基于BADA模型的飞机持续下降进近节能减排研究*

吴文洁 胡 荣 张军峰 陈 琳

(南京航空航天大学民航学院 南京 210016)

基于BADA模型的飞机持续下降进近节能减排研究*

吴文洁 胡 荣 张军峰 陈 琳

(南京航空航天大学民航学院 南京 210016)

为了促进我国民航业的节能减排，提高飞机运行的燃油经济性和环保性，考虑实际气象条件，提出了飞机的燃油消耗量和污染物排放量计算模型.结合飞机性能数据，采用BADA模型仿真，开展了飞机进近阶段的节能减排研究.以广州白云机场B767-300飞机GYA方向进场过程为例，利用MATLAB编程计算飞机分别采用梯级进近和持续下降进近飞行的油耗与排放情况，结果表明，持续下降进近可节约超过1/4的燃油消耗量，节能效果显著；持续下降进近可以有效减少HC，CO，NOx，CO2和SO2五种污染物的排放量，且对NOx减排效果最佳.推广持续下降进近的应用有助于实现我国民航的节能减排.

持续下降进近；节能；减排；BADA模型；燃油消耗；航空尾气排放

0 引 言

节能减排是我国的基本国策，随着民航运输业迅速发展，飞机起降架次逐渐增多，燃油消耗与尾气排放逐步上升，燃油价格波动使得民航运营成本不断变化，飞机尾气排放导致大气环境污染日益加剧，当今社会发展倡导节能减排，因此经济性和环保性逐渐成为民航发展的更高追求.

飞机是民航重要组成部分，保证民航业经济、环保、可持续发展的基础是实现飞机的节能减排.针对飞机节能减排问题，研究学者已开展深入研究并取得丰硕成果，基于其研究内容，主要分为两个方面.

1) 飞机节能研究 由于航油价格不断波动，合理控制飞机航油使用成为省油节能的关键，而燃油控制的前提则是建立精确的油耗模型.刘婧[1]提出采用飞行数据训练BP网络计算燃油流量的模型，简化油耗估算过程.刘芳[2]根据不同飞行环境历史油耗数据建立下降阶段的分段匹配燃油消耗模型.Collins[3]考虑飞机飞行中的动能和势能变化，建立基于能量平衡原理的燃油消耗估计模型.Nikoleris等[4]利用真实飞行数据，对达拉斯-沃斯堡国际机场飞机的燃油消耗总量进行估算.Singh等[5]则从宏观方面对飞机油耗估算方法进行了分类，分析和评价.

2) 飞机减排研究 为了维护民航经济发展和环境保护之间的平衡，实现飞机污染物排放准确评估成为减排的重要基础.黄勇等[6-7]根据发动机海平面静态排放数据，对中国民航飞机的NOx排放量及其分布进行了分析和评估.孙见忠等[8]结合飞机飞行参数和性能数据，利用相对法模型估算了航班污染物排放总量.夏卿等[9]基于我国民航机队资料和飞行数据，对我国123个机场1周内飞机LTO循环的气体污染物排放量进行了计算.魏志强等[10-11]利用飞机性能软件建立污染物排放量计算模型，实现不同飞行阶段污染物排放量的计算.Owen等[12]则利用历史排放数据，对2050年全球航空活动所造成的污染物排放数据进行了大致估算.

在追求“建设资源节约型，环境友好型社会”的形势下，我国民航局明确提出未来五年要全面推进民航节能减排，其中指出在安全运行前提内，采用经济方式实施飞行，最大限度地减少燃油消耗和环境污染[13].持续下降进近就是在环保要求日益升温的背景下提出来的.它是指使飞机保持怠速状态实现恒定下滑角的下降进近，即以预设的下降梯度，从起始下降高度持续下降到最低下降高度，中间无平飞航段[14].持续下降进近有下滑航线高、推力小、时间短和噪声低等优点，不仅可以有效减少燃油消耗并降低环境污染，而且可以减轻飞行员负担并降低事故发生率[15-16].

尽管目前针对飞机节能减排的研究已取得一定成果，但仍略有不足：①现有油耗和排放的理论研究，较少考虑飞行过程中的气象条件，预测精度相对有限，难以满足民航运输的实际需要；②国内关于持续下降进近的研究，大多从宏观层面开展，由具体案例分析开展的研究成果比较少，与美欧等发达国家的差距明显.

基于上述考虑，本文以广州白云机场GYA方向B767-300飞机进场过程为例，基于BADA模型，考虑气象条件，利用MATLAB编程，研究梯级进近和持续下降进近的飞机油耗与排放问题，通过模型仿真和理论计算分析持续下降进近对飞机燃油消耗和污染物排放的影响.

