終端區(qū)域內(nèi)航空器排放主動監(jiān)測技術(shù)研究

蔡 銘，蘇志剛，劉 釗，郝敬堂

（1.中國國際航空公司天津分公司，天津 300300；2.中國民航大學(xué) a.中歐航空工程師學(xué)院；b.天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

終端區(qū)域內(nèi)航空器排放主動監(jiān)測技術(shù)研究

蔡 銘1，蘇志剛2a，2b，劉 釗2a，郝敬堂2a

（1.中國國際航空公司天津分公司，天津 300300；2.中國民航大學(xué) a.中歐航空工程師學(xué)院；b.天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

航空器在終端區(qū)域排放量的監(jiān)測與核定技術(shù)是建設(shè)航空排放監(jiān)管體系的需要，也是應(yīng)對國際航空碳排放稅的重要支撐技術(shù)。根據(jù)航空器性能數(shù)據(jù)及機場大氣環(huán)境參數(shù)建立覆蓋整個機場終端區(qū)域的航空器能耗計算模型，利用航空器實時軌跡數(shù)據(jù)實現(xiàn)對航空器排放的實時、主動監(jiān)測。通過應(yīng)用機載快速存取記錄（QAR，quickly access record）數(shù)據(jù)對模型驗證表明，所提出的航空器能耗計算模型可根據(jù)航空器的軌跡數(shù)據(jù)有效地估算航空器排放量。新航空器能耗計算模型對終端區(qū)域內(nèi)的航空器排放具有主動監(jiān)測能力。

航空運輸；航空排放監(jiān)測；能耗模型；終端區(qū)域；航空器軌跡

隨著航空業(yè)的高速發(fā)展，越來越多的航空器在不同空域間穿梭，航空排放量在1990—2006年間增長了98%，增長速度居全球各行業(yè)之首[1]。以航空排放中的NOx為例，商用航空的相應(yīng)排放量占全球排放量的近3%，在大型機場附近區(qū)域，航空器的起降所帶來的NOx排放量竟然占該區(qū)域的近6%[2]。航空排放對全球環(huán)境的影響日益受到國際社會的關(guān)注，也成為聯(lián)合國氣候變化公約談判的重要議題[3]。

自歐盟立法征收入境航空器的航空碳排放稅以來，航空排放的監(jiān)測與核定問題成為民用航空領(lǐng)域的研究熱點。有效地對航空排放進行監(jiān)測與核定是建設(shè)航空排放監(jiān)管體系的基礎(chǔ)，也是避免碳指標(biāo)重復(fù)使用、科學(xué)合理征收航空碳排放稅的保障[4]。

在巡航階段，由于航空器的飛行狀態(tài)較為穩(wěn)定，所以相應(yīng)的排放測算相對較為簡單，也較為成熟。然而，在終端區(qū)域，航空器需要進行起飛、爬升或進近、降落等飛行狀態(tài)的改變，發(fā)動機的推力變化頻繁，因此，航空器的排放測算較為復(fù)雜，目前尚不存在明確的計算模型。國內(nèi)外學(xué)者與機構(gòu)采用不同方法建立燃油消耗模型，進而實現(xiàn)對航空排放的估計。能量平衡法從飛行狀態(tài)的方程入手，結(jié)合不同機型的性能參數(shù)，根據(jù)航跡確定飛行過程中的航空器動能和勢能的變化，建立燃油消耗模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法利用航空器的歷史數(shù)據(jù)進行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，建立燃油消耗模型。歐洲航行安全組織（EUROCONTROL）基于航空器數(shù)據(jù)庫開發(fā)了用于描述航空器性能的BADA模型，該模型可以用于計算航空器在不同高度層的燃油消耗量[5]。然而，BADA模型更適用于高空環(huán)境，對于相對地表高度（AGL,altitude above ground level）3 000 ft（1 ft=0.304 8 m，下同）以下范圍，由于航空器主要處于起、降階段，在此空域內(nèi)停留時間短且發(fā)動機工作狀態(tài)變化快，BADA模型的燃油消耗估計誤差較大。在AGL 3 000 ft以下范圍，被廣泛認可的模型是國際民航組織（ICAO,international civil aviation organization）推薦的標(biāo)準(zhǔn)起降（LTO,landing and take-off）模型。LTO模型根據(jù)航空器機型、發(fā)動機以及相關(guān)排放數(shù)據(jù)估算相應(yīng)航空器在LTO循環(huán)中的燃油消耗和航空排放[2]。然而，航空排放并不能簡單地由燃油消耗量等價。航空器排放的H2O、CO2和SO2等與燃油消耗成正比，但CO、HC和NOx的排放量還與航空器發(fā)動機工作狀態(tài)、飛行高度及氣象環(huán)境等有關(guān)。波音公司提出一種航空器在高空環(huán)境下的氣體排放指數(shù)計算方法BM2，并獲得了ICAO的航空環(huán)境保護委員會認證[6]。BM2可根據(jù)航空器的燃油消耗量、發(fā)動機工作狀態(tài)及大氣環(huán)境等參數(shù)獲得對航空排放的估計。因此，處于終端區(qū)域的航空器的排放主動監(jiān)測問題尚無有效的解決方案。

