Способ прогнозирования количественных показателей конденсационных следов, эмитируемых авиационными двигателями, для оценки их соответствия экологически допустимому уровню эмиссии

Изобретение относится к области авиации и экологии в части загрязнений атмосферы и влияния их на изменение климата и способов снижения влияния. Техническим результатом является установление принципа нормирования количественных показателей характеристик конденсационных следов в зависимости от их влияния на радиационный баланс атмосферы и земной поверхности из условия, чтобы влияние конденсационных следов не превышало влияние двуокиси углерода в выхлопной струе авиадвигателей. Сущность способа: производят измерение в крейсерских полетах высоты H, давления P, температуры t_нв, парциального давления водяного пара атмосферного воздуха е_нв, температуры газов за турбиной t_Т и частоты вращения проверяемого типа двигателя, вычисление температурного градиента влажности смешанной выхлопной струи В₀. Дополнительно вычисляют величину количественного показателя пересыщения пара в смешанной выхлопной струе проверяемого двигателя по формуле. 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области авиации и экологии в части загрязнений атмосферы и влияния их на изменение климата и способов снижения влияния.

Современные оценки антропогенных воздействий на окружающую среду подтверждают важность лучшего понимания роли атмосферных загрязнений (частиц, аэрозолей и газов) в непосредственном и косвенном влиянии на изменение климата. Климат на земле в сильной степени зависит от процесса лучистого теплообмена между атмосферной и земной поверхностью. В результате этого процесса устанавливается баланс лучистой энергии - радиационный баланс, который представляет собой разность между поглощенной поверхностью земли радиацией и ее собственным излучением. Процесс теплообмена состоит в следующем. В каждый момент времени земная поверхность поглощает относительно коротковолновую солнечную радиацию, нагревается и излучает уже более длинноволновую (инфракрасную) радиацию В_ик. Значительная часть этой земной радиации поглощается атмосферой, которая в результате тоже излучает длинноволновую радиацию. Часть этой радиации направлена в сторону земли и называется встречным излучением атмосферы В_а. Поток этого встречного излучения достигает земной поверхности, но она не является абсолютно черным телом, поэтому поглощается только часть этого излучения δВ_a. Разность между собственным излучением земной поверхности B_o и поглощенной частью встречного излучения δВ_a называется эффективным излучением земной поверхности В^*=В_ик-δВ_a.

Если эффективное излучение положительно, т.е. В^*>0, то земная поверхность охлаждается и наоборот, если В^*<0, т.е. δВ_a>В_ик, то нагревается.

Таким образом, радиационный баланс атмосферы и земной поверхности устанавливается в результате взаимодействия коротковолнового излучения, приходящего от солнца, R', и длинноволнового (инфракрасного) эффективного излучения земной поверхности. Количественно это выражается уравнением:

R=R'-R^*=(1-r)F'+(1-r)i-B^*=(1-r)(F'+i)-B_ик+δB_a,

здесь r - альбедо; (1-r)F' - прямая солнечная радиация; (1-r)i - рассеянная в атмосфере радиация.

Эффективное излучение зависит от климатических условий, сезона, времени суток и от наличия в атмосфере газовых загрязнений и аэрозолей, особенно от водяного пара и тем более от капель воды и кристаллов льда, т.е. облачности.

Очень существенную роль в установлении радиационного баланса играют перистые облака, которые по оценкам специалистов могут покрывать в среднем до 30% земной поверхности, поэтому увеличение их плотности и площади в результате антропогенных воздействий может явиться в будущем причиной заметного потепления на Земле.

Существенный вклад в загрязнение верхней тропосферы и нижней стратосферы привносит авиация. Продукты сгорания, выделяемые авиационными двигателями, повышают концентрацию углекислого газа, водяного пара, метана, окислов азота и др. и содержат аэрозоли и частицы, которые в свою очередь инициируют образование и развитие перистой облачности. В результате все эти факторы повышают "тепличный" эффект атмосферы. В этом контексте ожидаемое увеличение объема авиационных перевозок может оказать существенное влияние на развитие, протяженность и частоту образования перистой облачности.