1 BADA模型

飞机性能数据库(base of aircraft data，BADA)模型是由欧洲航空安全组织开发的分析飞行动力学的模型，主要应用于飞行仿真、航迹预测、排放评估和油耗计算四个方面，且在飞行仿真度、复杂性和精确度上具有较大优势[17-18].

1.1 全能量模型

反映飞机运动过程中速度、推力和高度等飞行参数的变化规律及约束关系，核心内容是合外力做功等于飞机动能和势能的变化量.

(1)

(3)

式中：T为发动机推力；D为飞机所受阻力；VTAS为飞机真空速；m为飞机质量；g为重力加速度；h为飞行高度；f(Ma)为能量分配系数，表示沿着选定速度剖面爬升或下降时，用于爬升或下降的能量占所有可用能量的比值；Ma为飞行马赫数.

1.2 气动及推力模型

飞机在飞行中会受到升力、重力、阻力及推力作用，直接影响其飞行速度，根据各飞行阶段的性能系数，可计算飞机的推力和阻力.

(4)

(5)

(6)

式中：γ为下降航迹角；CD0，CD1为与机型有关的阻力系数；ρ为空气密度；S为机翼面积；V为飞行速度.

1.3 风速修正模型

在大气边界层内，风速和高度有关.气象部门一般会提供距离地面10 m高度定时观测的风速资料，不同高度上的风速采用乘幂律公式修正.

(7)

V=VTAScosφ+VWcosω

(8)

式中:VW为距地高度为h处的风速；V0为距地高度为10 m的观测风速；h0为距地参考高度，取值为10 m；λ为稳定度参数，考虑机场周边建筑特征，λ一般取值为0.10；φ为飞机的航向角；ω为风向角.

1.4 油耗模型

单位推力的燃油消耗率

(9)

(10)

燃油流量f=ηCfT

(11)

式中：η为单位推力的燃油消耗率；Cf1，Cf2为油耗参数；f为燃油流量；Cf为推力等级.

2 油耗与排放定量计算

2.1 燃油消耗量计算模型

考虑实际气象因素，不同的气温、气压和风速条件都会对飞机燃油消耗产生影响，可利用参数修正法对实际燃油消耗进行修正.

标准燃油流量模型

(12)

(13)

2.2 污染物排放量计算模型

根据飞机-发动机型号组合，参照海平面静态排放数据，结合气象因素对各污染物排放指数进行修正，可计算航空气体污染物的排放量.

(14)

(15)

(16)

3 油耗与排放结果分析

本文以广州白云机场GYA方向进场过程为例，开展梯级进近和持续下降进近的飞机油耗与排放评估研究.根据飞行数据可知，GYA方向的进场高度是从3 900 m下降至1 800 m.图1为GYA方向三维飞行轨迹图，即梯级进近与持续下降进近的空间航迹示意图，其中X坐标指“经度”，Y坐标指“纬度”，Z坐标指“飞行高度”.

图1 GYA方向三维飞行轨迹图

考虑白云机场繁忙程度且持续下降进近安排在夜间运行，对白云机场2015年8月份00:00—03:00所有航班运行情况进行统计，结果表明，B767-300飞机的运行频次相对较高，故选用 B767-300为本文研究机型.B767-300飞机配备的发动机型号为PW4056，由《Aircraft Engine Exhaust Emissions Data Bank》可知其污染物排放指数，见表1.

表1 PW4056的污染物排放数据

对于污染物CO2与SO2而言，其排放指数和发动机型号及所使用的航空燃油有关，而与飞行阶段无关，查阅污染物排放标准可知，PW4056发动机的CO2排放指数为3.104 kg/kg，SO2排放指数为1 g/kg.

3.1 持续下降进近节能效果评估

节约燃油是在确保飞行安全前提下成本控制首要考虑的因素，基于BADA模型仿真，利用MATLAB计算B767-300飞机分别采用梯级进近和持续下降进近的燃油消耗量为202.80 kg和149.60 kg，相比梯级进近，持续下降进近可减少燃油消耗53.20 kg，节约航空燃油26.23%.

3.2 持续下降进近减排效果评估

一般来说节能意味着减排，减少燃油消耗的同时可在一定程度上减轻飞机排放污染.飞机排放的污染物主要包括HC，CO，NOx，CO2和SO2等，这些污染物不仅会对机场周边环境与公共健康造成严重危害，而且会导致全球温室效应和气候变化.根据修正污染物排放计算模型，利用MATLAB分别估算B767-300飞机采用梯级进近和持续下降进近的五种污染物排放量，具体排放情况见表2.

表2 五种污染物排放量

注：减排量=梯级进近排放量-持续下降进近排放量；减排比例=减排量/梯级进近排放量.