本文圍繞終端區(qū)域航空排放主動監(jiān)測問題，利用LTO模型和BADA模型構(gòu)成完整的航空器在終端區(qū)域的燃油消耗模型，并根據(jù)LTO模型和BM2提出完整的氣體排放指數(shù)計算模型，基于燃油消耗模型和氣體排放指數(shù)計算模型，根據(jù)航空器在終端區(qū)域的軌跡信息實現(xiàn)對航空排放的主動實時監(jiān)測。

1 大氣環(huán)境參數(shù)估算

航空器的燃油消耗與氣體排放均與航空器運行環(huán)境的壓強、溫度、濕度等參數(shù)相關(guān)，因此，準(zhǔn)確實現(xiàn)對航空器排放的估計，需對航空器運行環(huán)境的壓強、溫度、濕度等參數(shù)進行估計。

假設(shè)在理想條件下對大氣環(huán)境參數(shù)進行估算，即不考慮天氣變化因素對大氣環(huán)境參數(shù)的影響，被觀測空域內(nèi)的大氣環(huán)境參數(shù)變化均勻。氣壓高度為H處的對流層溫度為

其中：T0為標(biāo)準(zhǔn)海平面處的溫度；ΔT為實際大氣條件下海平面溫度和標(biāo)準(zhǔn)海平面溫度之差，其也可通過實際機場溫度與利用氣壓高度換算的標(biāo)準(zhǔn)機場溫度來獲得；βT為溫度變化梯度，可由BADA數(shù)據(jù)庫查表獲得 βT值。

氣壓高度為H處的對流層壓強為

其中：e0為標(biāo)準(zhǔn)海平面處的壓強；g0為標(biāo)準(zhǔn)海平面處的重力加速度；R為氣體常數(shù)，空氣的氣體常數(shù)通常取R=287.052 87 J/kg/K。

氣壓高度為H處的對流層濕度為

其中：φ為相對濕度；E為飽和水汽壓，其為

且β與氣壓高度H處的對流層溫度T有關(guān)，即

式中a=373.16/T。

至此，實時數(shù)據(jù)模型建立完成。此模型計算獲得的數(shù)據(jù)信息，可作為后續(xù)能耗計算模型的數(shù)據(jù)源之一。

2 燃油消耗模型

2.1 相對地表高度3 000 ft以下空域

航空器在AGL 3 000 ft以下范圍主要處于慢車、起飛、爬升和進近的4個狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)Fig.1 Standard LTO cycle

ICAO將航空器在AGL 3 000 ft以下范圍內(nèi)的4種狀態(tài)定義為標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)，又給出航空器各狀態(tài)的持續(xù)時間及發(fā)動機推力設(shè)置等建議參數(shù)，如表1所示。

根據(jù)ICAO的發(fā)動機排放數(shù)據(jù)庫（EDB，emission data base）[7]可檢索出相應(yīng)航空器發(fā)動機的燃油流量數(shù)據(jù)q0，并根據(jù)相應(yīng)的推力設(shè)置系數(shù)cp計算出相應(yīng)發(fā)動機在LTO循環(huán)中各種狀態(tài)下的實際燃油流量為

