Эмиссия авиадвигателей

Значительное снижение эмиссии двигателей может быть достигнуто техническими решениями, например, за счет более широкого использования  самолетов двух двигательной схемы.

Следует иметь в виду, однако, что многие перспективные технологии, связанные с экологическим совершенствованием авиадвигателей, все еще находятся на стадии конструктивных  проработок и потребуются значительные усилия для того, чтобы их применить.

 
                                                                                                                                                                

 

 

 

число самолетов, шт.

год         

замещение парка  воздушных судов 2-х двигательными  самолетами 

 

 

В то же время эксплуатационные приемы, такие как уменьшение крейсерской  высоты полета или скорости полета, не должны значительно повлиять на улучшение ситуации. К тому же скорость и дальность полета самолета являются основными параметрами, определяющими экономичность самолетов.

Другие оперативные  меры, такие как совершенствование  организации движения воздушных  судов, требуют дополнительного  улучшения управлением воздушным движением. Полученное за счет этого сокращение времени полета связано в первую очередь с уменьшением расхода  топлива.

Проблемы локального уровня, связанные  с загрязнением вблизи аэропортов в  настоящее время достаточно хорошо изучены и практически решаются.

Менее изучены проблемы, связанные с выбросами загрязняющих веществ двигателями воздушных  судов на крейсерских режимах  полета и их последствиями.

Исследование глобального  и трансграничного загрязнения  от авиации позволило выявить  и идентифицировать проблемы, связанные с авиацией и определить меры по предотвращению негативного воздействия авиации.

Выбросы оксидов азота (NO+NO₂=NOx) и водяных паров и их накопление в атмосфере ведут к снижению количества атмосферного озона, таким образом, прослеживается связь загрязнения от авиации и состоянием озонового слоя.

Воздействие авиации и особенно сверхзвуковой авиации на верхние  слои тропосферы и нижнюю стратосферу  является предметом интенсивного изучения с начала 70-х годов (CIAP). Программа AESA позволила серьезно продвинуться в  построении моделей загрязнения, включая изучение рынка авиационной техники и технологий. С помощью этих моделей было показано, какие возможные изменения в атмосфере можно ожидать при данных уровнях развития авиационных технологий и использования воздушного транспорта, получены оптимальные решения для воздействия и операций в будущем авиации и возможность избежать разрушительного влияния на атмосферу.

В рамках этих программ рассматривается  область загрязнения от авиации  и природные циклы, связанные с компонентами загрязнения стратосферы для возможных сценариев развития и использования дозвукового и сверхзвукового воздушного транспорта, глобальные изменения в атмосфере и климата, влияние на стратосферный озон, на изменение баланса химических процессов в верхней атмосфере. Важным шагом таких исследований были определение механизма и количественных изменений в атмосфере, идентификация загрязнения от авиации и ее вклада в таких изменениях.

Наибольшее внимание уделяется  выбросам авиацией оксидов азота (NОx), связанных потенциально с возможностью каталитического разрушения озона  в стратосфере.

Вместе с тем эволюция развития авиационных двигателей и  авиационных технологий в последние годы не позволяют рассчитывать на значительное снижение  выброса NОx, связанного с процессами, происходящим в камере сгорания двигателя ВС,  поскольку давление и температура в камере сгорания были подняты, чтобы улучшить топливную эффективность двигателя.

 
 

 

 

 

выброс продуктов полного  сгорания двигателями ВС 

 

Для оценки валового выброса  загрязняющих веществ, от двигателей воздушных  судов в целом, можно воспользоваться  приближенными оценками объемов  выброса продуктов сгорания при полном сгорании нефтяных топлив. Считая, что при полном сгорании 1 кг углеводородного топлива образуется около 3,16 кг CO₂, 1,25 кг H₂O и 1 кг SO₂ , можно оценить получить оценки общего порядка относительно количества выбрасываемых авиационными двигателями загрязняющих веществ.

