Вопросы оптимизации загрязнения зоны аэропортов выхлопными газами турбореактивных двигателей самолетов

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Вопросы оптимизации загрязнения зоны аэропортов выхлопными

газами турбореактивных двигателей самолетов

1 2 Анодина Т. Г. , Магеррамов И. Ш.

'Анодина Татьяна Григорьевна /Anodina Tatyana Grigoryevna - доктор технических наук,

профессор,

Межгосударственный авиационный комитет, г. Москва;

2Магеррамов Ибрагим Шаиг оглы /Magerramov Ibragim Shaig ogly - аспирант, Национальное аэрокосмическое агентство, г. Баку, Азербайджанская Республика

Аннотация: наиболее опасными загрязнителями, выбрасываемыми авиационными двигателям в атмосферу, являются СО, NOx, SO2 и аэрозоли (PM). Используются такие показатели загрязнения атмосферы, как (1) коэффициент эмиссии, определяемый отношением веса эмитируемых веществ к количеству потребляемого топлива; (2) скорость потребления топлива; (3) длительность выполняемых операций на каждом этапе. При выруливании к полосе и при холостом ходу двигателя коэффициенты эмиссии углеводородов (HC) и СО наиболее высокие. Предлагаемый нами метод оптимизации этапа выруливания самолетов по взлетной полосе позволяет выбрать большое количество оптимальных решений, синтезируемых на базе исходно-задаваемых ограничителей на суммарное загрязнение отдельными составляющими атмосферы, чем выгодно отличается от метода перебора известных стратегий реализации этапа.

Ключевые слова: аэропорт, атмосфера, углеводороды, выхлопные газы, оптимизация.

Как отмечается в работе [1], вопрос об эмиссии с двигателей самолетов в атмосферу начал исследоваться последние два десятилетия. Эмиссии с самолетов в атмосферу наиболее сильны в следующих стадиях всего полетного цикла: подход, выруливание к полосе; выруливание от полосы; взлет; посадка. В каждой из этих стадий двигатели самолета работают при относительно постоянной нагрузке, и общие эмиссии могут быть вычислены с учетом коэффициента эмиссии каждого типа двигателя. Наиболее опасными загрязнителями атмосферы, выбрасываемыми авиационными двигателям в атмосферу, являются СО, NOx, SO2 и аэрозоли (PM). Используются следующие показатели загрязнения атмосферы этими веществами: (1) Коэффициент эмиссии, определяемый отношением веса эмитируемых веществ к количеству потребляемого топлива; (2) скорость потребления топлива; (3) длительность выполняемых операции на каждом этапе. На этапе выравнивания к полосе и при холостом ходу двигателя коэффициенты эмиссии углеводородов (HC) и СО наиболее высокие.

В общем случае, инвентаризация эмиссии осуществляется по следующей формуле EPA.

где: TIMjk - время, затраченное самолетом типа] в режиме к

FFjk - циркулирование топлива в двигатель самолета типа ] в режиме к

EIijk - коэффициент эмиссии загрязнителя 1 самолетом типа ] в режиме к

- количество двигателей в самолете типа ]. Если рассматривать только этап выруливания к полосе, формула (1) принимает следующий вид

Еи = {т1М]к )• ^ •

В таблице 1 приведены коэффициенты эмиссии для этапа выруливания ко взлетной полосе [1].

Таблица 1. Коэффициенты эмиссии для этапа выруливания к взлетной полосе

Тип самолета Скорость эмиссии

HC CO NOx HC CO NOx

Boeing 777 1.92 21.86 4.80 0.106 1.203 0.264

Boeing 767 8.99 41.66 3.79 0.492 2.281 0.207

Boeing 757 2.85 15.44 4.30 0.143 0.776 0.216

Boeing 737 1.83 31.00 3.90 0.059 0.992 0.125

Региональные ERJ-135 0.55 20.15 3.10 0.011 0.413 0.063

Согласно работе [2], в основных аэропортах Европы современные самолеты затрачивают 10-30 % всего времени полета на этап выруливания к взлетной полосе, а самолет типа А320 тратит приблизительно 5-10 % своего топлива на земле.

Как указывается в работе [3], наиболее точные значения коэффициентов эмиссии СО, NOx и HC имеются в базе данных ICAO. При модельных вычислениях рекомендуется использовать следующие значение коэффициентов эмиссии:

EI (CO2) = 3.155 г/кг

EI (SOx) = 1.237 г/кг

EI (H2O) = 0.8 г/кг

Согласно работе [4], окиси азота (NOx) и углеводороды (HC) являются прекурсорами появления приземного озона, который вызывает проблемы в функционировании легких, усугубляет такие болезни, как астма, хронический бронхит, эмфизема. При этом в США 96 % всех задержек полетов происходит на земле, в аэропортах.

Согласно работе [4], анализ функционирования аэропортов в Орландо и Нью-Йорке показал, что для уменьшения выбросов СО, NO, SO» HC на 27 % требуется уменьшение времени выруливания к взлетной полосе соответственно на 27 % и 45 %.

