Методы сравнительной оценки процедур взлета и посадки магистральных самолетов по экологическим показателям

риях, подверженных будущим наводнениям; массовые анти-ураганные мероприятия, и пр. При этом здания, малые поселения, города, должны иметь единый высокий стандарт удовлетворения потребностей. Принятие концепции «Повышение капитальности, надежности, долговечности зданий, сооружений, городов, с целью предотвращения негативного влияния аномальных климатических изменений, с всеобъемлющей экологизацией и обеспечением высокого качества среды жизни», позволит более определенно и экологически обоснованно ориентировать мышление и действия граждан на решение самой важной для них проблемы - сохранения и восстановления среды

жизни. Такова должна быть генеральная цель строительства в РФ.

Литература

1. Реймерс Н.Ф. Экологизация. Учебное пособие. - М.: Изд-во УРАО, 1997. - 132 с

2. Тетиор А.Н. Экологизация мышления и деятельности человека. - М.: МГУП, 2014. - 408 с.

3. Тетиор А.Н. Реставрационная архитектурно-строительная экология. - М.: РГАУ-МСХА, 2017. -168 с.

4. Тетиор А.Н. Экологическая инфраструктура - М.: МГУП, 2014. = 440 а

5. Тетиор А.Н. Урбоэкологическая концепция России в условиях кризисного развития мира. «Жилищное строительство», №1. 2013, с. 13-16.

МЕТОДЫ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ПРОЦЕДУР ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ САМОЛЕТОВ ПО ЭКОЛОГИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ

Рулин В.И.

д.т.н. профессор, МАИ (НИУ) г. Москва

Давыдов Ю.В.

к.т.н., нач. отдела, с.н.с., ПАО «Туполев», г. Москва

Юдин Г.В. к.т.н., профессор,

заведующий отделением ГБПОУМО «Красногорский колледж»

г. Красногорск, Московская область ВолхонскийА.Е. к.т.н. доцент, МАИ (НИУ) г. Москва Горбатов И.А.

ген. директор ООО РиверСкрин, МИСИ им. В.В. Куйбышева

г. Москва Рыжова Е.В.

преподаватель специальных дисциплин, эколог, ГБПОУ МО «Красногорский колледж» г. Красногорск, Московская область Красовская С.В. к.ф.н., доцент, ФГБОУ ВО ПГУ, г. Пятигорск

METHODS THE COMPARATIVE EVALUATION PROCEDURES OF TAKEOFF AND LANDING LONG-HAUL AIRCRAFT ON ENVIRONMENTAL INDICATORS

Rulin V.

Dr. Tech. Sciences, Professor, MAI (NRU), Moscow

Davydov Yu. Ph.D. Tech. Sciences

Head of the Department, Senior Researcher PJSC "Tupolev", Moscow

Yudin G.

Ph.D. Tech. Sciences, Professor, Head of the Department SBPEIMR "Krasnogorsk College"

Krasnogorsk, Moscow region Volkhonsky A.

Ph.D. Tech. Sciences, Associate Professor, MAI (NRU), Moscow

Gorbatov I. General Director

Ltd. RiverScreen, MISI named after. V. V. Kuibyshev, Moscow

Ryzhova E.

Teacher of special disciplines, ecologist SBPEI MR "Krasnogorsk College", Krasnogorsk, Moscow region

Krasovskaya S.

Ph.D., ph, Scienses, Associate Professor FSBEI of HE PSU, Pyatigorsk

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены основные факторы воздействия самолетов на окружающую среду — эмиссия вредных веществ и шум на местности, а также алгоритмы их количественной идентификации. Предложены формализованные методы оперативной оценки экологических показателей на предварительных этапах проектирования.

ABSTRACT

The main factors of the aircraft impact on the environment - emissions of harmful substances and noise in the area, as well as algorithms for quantitative identification. The formal methods proposed for rapid assessment of environmental indicators in the preliminary stages of design.

Ключевые слова: эмиссия вредных веществ, шум на местности, алгоритмы идентификации, циклы ICAO, взлёт, посадка

Keywords: emission of harmful substances, noise on the ground, identification algorithms, loops, ICAO, takeoff, landing.

Воздействие самолетов на окружающую среду в ближайшем будущем может стать решающим фактором развития гражданской авиации.

Согласно показателям [1], наметившийся прирост пассажиропотоков 5-7% с большой вероятностью будет характерен и для первой половины нового столетия, что означает практическое удвоение парка магистральных самолетов по сравнению с нынешним уровнем. Соответственно возрастает нагрузка на окружающую среду, где в первую очередь рассматриваются следующие факторы:

- выброс в атмосферу загрязняющих веществ (эмиссия);

- уровень шума на местности.

