民航飛機(jī)起飛推力對(duì)油耗和排放的影響分析

李杰，楊好天，王兵，周曉寧，孫若飛

（1.南京航空航天大學(xué)，a.通用航空與飛行學(xué)院，b.民航學(xué)院，南京 211106;2.中國(guó)民航大學(xué)，中國(guó)民航環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究中心（智庫(kù)），天津 300300；3.南京航空航天大學(xué)，金城學(xué)院，南京 211156）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的推進(jìn)，預(yù)計(jì)在未來(lái)20年，全球航空運(yùn)輸業(yè)將以年均4%的增速持續(xù)增長(zhǎng)[1]。航空運(yùn)輸量的增長(zhǎng)也帶來(lái)了燃油消耗、航空排放、噪音污染等一系列問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全球商業(yè)航空運(yùn)輸碳排放量已達(dá)9.18 億t，占全球總碳排放量的2.4%[2]。因此，節(jié)約燃油消耗、減少航空排放，緩解航空對(duì)環(huán)境的影響尤為重要。

國(guó)際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)起飛階段，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推力為最大推力(也稱全推力)狀態(tài)。全推力意味著在起飛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更多的油耗、航空排放以及噪聲，對(duì)機(jī)場(chǎng)及周邊的環(huán)境產(chǎn)生更多的影響。減推力起飛是指在保證安全和滿足相關(guān)規(guī)章和性能的前提下，在起飛階段減小發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。減推力起飛可以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，降低維護(hù)成本，緩解噪音污染，目前已廣泛推廣使用減推力起飛。

關(guān)于調(diào)整推力起飛問(wèn)題，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局[3](Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)以B777 為例，認(rèn)為相對(duì)全推力起飛，減推力可平均減少NOx排放14.5%，推力每減少1%，燃油消耗和CO2排放會(huì)增加0.6%，NOx排放減少0.7%。George等[4]認(rèn)為使用減推力可減少燃油消耗1.0%～23.2%，減少NOx排放10.7%～47.7%；但是，Ashok 等[5]認(rèn)為減推力至75%，燃油消耗和CO2排放量會(huì)增加3%，PM2.5排放平均減少18%；閆國(guó)華等[6]研究得出，減推力起飛會(huì)造成近距離NOx排放量降低，對(duì)CO2排放量影響較小。韓博等[7]以B738 為例，認(rèn)為減推力起飛，NOx的排放會(huì)上升，CO 排放會(huì)下降，但HC 和SO2的變化不大。

從已有的研究來(lái)看，由于使用的數(shù)據(jù)和模型方法不同，減推力的結(jié)果存在較大區(qū)別，結(jié)論也不統(tǒng)一，考慮的航空排放物也有很大區(qū)別。部分研究?jī)H考慮了某種機(jī)型，結(jié)果缺少普適性。因此，本文基于多種數(shù)據(jù)，建立一種耦合的起飛油耗計(jì)算模型，對(duì)比起飛過(guò)程中不同模型的計(jì)算結(jié)果，分析起飛推力對(duì)油耗的影響，并分析調(diào)整推力后碳排放和其他排放物的變化情況，為我國(guó)航空運(yùn)輸?shù)奶紲p排治理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

快速數(shù)據(jù)存取記錄器(Quickly Access Recorder，QAR)是飛機(jī)上裝載的用于記錄飛機(jī)各部件工作狀態(tài)信息的飛行數(shù)據(jù)記錄器，記錄數(shù)據(jù)包括飛機(jī)性能數(shù)據(jù)、外界環(huán)境參數(shù)、飛機(jī)姿態(tài)等數(shù)據(jù)[8]。本文選取2019年6月廣州白云機(jī)場(chǎng)起降的4607架次QAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，B737、B738、A320、A321等4種機(jī)型的起降架次占廣州白云機(jī)場(chǎng)總起降架次的72.62%，故選取以上4種機(jī)型作為研究對(duì)象。