Одним из наиболее существенных факторов влияния авиации на образование и развитие перистых облаков являются конденсационные следы (кондследы) самолетов, которые образуются в результате конденсации и замерзания водяного пара, содержащегося в выхлопной струе авиадвигателей. Кондследы образуются на тех же высотах, что и перистые облака, по структуре они близки к ним и их даже называют искусственными перистыми облаками (Cirrus tractus). По оценке начала 1990-х годов площадь, покрываемая кондследами, может быть в среднем порядка 0,1% земной поверхности, но сильно различается по регионам, а к 2050 г. можно ожидать увеличение ее до 0,5%. Ожидаемое увеличение будет происходить вследствие как увеличения объема авиаперевозок, так и повышения КПД авиадвигателей. Но значительно более существенным является то, что при соответствующих метеорологических условиях (повышенная влажность при низких температурах, обычно ниже -40°С) в верхних слоях тропосферы и нижних слоях стратосферы кондследы могут служить запускающим механизмом (эффект "триггера") для образования и особенно для интенсивного развития перистых облаков, существующих вблизи пролегания авиатрассы.

Как известно, воздействие авиации на окружающую среду подразделяют на три категории: местные загрязнения, влияющие на сам аэропорт и его окрестности, региональные воздействия, охватывающие более обширные области, и глобальные воздействия, затрагивающие климат земного шара в целом вследствие увеличения тепличного эффекта. Влияние авиации на образование и развитие перистой облачности относится к категории глобальных воздействий и может явиться в будущем причиной существенного влияния на радиационную обстановку на планете.

С целью снижения уровней загрязнения (шума и эмиссии газообразных веществ и частиц) ИКАО рекомендует содействовать внедрению дополнительных, в том числе эксплуатационных средств и методов (правил, ограничений) по уменьшению вредного воздействия на окружающую среду. В связи с вышесказанным целесообразно установить количественный критерий, характеризующий кондследы в зависимости от степени их влияния на радиационный баланс атмосферы и земной поверхности. Это, в свою очередь, требует установления некоторого граничного значения такого критерия, нормы, превышение которого считается недопустимым, и должны приниматься меры по уменьшению вредного воздействия эмиссии кондследов.

Для количественной оценки влияния кондследов на изменение радиационного баланса следует сопоставить их влияние с влиянием других загрязняющих факторов эмиссии авиадвигателей.

В отчете Межправительственной группы экспертов по проблеме изменения климата (A Special Report of IPCC Workning Groups of the Intergovermental Panel of Climate Change. Cembridge University Press, 1999) приведены обобщенные по земной атмосфере данные по влиянию различных составляющих эмиссии авиадвигателей на радиационный баланс атмосферы с оценкой уровня составляющих на начало 1990-х годов и прогнозируемых к 2050-м годам. Это иллюстрирует диаграмма на фиг.1.

Основным "тепличным" или "парниковым" (greenhouse) газом в настоящее время считается двуокись углерода (CO₂). В Киотском протоколе ООН (Киотский протокол к Рамочной Конвенции ООН об изменении климата от 9 мая 1992 г.) указывается, что другие антропогенные выбросы "парниковых" газов должны оцениваться в "эквиваленте двуокиси углерода" и не должны превышать установленных для них количеств. В заявке на изобретение предлагается сравнивать воздействие на радиационный баланс кондследов с воздействием двуокиси углерода на основе данных Отчета IPCC. Для этого необходимо определить количественные критерии, характеризующие свойства кондследов, и установить корреляционную зависимость этих критериев с интенсивностью воздействия кондследов на радиационный баланс. В качестве таких критериев могут быть приняты "показатель пересыщения" пара, представляющий собой величину максимального пересыщения пара над водой в процессе охлаждения и смешения выхлопной струи с окружающим воздухом.

При оценке влияния кондследов в зачет следует принимать устойчивые, плотные кондследы, т.к. именно они оказывают заметное влияние на радиационный баланс. Условия образования кондследа характеризуются уровнем пересыщения пара в смешанной струе над водой, а условия существования (длительность) уже образовавшегося кондследа характеризуются уровнем влажности атмосферы и, если при этом влажность окружающего воздуха будет выше насыщения надо льдом, то кондследы будут существовать длительно, если же влажность воздуха будет ниже насыщения надо льдом, кондслед начнет испаряться и время его существования будет ограничено.

При повышенной концентрации в атмосфере ядер (зародышей) кристаллизации кондследы могут образовываться и при влажности ниже насыщения над водой, но выше насыщения надо льдом. Но интенсивность образования таких кондследов обычно невелика и они неустойчивы.

