1 引言 (Introduction)

随着航空运输业的快速发展，我国各大机场的航班量日益增多，逐渐造成了各大机场场面运行的拥堵.由于航空器场面滑行时间长，且滑行阶段发动机为慢车推力状态，发动机转速小，燃油燃烧不完全，燃烧效率低，使得航空器燃油消耗与尾气排放增加，影响机场周边空气质量.

对于航班污染物排放，黄勇等对我国民航飞机的氮氧化物 (NO_x) 排放量及其分布进行了研究 (黄勇等，2000；2001).夏卿进行了中国民航各机场飞机起飞着陆循环污染物排放量的估算 (夏卿等，2008).李娜等基于飞机QAR数据对航线的污染物排放做了估算 (李娜和魏志强，2015).Maria等基于整个飞行轨迹建立了飞机性能模型，提出了一种新的燃料消耗和排放量计算方法 (Maria et al., 2009).魏志强等建立了各种污染物排放指数修正模型，对航班飞行各阶段污染物的排放进行了估算 (魏志强和王超，2010).孙见忠等考虑了航空器发动机性能退化对航班各飞行阶段污染物排放的影响，根据航班飞行参数和发动机性能估算了航班各阶段排放的污染物总量 (孙见忠等，2012).以上研究主要是针对航班各阶段污染物排放总量的估算，对于航班机场场面滑行阶段污染物排放具体研究相对较少.

本文主要就机场场面航空器采用各滑行方式下各污染物排放量进行计算研究，建立各滑行方式下油耗与排放的计算模型，应用油耗与排放参数修正模型对外界环境因素产生的影响进行参数修正.以上海虹桥机场为例进行定量计算，对比各滑行方式下航空器滑行阶段各污染物排放量，就对比结果进行分析.

2 污染物排放类型 (The pollutant categories)

由于水为清洁物质，计算污染物排放时不做考虑；二氧化碳的排放量与燃油的消耗量成正比，航空公司为控制运营成本会自行考虑控制排放；二氧化硫的产生与航空燃油的品质有关，一般假定航空燃油中的硫杂质经发动机燃烧后全部转化为二氧化硫并排放.因此，国际民航组织 (ICAO) 主要针对一氧化碳 (CO)、碳氢化合物 (HC)、氮氧化合物 (NO_x) 和颗粒物的排放制定了排放标准.

国际民航组织对各机型起飞着陆循环发动机工作数据进行统计 (ICAO, 2014)，以空客A320的CFM56-5B4/P发动机为例，其标准起飞着陆循环燃油消耗与尾气排放数据见表 1.

从表中可以看出, 虽然发动机滑行推力状态的燃油流量约为起飞与爬升状态的10%，但HC、CO的排放系数却约为起飞爬升等大推力状态的25倍.因此，相同时间内航空器场面滑行的HC、CO排放量为起飞爬升等大推力状态下的2~3倍.又因航空器场面滑行阶段所用时间远大于起飞爬升进近阶段时间，因此降低航空器场面滑行油耗与排放对起飞着陆循环乃至民航的低碳运输都具有重要意义.

3 航空器场面滑行油耗和排放的定量分析 (Quantitative analysis of fuel consumption and emissions during aircraft taxiing at the airport) 3.1 全发滑行

对于任意一架航空器i，启动全部主发动机驱动航空器进行场面滑行，经过T_i的滑行时间，其燃油消耗FB_i可表示为：

(1)

式中，N_i表示航空器i发动机的数量，FBI_i为单个发动机的燃油消耗系数 (kg·s^-1).

航空器发动机尾气排放污染物主要为HC、CO和NO_x3种.航空器i发动机排放的任一种污染物j的排放量E_ij可表示为：

(2)

式中，EI_ij表示尾气排放系数，为航空器i发动机消耗每千克燃油关于污染物j的排放量 (g·kg^-1).不同航空器发动机标况的燃油消耗系数 (FBI) 与尾气排放系数 (EI) 可从国际民航组织公布的发动机尾气排放数据库 (ICAO Engine Emissions Databank (2014)) 中获得.