航空器基礎(chǔ)資料(Base of Aircraft Data，BADA)是由歐洲航管實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)發(fā)的一組以美國(guó)資訊交換標(biāo)準(zhǔn)碼組成的資料，其包含了1000 多種機(jī)型的操作性能參數(shù)以及航空公司程序參數(shù)等數(shù)據(jù)[9]。全能量模型(TEM)是BADA的核心性能模型，全能量模型將航空器質(zhì)點(diǎn)化，分析勢(shì)能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化關(guān)系，以計(jì)算航空器的空速、爬升/下降率、推力、阻力之間的關(guān)系。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)庫(kù)(Engine Emissions Data Bank，EEDB)，包含有關(guān)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的信息，根據(jù)國(guó)際民航組織附件16 規(guī)定的相關(guān)程序進(jìn)行測(cè)量，由發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)國(guó)根據(jù)其本國(guó)法規(guī)進(jìn)行認(rèn)證。數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋了800 多種飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛階段以及不同推力設(shè)置下的燃油流量、NOx、CO、HC、PM的排放因子。

1.2 模型與方法

1.2.1 起飛油耗計(jì)算模型

航空器燃油消耗量由該機(jī)型對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量、發(fā)動(dòng)機(jī)推力設(shè)定以及工作時(shí)間等決定，起飛階段燃油消耗量為

式中：Fi為i機(jī)型的燃油消耗量(kg)；Fff,i為機(jī)型i所對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛階段的燃油流量(kg·s-1)；N為機(jī)型j的發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)數(shù)；R為推力設(shè)定百分比(%)，其取值范圍為75%～100%；tto為航空器起飛時(shí)間(s)。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，起飛通常分為起飛加速滑跑階段和起飛爬升階段。針對(duì)航空器在起飛階段的不同運(yùn)動(dòng)特性，使用BADA的全能量模型進(jìn)行分析，該模型將航空器質(zhì)點(diǎn)化，將作用在飛機(jī)上力的功率轉(zhuǎn)化為勢(shì)能和動(dòng)能的變化率，即

式中：T為航空器的當(dāng)前推力值(N)；D為航空器受到的阻力(N)；V為航空器的真空速(m·s-1)；m為航空器的質(zhì)量(kg)；g為重力加速度(m·s-2)；h為航空器所在高度(m)；t為時(shí)間(s)。

航空器在不同推力設(shè)定下起飛時(shí)間的計(jì)算公式為

式中：troll為航空器起飛加速滑跑階段時(shí)間(s)；tcl為起飛爬升階段時(shí)間(s)；Tmax,i為發(fā)動(dòng)機(jī)i的最大推力(N)；CD為阻力系數(shù)；ρ為空氣密度(kg·m-3)；S為航空器機(jī)翼面積(m2)。

1.2.2 起飛排放計(jì)算方法

航空器的排放量與燃油消耗量以及每種特定污染物的排放指數(shù)有關(guān)。起飛階段的污染物排放計(jì)算公式為

式中，Ei為i機(jī)型在起飛階段的污染物排放量(g)；Ei,j為i機(jī)型j類污染物的排放指數(shù)（g·（kg·s）-1），其中，HC、CO、NOx、PM 的排放指數(shù)來(lái)自EEDB 數(shù)據(jù)庫(kù)，CO2和SOx的排放指數(shù)分別來(lái)自ICAO和美國(guó)環(huán)保局公布的相關(guān)數(shù)據(jù)；tto,i為i機(jī)型的起飛時(shí)間(s)。

2 結(jié)果與討論

2.1 油耗計(jì)算方法對(duì)比分析

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確度，將基于BADA、EEDB數(shù)據(jù)的多種方法計(jì)算的油耗與基于QAR數(shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。QAR數(shù)據(jù)來(lái)源于機(jī)載設(shè)備，因此將基于QAR 數(shù)據(jù)得到的油耗近似為真實(shí)值，用以判斷不同模型計(jì)算的準(zhǔn)確度。不同方法的計(jì)算油耗對(duì)比如表1所示。在所分析的4種機(jī)型中，A321機(jī)型的起飛重量最大，起飛時(shí)間與推力也較大，起飛油耗也最大，達(dá)85.0 kg；B737 機(jī)型的起飛重量和起飛時(shí)間均為最小，起飛油耗也最小，為60.6 kg。

表1 不同燃油消耗計(jì)算方法對(duì)比Table 1 Comparison of different fuel consumption calculation methods

