飛機持續(xù)進近階段燃油消耗及排放物的研究

文/廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院 魏娜 朱芳

一、引言

傳統(tǒng)的航空器進近方式是從巡航高度階梯式下降到地面，在每一階段，飛行員都要調(diào)整發(fā)動機的推力以拉平飛行器。持續(xù)進近技術(shù)使飛行員以最佳的怠速在較長航行距離上緩緩落地，而不是下降、保持高度、加大馬力、再下降、再保持高度……直至接觸地面。通常一般的持續(xù)進近程序在大約7000英尺高度就開始以3度開始進近，使用更加平滑的下降曲線到達跑道上，這樣削減了階梯的步驟，也就減少了相應(yīng)的燃油消耗和污染物的排放量。

飛機在進行持續(xù)進近飛行程序時，在開始進近后去除了傳統(tǒng)階梯式進近的水平拉直階段使得發(fā)動機可以處于低推力的狀態(tài)，并且飛機燃油消耗量得到降低，同時也降低了飛機發(fā)出的噪音。因為飛機在進近時要拉平，所以飛行員必須要控制飛機減速，使飛機抬頭，那么相應(yīng)的飛機發(fā)動機的推力也就必然增大。如果發(fā)動機的推力增大了，那么燃油的消耗量就會升高，同時飛機排放物也會增加，并且會使得發(fā)動機產(chǎn)生的噪音增加。

由于飛機持續(xù)進近在整個進近的過程中沒有水平飛行階段，所以持續(xù)進近飛行程序其實與傳統(tǒng)階梯式進近有部分相同。我們研究持續(xù)進近程序的目的是使飛機的推力盡可能的低，飛機實施持續(xù)進近飛行程序在開始進近后去除了傳統(tǒng)階梯式進近的水平拉直階段，這使得發(fā)動機可以處于低推力狀態(tài)，并且減少飛機的燃油消耗量，降低飛機發(fā)出的噪音。一個理想的持續(xù)進近飛行程序是讓飛機發(fā)動機在整個進近過程中盡量大部分時間處于慢車推力狀態(tài)。

二、燃油消耗比較

應(yīng)用2019年某國際機場所測量的關(guān)于持續(xù)進近和傳統(tǒng)進近的燃油消耗數(shù)據(jù)和排放量數(shù)據(jù)，建立計算模型做出分析。如圖1所示的數(shù)據(jù)是飛機向跑道降落時在最后180海里所消耗的燃油量。波音757-200型飛機在執(zhí)行持續(xù)進近程序時消耗的燃油量大約為2316英鎊，而波音757-200型飛機在執(zhí)行傳統(tǒng)進近程序時所消耗的燃油大約為2431英鎊，兩者相比較，同樣都是波音757-200飛機，在執(zhí)行持續(xù)進近飛行程序平均所消耗的燃油比執(zhí)行傳統(tǒng)進近飛行程序的飛機少了115磅。波音767-300型飛機在執(zhí)行持續(xù)進近飛行程序時消耗的燃油量大約為2941英鎊，而執(zhí)行傳統(tǒng)進近飛行程序的波音767-300型飛機平均所消耗的燃油大約為3306英鎊，兩者相比較，同樣是波音767-300飛機，在執(zhí)行持續(xù)進近飛行程序所消耗的燃油量比執(zhí)行傳統(tǒng)進近飛行程序的飛機小號的燃油量少了365磅。飛機在執(zhí)行傳統(tǒng)進近飛行程序消耗更多的燃油是由于為維持飛行高度的需求，飛機發(fā)動機需要提供更大的推力以及多出的航段行程增加了飛機的燃油消耗。

圖1 飛機降落最后180海里的燃油消耗量

三、排放物比較

飛機在飛行中消耗燃油的同時也會產(chǎn)生大量的排放物，民用航空發(fā)動機污染排放物有很多，其中最主要污染物有四種：氣態(tài)的氮氧化物(NOx)、未燃碳氫(UHC)、一氧化碳(CO)和固態(tài)顆粒狀的煙(Smoke)。飛機在飛行過程中排放物分析的重點是在進近和著陸期間邊界層所產(chǎn)生的排放物。通常情況下是在 3000英尺的機場高空，在這個區(qū)域確定排放物是因為產(chǎn)生的排放物高出地平面3000英尺對當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量有重要影響。所有著陸和起飛周期計算對應(yīng)的國際民航組織排放標準就是混合層延伸從地面到3000英尺地面以上的水平。因此，在這一區(qū)域比較持續(xù)進近飛行程序和傳統(tǒng)進近飛行程序所產(chǎn)生的排放物是可行的。為此，飛行記錄器中波音757-200和波音767-300飛機持續(xù)進近和傳統(tǒng)進近案例中的可用數(shù)據(jù)用于估算氮氧化物，一氧化碳排放量的比較。在整個飛行過程中從更新率為每秒一次的飛行數(shù)據(jù)記錄器提取燃油流量和飛行狀況數(shù)據(jù)，所提取的參數(shù)為時間、壓力的高度、校準的空氣速度、靜態(tài)空氣溫度和燃油流量。