为减少航空器场面滑行时的燃油消耗与尾气污染物排放，航空器除依靠全部主发动机工作推动其进行场面滑行外，国内外还提出或应用了3种低油耗滑行方式：单发滑行、牵引滑行与APU电力驱动滑行 (Balakrishnan et al., 2008).下面分别就3种航空器场面滑行方式做油耗和尾气排放的计算研究.

3.2 单发滑行

飞机制造商空中客车公司 (Airbus) 表示，在机场条件允许情况下，航空器可采用单发滑行方式进行场面滑行.但因为航空器在起飞前2~5 min需启动发动机进行预热，所以，即使一台航空器发动机不需在滑行时段工作，该发动机也需要至少在起飞前5 min启动.因此，航空器单发场面滑行方式只适用于滑行时间大于5 min滑行路径.由上述航空器发动机启动的时间限制，可得航空器单发场面滑行燃油消耗FB_i^s计算公式为：

(3)

式中，T_i表示航空器i的滑行时间，N_i表示航空器i发动机的数量，FBI_i为每个发动机的燃油消耗系数 (kg·s^-1).

航空器采用单发驱动场面滑行时，尾气排放污染物j的排放量E_ij^s可表示为：

(4)

式中，EI_ij表示污染物排放系数，为航空器i发动机燃烧每千克燃油关于污染物j的排放量 (g·kg^-1).

3.3 牵引滑行

在国外一些有宵禁限制的机场每日首批飞行的航班，或是某些航空公司的特定机队 (如Virgin Atlantic航空公司的B747机队)，出于相关法规限制或经济因素考虑会采用航空器的牵引滑行方式.

该滑行方式是不使用航空器主发动机，而采用牵引车牵引航空器在机场场面滑行.在牵引车牵引航空器场面滑行时，航空器发动机不工作，直至航空器起飞前5 min启动发动机，然后在航空器自身动力下完成滑行道最后路径滑行，牵引车则自行返回.并且，航空器在场面牵引滑行时的滑行速度远小于其依靠自身主发动机工作时的滑行速度.通过观测计算，一般假定牵引滑行时间为全发滑行时间的2.5倍.

依据上述条件，可得出航空器在牵引车牵引滑行方式下，牵引车与航空器i总的燃油消耗和污染物排放计算模型，燃油消耗计算公式为：

(5)

牵引车与航空器i污染物j排放量E_ij^q计算公式为：

(6)

式中，FBI_q为牵引车的燃油消耗系数 (kg·s^-1)，EI_qj表示污染物排放系数，为牵引车燃烧每千克燃油关于污染物j的排放量 (g·kg^-1).

3.4 APU电力驱动滑行

霍尼韦尔与WheelTug正在研发一种电力驱动系统，该电力滑行系统是使用航空器辅助动力设备 (APU) 提供能量，以驱动安装在起落架上的电动马达系统，从而驱动航空器自身进行场面滑行.这种滑行方式可不依赖其主发动机系统和外部牵引车，因此这种滑行方式具有较低的燃油消耗和尾气排放.

APU是一台安装在飞机尾部的辅助动力设备，其实质就是一台小型的涡轮发动机.APU的燃油消耗远小于机翼两侧的主发动机，并且还有运行噪音小，使用寿命长等优点.

与航空器使用单引擎驱动场面滑行方式相似，当使用电力驱动系统进行场面滑行时，航空器主发动机必须在起飞前至少5 min启动，改用全发滑行方式.因此，可得出电力驱动滑行方式燃油消耗和污染物排放的计算模型，航空器i燃油消耗计算公式为：

(7)

航空器i关于污染物j的排放量E_ij^A计算公式为：

(8)

式中，T_i为APU电力驱动航空器滑行时间，FBI_A为APU的燃油消耗系数 (kg·s^-1)，EI_{A, j}表示污染物排放系数，为APU燃烧每千克燃油关于污染物j的排放量 (g·kg^-1).