在不同起飛油耗計(jì)算模型中，對(duì)比方法A計(jì)算的起飛油耗誤差最大，為26.2%～62.5%，平均相對(duì)誤差為38.6%，對(duì)于B737機(jī)型的起飛油耗計(jì)算平均相對(duì)誤差達(dá)62.5%。對(duì)比方法B 相較對(duì)比方法A，誤差明顯減少，為-5.4%～13.8%，平均相對(duì)誤差為5.6%，其中B737 機(jī)型的平均相對(duì)誤差最大。本文方法計(jì)算的起飛油耗在幾種對(duì)比方法中，平均相對(duì)誤差最小，僅為-0.7%，其中，B737機(jī)型的平均相對(duì)誤差為3.7%，A320 機(jī)型的平均相對(duì)誤差最大，為-5.1%。該模型能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算航空器在起飛階段的油耗量。

不同方法油耗計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生差異的主要原因是油耗與起飛重量(TOW)、起飛推力、起飛時(shí)間等直接相關(guān)。

對(duì)比方法A 沒(méi)有考慮起飛重量、起飛推力、起飛時(shí)間的影響。起飛時(shí)間使用的是ICAO 公布的固定參考值(42 s)，與實(shí)際平均起飛時(shí)間(33.1～38.9 s)有很大差別。燃油流量采用全推力下的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下的基準(zhǔn)燃油流量。

對(duì)比方法B 考慮了起飛重量、起飛推力、起飛時(shí)間的影響。基于BADA的全能量模型，考慮了起飛重量對(duì)油耗的影響，計(jì)算了不同推力下的起飛時(shí)間。燃油流量與對(duì)比方法A 一樣采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下的基準(zhǔn)燃油流量。

本文方法同樣考慮了起飛重量、起飛推力、起飛時(shí)間的影響。與對(duì)比方法B 不同之處在于本文方法根據(jù)不同推力百分比對(duì)基準(zhǔn)燃油流量進(jìn)行了修正，減少了相關(guān)因素對(duì)油耗計(jì)算結(jié)果的影響；并基于本文方法，分析推力對(duì)起飛油耗的影響以及推力調(diào)整對(duì)排放的影響。

2.2 推力對(duì)起飛油耗的影響

燃油消耗與推力有關(guān)，同時(shí)，TOW對(duì)航空器油耗也有很大影響[10]。以B738、B737、A320 和A321的平均TOW/MTOW 為例(各機(jī)型的平均TOW/MTOW 如表1所示)，基于本文建立的油耗計(jì)算模型，4 種機(jī)型的起飛推力與油耗關(guān)系如圖1所示。當(dāng)推力增大時(shí)，燃油流量增加，起飛時(shí)間減少。各個(gè)量的變化范圍和幅度與具體機(jī)型相關(guān)，導(dǎo)致各機(jī)型推力與油耗之間的關(guān)系較為復(fù)雜。不同機(jī)型的推力對(duì)起飛油耗的影響不盡相同，最低起飛油耗所對(duì)應(yīng)的推力百分比也不相同。

圖1 不同機(jī)型的起飛推力百分比與油耗關(guān)系Fig.1 Relationships between percentage of takeoff thrust and fuel consumption of different aircraft types

對(duì)于B738，隨著推力的增加，起飛油耗先減少后增加；推力在77%時(shí)，起飛油耗最低，為81.8 kg。實(shí)際運(yùn)行中B738 機(jī)型起飛推力在92%最多(占31.4%)，相應(yīng)的起飛油耗為84.0 kg。最低起飛油耗比常用的推力起飛油耗低

對(duì)于B737，推力和起飛油耗的關(guān)系與B738 類似，隨著推力的增加，起飛油耗也是先減少后增加；但其推力在81%時(shí)，起飛油耗最低，為61.6 kg。實(shí)際運(yùn)行中B737 機(jī)型起飛推力在89%最多(占33.3%)，相應(yīng)的起飛油耗為62.0 kg。

對(duì)于A320，推力與油耗呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)，起飛推力越大，起飛油耗越少。實(shí)際運(yùn)行時(shí)A320 機(jī)型常用86%的推力進(jìn)行起飛(占57.7%)，相應(yīng)的起飛油耗為69.4 kg。