如表1所示，ICAO規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)模型中起飛狀態(tài)的推力設(shè)置系數(shù)cp=100%，即全推力起飛。但實際中飛機的實際起飛重量往往小于最大起飛重量，所以，為延長發(fā)動機的使用壽命，通常采用減推力的起飛方式進行起飛。因此，起飛階段的推力設(shè)置系數(shù)cpc基于飛機的實際起飛重量mreal、最大起飛重量mmax及最小起飛重量mmin獲得[5]

表1 標(biāo)準(zhǔn)LTO循環(huán)的各狀態(tài)發(fā)動機推力設(shè)置和模式化時間Tab.1 Thrust setting and time-in-mode of engines in standard LTO cycle

其中：cred為減推力因數(shù)，對于噴氣式發(fā)動機一般取cred=0.15。將式（7）中的 cpc替換式（6）中的 cp即可獲得在減推力起飛條件下的燃油流量。

2.2 相對地表高度3 000 ft以上空域

航空器在AGL 3 000 ft以上范圍的燃油消耗計算采用BADA模型。BADA模型是EUROCONTROL以航空器數(shù)據(jù)庫建立的航空器性能模型，可用于計算航空器的燃油消耗[5]。

標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下發(fā)動機最大推力為

實際大氣條件下發(fā)動機最大推力Pr，max可利用ΔT對Ps，max進行修正，即

式（8）和式（9）中，cp1、cp2、cp3、cp4和 cp5為相應(yīng)類型發(fā)動機的推力參數(shù)，可從BADA數(shù)據(jù)庫中查得。

基于發(fā)動機最大推力Pr，max，通過BADA數(shù)據(jù)庫查找巡航和下降階段相應(yīng)的修正參數(shù)k，可得巡航階段和下降階段的實際發(fā)動機推力大小為

根據(jù)航空器的真空速vT，可得到燃油消耗率為

其中：cη1、cη2為燃油流量參數(shù)，可從BADA數(shù)據(jù)庫中查得。

最終，通過燃油消耗率和發(fā)動機推力，可得到在特定氣壓高度H、特定溫度T條件下，特定類型發(fā)動機的燃油流量為

綜上所述，發(fā)動機的燃油流量與氣壓高度、溫度、發(fā)動機類型、航空器飛行階段及飛行的真空速有關(guān)。

3 氣體排放指數(shù)模型

航空排放需重點統(tǒng)計的有 H2O、HC、CO、CO2、SO2和NOx等。航空器排放的H2O、CO2和SO2等與燃油中氫、碳、硫元素的含量有關(guān)，是燃燒過程中與氧氣直接氧化的產(chǎn)物，因此H2O、CO2和SO2等排放量直接與燃油消耗成正比，如每消耗1 kg燃油，排放H2O、CO2和SO2平均值分別為 1.230 kg、3.149 kg和 0.000 84 kg。對于CO、HC和NOx的排放量不僅與燃油消耗量有關(guān)，還與航空器發(fā)動機工作狀態(tài)、飛行高度及氣象環(huán)境等有關(guān)，不能簡單地用燃油消耗量進行折算。

航空器在AGL 3000 ft以上空域的CO、HC和NOx排放量可用波音公司的BM2進行計算[6]。由于ICAO的EDB中的發(fā)動機排放數(shù)據(jù)是在標(biāo)準(zhǔn)海平面條件下給出的，因此BM2是將實際運行環(huán)境中的發(fā)動機燃油流量q變換到標(biāo)準(zhǔn)海平面條件下的燃油流量，并采用曲線擬合方式利用變換后的燃油流量給出標(biāo)準(zhǔn)海平面條件下CO、HC和NOx的排放指數(shù)，進而將相應(yīng)排放指數(shù)根據(jù)實際運行環(huán)境參數(shù)變換為實際的排放指數(shù)。

在AGL 3 000 ft以上空域，航空器根據(jù)式（12）計算出的實際運行環(huán)境中的燃油流量q需變換到標(biāo)準(zhǔn)海平面條件下的燃油流量，即

其中：rT是航空器實際環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)海平面之間的絕對溫度比值；re是航空器實際環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)海平面之間的壓強比值；Ma為航空器的實際馬赫數(shù)。