Вредные выбросы (эмиссия). Кроме двуокиси углерода СО2 в камере сгорания образуется 4

основных компонента выбросов: дым и окислы азота (N0^ в режимах высокой мощности, несго-ревшие углеводороды (СН) и окись углерода (СО) в режимах низкой мощности [2]. Несмотря на то, что на долю авиации приходится всего около 2% вредных выбросов (вклад автотранспорта, например, составляет ~60%). Международной организацией гражданской авиации (1СА0) установлены предельно допустимые нормы эмиссии по компонентам СО, СН, N0, (Г/Кн )• а также по дымлению

(дымовое число SAE [2]), которые определяются в так называемом цикле 1СА0 (приложение 16. том II), приведенном в табл. 1 [3].

Таблица 1

Цикл для определения эмиссии

№ Этап полета Мощность двигателя Время

1 Взлет 100% 0,7

2 Начальный набор высоты 85% 2,2

3 Заход на посадку 30% 4,0

4 Малый газ 7% 26,0

Особо следует остановиться на выбросах СО2, которые до настоящего времени не нормировались. Как известно, увеличение СO2 в атмосфере способствует парниковому эффекту [4]. Поэтому в начале 90-х годов был выработан Киотский протокол, обязывающий принять меры к поэтапному уменьшению эмиссии «парниковых» веществ. Ряд промыш-ленно развитых стран (в их числе США и др.) отказались присоединиться к этому процессу. Однако в прошедший период состоялся ряд международных консультаций, практически всеми было признано: если не ограничить выбросы в атмосферу СО2 и других «парниковых газов», то средняя температура на земле может возрасти в течение нескольких десятилетий на 2-5 °С что вызовет катастрофические последствия.

Согласно оценкам [1 ] в 2020 г. ~65% всех энергетических потребностей США будет обеспечено углем, при этом половина всей добываемой в 2020 году нефти будет направлено на нужды авиации, что увеличит загрязнение окружающей среды отработавшими газами. Специалисты утверждают, что ситуация может быть кардинально улучшена, если использовать в качестве топлива сжиженный

природный газ - очищенный метан (CПГ) [12, 13], позволяющий в несколько раз снизить массу продуктов сгорания, создающих «парниковый эффект». Выявленные запасы природного газа обеспечат необходимые потребности до начала следующего столетия.

Параметры цикла 1СА0, приведенные в табл. 1, сформированы на основании осреднения показателей стандартных процедур, выполняемых современными магистральными самолетами при взлете и посадке:

1) Взлет: при 100% взлетной мощности двигателей за 0,7 мин может быть достигнута высота ~ 300 м, при скорости V2 + 20 км/час, где производится дросселирование двигателей до 80-85% для пролета контрольной точки замера шума (рис. 1

[5]).

2) Дальнейший набор высоты выполняется при номинальной мощности с разгоном до скорости V3 для обеспечения безопасной уборки механизации крыла. За время ~2,2 мин производится вывод самолета в начальную точку полета по расчетному профилю. На высоте 900 м [8] производится контроль параметров эмиссии.

151111 ф I Дрессирование тяги двигателя 100%-->

• 2 Увеличение режима (85-90%)-->номинал

• 3 Контроль показателей эмиссии СО, СН, 1МОх, 8АЕ, СОг

Рис. 1. Стандартная процедура взлета [5] с минимумом шума

3) Заход на посадку: режим 30% соответствует полету с выпущенными шасси и механизацией крыла в посадочное положение в течение времени

4) мин. при использовании нормированного эшелона с переходным участком и стандартной глиссады (рис. 2).

1. Торможение на эшелоне перехода

2. Сигнал на выпуск закрылков на взлетный

угол

3. Выпуск шасси

4. Сигнал на выпуск закрылков на посадочный

угол

5. Вход в глиссаду

6. Замер шума при посадке

7. И=15 м, Узах - расчетная скорость захода на посадку

8. Начало выравнивания

9. Скорость касания Укас = Узах - (10-15)км/ч И = 900м - контроль показателей эмиссии

Рис. 2. Стандартная процедура захода на посадку [6]

4) Режим малого газа: 7% соответствует рулежке при взлете и посадке в течение ~26 мин. Данный норматив рассматривается отдельно, практически не связан с процедурами взлета и посадки, (но связан с С02).

