胡榮，馮慧琳，劉博文，張軍峰，王德蕓

(南京航空航天大學，民航學院，南京211106)

0 引言

當前，中國民航已成為全球第二大航空運輸系統(tǒng)，正處于從民航大國向民航強國邁進的關鍵時期。隨著航空運輸體量的不斷增加，民航帶來顯著經濟社會效益的同時也帶來了不可忽視的負面環(huán)境影響，其中航空器尾氣排放帶來的大氣污染問題尤為受到關注。在深入推進民航綠色發(fā)展的背景下，如何在保障安全、高效運行的基礎上，減少航空器污染物排放成為民航綠色發(fā)展的重點任務。

航空器污染物排放主要來源于發(fā)動機工作過程中所消耗的傳統(tǒng)航空燃油。因此，減少燃油消耗就成了航空器污染物減排的重點研究領域。研發(fā)油耗更低的發(fā)動機、設計單發(fā)推出程序、優(yōu)化場面滑行路徑、實行減推力起飛以及使用輔助動力裝置(APU)等措施得到了廣泛關注與普遍應用[1]。此外，飛行程序優(yōu)化設計具有投入成本低、研發(fā)周期短、減排見效快的優(yōu)勢，在航空器污染物減排中發(fā)揮著越來越重要的作用，例如：連續(xù)爬升/下降運行和點匯聚系統(tǒng)等。

點匯聚系統(tǒng)(Point Merge System，PMS)是歐控實驗中心(EUROCONTROL Experimental Centre，EEC)率先提出的一種進近飛行程序。截止2020年6月，PMS已成功在全球4個大洲25個機場順利實施且效果良好，驗證了PMS 在終端區(qū)具有較高的運行效益[2]。我國于2019年在上海浦東國際機場首次試行了PMS。目前針對PMS 的研究，主要聚焦于其提升運行安全性、增強軌跡可預測性、減少通話頻次、降低管制員負荷等運行效益[3]，部分研究考慮了噪聲與CO2排放的環(huán)境影響[4]，但考慮到污染物(如碳氫化合物、氮氧化合物及顆粒物等)排放指數(shù)的非線性變化特點，目前鮮見涉及污染物排放的相關分析，特別是有關減排影響因素識別及其相互關系的研究更是欠缺。在推動生態(tài)文明建設及民航可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實需求下，這方面研究亟待深入。

縱觀現(xiàn)有研究，有關點匯聚系統(tǒng)的研究成果較為豐富，但仍有如下3 點值得深入研究：現(xiàn)有研究多集中于PMS 溫室氣體減排分析，對PMS 污染物排放的研究尚顯不足；現(xiàn)有研究以PMS 排放量計算居多，較少涉及PMS 減排因素及相互關系的分析；直至2019年12月上海浦東國際機場才實施了我國首次PMS 運行，有關我國運行環(huán)境下的PMS案例研究亟需加強。因此，針對上述不足，本文基于航空器性能模型，考慮溫度、濕度、壓強等氣象因素對燃油消耗、污染物排放指數(shù)的影響，運用修正后ICAO 高級方法與FOA 3.0 方法，以上海浦東國際機場點匯聚系統(tǒng)為例，設置非高峰時刻及高峰時刻兩種場景，對比分析PMS 與傳統(tǒng)標準儀表進場(Standard Instrument Arrival，STAR)的航空器污染物(即HC、CO、NOx、SOx和PM)排放情況并研究PMS減排機理，以期豐富PMS環(huán)境效益的研究。

1 計算與修正模型

1.1 航空器性能模型

航空器性能數(shù)據(jù)庫(Base of Aircraft Data，BADA)由歐控實驗中心開發(fā)，涵蓋超過1000 種機型數(shù)據(jù)，是目前開展航空器性能分析、航跡預測和油耗計算等研究的重要工具[5]。航空器性能模型由全能量模型、氣動模型、推力模型和水平運動模型構成，核心方程為

依據(jù)航空器性能參數(shù)，計算單位推力的燃油消耗率，再結合不同飛行階段的油耗參數(shù)即可得航空器不同階段的燃油流量為

式中：f 為燃油流量(kg ?s-1)；η 為單位推力的燃油消耗率(kg ?(min ?kN)-1)；Cf1、Cf2、Cf3、Cf4、Cfcr為不同階段的油耗參數(shù)(kg ?min-1、m、kg ?(min ?kN)-1、m?s-1、無量綱)。