Таким образом, количественными признаками плотного, устойчивого кондследа является величина показателя пересыщения выше некоторого положительного значения над водой и парциальное давление пара в окружающем воздухе не ниже насыщающего давления надо льдом.

Способы определения соответствия загрязняющих компонентов эмиссии авиадвигателей предельно допустимым нормативным концентрациям содержатся в международном Стандарте ИКАО "Охрана окружающей среды", Приложение 16 к Конвенции о международной гражданской авиации, том II "Эмиссия авиационных двигателей", 1993 г., и в разработанных на основе этого Стандарта отечественных Авиационных Правилах АП-34 "Охрана окружающей среды. Эмиссия загрязняющих веществ авиационными двигателями. Нормы и испытания", 2003 г.

В указанных документах нормируются и подлежат установлению соответствия нормативам следующие компоненты эмиссии: дым (сажа и другие твердые частицы) и газы: моноксид углерода (СО), несгоревшие углеводороды (НС), окислы азота (NO_x). Проверку соответствия выполняют путем отбора проб из выхлопной струи двигателя в стендовых условиях на режимах работы двигателя, соответствующих этапам стандартного взлетно-посадочного цикла (взлет, набор высоты, заход на посадку, руление, земной малый газ).

Способ проверки соответствия концентрации газообразных веществ нормативам осуществляется следующим образом:

- устанавливают двигатель на испытательном стенде;

- устанавливают пробоотборник по центру выхлопной струи на расстоянии в пределах 18...25 диаметров выхлопного сопла;

- запускают двигатель и выдерживают до установившегося температурного состояния на каждом испытуемом режиме;

- отбирают пробу для каждого проверяемого компонента и подают ее на соответствующий газоанализатор;

- полученные данные измерения приводят к стандартным атмосферным условиям;

- определяют количественную величину пробы по формуле Д_р/F₀₀, г/кН, где Д_р - масса проверяемого компонента в граммах; F₀₀ - установленная для данного двигателя взлетная тяга в килотоннах. Полученное значение не должно превышать установленного для данного компонента эмиссии нормативного значения.

Способ проверки соответствия дыма осуществляется в той же последовательности, но отличия заключаются в следующем: пробоотборник устанавливают на расстоянии от среза сопла не более 0,5 диаметра сопла, отобранную пробу прокачивают с помощью вакуум-насоса через фильтрующее устройство, в котором частицы дыма осаждаются на фильтрующем элементе, извлекают фильтрующий элемент, с помощью рефлектометра определяют отражательную способность загрязненного фильтра R_s, сравнивают ее с отражательной способностью чистого эталонного фильтра R_w, SN=100(1-R_s/R_w), которое не должно превышать установленного нормативного значения.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ авторов У.Шумана, Р.Бузена и М.Плоора (см. Journal of Aircraft, V.37, №6. Nov.2000 и Aerosp, Sci. Technol, 4.2000), в котором измеряют высоту, скорость полета, давление, температуру, влажность атмосферного воздуха, расход топлива, вычисляют температурный градиент изменения парциального давления пара (Δе_стр) в смешанной струе (который представляет собой тангенс угла наклона линии смешения) по формуле:

где - индекс паровыделения (масса водяного пара, выделяющегося при сгорании 1 кг топлива), р - атмосферное давление, С_р - удельная теплоемкость воздуха, Q - теплотворная способность топлива, η - КПД тяги силовой установки самолета, ε=0,622 - отношение газовых постоянных воздуха и пара, строят график зависимости линии смешения от температуры е_стр=f(T) и накладывают его на график температурной зависимости парциального давления насыщенного пара над водой E_в и надо льдом Е_л, качественно сравнивают полученные графики и делают вывод: если линия смешения проходит высоко над кривой E_в и при этом величина парциального давления пара в окружающем воздухе e_нв не ниже давления насыщенного пара надо льдом е_нв≥Е_л, то образуется устойчивый, долго сохраняющийся кондслед, если линия смешения проходит близко к кривой E_в и парциальное давление пара в окружающем воздухе e_нв<Е_л, то образуется слабый, быстро исчезающий кондслед, если линия смешения проходит ниже кривой E_в, то кондслед не образуется.

Недостатки способа заключаются в следующем: отсутствуют количественные критерии, характеризующие свойства кондследов, поэтому они могут оцениваться лишь качественно и довольно грубо, способ не предусматривает возможности оценки кондследов в отношении их влияния на радиационный баланс атмосферы и земли.

