曹惠玲，涂迅來，梁大敏，馬永鋒，牛 軍

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

當(dāng)今社會(huì)，節(jié)能減排的呼聲日益強(qiáng)烈，航空排放受到了高度的重視。排放量數(shù)據(jù)是衡量排放控制措施優(yōu)劣和技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此如何準(zhǔn)確計(jì)算航空排放量很重要。在國外，開發(fā)出了很多用于航空排放計(jì)算的模型，其中用得最多的是Aero2k和SAGE模型。然而，在國內(nèi)尚缺乏自主開發(fā)且公眾認(rèn)可的航空排放計(jì)算模型，故而需要研究及應(yīng)用國外現(xiàn)有的先進(jìn)的模型。SAGE和Aero2k有很大的不同：①計(jì)算方法不同，SAGE基于Boeing Mehod2，而Aero2k對(duì)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碳煙方法等；②SAGE計(jì)算的排放物更為全面，Aero2k 只計(jì)算 CO2、H2O、NOx、CO、HC 和 PM 的排放量，而SAGE除此之外還可以計(jì)算SO2的排放量；③SAGE只用于民用航空，而Aero2k可用于民用航空和軍用航空；④計(jì)算結(jié)果的精確度不一樣，SAGE更多的是基于飛機(jī)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)來對(duì)排放進(jìn)行計(jì)算，而Aero2k相對(duì)來說，依據(jù)的性能參數(shù)比較少，因此SAGE模型的計(jì)算結(jié)果更為精確[1]。從而，引進(jìn)并研究SAGE模型計(jì)算某航班排放或評(píng)估和預(yù)測(cè)某航空公司乃至全國的航空排放是十分可行可靠的。

1 關(guān)于SAGE模型

1.1 SAGE模型的起源

基于全空域航空排放評(píng)估系統(tǒng)也就是SAGE模型，用于計(jì)算給定年份全球所有商用（民用）航空器燃油和排放量。由于民航的快速發(fā)展以及全球范圍節(jié)能減排、排放計(jì)算的需要，美國聯(lián)邦航空局（FAA）環(huán)境和能源辦公室（AEE）得到了運(yùn)輸系統(tǒng)中心（Volpe）、麻省理工（MIT）和后勤管理協(xié)會(huì)（LMI）的支持從而開發(fā)了SAGE模型，它不僅可以用來計(jì)算航空排放，還可用來評(píng)估與航空器燃油使用和排放相關(guān)的各種政策。

聯(lián)合國國際民航組織（ICAO）的航空環(huán)境防治委員會(huì)，正在為航空排放設(shè)立一系列的工作組。聯(lián)合國大氣變化框架協(xié)定組織（UNFCCC）也在為主要工業(yè)大國的減排目標(biāo)促成一系列多邊合作。然而在SAGE模型之前沒有一個(gè)廣泛的、先進(jìn)的、公開的模型來計(jì)算及預(yù)測(cè)民航排放，這在一定程度上延緩了排放政策的實(shí)施。SAGE模型改進(jìn)了過去的研究方法，依據(jù)該模型計(jì)算出的排放數(shù)據(jù)質(zhì)量高，為排放相關(guān)政策的制定提供了理論依據(jù)[2-3]。

1.2 SAGE模型的功能

依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)原理和空氣動(dòng)力學(xué)等諸多學(xué)科，SAGE能計(jì)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）、未燃盡碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）、二氧化碳（CO2）、水蒸汽（H2O）和硫化物（三氧化硫脫氧成二氧化硫）等。用SAGE模型計(jì)算航空排放，不僅可得到某航班全航段的燃料消耗量和排放量，也可得到各階段的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

開發(fā)SAGE的目的是使其成為國際承認(rèn)的基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和方法的優(yōu)秀計(jì)算模型，它可以用來預(yù)測(cè)不同政策、技術(shù)、經(jīng)營策略對(duì)全球航空排放量的影響。SAGE模型不僅可用于計(jì)算單一航班的排放量，也可計(jì)算出某區(qū)域乃至全球的航班排放量。

2 SAGE模型模塊分析

SAGE模型計(jì)算航空排放的模塊包括輸入模塊、輸出模塊、大氣環(huán)境參數(shù)模塊、氣動(dòng)參數(shù)模塊、速度表、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、燃油流量、污染物排放量等模塊[4]，其關(guān)系如圖1所示。

其中，輸入模塊即為模型中參與計(jì)算所用到的全部數(shù)據(jù)源；輸出模塊即為通過模型計(jì)算后應(yīng)該或者需要輸出的數(shù)據(jù)清單。將飛機(jī)整個(gè)過程分為3個(gè)階段，即起降階段、巡航階段與慢車階段，每個(gè)階段均需要用以上模塊計(jì)算出的全部或者部分?jǐn)?shù)據(jù)來計(jì)算航空排放。需要注意的是，SAGE是按飛機(jī)的全航段按順序計(jì)算各階段的排放，即按慢車（滑出）階段、起飛爬升階段、巡航階段、降落著陸階段、慢車（滑入）階段的順序計(jì)算排放。