Согласно работе [5], в целях оптимизации этапа выруливания самолета к полосе взлета при вылете или к выходу аэропорта при приземлении в смысле минимальных выбросов в атмосферу, следует рассматривать четыре стратегии реализации этого этапа:

1) выруливание со всеми работающими двигателями;

2) выруливание с одним работающим двигателем;

3) операционное буксирование;

4) выполнение операции с помощью электрических приспособлений в носовой части самолета.

При выполнении первой стратегии все двигатели работают в режиме холостого хода, расход топлива и эмиссия HC и СО увеличивается. Согласно подсчетам компании Airbus, использование дополнительного силового агрегата для операции выталкивания при выруливании в течение 12 мин. приводит к трате 300 кг топлива для А320 и 60-70 кг для А340.

При выполнении второй стратегии используется только один двигатель для выруливания. При этом можно достичь от 32 % до 50 % сокращения объема эмиссии в атмосферу. Однако это операция считается опасной, т. к. возможны реактивные взрывы, в особенности у широкофюзеляжных самолетов.

Выбор стратегии определенного буксирования дает определенные преимущества при малых эмиссиях буксира в окружающую среду, а вариант

использования носового электрического приспособления позволяет исключить также эмиссии буксиром.

В работе [5] сообщается о разработке модели для оптимизации условий эмиссии выбросов в атмосферу с учетом всех четырех вышеуказанных стратегий, где были использованы данные, взятые с банка ICAO. При этом суммарные эмиссии вычислялись по формуле

О^Е ~ Птах " ОА.х.х ' ^ысс1 ' Е1 хх ^ О-ШГ. ' _ ^пысЫ)

где: QE - суммарные эмиссии в течение выруливания (гр);

nmax - суммарное количество авиадвигателей;

ОХ.ХХ - потребление топлива авиадвигателями в режиме холостого хода (кг/с);

twucd - суммарное время для нагрева или охлаждения авиационного двигателя;

Е1Х.Х. - коэффициент эмиссии авиадвигателей в режиме холостого хода (гр. эмиссии/кг топлива);

QE.stг - коэффициент эмиссии при выруливании (г/с);

^ - общее время выруливания.

Применительно к рассматриваемой модели были исследованы Аэропорт Скифол Амстердама и Международный Аэропорт Куала-Лумпур. Детальный анализ указанных аэропортов в [5] позволит дать количественную оценку вышеуказанным четырем стратегиям (Табл. 2).

Таблица 2. Результаты исследований

—^Стратегия Загрязнители ' —— А В С Б

со2 1 3.39 2.51 2.51 2.00

2 3.65 2.76 2.68 2.23

нс 1 2.59 1.91 1.49 1.34

2 2.34 1.77 1.38 1.26

со 1 23.25 17.15 13.97 11.91

2 20.37 15.40 12.65 10.89

КОх 1 4.69 3.47 4.80 3.28

2 5.60 4.22 5.34 3.99

Цифрами указаны: 1 - данные по аэропорту Скифол, Амстердам

2 - данные по аэропорту Куала-Лумпур

Оптимизация, предлагаемая в работе [5], заключается в выборе той стратегии выполнения этапа выруливания, при котором суммарные эмиссии в атмосферу минимальны.

Таким образом, существующий вариант оптимизации фактически является перебором имеющихся стратегий и не допускает возможность синтеза какого-либо нового варианта решения задачи. Далее, в настоящей статье рассматривается возможность оптимизации реализации этапа выруливания в аэропортах с применением метода линейного программирования. Для этого воспользуемся некоторыми результатами работы [6]. Согласно работе [6], каждый тип самолета характеризуется семейством графиков, отображающих эмиссии в атмосферы различных загрязнителей в зависимости от длительности времени выруливания (рис. 1).

Рис. 1 Зависимость количества эмитируемых в атмосферу загрязнителей от времени выруливания

На рис. 1 указана зависимость показателя у, определяемого как

Г =

Р

ЗАГ

Р

ОТП

где: Рзаг. - вес загрязнителя атмосферы в граммах;

Ротп. - отправной вес самолета в тоннах;

от ТВ - время выруливания.

Допустим, что в аэропорту обслуживаются п типов самолетов, а количество загрязнителей атмосферы т. Считаем, что каждый тип самолета имеет определенное оптимальное время выруливания, которое должно быть вычислено с учетом ограничений, налагаемых на суммарные загрязнения атмосферы отдельными типами загрязнителей.

Такие ограничения в методе линейного программирования имеют вид

гёаи + ¿2 • +  +  +.... + С  г%аХп < а

¿1  ¿£«21 + ¿2  £«22 + — +  + — + *п  *§«2п < а2

+ г  2 +.... + г  +.... + ¿п  г^а^ <

¿1  гё«ш1 + г  + •••• +  + •••• + гп  ^тп < ат

В ограничительных условиях (4) для упрощения записи условно допущено, что каждого типа самолетов имеется всего лишь один экземпляр.

При этом постоянные а] обозначают допустимое суммарное загрязнение аэропорта компонентом ].

В качество целевой функции выбираем следующее условие

^ шт

т. е. суммарное время выруливания должна быть сведена к минимуму. Отметим, что для решения сформулированной высшей задачи оптимизации могут быть использованы различные методы, реализуемые с помощью компьютерных программ.