根據(jù)式（13）獲得的標(biāo)準(zhǔn)海平面條件下的燃油流量qs，由排放指數(shù)與燃油流量變化曲線可獲得標(biāo)準(zhǔn)海平面條件下CO、HC和NOx的排放指數(shù)ICO-s、IHC-s和INOx-s。再利用實際環(huán)境的溫度、壓強、濕度和馬赫數(shù)等參數(shù)，計算實際運行環(huán)境下的CO、HC和NOx的排放指數(shù)為

根據(jù)獲得的實際排放指數(shù)、燃油流量及狀態(tài)持續(xù)時間可以統(tǒng)計CO、HC和NOx的排放量。以CO為例，其排放流量為

其排放量為

其中：t為相應(yīng)燃油流量持續(xù)時間。

航空器在AGL 3 000 ft以下范圍內(nèi)CO、HC和NOx的排放量也可基于LTO模型進行計算。ICAO的EDB中給出了LTO模型4種狀態(tài)下的燃油流量和CO、HC及NOx的排放指數(shù)，從而可以采用式（17）和式（18）的形式計算出AGL 3 000 ft以下范圍內(nèi)CO、HC和NOx的排放流量和排放量。

4 實驗結(jié)果

首先驗證燃油流量模型的有效性。根據(jù)中國國際航空公司2015年6月12日在天津與深圳間執(zhí)行往返飛行任務(wù)的CA1671和CA672航班的QAR數(shù)據(jù)進行對比分析。天津機場氣壓高度約為450 ft，深圳機場氣壓高度約為250 ft。當(dāng)天兩機場的平均溫度約為33℃，執(zhí)行飛行任務(wù)的航空器型號為B737-800。根據(jù)機載QAR數(shù)據(jù)中的航空器氣壓高度信息進行燃油流量建模。在AGL 3 000 ft以下空域采用ICAO的LTO模型，并利用QAR數(shù)據(jù)中氣壓高度信息對航空器在機場場面的慢車時間進行修正。在AGL 3 000 ft以上空域，采用EUROCONTROL的BADA模型進行建模，并利用QAR數(shù)據(jù)中的航空器高度、空速及環(huán)境溫度等信息修正航空器的燃油流量。在燃油流量模型中以1 000 ft為間隔計算燃油流量變化。航空器根據(jù)模型估算的燃油流量與QAR記錄的實際燃油流量之間的對比情況如圖2所示。

由圖2可見，航空器在終端區(qū)域飛行因涉及起飛與降落，存在不同飛行階段，對應(yīng)的燃油流量也有顯著差異，甚至同一飛行階段內(nèi)也存在著隨高度變化而相應(yīng)燃油流量遞減（如圖 2（a）與圖 2（b）中的爬升階段）或遞增（如圖 2（c）與圖 2（d）中的下降階段）的情況。采用模型估算燃油流量相對QAR記錄的實際燃油流量存在一定偏差，但總體變化趨勢基本相似。航空器降落時，由于發(fā)動機處于較低推力狀態(tài)，外部干擾易引起燃油流量的波動，故圖 2（c）與圖 2（d）中的實際燃油流量存在較顯著波動。與其他圖相比，圖2（c）中的燃油流量存在較大差異，實際的燃油流量波動性較強。通過分析該航空器實際降落過程的天氣條件可知，當(dāng)天下午在天津存在明顯的降水過程，而該航空器在降落過程恰好遭遇該降水過程。大氣條件的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致航空器的飛行狀態(tài)不穩(wěn)定，使得相應(yīng)的燃油流量存在較大的波動性。同樣，由于大氣條件的非理想，使燃油流量估算模型存在較大偏差，從而模型估算的燃油流量與實際燃油流量間也存在較大偏差。

圖2 模型估算燃油流量與QAR記錄燃油流量的比較Fig.2 Comparison between fuel flows of proposed model and QAR data

圖3 航空器在終端區(qū)域的污染物CO和NOx排放流量Fig.3 Aircraft emission flows of CO and NOxin terminal areas