3 基于SAGE模型的航空排放計(jì)算流程設(shè)計(jì)

通過對(duì)SAGE模型進(jìn)行詳細(xì)分析，將其編成計(jì)算排放的軟件，其計(jì)算流程圖如圖2所示。由圖2可見，為了提高排放計(jì)算的準(zhǔn)確度，SAGE模型對(duì)巡航過程排放量的計(jì)算需要?jiǎng)澐趾蕉魏筮M(jìn)行循環(huán)計(jì)算，直到巡航過程結(jié)束為止，起降過程亦是如此。SAGE模型對(duì)CO2、H2O和SO2的計(jì)算與HC、CO和NOx的計(jì)算方法是不同的：前者是通過燃燒的化學(xué)方式根據(jù)質(zhì)量守恒得出排放指數(shù)后進(jìn)行計(jì)算的；而后者是基于ICAO數(shù)據(jù)庫的測(cè)量數(shù)據(jù)繪出log-log圖，然后通過log-log圖得出排放指數(shù)，并經(jīng)過校正后再計(jì)算排放量。

本文只給出了巡航階段的排放計(jì)算流程圖。雖然慢車階段、起降階段和巡航階段計(jì)算排放的整體思路一致，但所用到的計(jì)算模型差別甚大。通過對(duì)這3個(gè)階段的排放計(jì)算過程詳細(xì)分析，可知3個(gè)階段排放計(jì)算過程有以下異同：

不同點(diǎn)：

1）慢車階段不需進(jìn)行航段劃分，而起降階段和巡航階段需要詳細(xì)劃分航段；

2）起降階段的航段時(shí)間是通過計(jì)算得出的，而慢車階段、巡航階段不需要計(jì)算，并且巡航階段的時(shí)間間隔可以適當(dāng)選?。?/p>

3）起降階段和巡航階段的每單一航段的計(jì)算都比整個(gè)慢車過程的排放計(jì)算過程要復(fù)雜得多，因?yàn)槁囯A段排放計(jì)算時(shí)涉及到的模塊少且模型簡(jiǎn)單；

4）巡航階段計(jì)算推力時(shí)用到的是能量基本方程，而起降階段用的是基于發(fā)動(dòng)機(jī)自身諸多參數(shù)得出來的一套復(fù)雜方程。

相同點(diǎn)：

1）盡管起降過程和巡航過程的計(jì)算很復(fù)雜，但當(dāng)每一航段的時(shí)間被計(jì)算出來之后，其計(jì)算過程與慢車階段的排放計(jì)算過程相差無幾；

2）周圍的大氣參數(shù)如溫度、壓力等對(duì)慢車階段、巡航階段和起降階段的排放都有影響；

3）這3個(gè)階段的排放物計(jì)算都需要用到各排放物相應(yīng)的排放指數(shù)和航段所經(jīng)歷的時(shí)間。

基于SAGE模型設(shè)計(jì)了各階段的排放計(jì)算流程后，根據(jù)流程編制了排放計(jì)算軟件。本文基于SAGE模型編制的程序只做預(yù)期航班的航空排放計(jì)算和預(yù)測(cè)，對(duì)航空公司航班的取消、航班的臨時(shí)安排以及飛行過程中未預(yù)期的降落等特殊情況不做處理。因此，該程序所需的輸入數(shù)據(jù)量相比SAGE模型大大減少，但必需的原始數(shù)據(jù)仍有100余項(xiàng)，包括飛機(jī)初始質(zhì)量、最大起飛質(zhì)量、速度調(diào)整系數(shù)、海拔調(diào)整系數(shù)、阻力系數(shù)以及飽和蒸汽壓系數(shù)等。這些數(shù)據(jù)在SAGE模型中，分別自BADA（飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)庫）、INM（噪聲模型數(shù)據(jù)庫）、ETMS（地空氣質(zhì)量模型數(shù)據(jù)庫）、ICAO（排放數(shù)據(jù)庫）和ASQP（航空公司服務(wù)績(jī)效數(shù)據(jù)庫）等數(shù)據(jù)庫中提取。雖然這些數(shù)據(jù)庫多數(shù)不公開，但可通過易得的ICAO排放數(shù)據(jù)和QAR數(shù)據(jù)等途徑獲取某些航班的相應(yīng)數(shù)據(jù)，以滿足該程序?qū)斎霐?shù)據(jù)的需求。

4 設(shè)計(jì)程序在航空排放計(jì)算中的應(yīng)用

文獻(xiàn)[5]給出了某航空公司某些航班的部分實(shí)際排放數(shù)據(jù)，其中涉及到的機(jī)型有B737、A320、DC10、F28、SAAB 340等，其中A320飛機(jī)的部分排放數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 A320飛機(jī)排放數(shù)據(jù)Tab.1 Emissions of A320