По более точным расчетам валовой  выброс загрязняющих веществ двигателями  воздушных судов в зоне аэропортов и по трассам гражданской авиации  на внутренних линиях составляет:

 

а)                                          в) 

 

массовый выброс от воздушных судов

в зоне аэропортов а)

и по маршруту полета в), т / год 

 

 

При этом на авиацию приходится от 2 до 3 процентов общего выброса  загрязняющих веществ при сжигании всех видов ископаемого топлива. Основную часть этих загрязнений дает гражданская авиация.

Существующие сценарии загрязнения показывают, что к 2005 году можно ожидать по сравнению с 1990 годом увеличение загрязнения до 3-4 процентов от общего загрязнения. Обращает на себя внимание возрастание доли международных перевозок воздушным транспортом  в России при одновременном падении общего объема воздушных перевозок, характерном для стран с переходной экономикой, в последующем эта тенденция должна сгладиться. 

 

 

        год   относительный рост международных авиаперевозок

 

 

выброс загрязняющих веществ  в зоне/окрестности аэропорта

 

 

Масса выброса загрязняющих веществ в зоне/окрестности аэропорта  для отдельных типов воздушных  судов обычно рассчитывается для  стандартного взлетно-посадочного цикла. Ниже приведены такие данные для  основных типов ВС гражданской авиации:

М,кг

 

  выброс загрязняющих веществ  за взлетно-посадочный  цикл Ту-134 

 

М,кг

           

Ту-154  Ил-62            выброс загрязняющих веществ за взлетно-посадочный цикл Ту-154 и Ил-62  

 

  выброс загрязняющих веществ  двигателем АШ-62ИР (Ан-2)

 

 

выброс  загрязняющих  веществ по трассам полета

 

 

Масса  загрязняющих  веществ, выбрасываемая двигателями ВС по трассам полета, по имеющимся оценкам составляет: 

 

   массовый выброс загрязняющих веществ воздушными судами различных  типов по маршруту полета    

 

Представляет интерес сравнительные данные выброса загрязняющих веществ по трассе полета и в зоне аэропортов. В первом случае преобладают выбросы СО и НС, во втором – выбросы NОx. 

 

М _аэрп /М _кр (тыс.т) 

                        

CO                 HC                 NOx          

1995    2000    1995    2000    1995    2000     выброс загрязняющих веществ в аэропортах и по маршруту полета 

 

 

  

 

 

 

 

эксплуатационные  методы снижения эмиссии двигателей воздушных судов

 
 

 

 

Возможности снижения эмиссии  двигателей ВС в условиях эксплуатации связаны со снижением расхода  топлива,  сокращением продолжительности отдельных этапов взлетно-посадочных операций в зоне аэропорта, выбором оптимальной схемы и режима руления ВС до взлета и после посадки. Не менее эффективными методами снижения эмиссии двигателей в зоне аэропорта является выполнение руления ВС на части двигателей, ролинг-старт, применение буксировки ВС вплоть до предварительного старта,  осуществление взлета там, где это возможно на номинальном режиме и другие методы. Этими вопросами подробно занимались Карпин Б.Н. и  Минаев И.В.

 
 

 

 

 

оптимизация операций воздушных судов в аэропортах  

 

 

При выполнении взлетно-посадочного  цикла ВС около 8О% от объема загрязняющих веществ выбрасывается на этапе запуска и прогрева двигателей, руления самолета, ожидании взлета.

При осуществлении взлетно-посадочного  цикла вклад этапа руления  самолета в общий уровень загрязнения  составляет около 5О%, при этом более 9О% суммарной массы выброса загрязняющих веществ составляют продукты неполного сгорания. Оптимизация режимов и схем выполнения руления ВС в зоне аэропорта, включая прогрев двигателей и запуск двигателей, позволяет существенно уменьшить загрязнение атмосферного воздуха в окрестности аэропорта.

Вместе с тем выбор  режима на этапах разбега, взлета, набора высоты и захода на посадку обычно ограничен по условиям безопасности. В общем случае при некотором  возможном снижении массы выброса  загрязняющих веществ на этих этапах полета практически не оказывает влияния на концентрацию загрязняющих веществ на поверхности. Исключение может составлять выполнение взлета ВС, когда это позволяет длина ВПП, на номинальном режиме работы двигателей, позволяющем снизить выброс NOx.

