Вплив повітряних джерел авіаційного транспорту на навколишнє природне середовище

Повітряні судна забруднюють атмосферу внаслідок викиду шкідливих речовин з відпрацьованими газами авіаційних двигунів.

Літаки під час польоту переміщуються з одного аеропорту в інший, і атмосфера забруднюється в глобальних масштабах, тобто значне забруднення має місце як у зонах аеропортів, так і на трасах польоту. Причому, якщо на трасах польоту (на висоті 8-12 км) небезпека від цього забруднення невелика (польоти літаків на великій висоті та з великою швидкістю обумовлюють розсіювання продуктів згоряння у верхніх шарах атмосфери й на великих територіях, що знижує ступінь їх впливу на живі організми), то в зоні аеропорту не рахуватися з таким забрудненням не можна.

Гази в атмосферне повітря викидають сопла й вихлопні патрубки двигунів. Цей процес називають емісією авіаційних двигунів.

Гази, що утворилися внаслідок роботи двигунів авіаційного транспорту, становлять 87 % усіх викидів цивільної авіації, які включають також викиди спецавтотранспорту та стаціонарних джерел.

Найбільш несприятливими режимами роботи є малі швидкості й "холостий хід" двигуна, коли в атмосферу викидаються забруднюючі речовини в кількостях, що значно перевищують викид на навантажувальних режимах.

Загальна характеристика викидів шкідливих речовин літаками

Хімічний склад викидів унаслідок спалювання палива здебільшого залежить від виду і якості палива, технології виробництва, способу спалювання в двигуні і технічного стану двигуна технічного стану.

Основні компоненти відпрацьованих газів сучасних авіаційних двигунів, які забруднюють атмосферу:

• – оксиди сірки SOx;
• – оксиди азоту NOx;
• – оксид вуглецю СО;
• – вуглеводні, які не повністю згоріли, СХНУ (метан СН4, ацетилен С2Н2, етан С2Нб, бензол СбНб та ін );
• – альдегіди (формальдегід НСНО, акролеїн СН2=СН=СНО, оцтовий альдегід СН3СНО та ін );
• – сажа (дрібнодисперсні частинки чистого вуглецю) – виділяється у вигляді шлейфу за соплами двигунів під час зльоту літака (сажі виділяється загалом небагато).

Вміст NOx у відпрацьованих газах авіаційного двигуна залежить від:

• – величини температури суміші в камері згоряння (чим вона вища, тим більше утворюється ΝΟХ), а вона максимальна (2500...3000 К) на зльотному режимі;
• – часу перебування суміші в камері згоряння (чим він більший, тим більше утворюється NOx), а це має місце на невеликих швидкостях літака.

Тобто, максимальний викид ΝΟХ відбувається на зльотному режимі двигуна і режимах, близьких до нього (при здійсненні зльоту літака і при наборі ним висоти польоту).

Вуглеводні (СХНУ) – основний компонент рідких і газоподібних палив. Авіаційні палива – бензин, гас – різняться між собою вмістом парафінових, нафтових та ароматичних вуглеводнів, а також сполук сірки.

У пришляховому просторі під час зльоту літака приблизно 50 % викидів у вигляді мікрочастинок, серед яких – багато важких металів, одразу розсіюється на прилеглих до аеропорту територіях. Інша частина протягом декількох годин знаходиться в повітрі у вигляді аерозолів, а потім також осідає на ґрунт.

Кожний розроблений двигун (для літаків) перед запуском у серійне виробництво проходить серію випробувань (сертифікацію), серед яких є дослідження на екологічну безпечність, тому Міжнародна організація цивільної авіації (ІКАО) розробила жорсткі норми на емісію авіаційних двигунів.

Кількісною характеристикою викидів шкідливих речовин авіаційними двигунами є індекс емісії (EI), який показує, скільки грамів даної шкідливої речовини викидається в повітря при спалюванні 1 кг пального в двигуні. Розмірність індексу емісії – г/кг. Існують та інші.