!=1

Наиболее наглядное решение задачи оптимизации получается при n =2; m= 3. В этом случае система неравенств (4) принимает следующий вид

t1 • tga11 + t2 • tgU12 < a1

t1 • tg«31 + ¿2 • tg«32 < a3

Условия (5) принимает следующий вид:

t\ +12 —* min (9) Графическое условное решение задачи (6), (7), (8), (9) приведено на рис. 2.

Рис. 2. Графическое решение оптимизационной задачи

Принятые обозначения: aai, bbi, cci - соответственно ограничительные линии, соответствующие условиям (6)-(9); OO1 - центральная линия, формируемая из условия t1+t2=0; d12 d22 - смещенная позиция линии d11 d21; S - оптимальная точка, позволяющая выбрать оптимизационные значения, t1 и t2 - оси ординат и абсцисс.

Таким образом, как видно из решения вышерассмотренной задачи, удается определить оптимальные величины t1opt и t2opt, соответствующие оптимальным временам выруливания самолетов первого и второго типов.

В заключение отметим, что предлагаемый нами метод оптимизация этапа выруливания самолетов по взлетной полосе позволяет выбрать большое количество оптимальных решений, синтезируемых на базе исходно задаваемых ограничителей на суммарное загрязнение отдельными составляющими атмосферы, чем выгодно отличается от метода перебора известных стратегий реализации этапа.

Литература

1. Aviation Emissions, Impacts& Mitigation a primer. [Электронный ресурс]. URL: http://www.faa.gov/ regulations_policies/plicy_ guidancr/enver_plicy/media/Primer_Jan 2015.pdf.

2. Travis M. N. Aircaraft Greenhause Gas Emissions during the Landing and take if Cycle at bay area airports. [Электронный ресурс]. URL: http://repository.usca.edu/capstone.

3. Uncertain but do not contrubute much to natioal totals. [Электронный ресурс]. URL: http://www.ipccnaggio.iges.or.jp/gp/bgp/2_5_ Aircraft.pdf Aircaraft emissions.

4. Aircaraft and Airport-Related haArdous Air Pollutants: Resarch Needs and Analysis. [Электронный ресурс]. URL: htpp://onlinenubs trb.org/onlinenubs/acrp/acrp_rpt_007.pdf.

5. Ithnan M. I. MD., Selderbeek T., Beelaerts van Blokland W. W. A., Lodewijks G. Aircraft Taxiing Strategy Optimization.

6. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://rstail.nl/new/wp-content/uploads/2015/02/izzudin_ithnan.pdf.

7. Ratliff G., Sequeira Ch., Waitz I., Ohsfeldt M., Thrasher T., Graham M., Thompson T. Aircraft impacts on local and regional air quality in the United States. Partner Project 15 final report, October 2009.

Влияние фактора скорости ходьбы на распределение давления

под стопами

12 3

Аксёнов А. Ю. , Тагиева К. Ф. , Клишковская Т. А. , Матвеева В. Н.4

1Аксенов Андрей Юрьевич /Aksenov Andrey Jur 'evich - PhD доктор философии, ассистент;

2Тагиева Кристина Фаиковна / Tagieva Kristina Faikovna - бакалавр;

3Клишковская Татьяна Алексеевна /Klishkovskaya Tatiana Alexeevna - бакалавр; 4Матвеева Виктория Николаевна /Matveeva Viktoriya Nikolaevna - бакалавр,

кафедра биотехнических систем, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), г. Санкт-Петербург

Аннотация: в данной статье рассматривается влияние скорости ходьбы на изменение плантарного давления под стопами. Также описывается методика, разработанная для этих целей. Проведенное исследование демонстрирует влияние скоростей (3, 4, 5, 6 км/ч) на распределение плантарного давления в различных отделах стопы. Исследование показало, что скорость ходьбы в значительной степени влияет на распределение плантарного давления, равновесия и смещает центр масс. Вследствие этого она является одним из важнейших факторов, который необходимо учитывать при проведении диагностики, исследовании или назначении лечения.

Ключевые слова: плантарное давление, скорость ходьбы, биомеханика походки, максимальное давление, парциальная нагрузка, траектория центра масс, интегральная нагрузка.

Введение

В среднем человек совершает 10 000 шагов каждый день. Стопа является главной составляющей локомоций. Она представляет собой сложную скелетно-мышечную систему, выполняющую различные функции: торможение, приспособление к различным видам поверхностей для балансирования, а также во взаимодействии с голеностопным суставом и мышцами выступает в роли системы амортизации [1]. Неправильно подобранные ортопедические изделия совместно с приобретенным стереотипом ходьбы могут со временем повысить риск развития остеоартроза колена, варусных и вальгусных изменений суставов, деформации стопы, что может отрицательно отразиться на состоянии позвоночника.

Результаты научных исследований показали, что скорость ходьбы в значительной мере влияет на изменение угловых и кинетических характеристик суставов, а также на работу мышц [2-5]. Исследование, проведенное в России, показало значительную корреляцию между фактором скорости и точностью динамоплантографического измерения [7].