Эмиссия СО, СН, МОх, а также дым не относятся к «парниковым газам», они могут оказать токсичное действие и зоне аэропорта на пассажиров, персонал, окрестное население [4]. Опасным фактором является концентрация МОх в верхних слоях атмосферы, так как уменьшает содержание озона.

Для снижения эмиссии МОх требуется более глубокая доработка двигателя.

При взлете и посадке нормативы 1САО учитывают эмиссию в некотором объеме атмосферы, ограниченном высотой ~900 м, представленном условно на рис. 3, который определяется взлетно-посадочными процедурами и боковым маневрированием, т.е. эмиссия зависит от характеристик не только двигателя, но и самолета в целом. В табл. 2 приведены более полные данные эмиссии отработавших газов при сжигании авиационного топлива

- керосина, куда включены парниковые газы С02 и Н2О.

Отработавшие газы при сжигании 1 кН керосина [8]

Таблица 2

Топливо Отработавшие газы

СО2 Н2О С СхНу СО ^Оу 802

Керосин 3154 1239 0,016 0,10 0,70 11,1 1,0

Применение очищенного жидкого метана (СПГ) в качестве авиационного топлива позволяет:

- уменьшить выбросы СО2 до ~ 650 г/кН [12];

- сократить эксплуатационные расходы (стоимость 1 т СПГ на ~ 50% ниже стоимости 1 т керосина);

- уменьшить на ~ 15% расход топлива (вследствие большей теплотворности СПГ);

- использовать хладоресурс СПГ для охлаждения двигателя и систем самолета и ламинаризации обтекания [12, 13].

Продукты сгорания СПГ обычно не загрязнены твердыми частицами или агрессивными соединениями серы, что обеспечивает дополнительное снижение парникового эффекта [12].

Рис. 3. Схема формирования объема эмиссии

Количественно эмиссия двигателя (кроме дыма) оценивается индексами q*co, q*cн, q*No. Определение массы вредных веществ устанавливается экспериментально в стандартном цикле 1СА0 (табл. 1) и используется для целей сертификации двигателя. Размерность индексов эмиссии q*l [г/кН]. Они служат базой для расчета интегральных параметров эмиссии самолета q*.

(*) 40 + 2л

Ыох нормы ЭМИССИИ по циклу 1САО

Действующие нормативы 1САО  Однорежимная к. сг. • Двухрежимная к. сг. л : ОРЯ

Рис. 5 [3]

На рис. 4, 5 показаны экспериментальные данные по индексам эмиссии семейства двигателей CFM-56 и установленные нормы эмиссии по циклу ICAO с учетом двухрежимной камеры сгорания для снижения эмиссии NOх [3].

Интегральный индекс эмиссии самолета q*, включая цикл крейсерского полета, определяющий полную эмиссию СО2, в первом приближении можно определить из соотношений, приведенных на рис. 6. Индекс эмиссии q*со2 зависит от характеристик самолета и двигателя, базой для расчетов является показатель топливной эффективности [г/пасс.км], величина которого указана на рис. 6 для ряда типов самолетов.

Рис. 6 [3]

Уровень шума на местности достаточно жестко нормирован 1САО:

- эффективный уровень воспринимаемого шума в единицах FPNL замеряется в трех контрольных точках (рис. 7) и не должен превышать допустимых величин, установленных 1САО (приложение 16, часть

Рис. 7. Схема измерения шума [7]

- нормативы 1САО по шуму сформированы для стандартных процедур взлета и посадки, показанных на рис. 7. Так для самолета массой 100 т эти нормы составляют для 3 -го этапа:

Посадка 99 ЕРКЬ;

Боковая линия 97 ЕРКЬ;

Пролет 93 ЕРКЬ.

В указанных точках (рис. 7) располагаются датчики для замера уровней шума пролетающих самолетов.

Для сравнительных оценок на начальных этапах проектирования более удобно пользоваться другим показателем - величиной площади звукового следа ограниченного контуром одинакового уровня шума, как это, например, показано на рис. 8 [10]. При стандартных процедурах взлета и посадки площадь, ограниченная контуром 90 ЕР^^ для современных самолетов массой 100 т, составляет 30-

35 км2 (рис. 8). В работе [10] показано, что эта площадь может быть существенно уменьшена (почти в 10 раз). Следует отметить, что важным фактором при этом является реализация более крутых траекторий набора высоты и предпосадочного планирования, что одновременно ведет к сокращению объема эмиссии. Следует отметить, что применение указанных выше норм 1САО по шуму может корректироваться национальными авиационными органами. Примеры такой корректировки частично показаны на рис. 9 [6]. Во-первых, необходимо на взлетно-посадочных режимах обеспечить суммарный запас ~ 5 Ж по контрольным точкам замера шума; во-вторых, вводится запрет ночных полетов по шуму для самолетов с вновь установленными двигателями, не прошедшими сертификацию.