1.2 燃油流量修正模型

國際民用航空組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)公布的發(fā)動機排放數(shù)據(jù)庫(Engine Emissions DataBank，EEDB)中的燃油流量是基于海平面高度與標準大氣條件而言的，然而航空器實際運行所處的海拔高度與海平面高度差異較大，所處的氣象環(huán)境差異將對燃油流量帶來影響。因此，在使用ICAO 高級方法計算污染物排放量前，需要對燃油流量進行修正[6]，即

式中：fM為修正燃油流量(kg ?s-1)；θ 為實際飛行高度的溫度(K)與273.15 K 之比；δ 為實際飛行高度氣壓(kPa)與101.325 kPa 之比；M 為飛行馬赫數(shù)(Ma)。

1.3 污染物排放計算模型

常見的航空器污染物計算與修正模型有ICAO標準方法、P3T3 法、BFFM2 法、FOA 3.0 法等，綜合考慮不同方法所需參數(shù)類型、數(shù)據(jù)可得性及適用污染物種類，本文采用如下3 種模型：常數(shù)法(針對SOx)、修正法(針對HC、NOx和CO)與FOA 3.0法(針對PM)。

(1)常數(shù)法。SOx排放指數(shù)只取決于航空燃油中的硫含量，因此參照美國EPA指導建議，SOx的排放指數(shù)取1 g ?kg-1。

(2)修正法。EEDB 只給出HC、NOx與CO 這3類污染物在起飛、爬升、進近、滑行這4個階段中標準推力下的排放指數(shù)，這與實際推力下的排放指數(shù)存在較大差異，故需對實際不同推力下的HC、NOx、CO的排放指數(shù)進行擬合計算，減少因直接使用EEDB 數(shù)據(jù)而帶來的不確定性[7]，為增加結果的可信度，對排放指數(shù)進行修正，即

式中：Ij為各污染物排放指數(shù)(g ?kg-1)；j 為污染物種類；T 為ICAO 規(guī)定的標準推力(N)；下標TO、C、A、X分別表示起飛、爬升、進近和滑行4個階段。

同時，進一步將HC、NOx、CO 基準排放指數(shù)轉化為實際運行氣象條件下的排放指數(shù)，即

式中：IMj為各污染物實際排放指數(shù)(g ?kg-1)；φ 為相對濕度。

(3)FOA 3.0法。在得到HC實際排放指數(shù)的基礎上，基于發(fā)動機的煙度、空燃比以及涵道比計算出PM的排放指數(shù)。詳細過程可參考文獻[8-9]。

基于上述污染物排放指數(shù)結果，即可得到研究時間段內的5類污染物排放總量為

式中：E 是5 類污染物(HC、CO、NOx、SOx和PM)總的排放量(g)；IM為5類污染物實際排放指數(shù)之和(g ?kg-1)；H 為發(fā)動機個數(shù)。

2 實例仿真分析

2.1 仿真場景設置

2019年12月上海浦東國際機場設計并實施了PMS運行，PMS設計參數(shù)如表1所示。本文以DUMET 航路點為進場點的進場過程為例，開展航空器在STAR 與PMS 兩種進場程序下的污染物排放及減排機理研究。圖1是通過DUMET點的兩種進場程序示意圖。

圖1 DUMET進場點的平面進場圖Fig.1 Approach chart of DUMET

表1 上海浦東國際機場PMS設計參數(shù)表Table 1 Design parameters of PMS at ZSPD

當航班量較大時，部分航班需要運行等待程序來滿足不同機型的尾流間隔標準，這一方面將增加飛行時間與燃油消耗，另一方面平飛階段需要更大的發(fā)動機推力以保持飛行姿態(tài)，而推力等級的變化會影響污染物排放指數(shù)大小。因此，根據(jù)航班是否需要平飛等待，設置兩種不同仿真場景：