對(duì)于A321，推力與油耗的關(guān)系與A320完全相反，推力越大，起飛油耗越多。實(shí)際運(yùn)行時(shí)A321機(jī)型常用91%和92%的推力進(jìn)行起飛(兩者合計(jì)占54.1%)，相應(yīng)的起飛油耗分別為87.4 kg和88.0 kg。

2.3 推力調(diào)整對(duì)排放的影響

由2.2節(jié)分析可知，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，并沒(méi)有使用起飛油耗最小的推力進(jìn)行起飛。針對(duì)不同機(jī)型，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需求可選擇合適的推力，以減少燃油消耗。假設(shè)航空器以起飛油耗最小對(duì)應(yīng)的推力進(jìn)行起飛，分析進(jìn)行推力調(diào)整在起飛過(guò)程中的碳排放與其他排放物的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 推力調(diào)整前后廣州白云機(jī)場(chǎng)的年起飛排放量對(duì)比Table 2 Comparison of annual emissions of Guangzhou Baiyun airport before and after thrust adjustment

采用推力調(diào)整后，廣州白云機(jī)場(chǎng)B738、B737、A320和A321這4種機(jī)型的年起飛排放量可分別減少788.6，20.2，963.7，726.8 t，累計(jì)可減少2499.3 t，相比調(diào)整前的年排放量可減少6.4%。其中，A320和A321的排放物和減少率比較明顯，分別為-9.1%和-11.2%；B738 和B737 的排放物減少率相對(duì)較少，分別為-4.1%和-1.1%。

在各種排放物中，碳排放(CO2)的減少量最明顯。采用推力調(diào)整后，廣州白云機(jī)場(chǎng)年碳排放減少量為2471.1 t，占年起飛排放減少量的98.9%。在4種機(jī)型中，A320、B738 和A321 的年CO2排放減少量較多，分別為952.3，779.4，719.6 t。B737 的年CO2排放減少量最少，僅為19.9 t。A321和A320的碳排放減少率較明顯。相對(duì)調(diào)整前，碳排放減少率分別為11.2%和9.0%。

在各種排放物中，NOx的減少率最明顯，4種機(jī)型的NOx減少率分別為5.0%、2.5%、9.0%和11.4%，總計(jì)減少率為7.6%。其他的排放物減少量較少(不超過(guò)0.3 t)，但其總計(jì)減少率也在5.2%～6.5%，減少效果明顯。

綜上分析，起飛推力的調(diào)整對(duì)于減少航空器碳排放、污染物排放，對(duì)于促進(jìn)綠色航空有非常明顯的效果。

3 結(jié)論

(1)本文提出的起飛油耗計(jì)算方法可以更準(zhǔn)確地計(jì)算不同推力下的起飛時(shí)間，并考慮了起飛重量的影響，同時(shí)對(duì)燃油流量值進(jìn)行了修正，減少了各種可能因素對(duì)油耗計(jì)算結(jié)果的影響。在幾種計(jì)算方法中，本文方法計(jì)算的起飛油耗平均相對(duì)誤差最小，僅為-0.7%。B738、B737、A320、A321的平均相對(duì)誤差分別為1.2%、3.7%、-5.1%和-2.3%。

(2)不同機(jī)型的推力對(duì)起飛油耗的影響不盡相同，最低起飛油耗所對(duì)應(yīng)的推力百分比也不相同。B738 和B737 隨著推力的增加，起飛油耗先減少后增加，推力在77%和81%時(shí)，起飛油耗最低。A320隨著起飛推力越大，起飛油耗越少。而A321 隨著推力越大，起飛油耗越多。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需求選擇合適的推力百分比起飛，可以減少起飛燃油消耗。

(3)采用推力調(diào)整后，廣州白云機(jī)場(chǎng)B738、B737、A320、A321這4種機(jī)型的年起飛排放量總計(jì)可減少2499.3 t，減少率達(dá)6.4%。在各種排放物中，碳排放的減少量最多，為2471.1 t，占總排放物的98.9%，減少率達(dá)6.5%。NOx的減少率最明顯，減少率為7.6%。采用推力調(diào)整減少起飛油耗和排放，促進(jìn)航空器節(jié)能減排有重要意義。