СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ ИНДУЦИРОВАННОЙ АВИАЦИЕЙ ПЕРИСТОЙ ОБЛАЧНОСТИ В КРЕЙСЕРСКИХ ПОЛЕТАХ САМОЛЕТОВ С ГТД
METHOD TO FORECAST CIRRUS CLOUD FORMATION CAUSED BY CRUISING AIRCRAFT WITH GAS TURBINE ENGINES

Изобретение относится к области авиации, авиационной метеорологии и экологии и может быть использовано для выявления зон образования перистой облачности (ПО), индуцированной авиацией в крейсерских полетах, которая существенно влияет на радиационный баланс между атмосферой и земной поверхностью и соответственно на изменение климата.
Согласно результатам многочисленных исследований существенный вклад в загрязнение верхней тропосферы и нижней стратосферы привносят продукты сгорания авиационных двигателей, которые повышают концентрацию углекислого газа, окислов азота, водяного пара, аэрозолей, частиц сажи и т.д. Помимо непосредственного загрязнения атмосферы указанными продуктами эмиссия авиадвигателей приводит к образованию конденсационных следов (кондследов), которые влияют на радиационный баланс между атмосферой и земной поверхностью. В отчете Межгосударственной Рабочей Группы по изучению изменения климата на земле «IPCC» (A Special Report of working Groups I and III of the Intergovernmental Panel of Climate Change. Cambridge University Press, 1999) показано, что кондследы влияют на радиационный баланс даже несколько сильнее, чем углекислый газ (см. фиг.1), который считается одним из наиболее загрязняющих факторов. Исследования последних лет показывают, что кондследы, помимо непосредственного влияния, инициируют образование перистой облачности (ПО), т.е. служат запускающим фактором (эффект «триггера») для образования и развития ПО. Как известно, именно ПО играет главную роль в радиационном балансе и, как следствие, в создании «тепличного эффекта». ПО может покрывать тысячи квадратных километров земной поверхности и стабильно существовать длительное время. В работах специалистов Германского института физики атмосферы (DLR-Institut für Phyzik der Atmosphare) показано, что покрытие неба ПО, образующейся в результате трансформации и развития кондследов (так называемая «индуцированная ПО»), может примерно в 10 раз превышать покрытие неба самими кондследами (см. например, H.Mannstein, U.Schmann. Aircatt induced contrail cirrus over Europe, Meteorologische Zeitschrift, v.14, №4, 2005). Работы американских исследователей также подтверждают существенную роль индуцированной ПО (P.Minnis, D.Young, D.Garber. Transformation of Contrails into Cirrus during SUCCESS. Исследовательская программа NASA «Subsonic Clouds and Contrails Effects Special Stady, 1996).
Для уменьшения вероятности образования индуцированной ПО существуют методы и приемы, позволяющие избегать в крейсерских полетах атмосферные зоны, в которых образовывается индуцированная ПО. Описание этих методов дано, например, в работах: U.Schumann. Aviation and climate change: options for mitigation. AAC Conferece, Brussels, 24.12006; K.Gierens. Contrails, contrail-cirrus, and ship tracks. TAC Conferece, Oxford, 26-30 June 2006; A.Waibel. Minimizing contrail formation due to flight route optimization. AERONET workshop, Stockholm, Nov.20-21, 2006; C.Fichter, S.Marquart, R.Sausen. Impact of Cruise Altitude on Contrails. AAC Conferece, Friedrichshafen, Germany, June 30…3 July 2003; C.Fichter и др. The impact of cruise altitude on contrails and related radiative forcing. Meteorologische Zeitschrift, v.14, №4, 2005.
В связи с рассматриваемой проблемой уменьшения вероятности образования индуцированной ПО очень насущной становится задача разработки способов объективного прогноза атмосферных зон образования индуцированной ПО, которые могут встречаться на маршрутах полетов гражданской авиации.