由表2可知，相比梯级进近，持续下降进近能在不同程度上减少飞机污染物排放并减轻大气环境污染，减排效果明显.

3.3 持续下降进近节能减排原因分析

3.3.1 节能原因分析

由燃油消耗量的计算原理可知，影响油耗的两大因素是燃油流量和飞行时间，图2为燃油流量和飞行时间对比图.

图2 燃油流量和飞行时间对比图

由图2a)可知，在GYA方向进场飞行过程中，采用持续下降进近飞行的燃油流量始终低于梯级进近.由图2b)可知，相比梯级进近，持续下降进近可减少飞行时间9 s，可节省时间2.13%.

因此综合燃油流量和飞行时间考虑，持续下降进近能明显减少燃油消耗.

3.3.2 减排原因分析

由污染物排放量计算模型可知，影响飞机排放的两大因素是燃油消耗量和排放指数.其中，燃油消耗量主要和燃油流量和飞行时间有关.

而排放指数则受外界气象条件如湿度因子、风速、风向、气温和气压等影响，这些影响因素又与飞行高度有关，所以影响飞机排放的一个关键因素就是飞行高度.根据飞行数据可知，GYA方向进场距离为62 km，图3为GYA方向飞行剖面示意图，其中横坐标“飞行距离”是指飞机到最后进近定位点的水平距离.

图3 GYA方向飞行剖面图

由图3可知，持续下降进近的飞行高度整体高于梯级进近.一般情况下，海拔高度每上升100 m，气温平均下降约0.6 ℃，气压平均下降约1 000 Pa.相比梯级进近，持续下降进近的飞行高度升高，湿度因子增大，外界气温和气压降低，导致HC，CO和NOx的排放指数减小，虽然CO2和SO2的排放指数与飞行高度无关，但是持续下降进近的燃油消耗量明显低于梯级进近，因此综合燃油消耗量和排放指数考虑，持续下降进近能有效降低各种污染物排放.

4 结 论

1) 相比梯级进近，持续下降进近的发动机推力小，燃油流量低，飞行时间短，可节约超过1/4的燃油.

2) 相比梯级进近，持续下降进近的飞行高度高，污染物排放指数小，因此持续下降进近对HC，CO和NOx的减排效果明显，且对NOx的减排效果尤为显著.

3) 由于CO2和SO2排放指数不变，其排放量与油耗成正比，因此持续下降进近对CO2和SO2的减排效果相同.

4) 持续下降进近节能减排的主要原因是其推力较小、飞行高度较高和飞行时间较短.

然而本文仅从理论计算和模型仿真的层面研究持续下降进近节能减排效果，对真机试验的实证分析仍需进一步研究.此外本文仅研究飞机自身的节能减排问题，对于民航业的节能减排，未来可以考虑从技术、运营和市场三个宏观角度着手研究，比如采用新型发动机和开发可替代航空燃油、提高空管和机场运营保障能力以及采用碳抵消和碳税费等经济措施来倡导民航节能减排，实现我国绿色民航发展.

[1]刘婧.基于飞行数据分析的飞机燃油估计模型[D].南京：南京航空航天大学，2010.

[2]刘芳.下降阶段的飞机油耗优化建模方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.

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Research on Aircraft Energy-saving and Emission-reduction of Continuous Descent Approach Based on BADA model

WU Wenjie HU Rong ZHANG Junfeng CHEN Lin

(CollegeofCivilAviation,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

In order to promote the energy-saving and emission-reduction in China’s civil aviation and improve the fuel economy and environmental protection of aircraft operation, the fuel consumption model and pollutants emission model are presented according to the actual weather conditions. Combined with the aircraft performance data and based on the BADA simulation model, the research on aircraft energy-saving and emission-reduction in approach stage is conducted. Using the example of GYA arrival point of Guangzhou-Baiyun airport and B767-300 aircraft, a MATLAB programming software is used to estimate the fuel consumption and pollutants emission by step-down approach and Continuous Descent Approach, respectively. The results show that: compared with the step-down approach, the Continuous Descent Approach can save over a quarter of the fuel consumption per flight and it has significant energy-saving effect; Continuous Descent Approach also has different emission-reduction effect on five pollutants including HC, CO, NOx, CO2and SO2, and the effect for NOxis more significant. The promotion of Continuous Descent Approach is found to be helpful to reaching the objective of energy-saving and emission-reduction in China’s civil aviation.

continuous descent approach; energy-saving; emission-reduction; BADA model; fuel consumption; exhaust gas emission

2017-02-08

*国家自然科学基金项目资助(71401072，71201082)

V249.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.027

吴文洁(1993—)：女，硕士生，主要研究领域为绿色民航，交通运输规划与管理