基于飞行速度变化对飞机燃油流量与排放影响的建模研究

《The Aeronautical Journal》：Modelling the impact of speed variations on aircraft fuel flow rates and emissions

　　

在航空交通管理领域实施运行改进提供了一种切实可行的途径，因为此类改进无需对基础设施或现有系统进行重大改造。特别是，优化飞行运行有助于减少燃油消耗与排放。本研究探究了巡航速度机动与由此产生的燃油流量及排放指数变化之间的关系。为此，研究人员开发了回归模型，用以预测航路阶段因速度机动（加速与减速）引起的总飞机燃油流量以及碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）排放指数的变化。这些模型基于从飞行数据记录器获取的数据构建，涵盖了多种飞机与发动机型号以及一系列巡航高度。以真空速（TAS）变化作为唯一解释变量时，基线线性模型对燃油流量变化和NOx排放指数变化的R2值分别达到0.87和0.84，而相应的二次模型对HC和CO排放指数变化的R2值分别为0.70和0.74。纳入飞行高度层、飞机类型以及机动前的飞机质量、真空速和环境温度的多变量模型，对燃油流量和NOx排放指数的预测改进甚微，但对HC和CO的预测有适度提升。然而，方向交互作用模型改善了燃油流量和NOx的预测，表明加速与减速并非完全对称。这些发现可能有助于更精确地预测燃油消耗与排放，改善飞机巡航速度规划，并最终为减轻环境影响的工作提供支持。

论文解读：基于飞行速度变化对飞机燃油流量与排放影响的建模研究

1. 研究背景与研究意义

减少飞机燃油消耗是当代航空业的核心议题，这不仅关乎航空公司重大的运营成本，也与航空活动对环境的影响密切相关。尽管长期来看，发展氢能等替代能源是实现2050年零排放航空目标的关键路径，但短期至中期内，通过优化空中交通管理（ATM）的运行策略是一种更为实际且立即可行的减排手段。在众多运行策略中，优化巡航阶段的飞行速度被认为是一种可行且有效的措施。然而，现有的飞机性能模型，如欧洲航空安全组织（EUROCONTROL）的基础飞机数据（BADA）模型，虽然能够估算速度机动过程中的燃油流量，但其基于标准化的飞机性能假设，未能充分反映真实航班运行中的具体操作特征。因此，利用高分辨率飞行数据记录器（FDR）数据，深入理解巡航阶段加减速机动对燃油流量和污染物排放指数（EI）的实际影响，对于提升预测精度、优化飞行计划和支持环保决策具有重要意义。本研究正是针对这一需求，旨在建立基于实际运行数据的统计回归模型，量化真空速（TAS）变化对燃油流量及碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NO_x）排放指数的影响。

2. 关键技术方法

研究人员采用了一套系统的数据处理与建模流程。首先，基于来自某商业航空公司的机载FDR数据集，该数据集覆盖欧洲空域内的30条航线对，包含八月和一月两个典型季节的运行数据，涉及5种窄体双发飞机和7种发动机型号。研究人员设计了两阶段算法：第一阶段通过设定航径角（FPA）阈值和最小持续时间筛选出稳定的巡航段；第二阶段则在巡航段内检测净真空速变化不小于10节（kt）的加速或减速机动。随后，利用波音燃油流量法2（BFFM2）等标准方法计算机动前后的燃油流量和排放指数。最后，以真空速变化（ΔTAS）为核心自变量，建立了线性、二次、多变量及方向交互作用等多种形式的回归模型来预测燃油流量和排放指数的变化量。

3. 研究结果

3.1 数据集与机动检测

研究人员从9879个航班文件中成功提取出699次符合标准的巡航速度机动。这些机动分布在所有五种飞机类型上，其中A4型飞机执行的机动次数最多（243次）。

3.2 基线线性与二次模型

以ΔTAS作为唯一解释变量的基线模型表现良好。线性模型对燃油流量变化（ΔFF）和NO_x排放指数变化（ΔEI_NOx）的解释力很强，其交叉验证决定系数（R²_CV）分别达到0.870和0.844。而对于HC和CO的排放指数变化，二次模型的拟合效果优于线性模型，其R²_CV值分别为0.698和0.740。这表明HC和CO排放对速度变化的响应是非线性的。

3.3 多变量模型

在基线模型基础上引入飞行高度层（FL）、飞机类型、机动前飞机质量（m₀）、初始真空速（TAS₀）和环境温度（T_amb,0）等多变量后，对ΔFF和ΔEI_NOx的预测精度提升非常有限（R²_CV分别仅提高0.009和0.007），但对于ΔEI_HC和ΔEI_CO则有中等程度的提升（R²_CV分别提高0.045和0.059）。

3.4 方向交互作用模型

考虑到加速和减速可能带来的非对称效应，研究人员引入了代表机动方向的分类变量及其与ΔTAS的交互项。结果显示，方向交互作用模型进一步改善了ΔFF和ΔEI_NOx的预测性能（R²_CV分别提升至0.878和0.852），证实了加减速过程在燃油消耗和NO_x生成方面并非完全对称。

4. 讨论与结论

本研究表明，利用单一变量——真空速变化（ΔTAS），即可构建出预测巡航阶段燃油流量和NO_x排放指数变化的有效模型，其精度较高。对于HC和CO排放，则需要考虑非线性效应和更多影响因素。研究结果还揭示了加速与减速在燃油效率和NO_x排放上的不对称性，这在实际运行优化中应予以重视。研究结论认为，所开发的模型能够实现基于实际运行数据的更精准的燃油消耗与排放预测，从而为飞机巡航速度规划的优化提供科学依据，并最终支持航空业减缓环境影响的各项努力。