Известен способ прогнозирования метеорологических условий, благоприятных для образования устойчивых кондследов, переходящих затем в перистую облачность, описание которого изложено в следующих работах: «Aviation and climate change: option for mitigation», DLR, Institute of Atmospheric Physics, Germany, автор U.Schumann, 2006; «Contrails, contrail-cirrus, and ship tracks», Atmosphere and Climate Conference, Oxford, June 2006, автор K.Gierens; «Minimizing contrail formation due to flight route optimization», AERONET Workshop, November 20/21, 2006, автор A.Waibel; «Impact of Cruise Altitude on Contrails», AAC Conference, June 2003, Friedrichshafen, Germany, авторы С.Fichter и др. и работа тех же авторов «The impact of cruise altitude on contrails and related radiative forcing» в журнале Meteorologische Zeitschritt, v. 14, 2005, №4. Он заключается в следующем. На основе модели глобальной циркуляции атмосферы «GSM», разработанной Метеорологическим институтом Макса Планка (Report 218, The atmospheric general circulation model. Max Planck Institute for Meteorology, 1996, Hamburg, Germany), вычисляют атмосферные зоны, в которых существуют благоприятные условия для образования устойчивых кондследов (повышенная влажность при низкой температуре), обобщают по географическим зонам, сезонам, высотам, составляют карты, пример которых показан на фиг.2, 3, 4, накладывают требуемые трассы полетов на эти карты, сопоставляют эти трассы с зонами образования кондследов и делают заключение о вероятности образования устойчивых кондследов и соответственно о возможности перехода их в перистые облака по пути следования самолета по рассматриваемому маршруту.
Недостатки способа:
- способ позволяет получить лишь среднестатистический прогноз, который может существенно отличаться от фактического ввиду переменчивости и большого диапазона изменений метеорологических процессов;
- способ совершенно не учитывает особенностей конструкции и характеристик конкретных типов авиадвигателей на рассматриваемых типах самолетов, тогда как от этого существенно зависят параметры эмитируемых кондследов;
- отсутствуют количественные критерии, которые позволяли бы объективно оценивать влияние конкретного типа самолета на развитие перистых облаков.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, изложенный в патенте «Способ прогнозирования количественных показателей конденсационных следов, эмитируемых авиационными двигателями, для оценки их соответствия экологически допустимому уровню», №2312379 от 10.01.2006 г., в котором в крейсерских полетах измеряют давление, температуру, влажность атмосферы на соответствующих высотах полета, температуру выхлопных газов за турбиной и частоту вращения авиадвигателей, вычисляют показатель максимального пересыщения влажности в смешанной с атмосферой выхлопной струе двигателей:
Σ
M
HB
M
HB
0
B
HB
h=h+e=(t-t)B-Е+e,
M
M
HB
HB
0
B
M
Σ
где: h - максимальное пересыщение пара над водой при температуре t, e- упругость водяного пара в атмосферном воздухе при окружающей температуре t; В - температурный градиент влажности выхлопной струи (тангенс угла наклона линии смешения); E - упругость насыщенного пара над водой при температуре t; сравнивают полученную величину показателя h с экологически допустимым значением показателя, на основании чего делают заключение о соответствии или несоответствии рассматриваемого типа двигателей экологически допустимому уровню эмиссии кондследов.
Недостатки способа:
- способ относится лишь к условиям образования кондследов, в нем отсутствуют критерии, характеризующие условия существования устойчивых (длительно существующих) кондследов и перехода их в ПО.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении достоверности оценки влияния (вклада) конкретного типа самолета на изменение радиационного баланса атмосферы и земной поверхности в районах пролегания маршрута полета, путем установления количественных критериев для прогноза условий, необходимых для перехода и развития кондследов в перистую облачность в крейсерских полетах самолетов с газотурбинными двигателями.
нв
0
мл
мл
в
мл
л
мл
Σл
мл
мл
нв
нв
нв
Σл
мл
Σл
мл
мл
нв
л
нв
Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем измерение в крейсерских полетах высоты, давления, температуры окружающей атмосферы t, числа Маха вдоль маршрута полета, измерение температуры выхлопных газов за турбиной газотурбинных двигателей (ГТД), частоты вращения двигателей, вычисление градиента изменения парциального давления водяного пара в смешанной выхлопной струе двигателя от температуры, В, вычисление значения температуры t, соответствующего максимальному пересыщению пара в выхлопной струе надо льдом, определение величины парциального давления насыщенного пара при температуре t над водой и надо льдом Е(t) и Е(t), формирование количественного суммарного показателя пересыщения h из суммы двух составляющих: показателя пересыщения пара надо льдом h при температуре t и показателя влажности атмосферы h=е(t), соответствующего температуре t, прогнозируют по маршруту полета условия перехода кондследов в перистую облачность по суммарному показателю пересыщения h и величине парциального давления пара надо льдом и над водой при температуре t. Одновременно сравнивают величину суммарного показателя пересыщенного пара h смешанной выхлопной струи ГТД самолета и парциального давления насыщенного пара надо льдом при температуре t, со значением парциального давления насыщенного пара над водой при той же температуре t, а также сравнивают величины показателя влажности атмосферы h со значением парциального давления насыщенного пара надо льдом при температуре атмосферы Е(t).