在這些航班中選擇某些航班，通過ICAO排放數(shù)據(jù)和QAR數(shù)據(jù)，得到了飛機(jī)初始質(zhì)量、機(jī)場(chǎng)海拔、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)目、發(fā)動(dòng)機(jī)類型、飛機(jī)降落海拔、排放指數(shù)等程序所需的原始數(shù)據(jù)。有些數(shù)據(jù)是在ICAO排放數(shù)據(jù)和QAR數(shù)據(jù)中找不到的，如阻力系數(shù)、飽和蒸汽壓系數(shù)等。但這些數(shù)據(jù)均是特定情況下的常量，不同的飛行狀態(tài)和外界環(huán)境所對(duì)應(yīng)的常量值會(huì)有所變化。本文對(duì)這些數(shù)據(jù)采用通用的平均值，其中阻力系數(shù)通用值如表2所示，阻力系數(shù)的詳細(xì)分類分析參見文獻(xiàn)[4]。

表2 A320飛機(jī)各階段的阻力系數(shù)通用值Tab.2 General average values of resistant coefficients for A320

獲得這些初始數(shù)據(jù)后，應(yīng)用本文編制的軟件就可以計(jì)算航班排放量。應(yīng)用該程序計(jì)算的某航班A320飛機(jī)排放數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 計(jì)算出的排放數(shù)據(jù)Tab.3 Computed emission

由于 SAGE 模型主要計(jì)算 CO2、H2O、SO2、HC、CO和NOx的量，因此，對(duì)照表1，運(yùn)用該軟件只計(jì)算了LTO過程和巡航過程的SO2、CO、CO2和NOx的量。圖3給出了計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的比較（（a）為L(zhǎng)TO階段，（c）為巡航階段）。

由圖3可以看出，絕大多數(shù)計(jì)算值與實(shí)際值十分接近，偏差在5%之內(nèi)；少數(shù)有較大偏差，達(dá)到9%。其原因是因?yàn)榻o出的數(shù)據(jù)源是飛行階段（如巡航）的實(shí)際平均排放數(shù)據(jù)，而不是經(jīng)過航段詳細(xì)劃分后的實(shí)際排放數(shù)據(jù)，而計(jì)算數(shù)據(jù)是經(jīng)過航段詳細(xì)劃分后的排放數(shù)據(jù)，因此誤差相對(duì)較大?？梢钥隙ǖ氖?，計(jì)算結(jié)果與經(jīng)過航段詳細(xì)劃分后測(cè)得的實(shí)際排放數(shù)據(jù)相比會(huì)更加接近，但由于無法獲得航段詳細(xì)劃分后的實(shí)際排放量數(shù)據(jù)，因此平均數(shù)據(jù)與各時(shí)刻數(shù)據(jù)相比必然存在一定的偏差。另外，LTO過程的計(jì)算比巡航過程的計(jì)算誤差小很多，究其原因是LTO過程在給定數(shù)據(jù)之后（如飛行高度），其他所有數(shù)據(jù)，如各航段的飛機(jī)速度和所需時(shí)間等都是嚴(yán)格按照SAGE模型計(jì)算出來的；而巡航過程的數(shù)據(jù)均是給定的，且針對(duì)整個(gè)過程。因此，在這種情況下，個(gè)別數(shù)據(jù)偏差較大是完全可以接受的。

此外，用該程序共對(duì)5次航班進(jìn)行了相應(yīng)的排放計(jì)算，結(jié)果與實(shí)際值相差不大，文中僅以其中1次航班為代表。并且在對(duì)這5次航班的發(fā)動(dòng)機(jī)分類時(shí)，計(jì)算了各類發(fā)動(dòng)機(jī)每小時(shí)所耗燃油量和每小時(shí)各排放物的排放量，發(fā)現(xiàn)耗油量和排放量與發(fā)動(dòng)機(jī)類型存在聯(lián)系，但由于滿足程序所需的航班數(shù)據(jù)量不足，這種聯(lián)系并沒有表現(xiàn)得十分明顯。

5 結(jié)語

利用基于SAGE模型編制的軟件計(jì)算多次航班的排放量均與實(shí)際值偏差不大，因此用該軟件計(jì)算航空排放量是可行的，從而也驗(yàn)證了SAGE模型計(jì)算航空發(fā)動(dòng)機(jī)排放的準(zhǔn)確性。由于滿足軟件所需的航班數(shù)據(jù)量不足，故無法通過大量航班排放量的計(jì)算建立起排放量與發(fā)動(dòng)機(jī)類型之間的明顯關(guān)聯(lián)，但可以預(yù)言，數(shù)據(jù)量足夠的情況下這種關(guān)聯(lián)將會(huì)表現(xiàn)得更加明顯。

[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，F(xiàn)AA-EE-2005-01[R].Environmental Measurements and Modeling Division，2005.

[3]ANDREW MALWITZ，BR′IAN KIM.SAGE Version1.5 Validation Assessment，F(xiàn)AA-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，F(xiàn)AA，2006.