乏自主開發(fā)且公眾認(rèn)可的航空排放計算模型，故而需要研究及應(yīng)用國外現(xiàn)有的先進(jìn)的模型。SAGE和Aero2k有很大的不同：①計算方法不同，SAGE基于Boeing Mehod2，而Aero2k對不同的排放物有不同的方法，如NOx基于DLR燃油流量方法、PM基于DLR碳煙方法等；②SAGE計算的排放物更為全面，Aero2k 只計算 CO2、H2O、NOx、CO、HC 和 PM 的排放量，而SAGE除此之外還可以計算SO2的排放量；③SAGE只用于民用航空，而Aero2k可用于民用航空和軍用航空；④計算結(jié)果的精確度不一樣，SAGE更多的是基于飛機(jī)和飛機(jī)發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)來對排放進(jìn)行計算，而Aero2k相對來說，依據(jù)的性能參數(shù)比較少，因此SAGE模型的計算結(jié)果更為精確[1]。從而，引進(jìn)并研究SAGE模型計算某航班排放或評估和預(yù)測某航空公司乃至全國的航空排放是十分可行可靠的。

1 關(guān)于SAGE模型

1.1 SAGE模型的起源

基于全空域航空排放評估系統(tǒng)也就是SAGE模型，用于計算給定年份全球所有商用（民用）航空器燃油和排放量。由于民航的快速發(fā)展以及全球范圍節(jié)能減排、排放計算的需要，美國聯(lián)邦航空局（FAA）環(huán)境和能源辦公室（AEE）得到了運(yùn)輸系統(tǒng)中心（Volpe）、麻省理工（MIT）和后勤管理協(xié)會（LMI）的支持從而開發(fā)了SAGE模型，它不僅可以用來計算航空排放，還可用來評估與航空器燃油使用和排放相關(guān)的各種政策。

聯(lián)合國國際民航組織（ICAO）的航空環(huán)境防治委員會，正在為航空排放設(shè)立一系列的工作組。聯(lián)合國大氣變化框架協(xié)定組織（UNFCCC）也在為主要工業(yè)大國的減排目標(biāo)促成一系列多邊合作。然而在SAGE模型之前沒有一個廣泛的、先進(jìn)的、公開的模型來計算及預(yù)測民航排放，這在一定程度上延緩了排放政策的實(shí)施。SAGE模型改進(jìn)了過去的研究方法，依據(jù)該模型計算出的排放數(shù)據(jù)質(zhì)量高，為排放相關(guān)政策的制定提供了理論依據(jù)[2-3]。

1.2 SAGE模型的功能

依據(jù)發(fā)動機(jī)原理和空氣動力學(xué)等諸多學(xué)科，SAGE能計算出所有航班全航段的燃料消耗量和排放量，如一氧化碳（CO）、未燃盡碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）、二氧化碳（CO2）、水蒸汽（H2O）和硫化物（三氧化硫脫氧成二氧化硫）等。用SAGE模型計算航空排放，不僅可得到某航班全航段的燃料消耗量和排放量，也可得到各階段的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

開發(fā)SAGE的目的是使其成為國際承認(rèn)的基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和方法的優(yōu)秀計算模型，它可以用來預(yù)測不同政策、技術(shù)、經(jīng)營策略對全球航空排放量的影響。SAGE模型不僅可用于計算單一航班的排放量，也可計算出某區(qū)域乃至全球的航班排放量。

2 SAGE模型模塊分析

SAGE模型計算航空排放的模塊包括輸入模塊、輸出模塊、大氣環(huán)境參數(shù)模塊、氣動參數(shù)模塊、速度表、發(fā)動機(jī)推力、燃油流量、污染物排放量等模塊[4]，其關(guān)系如圖1所示。

其中，輸入模塊即為模型中參與計算所用到的全部數(shù)據(jù)源；輸出模塊即為通過模型計算后應(yīng)該或者需要輸出的數(shù)據(jù)清單。將飛機(jī)整個過程分為3個階段，即起降階段、巡航階段與慢車階段，每個階段均需要用以上模塊計算出的全部或者部分?jǐn)?shù)據(jù)來計算航空排放。需要注意的是，SAGE是按飛機(jī)的全航段按順序計算各階段的排放，即按慢車（滑出）階段、起飛爬升階段、巡航階段、降落著陸階段、慢車（滑入）階段的順序計算排放。