мл
Σл
л
мл
в
мл
нв
л
нв
Если е=[h+Е(t)]≥E(t) и h≥E(t), то существуют условия для образования и устойчивого существования перистой облачности, так как условием перехода кондследов в устойчивую (длительно существующую) перистую облачность является пересыщение атмосферного воздуха надо льдом.
нв
л
нв
Если же h<Е(t), то образуется лишь неустойчивая (быстро рассеивающаяся) перистая облачность.
Σл
л
мл
в
мл
нв
л
нв
Если [h+Е(t)]<Е(t) и h≥E(t), то существуют условия для образования промежуточной перистой облачности, степень устойчивости которой зависит от концентрации ядер кристаллизации воды в атмосфере.
в
мл
Σл
л
мд
л
мл
нв
л
нв
Если Е(t)>[h+E(t)]≥Е(t) и h<Е(t), то условия образования перистой облачности отсутствуют.
0
мл
При этом вычисляют градиент изменения парциального давления пара В, вычисляют температуру t, соответствующую максимальному пересыщению пара надо льдом по формуле:
мл
0
t=9,14lnB-34,8°C.
Определяют парциальное давление пара при температуре атмосферы:
нв
нв
в
нв
мл
e(t)=h=φE(t)/100, Па, где φ,% - относительная влажность атмосферы на высоте полета по данным, полученным в пунктах метеослужбы по трассе полета. Вычисляют максимальное пересыщение пара над кривой парциального давления насыщенного пара надо льдом при температуре t:
мл
мл
0
мл
нв
л
мл
h(t)=B(t-t)-E(t), Па,
мл
мл
где величина показателя h - максимальное пересыщение пара над кривой парциального давления насыщенного пара надо льдом при температуре - t, вычисляют в функции высоты полета, температуры и режима работы двигателей в диапазоне установленных для данного типа самолета режимов крейсерских полетов
мл
в
мл
нв
л
нв
Результаты сравнения e и E(t) и h и E(t) вносят в экологический паспорт рассматриваемого типа самолета в разделе влияния эмиссии кондследов на экологию.
Таким образом осуществляют прогнозирование условий образования индуцированной авиацией перистой облачности, влияющей на изменение климата, и поиск путей снижения влияния этих факторов.
На фиг.1 представлены компоненты составляющих эмиссии авиадвигателей ГТД в крейсерском полете и их влияние на радиационный баланс между атмосферой и поверхностью земли, где
2
1 - интенсивность воздействия на радиационный баланс, Вт/м;
2 - компоненты составляющих эмиссии авиадвигателей.
На фиг.2 представлена диаграмма повторяемости встречи атмосферных зон интенсивного образования кондследов при полете на типовых крейсерских высотах, где
3 - географическая широта (ось X);
4 - атмосферное давление, Па, (ось У);
5 - шкала повторяемости, %;
6 - изотерма на различных высотах, обозначенная тонкой линией;
7 - тропопауза по широтам, обозначенная жирной линией;
8 - атмосферная зона интенсивного образования кондследов, с границами распределения внутри зоны по степеням шкалы повторяемости;
9 - полеты на типовых крейсерских высотах (обозначены пунктирной линией).
На фиг.3 представлена диаграмма повторяемости встречи атмосферных зон интенсивного образования кондследов при полете на пониженных высотах, относительно типовых высот (см. фиг.2), где
3 - географическая широта (ось X);
4 - атмосферное давление, Па, (ось У);
5 - шкала повторяемости, %;
6 - изотерма на различных высотах, обозначенная тонкой линией;
7 - тропопауза по широтам, обозначенная жирной линией;
8 - атмосферная зона интенсивного образования кондследов, с границами распределения внутри зоны по степеням шкалы повторяемости;
9 - полеты на пониженных высотах, обозначенные пунктирной линией.
На фиг.4 представлена диаграмма повторяемости встречи атмосферных зон интенсивного образования кондследов при полете на повышенных высотах, относительно типовых высот (см. фиг.2), где
3 - географическая широта (ось X);
4 - атмосферное давление, Па, (ось У);
5 - шкала повторяемости, %;
6 - изотерма на различных высотах, обозначенная тонкой линией;
7 - тропопауза по широтам, обозначенная жирной линией;
8 - атмосферная зона интенсивного образования кондследов, с границами распределения внутри зоны по степеням шкалы повторяемости;
9 - полеты на повышенных высотах, обозначенные пунктирной линией.