圖3討論了基于不同燃油流量結(jié)果測算CO和NOx排放流量的可行性。根據(jù)航空器氣壓高度信息選擇相應(yīng)的模型，在AGL 3 000 ft以下空域采用ICAO的LTO模型，相應(yīng)污染物排放流量與燃油流量成正比，在AGL 3 000 ft以上空域采用波音公司的BM2模型，根據(jù)燃油流量及實際環(huán)境參數(shù)及航空器參數(shù)進行估算相應(yīng)的排放量。根據(jù)不同方式獲得的燃油流量對航空器在終端區(qū)域的污染物CO和NOx排放流量測算結(jié)果的對比如圖3所示。

由圖3可見，航空器的污染物排放流量也與飛行階段有關(guān)，不同飛行階段間的污染物排放流量差異較大。采用燃油流量模型對航空器起飛時污染物排放量的估計性能更接近于利用實際燃油流量的估計結(jié)果，而航空器降落時的兩者估計間存在較大的差異，這是由于航空器降落時的燃油流量波動強、估計大所致。但基于燃油流量模型進行測算的污染物排放流量的變化規(guī)律基本與實際相符。

5 結(jié)語

圍繞航空器在終端區(qū)的燃油消耗及污染物排放的主動監(jiān)測問題，本文給出相應(yīng)的燃油流量模型及相關(guān)污染物排放量的測算方法。通過與機載QAR數(shù)據(jù)的對比，燃油流量模型較好地反映了實際的燃油流量變化情況，具有較好的預(yù)測性。根據(jù)不同方式獲得的燃油流量進行測算污染物排放流量的方法也有較好的匹配度。因此，相應(yīng)的航空器燃油流量模型及污染物排放流量測算方法是有效的航空排放主動監(jiān)測技術(shù)。

[1]呼楠楠.從歐盟碳排放權(quán)交易法律制度探析我國碳排放權(quán)交易法律制度之完善[D].北京：北京交通大學(xué),2015.

[2] International Civil Aviation Organization.Environmental Report 2016[R].Montreal：ICAO,2016.

[3] 王 婧,戴 潔,胡 靜,等．中歐航空碳排放權(quán)交易比較及其啟示[J].上海環(huán)境與科學(xué),2015,15(2)：129-134.

[4] 高 山．碳排放權(quán)交易的監(jiān)管體系研究[J].科技和產(chǎn)業(yè),2015,15(2)：39-44.

[5] NUIC A.User Manual for Base of Aircraft Data(BADA)Vision 3.12[R].France：Eurocontrol Expermental Centre,2014.

[6] BAUGHCUM S L,HENDERSON S C,TRITZ T G,et al.Scheduled Civil Aircraft Emissions Inventories for 1992：Database Development and Analysis，Appendix D：Boeing Method 2 Fuel Flow Methodology Description[R].United States：Boeing Company,1996.

[7] International Civil Aviation Organization.ICAO Engine Exhaust Emissions Data Bank[R]．Montreal：International Civil Aviation Organization,2015.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Research on initiative monitoring for aviation emission in terminal area

CAI Ming1,SU Zhigang2a,2b,LIU Zhao2a,HAO Jingtang2a
（1.Tianjin Branch of Air China,Tianjin 300300,China;2a.Sino-European Institute of Aviation Engineering;2b.Intelligent Signal and Image Processing Key Lab of Tianjin,CAUC,Tianjin 300300,China）

As important methods to deal with international carbon emission tax on aviation,monitoring and verifying techniques of aircrafts’emissions in terminal area are required to establish the supervision system of aviation emission.Through the energy consumption model based on aircrafts’performance data and atmospheric data around the airport,combined with aircrafts’ trajectory data,the real-time initiative monitoring of aircraft’s emission could be finally achieved.Airborne QAR(quickly access record)data approves that the current model could effectively calculate aircrafts’emission based on their trajectory data.The current model is capable of active emission surveillance in terminal area.

air transportation;aviation emission monitoring;energy consumption model;terminal area;aircraft’s trajectory

U268.6

A

1674－5590（2017）03－0017－05

2016-11-18；

2016-12-13 基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（3122016U007）

蔡銘（1969—），男，天津人，二級飛行員，學(xué)士，研究方向為航空安全、航空減排等.