1 - самолеты ВС-8 или Боинг 707; 2 - модифицированный БС-8/Боинг 707; 3 - СУВП с малошумным вентилятором; 4 - СКВП с малошумным вентилятором

Рис. 8 [10]

Максимально допустимая взлетная масса самолета, тысяч фунтов

Лучшие достижения по сравнению с самыми строгими нормами в мире

Рис. 9 [6]

Проведенный краткий анализ показывает:

- нормативы 1СА0, ограничивающие экологические показатели, построены на основе осреднен-ных стандартных процедур взлета и посадки существующих самолетов, не включают требования по эмиссии С02.

- для сравнительной оценки экологических данных в приземном слое (с включением выбросов С02) вновь проектируемых самолетов целесообразно использовать в целях оперативности и наглядности величины объемов атмосферы, «загрязняемых» выхлопными газами при пролете самолета; для оценки уровня шума удобно пользоваться площадью звукового следа на земле, ограничивающего заданный уровень суммарного шума (рис. 3).

- в рамках общего подхода уменьшение указанных параметров связано с сокращением времени достижения самолетом высоты ~900 м, т.е. реализацией более крутых траекторий набора высоты, планирования, уменьшением длины разбега, необходимо также учитывать эмиссию СО2 по полному профилю полета, включая взлет, набор высоты, крейсерский полет, снижение, посадку, суммарное время рулежки.

Конструкции и оборудование современных самолетов и наземных служб не позволяют существенно продвинуться в решении этих задач [5]. Оценки показывают, что значительным потенциалом обладают самолеты короткого взлета и посадки, использующие энергетические средства увеличения подъемной силы, эффекты суперциркуляции [11], многофункциональную систему управления, включающую быстродействующие закрылки. Весьма перспективным является перевод авиации (а также всех типов промышленности и транспорта, потребляющих топливо на основе нефти и угля) на СПГ, что позволит кардинально уменьшить антропогенное влияние на природные процессы и климат.

Литература

1. Groupe de Travail economie et marhe. Avions de transport a grande vitesse. Paris, Aerospatale, 1990. 21 c.

2. Уильяме M.P. Удовлетворяя требования заказчика Derby. Gbr, Rolls Royce pic, 1992. 20 c.

3. Valin M. CFM 56 - Emissions, Paris, France, SNECMA, 1997, 8c.

4. Зарубин Г.П., Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и здоровье. М., Знание, 1977. 127 с.

5. Торенбик Э. Проектирование дозвуковых самолетов. // М., Машиностроение, 1983. 647 с.

6. Biack R.E., Marphy D.G., Stem I.A. The Crystal Ball Focuses on the Next Generation of Transport Aircraft SAE Preprint №710750.

7. Рулин В.И., Юдин Г.В. Выбор основных параметров самолета с учетом ограничений по воздействию на окружающую среду. Учебное пособие.// М., МАТИ-РГГУ, 2000. 81 с.

8. Кулагин Ю.Н. «Вехи» - гл. 3. Эмиссия авиадвигателей //kulagin @ mnr.gov.ru//.

9. Кедров А.В. О задаче проектирования пассажирского самолета на ранней стадии с учетом ограничения по уровню шума на местности. //Сборник: Труды ЦАГИ. Выпуск 2255, М., изд ЦАГИ, 1984. С. 65-75.

10. Pendley R.F. Recent Advances in the Technology of Aircraft Noise Control, loumal of Aircraft, vol. 13. VII №7, BP 513-519. 1976.

11. Martin I.L. The Quiet Short - Haul Research Aircraft (QSRA) SEPT Technical Review, 1979, v.14. №4, p. 77-93.

12. Федорова Е.Б. Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного природного газа, технологии и оборудования //М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2011. 159 с. ISBN 978 - 5- 91961-045-8//.

13. Volkhonsky A.E., Rulin V.I., Yudin G.V., Krasovskaya S.V. RESEARCH OF THE OPPORTUNITIES OF LNG APPLICATION AS AVIATION FUEL IN TRANSPORT AIRPLANES // Sciences of Europe, Praha, Czech Republic. - Vol.1, №39 (2019). Р. 50-56.