(1)非高峰時刻。此時航班量較小，各航班滿足尾流間隔要求，只需沿各進場程序中最短路徑飛至起始進近點(IAF)或匯聚點(MP)，即在STAR中無需進行跑馬場型的平飛等待，在PMS 中直接從PD232直飛匯聚點。這里以最常見的A320機型為代表，對比分析單次航班在兩種進場程序中最短路徑下的污染物排放情況。

(2)高峰時刻。此時航班量較大，部分航班需要通過等待程序(或排序弧平飛)來滿足前后機尾流間隔要求，因此各航班飛行路徑不盡相同。本文利用2019年10月31日7:00-9:00 由16L 跑 道落 地的43架航班仿真高峰時刻場景①航班信息可聯(lián)系作者獲取。。

基本氣象信息來源于當日例行天氣報告(METAR)，并采用0.006 K ?m-1和0.012 kPa ?m-1的垂直遞減率對不同高度的氣溫和氣壓進行擬合[10]。

2.2 仿真結果分析

2.2.1 非高峰時刻

以A320 機型為例，非高峰時刻下STAR 與PMS程序下的飛行時間、飛行距離、燃油消耗、污染物排放的仿真結果如表2所示，各類污染物的排放量結果如圖2 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在非高峰時刻下PMS相較于STAR具有更少的排放。

圖2 非高峰時刻下污染物排放量Fig.2 Pollutant emissions at off-peak time

表2 非高峰時刻下仿真結果匯總Table 2 Summary of simulation results at off-peak time

2.2.2 高峰時刻

高峰時刻下飛行時間、飛行距離、燃油消耗與污染物排放的仿真結果如表3 和圖3 所示?？芍诟叻鍟r刻場景中PMS 較STAR 平均單架次污染物排放量減少2.72 kg，約28.69%，PMS具有顯著的環(huán)境效益。

圖3 高峰時刻下污染物排放量Fig.3 Pollutant emissions at peak time

表3 高峰時刻下仿真結果匯總Table 3 Summary of simulation results at peak time

2.3 減排效果分析

在非高峰時刻，PMS較STAR共減少19.32%污染物排放，約1385.20 g。其中，NOx減排比例最高，約44.69%(975.54 g)；其次是SOx和PM，分別減排30.65%和30.60%。

在高峰時刻，從污染物排放量上看，PMS 的任一污染物排放均低于STAR，如表4 所示。從減排絕對量上看，減排最多的是NOx，最少的是PM；從減排成效上看，減排比例最大的是NOx，達48.32%，最小的是CO，約為6.74%?？梢?，在高峰時刻下，PMS能更顯著地減少航空器污染物排放。

表4 高峰時刻下污染物減排效果匯總Table 4 Summary of pollutant emission reduction effect at peak time

3 減排機理分析

從以上分析可知，無論是非高峰時刻還是高峰時刻，PMS均具有良好的減排效益。下面根據(jù)污染物排放的影響因素，從飛行時間、燃油消耗與污染物排放指數(shù)這3 個方面探究PMS 的污染物減排機理，并識別減排的關鍵因素。

3.1 飛行時間分析

3.1.1 非高峰時刻

影響飛行時間的因素主要是飛行距離和飛行速度。PMS運行要求具備區(qū)域導航功能，相比雷達引導，使得PMS 運行更加高效。航空器可以在保證安全的前提下提升其進場飛行速度，提高飛行效率[11]。圖4 是兩種進場程序下的速度對比圖，PMS和STAR 中航空器的平均飛行速度分別為141.53 m ?s-1和138.72 m ?s-1，因此PMS有利于縮短航空器從DUMET到MP的飛行時間。

圖4 PMS與STAR的速度對比Fig.4 Speed comparison of PMS and STAR

因此在非高峰時刻，雖然PMS 飛行距離較STAR遠2 km，但依賴較高的飛行速度而縮短了飛行時間。

3.1.2 高峰時刻

對比43 架航班的飛行時間可以發(fā)現(xiàn)，在高峰時刻PMS 相比STAR 共節(jié)省85 s 飛行時間。這是由于在PMS 運行中，當排序弧上的航空器與前機滿足尾流間隔要求時即可直飛匯聚點，而無需像在STAR 中必須飛滿整個標準等待程序，而造成尾流間隔的“浪費”。特別地，當前后航空器都需通過等待程序保證尾流間隔時，尾流間隔“浪費”還將呈現(xiàn)“累積”效應。進而，PMS體現(xiàn)出更加明顯的節(jié)省飛行時間的優(yōu)勢。