3 基于SAGE模型的航空排放計算流程設(shè)計

通過對SAGE模型進(jìn)行詳細(xì)分析，將其編成計算排放的軟件，其計算流程圖如圖2所示。由圖2可見，為了提高排放計算的準(zhǔn)確度，SAGE模型對巡航過程排放量的計算需要劃分航段后進(jìn)行循環(huán)計算，直到巡航過程結(jié)束為止，起降過程亦是如此。SAGE模型對CO2、H2O和SO2的計算與HC、CO和NOx的計算方法是不同的：前者是通過燃燒的化學(xué)方式根據(jù)質(zhì)量守恒得出排放指數(shù)后進(jìn)行計算的；而后者是基于ICAO數(shù)據(jù)庫的測量數(shù)據(jù)繪出log-log圖，然后通過log-log圖得出排放指數(shù)，并經(jīng)過校正后再計算排放量。

本文只給出了巡航階段的排放計算流程圖。雖然慢車階段、起降階段和巡航階段計算排放的整體思路一致，但所用到的計算模型差別甚大。通過對這3個階段的排放計算過程詳細(xì)分析，可知3個階段排放計算過程有以下異同：

不同點(diǎn)：

1）慢車階段不需進(jìn)行航段劃分，而起降階段和巡航階段需要詳細(xì)劃分航段；

2）起降階段的航段時間是通過計算得出的，而慢車階段、巡航階段不需要計算，并且巡航階段的時間間隔可以適當(dāng)選??；

3）起降階段和巡航階段的每單一航段的計算都比整個慢車過程的排放計算過程要復(fù)雜得多，因?yàn)槁囯A段排放計算時涉及到的模塊少且模型簡單；

4）巡航階段計算推力時用到的是能量基本方程，而起降階段用的是基于發(fā)動機(jī)自身諸多參數(shù)得出來的一套復(fù)雜方程。

相同點(diǎn)：

1）盡管起降過程和巡航過程的計算很復(fù)雜，但當(dāng)每一航段的時間被計算出來之后，其計算過程與慢車階段的排放計算過程相差無幾；

2）周圍的大氣參數(shù)如溫度、壓力等對慢車階段、巡航階段和起降階段的排放都有影響；

3）這3個階段的排放物計算都需要用到各排放物相應(yīng)的排放指數(shù)和航段所經(jīng)歷的時間。

基于SAGE模型設(shè)計了各階段的排放計算流程后，根據(jù)流程編制了排放計算軟件。本文基于SAGE模型編制的程序只做預(yù)期航班的航空排放計算和預(yù)測，對航空公司航班的取消、航班的臨時安排以及飛行過程中未預(yù)期的降落等特殊情況不做處理。因此，該程序所需的輸入數(shù)據(jù)量相比SAGE模型大大減少，但必需的原始數(shù)據(jù)仍有100余項，包括飛機(jī)初始質(zhì)量、最大起飛質(zhì)量、速度調(diào)整系數(shù)、海拔調(diào)整系數(shù)、阻力系數(shù)以及飽和蒸汽壓系數(shù)等。這些數(shù)據(jù)在SAGE模型中，分別自BADA（飛機(jī)發(fā)動機(jī)性能數(shù)據(jù)庫）、INM（噪聲模型數(shù)據(jù)庫）、ETMS（地空氣質(zhì)量模型數(shù)據(jù)庫）、ICAO（排放數(shù)據(jù)庫）和ASQP（航空公司服務(wù)績效數(shù)據(jù)庫）等數(shù)據(jù)庫中提取。雖然這些數(shù)據(jù)庫多數(shù)不公開，但可通過易得的ICAO排放數(shù)據(jù)和QAR數(shù)據(jù)等途徑獲取某些航班的相應(yīng)數(shù)據(jù)，以滿足該程序?qū)斎霐?shù)據(jù)的需求。

4 設(shè)計程序在航空排放計算中的應(yīng)用

文獻(xiàn)[5]給出了某航空公司某些航班的部分實(shí)際排放數(shù)據(jù)，其中涉及到的機(jī)型有B737、A320、DC10、F28、SAAB 340等，其中A320飛機(jī)的部分排放數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 A320飛機(jī)排放數(shù)據(jù)Tab.1 Emissions of A320

在這些航班中選擇某些航班，通過ICAO排放數(shù)據(jù)和QAR數(shù)據(jù)，得到了飛機(jī)初始質(zhì)量、機(jī)場海拔、發(fā)動機(jī)數(shù)目、發(fā)動機(jī)類型、飛機(jī)降落海拔、排放指數(shù)等程序所需的原始數(shù)據(jù)。有些數(shù)據(jù)是在ICAO排放數(shù)據(jù)和QAR數(shù)據(jù)中找不到的，如阻力系數(shù)、飽和蒸汽壓系數(shù)等。但這些數(shù)據(jù)均是特定情況下的常量，不同的飛行狀態(tài)和外界環(huán)境所對應(yīng)的常量值會有所變化。本文對這些數(shù)據(jù)采用通用的平均值，其中阻力系數(shù)通用值如表2所示，阻力系數(shù)的詳細(xì)分類分析參見文獻(xiàn)[4]。

