SAGE模型在民航发动机排放中的应用研究

曹惠玲，涂迅来，梁大敏，马永锋，牛 军

（中国民航大学航空工程学院，天津 300300）

当今社会，节能减排的呼声日益强烈，航空排放受到了高度的重视。排放量数据是衡量排放控制措施优劣和技术发展的一个重要环节，因此如何准确计算航空排放量很重要。在国外，开发出了很多用于航空排放计算的模型，其中用得最多的是Aero2k和SAGE模型。然而，在国内尚缺乏自主开发且公众认可的航空排放计算模型，故而需要研究及应用国外现有的先进的模型。SAGE和Aero2k有很大的不同：①计算方法不同，SAGE基于Boeing Mehod2，而Aero2k对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碳烟方法等；②SAGE计算的排放物更为全面，Aero2k 只计算 CO2、H2O、NOx、CO、HC 和 PM 的排放量，而SAGE除此之外还可以计算SO2的排放量；③SAGE只用于民用航空，而Aero2k可用于民用航空和军用航空；④计算结果的精确度不一样，SAGE更多的是基于飞机和飞机发动机的性能参数来对排放进行计算，而Aero2k相对来说，依据的性能参数比较少，因此SAGE模型的计算结果更为精确[1]。从而，引进并研究SAGE模型计算某航班排放或评估和预测某航空公司乃至全国的航空排放是十分可行可靠的。

1 关于SAGE模型

1.1 SAGE模型的起源

基于全空域航空排放评估系统也就是SAGE模型，用于计算给定年份全球所有商用（民用）航空器燃油和排放量。由于民航的快速发展以及全球范围节能减排、排放计算的需要，美国联邦航空局（FAA）环境和能源办公室（AEE）得到了运输系统中心（Volpe）、麻省理工（MIT）和后勤管理协会（LMI）的支持从而开发了SAGE模型，它不仅可以用来计算航空排放，还可用来评估与航空器燃油使用和排放相关的各种政策。

联合国国际民航组织（ICAO）的航空环境防治委员会，正在为航空排放设立一系列的工作组。联合国大气变化框架协定组织（UNFCCC）也在为主要工业大国的减排目标促成一系列多边合作。然而在SAGE模型之前没有一个广泛的、先进的、公开的模型来计算及预测民航排放，这在一定程度上延缓了排放政策的实施。SAGE模型改进了过去的研究方法，依据该模型计算出的排放数据质量高，为排放相关政策的制定提供了理论依据[2-3]。

1.2 SAGE模型的功能

依据发动机原理和空气动力学等诸多学科，SAGE能计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）、未燃尽碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、二氧化碳（CO2）、水蒸汽（H2O）和硫化物（三氧化硫脱氧成二氧化硫）等。用SAGE模型计算航空排放，不仅可得到某航班全航段的燃料消耗量和排放量，也可得到各阶段的详细数据。

开发SAGE的目的是使其成为国际承认的基于现有的数据和方法的优秀计算模型，它可以用来预测不同政策、技术、经营策略对全球航空排放量的影响。SAGE模型不仅可用于计算单一航班的排放量，也可计算出某区域乃至全球的航班排放量。

2 SAGE模型模块分析

SAGE模型计算航空排放的模块包括输入模块、输出模块、大气环境参数模块、气动参数模块、速度表、发动机推力、燃油流量、污染物排放量等模块[4]，其关系如图1所示。

其中，输入模块即为模型中参与计算所用到的全部数据源；输出模块即为通过模型计算后应该或者需要输出的数据清单。将飞机整个过程分为3个阶段，即起降阶段、巡航阶段与慢车阶段，每个阶段均需要用以上模块计算出的全部或者部分数据来计算航空排放。需要注意的是，SAGE是按飞机的全航段按顺序计算各阶段的排放，即按慢车（滑出）阶段、起飞爬升阶段、巡航阶段、降落着陆阶段、慢车（滑入）阶段的顺序计算排放。

3 基于SAGE模型的航空排放计算流程设计

通过对SAGE模型进行详细分析，将其编成计算排放的软件，其计算流程图如图2所示。由图2可见，为了提高排放计算的准确度，SAGE模型对巡航过程排放量的计算需要划分航段后进行循环计算，直到巡航过程结束为止，起降过程亦是如此。SAGE模型对CO2、H2O和SO2的计算与HC、CO和NOx的计算方法是不同的：前者是通过燃烧的化学方式根据质量守恒得出排放指数后进行计算的；而后者是基于ICAO数据库的测量数据绘出log-log图，然后通过log-log图得出排放指数，并经过校正后再计算排放量。

本文只给出了巡航阶段的排放计算流程图。虽然慢车阶段、起降阶段和巡航阶段计算排放的整体思路一致，但所用到的计算模型差别甚大。通过对这3个阶段的排放计算过程详细分析，可知3个阶段排放计算过程有以下异同：