На фиг.5 показан график для определения показателя пересыщения пара в смешанной струе, где
10 - температура смешанной струи (ось X);
11 - парциальное давление пара, Па, (ось У);
в
л
12, 13 - две кривые изменения парциального давления насыщенного пара над водой E(t) и надо льдом E(t) в зависимости от температуры смешанной струи;
0
14, 15 - две параллельные линии смешения, нанесенные на график при нулевой влажности атмосферного воздуха и с учетом влажности окружающей среды, с равными углами наклона, соответствующими градиенту В.
Пример осуществления способа.
В примере рассматривают условия образования индуцированных перистых облаков в двух атмосферных зонах с повышенной и пониженной влажностью по пути крейсерского полета самолета Ту-154. Для этого измеряют:
Н - высоту полета, м;
Р - атмосферное давление;
М - число Маха;
φ - относительную влажность воздуха на высоте полета в рассматриваемых зонах, %;
т
Т- температуру газов за турбиной двигателя, °К;
дв
n - число оборотов двигателя, об/мин;
дв
m - степень двухконтурности двигателей;
см
α - коэффициент избытка воздуха камеры смешения;
см
;
Т - температуру выхлопной струи на выходном срезе камеры смешения, °К
нв
t - температуру окружающего воздуха, °С;
мл
t - температуру смешанной струи, соответствующую максимальному пересыщению влажности надо льдом, °С.
Вычисляют градиент изменения парциального давления водяного пара в выхлопной струе:
в
л
Вычисляют парциальное давление насыщенного пара над водой E(t) и надо льдом E(t) в зависимости от температуры смешанной струи, например по формуле Магнуса:  где для воды: а=7,63 и 241,9, а для льда: а=9,5 и в=265,5.
в
нв
л
мл
Определяют парциальное давление насыщенного пара над водой при окружающей температуре E(t), температуру смешанной струи, соответствующей максимальному пересыщению пара надо льдом Е(t):
мл
0
t=9,14lnB-34,8,°C.
мл
Вычисляют показатель максимального пересыщения влажности надо льдом при температуре t:
мл
мл
o
мл
нв
л
мл
h(t)=B(t-t)-E(t), Па.
Определяют показатель влажности атмосферного воздуха на высоте полета:
нв
в
нв
h=φE(t)/100, Па.
Определяют суммарный показатель пересыщения влажности надо льдом (см. фиг.5):
Σ
мл
нв
hл=h+h, Па.
Результаты измерений высоты полета температуры, режима работы двигателей в эксплуатационном диапазоне режимов полета и вычислений, производимых для рассматриваемых двух зон, сведены в таблицу:
Зона
n<sub>дв</sub>
Н, м
Р, гПа
t<sub>нв,</sub>°C
M
φ, %
Т<sub>т</sub>,К(°C)
α<sub>см</sub>
В<sub>0</sub>,Па К
t<sub>мл</sub>,°С
Ел(t<sub>мл</sub>)Па
h<sub>мл</sub>, Па
h<sub>нв</sub>,Па
h<sub>Σл</sub>,Па
Ел(t<sub>нв</sub>)
Ев(t<sub>мл</sub>)
h<sub>Σл</sub>+Ел(t<sub>мл</sub>)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
I
крейс
10500
239
-52,4
0,8
99
469 (196)
11,5
1,14
-41,9
10
1,97
4,94
6,91
2,9
15,5
16,91
II
крейс
10500
257
-50,3
0,8
34
471 (198)
11,5
1,23
-41,2
10,9
0,29
2,06
2,35
3,7
16,7
13,25
Σл
л
мл
в
мл
нв
л
нв
Сравнивают величины: [h+E(t)] и E(t) - позиции №№18 и 17 таблицы и h и Е (t) - позиции №№14 и 16.
Σл
л
мл
в
мл
нв
л
нв
I зона: [h+E(t)]≥E(t) и h≥E(t),
в
мл
Σл
л
мл
л
мл
нв
л
нв
II зона: Е(t)>[h+Е(t)]≥E(t) и h<E(t).
Из сравнения следует, что в I зоне должны образоваться мощные, устойчивые кондследы, которые развиваются в устойчивые ПО; во II зоне могут образоваться очень неустойчивые, быстро рассеивающиеся кондследы, образование ПО не происходит.
Экспериментальные данные, полученные в полете, подтверждают эти выводы: в I зоне кондследы устойчиво существовали в течение 3-х часов и постепенно развивались в устойчивые ПО; во II зоне образовывались очень слабые кондследы, которые рассеивались в течение не более 2-х минут, ПО не образовывались.
Таким образом, возможность количественной оценки условий перехода конденсационных следов самолетов с различными типами двигателей в перистую облачность позволяет разрабатывать рекомендации и требования по организации авиатрасс таким образом, чтобы минимизировать влияние полетов на окружающую среду.