表2 A320飛機(jī)各階段的阻力系數(shù)通用值Tab.2 General average values of resistant coefficients for A320

獲得這些初始數(shù)據(jù)后，應(yīng)用本文編制的軟件就可以計算航班排放量。應(yīng)用該程序計算的某航班A320飛機(jī)排放數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 計算出的排放數(shù)據(jù)Tab.3 Computed emission

由于 SAGE 模型主要計算 CO2、H2O、SO2、HC、CO和NOx的量，因此，對照表1，運(yùn)用該軟件只計算了LTO過程和巡航過程的SO2、CO、CO2和NOx的量。圖3給出了計算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的比較（（a）為LTO階段，（c）為巡航階段）。

由圖3可以看出，絕大多數(shù)計算值與實(shí)際值十分接近，偏差在5%之內(nèi)；少數(shù)有較大偏差，達(dá)到9%。其原因是因?yàn)榻o出的數(shù)據(jù)源是飛行階段（如巡航）的實(shí)際平均排放數(shù)據(jù)，而不是經(jīng)過航段詳細(xì)劃分后的實(shí)際排放數(shù)據(jù)，而計算數(shù)據(jù)是經(jīng)過航段詳細(xì)劃分后的排放數(shù)據(jù)，因此誤差相對較大。可以肯定的是，計算結(jié)果與經(jīng)過航段詳細(xì)劃分后測得的實(shí)際排放數(shù)據(jù)相比會更加接近，但由于無法獲得航段詳細(xì)劃分后的實(shí)際排放量數(shù)據(jù)，因此平均數(shù)據(jù)與各時刻數(shù)據(jù)相比必然存在一定的偏差。另外，LTO過程的計算比巡航過程的計算誤差小很多，究其原因是LTO過程在給定數(shù)據(jù)之后（如飛行高度），其他所有數(shù)據(jù)，如各航段的飛機(jī)速度和所需時間等都是嚴(yán)格按照SAGE模型計算出來的；而巡航過程的數(shù)據(jù)均是給定的，且針對整個過程。因此，在這種情況下，個別數(shù)據(jù)偏差較大是完全可以接受的。

此外，用該程序共對5次航班進(jìn)行了相應(yīng)的排放計算，結(jié)果與實(shí)際值相差不大，文中僅以其中1次航班為代表。并且在對這5次航班的發(fā)動機(jī)分類時，計算了各類發(fā)動機(jī)每小時所耗燃油量和每小時各排放物的排放量，發(fā)現(xiàn)耗油量和排放量與發(fā)動機(jī)類型存在聯(lián)系，但由于滿足程序所需的航班數(shù)據(jù)量不足，這種聯(lián)系并沒有表現(xiàn)得十分明顯。

5 結(jié)語

利用基于SAGE模型編制的軟件計算多次航班的排放量均與實(shí)際值偏差不大，因此用該軟件計算航空排放量是可行的，從而也驗(yàn)證了SAGE模型計算航空發(fā)動機(jī)排放的準(zhǔn)確性。由于滿足軟件所需的航班數(shù)據(jù)量不足，故無法通過大量航班排放量的計算建立起排放量與發(fā)動機(jī)類型之間的明顯關(guān)聯(lián)，但可以預(yù)言，數(shù)據(jù)量足夠的情況下這種關(guān)聯(lián)將會表現(xiàn)得更加明顯。

[1]KLIMA ，KELLY.Assessment of a Global Contrail Modeling Method and Operational Strategies for Contrail Mitigation[C]//Master′s Thesis in the Department of Aeronautics and Astronautics,Massachusetts，June 2005.

[2]SATHYA BALASUBRAMANIAN,ANDREW MALWITZ.SAGE Version1.5 Technical Manual.Volpe National Transportation Systems Center，F(xiàn)AA-EE-2005-01[R].Environmental Measurements and Modeling Division，2005.

[3]ANDREW MALWITZ，BR′IAN KIM.SAGE Version1.5 Validation Assessment，F(xiàn)AA-EE-2005-03[R].Model Assumptions and Uncertainties.Massachusetts Institute of Technology.Department of Aero2k Nautics and Astronautics，2005.

[4]BRIAN KIM,GREGG FLEMING.SAGE1.5 System for Assessing Aviation′s Global Emissions[R].FAA，2005.

[5]KRISTIN RYPDAL.Aircraft Emissions[R].Good Practice Guidance and Uncertainty Management in National Greenhouse Gas Inventories，F(xiàn)AA，2006.