1.氮氧化物排放量的比較

圖2 兩種進近方式產(chǎn)生氮氧化物

圖3 兩種進近方式產(chǎn)生氮氧化物

圖4 兩種進近方式產(chǎn)生的氮氧化物

波音757-200和波音767-300飛機執(zhí)行傳統(tǒng)進近飛行程序和持續(xù)進近飛行程序所產(chǎn)生的氮氧化物如圖2和圖3分別按飛行時間和燃油量的消耗進行分析，圖中還將PW和RR兩家飛機發(fā)動機的排放物做了統(tǒng)計。通過分析可以看出，即便是不同類型的飛機或者飛機發(fā)動機，只要在相同的條件下，飛機執(zhí)行持續(xù)進近飛行程序所用的飛行時間都比執(zhí)行傳統(tǒng)進近飛行程序所用的時間少，而且飛機執(zhí)行持續(xù)進近所消耗的燃油也比執(zhí)行傳統(tǒng)進近所消耗的燃油少，所以執(zhí)行持續(xù)進近所產(chǎn)生的排放物要比執(zhí)行傳統(tǒng)進近所產(chǎn)生的氮氧化物少。如圖4所示，波音757-200產(chǎn)生的氮氧化物平均減少了34.0 %，從1502克減少到991克。波音767-300產(chǎn)生的氮氧化物平均減少了37.8 %，從2812克減少到了1750克。氮氧化物的排放量大幅度減少并不奇怪，因為是相應(yīng)的燃油消耗量減少了，所以產(chǎn)生的排放物自然也就相應(yīng)地減少了。

2.一氧化碳排放量的比較

波音757 - 200和波音767 - 300飛機在執(zhí)行傳統(tǒng)進近飛行程序和持續(xù)進近飛行程序時所產(chǎn)生的排放物中的一氧化碳如圖5、圖6分別按飛行時間和燃油量消耗進行分析，圖中還將PW和RR兩家發(fā)動機的排放物做了統(tǒng)計。通過分析可以看出，即便是不同類型的飛機或者飛機發(fā)動機，只要在相同的條件下，飛機執(zhí)行持續(xù)進近飛行程序所用的飛行時間都比執(zhí)行傳統(tǒng)進近飛行程序所用的時間少，而且飛機執(zhí)行持續(xù)進近所消耗的燃油也比執(zhí)行傳統(tǒng)進近所消耗的燃油少，所以執(zhí)行持續(xù)進近所產(chǎn)生的排放物要比執(zhí)行傳統(tǒng)進近所產(chǎn)生的氮氧化物少。

圖5 兩種進近方式產(chǎn)生一氧化碳

圖6 兩種進近方式產(chǎn)生一氧化碳

圖7所示，波音757-200產(chǎn)生一氧化碳平均減少了42.6%，從1100克減少到631克。由波音767-300產(chǎn)生一氧化碳平均減少了27.1% ，由1401克減少到了1021克。氮氧化物的排放量大幅度減少并不奇怪。因為燃油消耗量減少，所產(chǎn)生的排放物自然就相應(yīng)地減少。

圖7 兩種進近方式產(chǎn)生的一氧化碳

四、結(jié)語

持續(xù)進近方式因其可以節(jié)省燃油、降低排放、減少噪音等優(yōu)點受到各航空公司的重視，但在普及應(yīng)用這一技術(shù)的同時需要機場、空管、制造商、運營商、監(jiān)管當(dāng)局等多方面的協(xié)助，也需要與傳統(tǒng)階梯進近技術(shù)進行對比分析，在各種可能情景下驗證技術(shù)，對持續(xù)進近技術(shù)需要進行深入系統(tǒng)的理解，為更好地推廣該技術(shù)，改進空中交通管理，改善航空公司經(jīng)濟性，保護環(huán)境，降低噪音提供技術(shù)依據(jù)。