Применение взлета  ВС  на номинальном режиме работы двигателей дает существенное снижение выброса оксидов азота (NOх) в зоне  аэропорта. Вместе с тем, использование этого приема возможно только на  некоторых типах ВС при обеспечении безопасности полетов (длина  ВПП,  условия видимости). Такой прием предусматривается руководством по летной эксплуатации некоторых типов ВС с целью увеличения ресурса работы двигателей.

К числу мер по снижению выброса загрязняющих веществ в  зоне аэропорта относится и сокращение времени работы ВСУ (вспомогательная силовая установка).

Важным условием снижения эмиссии двигателей ВС является упорядочение движения ВС в зоне аэропорта и  сокращение времени на выполнение операций.

Выбор схем руления ВС, включая возможность выбора взлетной полосы для взлета и посадки ВС в данном аэропорту, позволяет получить более благоприятное перераспределение загрязнения в зоне аэропорта (в зоне размещения авиапассажиров, аэровокзальном комплексе) и прилегающей к аэропорту населенной местности.

 
 

 

выбор оптимальной схемы и режимов  руления 

 

 

Анализ продолжительности  и режимов работы двигателей ВС в  зоне аэропорта показывает на их существенный разброс, обусловленный организацией и схемами движения ВС в различных  аэропортах. В частности, режимы руления Ил-62М и Ту-154 помимо руления на относительной тяге 7%, регламентируемой стандартом, включают режимы 30% и 25% тяги. Для этих же самолетов характерны повышенные режимы захода на посадку до 40-45% относительной тяги вместо 30% для стандартного цикла. Количество загрязняющих веществ на различных этапах взлетно-посадочного цикла также существено различно.

При выполнении взлетно-посадочного  цикла ВС около 8О% от объема загрязняющих  веществ выбрасывается на этапе запуска и прогрева двигателей, руления самолета, ожидании взлета.

 
 

 

руление на части двигателей 

 

 

Наиболее эффективными приемами уменьшения   массы  выброса загрязняющих веществ в зоне аэропорта является выполнение руления ВС на части двигателей или применение буксировщика для транспортировки самолета. При этом при выполнении руления на части двигателей требуются дополнительные затраты времени для запуска и прогрева двигателей.

Использование первого  приводит к некоторому увеличению режима работы двигателей и соответственно, вследствие особенностей эмиссионных характеристик, к существенному снижению выброса продуктов неполного сгорания и некоторому повышению выброса оксидов азота (NOx). При этом суммарный выброс загрязняющих веществ (количество несгоревших углеводородов (НС), окиси углерода (СО) и окиси азота (NOx) также уменьшается. Так, при рулении самолета Ту-154 на двух двигателях достигается снижение суммарного количества выброса загрязняющих веществ до 27,5%, а при рулении на одном двигателе – до 53%.

Вместе с тем применение руления на части двигателей связано с рядом эксплуатационных трудностей, обусловленных необходимостью прогрева двигателей и контроля их запуска, что иллюстрируют приведенные ниже данные.

 
 

 

режимы  выполнения руления до взлета и после  посадки 

 

режимы руления                                   Ил-62М                                       Ту –154 

 

 

                                               относи-               доля                     относи-                доля                                               

тельная тяга         режима               тельная тяга         режима                                               

двигателя, %        %                          двигателя,%         % 

 

руление до взлета                 7                          95                         7                           86                                               

30                         5                          25                         14

руление после                      7                          95                         7                           87

посадки                                 30                         5                          25                         13 

 

 

 

 

В настоящее время  руление на части двигателей рекомендовано  руководствами по летной эксплуатации (РЛЭ) некоторых типов ВС. Руление  с частью работающих двигателей до взлета требует наличия в близи  исполнительного старта специальных  мест запуска – «карманов», специальным образом оборудованных.

Использование руления  на части двигателей позволяет также  сократить расход топлива.

 

%

эффективность различных эксплуатационных приемов снижения