需要指出的是，并不是每個航班在PMS 都節(jié)省飛行時間，如圖5所示。通常前后機尾流間隔在60 s 左右時，PMS 不能節(jié)省飛行時間。這是由于PMS 與STAR 中航空器為保證間隔而平飛等待的位置不同：PMS 中位于進近初始階段的排序弧上，而STAR 中處于進近結束階段的等待程序中。易知，前后航空器在進近過程中是一個“追趕”過程(減速飛行過程)，前后機間隔不斷縮小。為保證MP 處前后機滿足尾流間隔標準，航空器需在排序弧上保持相對最小尾流間隔更大的安全距離；此外，又由于航空器在PMS 排序弧上的飛行速度遠大于STAR等待程序的速度，進而使得當航空器前后間隔為60 s 左右(此時，STAR 中無需平飛等待，但PMS 中需在排序弧平飛)時，PMS 在飛行時間上不具有明顯優(yōu)勢。

圖5 各航班在PMS節(jié)省的飛行時間和與前機進場的時間間隔Fig.5 Flight time saved and approach time interval of each flight

3.2 燃油消耗分析

3.2.1 非高峰時刻

單次A320航班在PMS中比STAR節(jié)省30.65%的燃油，約74.58 kg。由燃油消耗的計算原理可知，影響燃油消耗的主要因素是飛行時間和燃油流量。對比航空器的高度剖面，如圖6 所示，航空器在PMS 中運行擁有更少的平飛頻率，保持更加順滑的下滑態(tài)勢，這就顯著降低了對推力的需求，進而降低了燃油流量。雖然一開始PMS的推力要大于STAR，但因為在STAR 中航空器在雷達引導下實施階梯下降，而PMS因采用區(qū)域導航，在達到匯聚點預定的900 m高度前，減少了下降中平飛段的頻次和距離(圖6)，因此航空器在STAR中的平均推力(20233 N)要遠遠大于PMS(17426 N)。由航空器性能模型可知，推力與燃油流量正相關，所以航空器在PMS 中的平均燃油流量(0.22 kg ?s-1)要小于STAR(0.32 kg ?s-1)。因此，PMS具有節(jié)能優(yōu)勢。

圖6 非高峰時刻高度剖面與燃油流量對比圖Fig.6 Comparison of altitude profile and fuel flow at off-peak time

3.2.2 高峰時刻

在高峰時刻下，43 架航班共節(jié)省31.15%的燃油，約3424.14 kg。類似于非高峰時刻，由于PMS運行中航班平飛段的頻次較低、距離較短，這些航班的平均推力要遠遠小于STAR，又因推力與燃油流量正相關，所以高峰時刻下每架航班的燃油消耗有所減少，再綜合考慮飛行時間因素，PMS 在燃油流量與飛行時間的雙因素驅動下，高峰時刻平均每架航班節(jié)省約79.63 kg燃油，如圖7所示，比非高峰時刻更具有節(jié)能優(yōu)勢。

圖7 高峰時刻各航班燃油消耗量Fig.7 Fuel consumption of each flight at peak time

3.3 排放指數(shù)分析

3.3.1 非高峰時刻

本文研究的5 種污染物中，SOx的排放指數(shù)是一個定值；PM 的排放指數(shù)與HC 排放指數(shù)成正比[8-9]；HC、CO、NOx的排放指數(shù)與燃油流量大小相關，由EEDB數(shù)據(jù)插值可得到其變化規(guī)律。

對于A320機型(CFM56-5B6發(fā)動機)，通過擬合5種污染物在不同推力下總排放指數(shù)，如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)，總排放指數(shù)與燃油流量呈“V型”變化趨勢，即當燃油流量為0.279 kg ?s-1時，總排放指數(shù)最小；當燃油流量小于0.279 kg ?s-1時，總排放指數(shù)與燃油流量成反比；當燃油流量大于0.279 kg ?s-1時，總排放指數(shù)與燃油流量成正比但增長幅度較緩。

圖8 A320(CFM56-5B6發(fā)動機)污染物排放指數(shù)特性Fig.8 Characteristics of pollutant emission index of A320(CFM56-5B6)