Надалі розглядатимемо тільки ці три інгредієнти, адже вони найбільше забруднюють атмосферу і викиди у них найбільші.

EI характеризує якість організації процесу згоряння в камері згоряння кожного зразка двигуна і пов'язаний з конструктивними і експлуатаційними характеристиками камери. Тому його часто називають емісійною характеристикою двигуна.

Індекси емісії визначають у процесі їх сертифікаційних випробувань. Вміст інгредієнтів CO та CxHy у відпрацьованих газах авіадвигунів обумовлений неповним згорянням палива в двигуні, а цей процес, у свою чергу, залежить від характеристики його параметрів згоряння, тобто, величини коефіцієнта повноти згоряння ή та режиму роботи двигуна.

З метою створення єдиного підходу до нормування викидів забруднюючих речовин, IKAO було введено поняття стандартного злітно-посадкового циклу, який включає всі операції літака з моменту запуску двигунів до набору висоти 1000 м, а також з моменту заходу на посадку з висоти 1000 м до зупинки двигуна після посадки літака. Параметри злітно-посадкового циклу IKAO наведено в таблиці 6.5. Значення відносної тяги двигунів на етапах злітно-посадкового циклу є середньостатистичними для світового парку літаків цивільної авіації, а значення тривалості етапів зорієнтовано на великі міжнародні аеропорти.

Відносну тяга двигуна визначають за формулою:

(6.1)

де: R – тяга двигуна за заданого режиму;– злітна тяга двигуна (максимальна тяга за злітного режиму).

Злітна тяга двигуна – це тяга, що забезпечує підйом у повітря необхідної та встановленої для даного типу судна ваги.

Очевидно, що найбільш тривалим і шкідливим з екологічної точки зору є режим малого газу (відносна тяга становить 3...9 % від її максимального значення). Такі малі значення відносної тяги двигуна мають місце при рулінні перед зльотом і після посадки, а також шд час прогрівання двигуна після запуску.

Таблиця 6.5

Середньостатистичні характеристики злітно-посадкового циклу літаків цивільної авіації

Максимальна повнота згоряння палива в двигуні має місце на розрахунковому режимі – злітному (режимі максимальної тяги двигуна).

На цьому режимі сучасні двигуни мають ή = 0,97...0,99, (ή = 1,0 за абсолютно повного згоряння, чого в дійсності досягнути неможливо).

На всіх інших режимах ή нижча, тобто, повнота згоряння менша, (ή = 0,75.. .0,85), у двигуна в атмосферу викидається більше продуктів неповного згоряння і, відповідно, забруднення повітря збільшується.

Очевидно, що викид шкідливих речовин (емісія авіадвигуна) залежить від режиму його роботи й тривалості роботи на цьому режимі. На рисунку 6.16 показано зміну емісії трьох згаданих компонентів забруднень від режиму роботи авіадвигуна.

Емісія буде неоднаковою в зоні аеропорту і під час польоту по маршруту, адже двигуни в цих випадках працюють на принципово різних режимах.

Рис. 6.16. Залежність емісії шкідливих речові ін від режиму роботі г типового двигуна

Як видно з наведених таблиці й рисунка, забруднення в зоні аеропорту є більшим (на маршруті значення відносної тяги коливається в межах 0.6-0.8). Крім того, локальне забруднення приземного шару повітря в зоні аеропорту, де працює багато людей, є більш концентрованим і стійким, ніж загальне забруднення верхніх шарів тропосфери на маршруті польоту, позаяк робота двигунів є стабільною на великих швидкостях, а забруднюючі речовини швидко розсіюються.

Під зоною аеропорту розуміють простір, обмежений висотою 1000 м і розмірами аеродрому.

Тому розрахунок емісії двигунами ПК в зоні аеропорт} є важливішим і йому слід приділити більше уваги.