不同点：

1）慢车阶段不需进行航段划分，而起降阶段和巡航阶段需要详细划分航段；

2）起降阶段的航段时间是通过计算得出的，而慢车阶段、巡航阶段不需要计算，并且巡航阶段的时间间隔可以适当选取；

3）起降阶段和巡航阶段的每单一航段的计算都比整个慢车过程的排放计算过程要复杂得多，因为慢车阶段排放计算时涉及到的模块少且模型简单；

4）巡航阶段计算推力时用到的是能量基本方程，而起降阶段用的是基于发动机自身诸多参数得出来的一套复杂方程。

相同点：

1）尽管起降过程和巡航过程的计算很复杂，但当每一航段的时间被计算出来之后，其计算过程与慢车阶段的排放计算过程相差无几；

2）周围的大气参数如温度、压力等对慢车阶段、巡航阶段和起降阶段的排放都有影响；

3）这3个阶段的排放物计算都需要用到各排放物相应的排放指数和航段所经历的时间。

基于SAGE模型设计了各阶段的排放计算流程后，根据流程编制了排放计算软件。本文基于SAGE模型编制的程序只做预期航班的航空排放计算和预测，对航空公司航班的取消、航班的临时安排以及飞行过程中未预期的降落等特殊情况不做处理。因此，该程序所需的输入数据量相比SAGE模型大大减少，但必需的原始数据仍有100余项，包括飞机初始质量、最大起飞质量、速度调整系数、海拔调整系数、阻力系数以及饱和蒸汽压系数等。这些数据在SAGE模型中，分别自BADA（飞机发动机性能数据库）、INM（噪声模型数据库）、ETMS（地空气质量模型数据库）、ICAO（排放数据库）和ASQP（航空公司服务绩效数据库）等数据库中提取。虽然这些数据库多数不公开，但可通过易得的ICAO排放数据和QAR数据等途径获取某些航班的相应数据，以满足该程序对输入数据的需求。

4 设计程序在航空排放计算中的应用

文献[5]给出了某航空公司某些航班的部分实际排放数据，其中涉及到的机型有B737、A320、DC10、F28、SAAB 340等，其中A320飞机的部分排放数据如表1所示。

表1 A320飞机排放数据Tab.1 Emissions of A320

在这些航班中选择某些航班，通过ICAO排放数据和QAR数据，得到了飞机初始质量、机场海拔、发动机数目、发动机类型、飞机降落海拔、排放指数等程序所需的原始数据。有些数据是在ICAO排放数据和QAR数据中找不到的，如阻力系数、饱和蒸汽压系数等。但这些数据均是特定情况下的常量，不同的飞行状态和外界环境所对应的常量值会有所变化。本文对这些数据采用通用的平均值，其中阻力系数通用值如表2所示，阻力系数的详细分类分析参见文献[4]。

表2 A320飞机各阶段的阻力系数通用值Tab.2 General average values of resistant coefficients for A320

获得这些初始数据后，应用本文编制的软件就可以计算航班排放量。应用该程序计算的某航班A320飞机排放数据如表3所示。

表3 计算出的排放数据Tab.3 Computed emission

由于 SAGE 模型主要计算 CO2、H2O、SO2、HC、CO和NOx的量，因此，对照表1，运用该软件只计算了LTO过程和巡航过程的SO2、CO、CO2和NOx的量。图3给出了计算结果与实际数据的比较（（a）为LTO阶段，（c）为巡航阶段）。

由图3可以看出，绝大多数计算值与实际值十分接近，偏差在5%之内；少数有较大偏差，达到9%。其原因是因为给出的数据源是飞行阶段（如巡航）的实际平均排放数据，而不是经过航段详细划分后的实际排放数据，而计算数据是经过航段详细划分后的排放数据，因此误差相对较大。可以肯定的是，计算结果与经过航段详细划分后测得的实际排放数据相比会更加接近，但由于无法获得航段详细划分后的实际排放量数据，因此平均数据与各时刻数据相比必然存在一定的偏差。另外，LTO过程的计算比巡航过程的计算误差小很多，究其原因是LTO过程在给定数据之后（如飞行高度），其他所有数据，如各航段的飞机速度和所需时间等都是严格按照SAGE模型计算出来的；而巡航过程的数据均是给定的，且针对整个过程。因此，在这种情况下，个别数据偏差较大是完全可以接受的。

此外，用该程序共对5次航班进行了相应的排放计算，结果与实际值相差不大，文中仅以其中1次航班为代表。并且在对这5次航班的发动机分类时，计算了各类发动机每小时所耗燃油量和每小时各排放物的排放量，发现耗油量和排放量与发动机类型存在联系，但由于满足程序所需的航班数据量不足，这种联系并没有表现得十分明显。

5 结语

利用基于SAGE模型编制的软件计算多次航班的排放量均与实际值偏差不大，因此用该软件计算航空排放量是可行的，从而也验证了SAGE模型计算航空发动机排放的准确性。由于满足软件所需的航班数据量不足，故无法通过大量航班排放量的计算建立起排放量与发动机类型之间的明显关联，但可以预言，数据量足够的情况下这种关联将会表现得更加明显。

[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，FAA-EE-2005-01[R].Environmental Measurements and Modeling Division，2005.

[3]ANDREW MALWITZ，BR′IAN KIM.SAGE Version1.5 Validation Assessment，FAA-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，FAA，2006.