Целью предлагаемого изобретения является установление принципа нормирования количественных показателей характеристик кондследов в зависимости от их влияния на радиационный баланс атмосферы и земной поверхности из условия, чтобы влияние кондследов не превышало влияние двуокиси углерода в выхлопной струе авиадвигателей.

Технический результат от использования изобретения - количественный контроль за влиянием крейсерских полетов самолетов на радиационный баланс атмосферы и земной поверхности и в перспективе - выдача рекомендаций по разработке мероприятий, способствующих уменьшению негативного влияния кондследов на изменение радиационного баланса атмосферы и земной поверхности.

Для достижения поставленной цели и получения ожидаемого технического результата в предлагаемом способе, включающем в крейсерских полетах измерение высоты Н и соответствующего атмосферного давления (Р), температуры (t_HB), парциального давления пара (е_HB) в атмосферном воздухе, температуры выхлопных газов за турбиной (t_T), частоты вращения и секундный расход топлива оцениваемого типа авиадвигателя, вычисление на основании вышеуказанных данных температурного градиента влажности смешанной выхлопной струи (градиента линии смешения) (В₀), статистические данные результатов исследований интенсивности радиационного воздействия на атмосферу различных компонентов эмиссии авиадвигателей, в частности кондследов (W_KC) и двуокиси углерода (см. фиг.1), вычисляют величину показателя пересыщения пара (h_ΣДВ) в смешанной струе двигателя по формуле: h_ΣДВ=(t_М-t_НВ)·B₀-E_В(t_М)+e_НВ, где t_M - температуру, соответствующую максимальному пересыщению, определяют по формуле t_М=9,142 ln B₀-45,57°С; E_В(t_М) - парциальное давление насыщенного пара над водой при температуре t_M, сравнивают полученную величину показателя пересыщения h_ΣДВ с зачетным значением показателя пересыщения h_ΣЭД, соответствующим экологически допустимому уровню эмиссии кондследов (в эквиваленте воздействия двуокиси углерода), который заранее устанавливают следующим образом: анализируют результаты наблюдений полетов самолетов с различными типами двигателей, выделяют случаи начала образования устойчивых кондследов, в которых значения количественных показателей пересыщения не менее 10...12 Па соответствуют граничным значениям показателя пересыщения h_ΣГР, статистически осредняют полученные значения по всем выделенным случаям наблюдений h_ΣГР.СР и устанавливают экологически допустимое значение показателя пересыщения h_ΣЭД в эквиваленте двуокиси углерода (т.е. из условия, чтобы радиационные воздействия кондследов не превышали радиационного воздействия СО₂) с помощью соотношения:

где и W_KC - интенсивности радиационного воздействия соответственно двуокиси углерода и кондследов. По данным Отчета IPCC 1999 года и W_KC=0,026 Вт/м².

По результатам сравнения h_ΣДВ со значением h_ΣЭД делают заключение о соответствии кондследов, эмитируемых проверяемым типом двигателя, экологически допустимому уровню эмиссии: если h_ΣДВ≤h_ΣЭД, то эмиссия кондследов находится в допустимых пределах, в противном случае должны приниматься меры по уменьшению интенсивности эмиссии кондследов данного типа двигателя.

Пример

Прогнозируются ожидаемые условия образования кондследов и их количественные показатели при полетах на эшелонах 9, 10 и 11 км для оценки их соответствия экологически допустимому уровню эмиссии.

На указанных высотах выполнены измерения давления (Р) и температуры (t_нв) атмосферного воздуха, температуры газов за турбиной (t_т), частоты вращения (оборотов) двигателей и расход топлива. На основании этих данных и известных расходных характеристик оцениваемого типа двигателя определены (α_см) и температура (Т_см) смешанной струи на срезе сопла двигателя и приведены затем к условиям стандартной атмосферы; относительная влажность для расчетов принята равной 60%, что соответствует парциальному давлению пара в окружающем воздухе (е_нв), равному насыщению надо льдом при соответствующей температуре.