4 尾气排放系数的修正 (Emission coefficient calibration)

国际民航组织公布的发动机尾气排放数据库中油耗系数与各污染物排放参数是基于海平面高度与标准大气条件.因不同机场的地理位置与海拔高度有较大差异，这些外部条件的变化会对航空器发动机内的燃烧过程产生影响，因此需要对燃油消耗系数和尾气排放系数予以修正 (Boeing company, 1995；魏志强和王超，2010).修正公式适用于航空器各运行阶段，在航空器发动机工作状况为ICAO所规定的标况之外时，采用修正公式对油耗和污染物排放进行修正.其油耗系数修正表达式如下：

(9)

式中，δ为机场场面实际压强与ISA条件下海平面高度的压强 (1013.25 hPa) 之比；θ为机场场面实际温度与ISA条件下海平面高度的温度 (288.15 K) 之比；M为飞机的马赫数.

如表 1所示，在ICAO规定的标准起飞着陆循环 (LTO) 中只给出了4个标准推力下的各污染物排放系数，而经式 (9) 修正后的油耗系数与ICAO规定标准推力下的油耗值有较大差异，因此还需对各污染物排放系数进行修正.在此采用线性插值法对航空器场面滑行时的污染物排放系数进行修正.线性插值修正公式为：

(10)

式中, EI_{j, i}(i=1、2、3、4) 表示4个标准推力状态下污染物j的排放系数；FBI_i(i=1、2、3、4) 表示4个标准推力状态下的燃油消耗系数；EI_{j, 0}表示修正后污染物j的排放系数.

航空器发动机的各污染物排放系数还与机场的气压、温度与大气湿度相关.因此，对于式 (10) 插值计算出的污染物排放系数修正结果还需进行气压、温度与大气湿度的修正.其中，HC和CO的修正公式为：

(11)

NO_x的修正公式为：

(12)

式中，φ为大气的相对湿度；P_v为水蒸气的饱和气压 (Pa)，可按下列公式计算求出：

(13)

式中，T₁为水的三相点温度 (273.16 K)；T为机场场面绝对温度，k_i(i=1, 2, …, 7) 为拟合系数.

5 计算分析 (Calculation and analysis)

本文以上海虹桥国际机场为例进行计算分析.该机场为一般平原机场，机场标高2.8 m，基准温度32.8 ℃.现以该机场3月份气象数据资料为例进行排放数据计算，根据1986—2012年气候资料显示3月最高气温平均13.1 ℃，最低气温平均7.2 ℃，相对湿度73%，机场平均气压为102040 Pa.根据标准起飞着陆循环，航空器完成一次飞行任务，其场面滑行总时间为26 min.现对该机场各机型以不同滑行方式场面滑行做各污染物的排放计算，计算数据见表 2.

对于上述计算结果，根据不同排放污染物分类，可比较不同滑行方式下各污染物的排放量，如图 1所示.从图 1可以看出, 不同滑行方式对各污染物排放的影响不同，单发滑行和APU电力滑行相比全发滑行方式可有效降低HC、CO和NO_x的排放量，且APU电力滑行方式减少量较大.而牵引滑行相比全发滑行可有效降低HC、CO的排放量，但因牵引车柴油机NO_x的排放量较大，因此对大多数机型，在牵引滑行方式下NO_x的排放量基本不变或略有增加.

6 结论 (Conclusions)

本文建立了不同滑行方式下各污染物排放计算模型，并对温度、气压和相对湿度等外界环境对排放的影响建立了修正模型.以上海虹桥机场为例，对各机型不同滑行方式下航空器排放各污染物进行了计算，由计算结果可知，单发滑行和APU电力驱动滑行可降低航空器场面滑行阶段HC、CO和NO_x的排放量，牵引滑行对NO_x的减排影响不大，但可明显降低HC、CO的排放，改善机场周边空气质量.