進一步，根據(jù)運行的實時推力可得到A320 機型在兩個進場程序下污染物總排放指數(shù)的變化趨勢，如圖9 所示。由圖9 易知：在大部分運行時間中，PMS 的總排放指數(shù)低于STAR；同時，PMS 的總排放指數(shù)平均值(25.62 g ?kg-1)要小于STAR(32.13 g ?kg-1)。較低的總排放指數(shù)有助于PMS 減少排放。

圖9 污染物總排放指數(shù)變化圖Fig.9 Index of total pollutant emission at off-peak time

3.3.2 高峰時刻

同理，可得到高峰時刻下各航班的污染物總排放指數(shù)變化情況，如圖10 所示，PMS 中43 架航班總排放指數(shù)平均值(27.10 g ?kg-1)小于STAR(34.25 g ?kg-1)。對比可知，航空器在PMS中運行具有更低的排放指數(shù)。因而，在相同燃油消耗量的情況下，PMS可排放更少的污染物(何況PMS還具有節(jié)省燃油消耗的優(yōu)勢)。

圖10 高峰時刻污染物總排放指數(shù)變化圖Fig.10 Index of total pollutant emission at peak time

3.4 減排關鍵因素識別

基于以上分析，采用皮爾遜相關系數(shù)法進一步識別PMS減排的關鍵驅動因素。針對高峰時刻43架航班，相關性分析結果如表5 所示。3 種影響因素均通過顯著性檢驗，其中，飛行時間與污染物排放量相關性最高，達到0.99。因此，縮短航空器進場時間是減少污染物排放的最有效途徑。

表5 皮爾遜相關性分析結果Table 5 Pearson correlation analysis results

特別需要指出的是：污染物總排放指數(shù)與污染物排放量呈負相關。這一結論與航空器的運行狀態(tài)密切相關。在PMS中航空器運行狀態(tài)可劃分為平飛階段與下降階段，其中航空器在平飛階段為保持水平姿態(tài)，相較于下降階段需要更大的推力(也意味著更大的燃油流量)。根據(jù)發(fā)動機排放指數(shù)特性曲線，如圖11所示，當航空器進入平飛階段時，推力增大(燃油流量上升)、總排放指數(shù)減??；即使推力等級已處于對應的“V 型”總排放指數(shù)右側，其總排放指數(shù)仍小于航空器在下降階段的排放指數(shù)。盡管如此，污染物排放量同時受飛行時間、燃油流量與排放指數(shù)的共同影響。在飛行時間不變的情況下，通過“追求減小排放指數(shù)而減少排放總量”的積極效用遠小于由此帶來的“因燃油流量上升而增加排放總量”的消極影響。因此，利用發(fā)動機排放指數(shù)特性，通過提升燃油流量進而降低排放指數(shù)、以期減少污染物排放總量，將陷入“顧此失彼”的局面。

圖11 典型發(fā)動機排放指數(shù)特性曲線Fig.11 Characteristic curve of typical engine emission index

此外，考慮到燃油流量與排放指數(shù)存在相關性，進一步采用偏相關分析排除彼此相互影響后，檢驗兩者分別對污染物排放量的影響情況。結果顯示：燃油流量、排放指數(shù)與污染物排放量的偏相關系數(shù)分別為0.90和0.75，且均通過0.01顯著性檢驗。燃油流量對污染物排放量的影響更為突出。因此，減少進近平飛過程，推廣連續(xù)下降運行等措施可有效減少污染物排放量。

4 結論

(1)相較于標準儀表進場程序，點匯聚系統(tǒng)具有良好的污染物減排效果，且對NOx的減排總量及減排比例最高。

(2)在高峰時刻，航空器在點匯聚系統(tǒng)的排序弧上可隨時按指令“直飛匯聚點”，具有很高的靈活性，可明顯節(jié)省飛行時間、減少污染物排放。

(3)較短的飛行時間、較低的燃油流量是點匯聚系統(tǒng)體現(xiàn)減排優(yōu)勢的關鍵驅動因素。

(4)本文聚焦于點匯聚系統(tǒng)污染物減排效益，未來可拓展到污染物擴散、噪聲影響等環(huán)境影響分析。