Полученные данные приведены в таблице:

Н, км	9	10	11
Р, кПа	30,8	26,5	22,7
tнв, °С	-43	-50	-56
eнв, Па	9	3,8	1,8
αсм	11,7	11,8	11,9
Тсм, К	376	370	367

Вычисляем показатель пересыщения пара в смешанной струе h_Σдв:

h_Σдв=(t_м-t_нв)B₀-E_в(t_м)+e_нв, Па,

где градиент изменения парциального давления пара в смешанной струе (тангенс угла наклона линии смешения) вычисляем по формуле:

где М_п - относительная масса паровыделения, для применяемого в настоящее время авиатоплива равная М_п=0,084 кг/кг, Е_в(t_м) - парциальное давление насыщенного пара над водой при температуре t_м; и температуру t_м, соответствующую максимальному пересыщению, определяем по формуле: t_м=9,142 ln B₀-45,57°С. Зависимость Е_в от температуры имеется в справочной и специальной литературе, а также с удовлетворительной точностью аппроксимируется формулой Магнуса:

где а=7,63 и в=241,9.

Результаты расчетов сведены в таблицу:

Н, км	9	10	11
В0, Па/К	2,43	2,06	1,72
tм, °С	-37,45	-38,95	-40,61
hΣдв, Па	-2,1	5,4	10,8

Для определения величины показателя пересыщения, соответствующего экологически допустимому уровню эмиссии кондследов, воспользуемся данными наблюдений кондследов, в результате анализа которых установлено, что граничная величина показателя пересыщения, соответствующая началу образования устойчивых кондследов, равна примерно hΣ_гр.ср=10...12 Па, экологически допустимое значение показателя h_Σэд определяем с учетом соотношения интенсивностей радиационного воздействия на атмосферу двуокиси углерода и кондследов W_кс, которые по данным отчета IPCC 1999 года равны и W_кс=0,026. Следовательно,

Принимаем среднее значение h_Σэд=7,6 Па.

Из сравнения полученных выше величин показателя h_Σдв со значением h_Σэд видно, что на эшелоне 11 км воздействие кондследов превышает допустимый уровень. Интерполируем полученные данные в пределах 9...11 км и получаем, что воздействие кондследов не превышает допустимого предела до высоты примерно 10,3 км, а на высотах от 9,2 км и ниже образование кондследов на рассмотренном режиме работы данного двигателя не ожидается.

Способ прогнозирования количественных показателей конденсационных следов, эмитируемых авиационными двигателями, для оценки их соответствия экологически допустимому уровню (ЭДУ) эмиссии, включающий измерение в крейсерских полетах высоты Н, давления Р, температуры t_нв, парциального давления водяного пара атмосферного воздуха е_нв, температуры газов за турбиной t_т и частоты вращения проверяемого типа двигателя, вычисление температурного градиента влажности смешанной выхлопной струи В_o, отличающийся тем, что вычисляют величину количественного показателя пересыщения пара в смешанной выхлопной струе проверяемого двигателя

h_Σдв=(t_м-t_нв)В_o-E_в(t_м)+е_нв,

где h_Σдв - количественный показатель пересыщения пара в смешанной выхлопной струе проверяемого двигателя;

t_м - температура, соответствующая максимальному пересыщению пара в смешанной выхлопной струе;

В₀ - температурный градиент влажности смешанной выхлопной струи;

t_нв - температура атмосферного воздуха;

Е_в(t_м) - парциальное давление насыщенного пара над водой при температуре, соответствующей максимальному пересыщению пара;

е_нв - парциальное давление водяного пара в атмосферном воздухе;

и сравнивают полученную величину количественного показателя h_Σдв с заранее установленным значением количественного показателя h_Σэд, соответствующим экологически допустимому уровню радиационного воздействия самолетных кондследов, для этого по результатам мониторинга крейсерских полетов гражданской авиации в пределах условий образования кондследов выделяют по данным наблюдений случаи начала образования устойчивых кондследов, в которых значения количественных показателей пересыщения h_Σдв установлены не менее 10...12 Па, статистически усредняют полученные значения показателя для совокупности измерений h_Σгр.ср,a экологически допустимое значение количественного показателя пересыщения h_Σэд устанавливают в эквиваленте двуокиси углерода, исходя из условия, чтобы радиационное воздействие эмиссии кондследов не превышало радиационного воздействия эмиссии двуокиси углерода в атмосфере, исходя из следующего соотношения

где и W_кс - интенсивности радиационного воздействия соответственно двуокиси углерода и кондследов, равные 0,018 Вт/м² и 0,026 Вт/м² по обобщенным данным Межправительственной группы экспертов (А Special Report of IPCC, Cembridge University, 1999 года), затем по результатам сравнения делают заключение о соответствии влияния кондследов проверяемого типа двигателя экологически допустимому уровню эмиссии.