Эмиссия авиационных двигателей что это

К 2008 г. (возможно раньше) в области эмиссии вредных веществ с высокой вероятностью может сложиться ситуация, аналогичная той, какая уже сложилась с авиационным шумом — эксплуатацию практически всех отечественных двигателей на международных линиях запретят, если не будет проведена доработка и сертификация двигателей на соответствие требованиям по эмиссии вредных веществ.

Основным международным органом, регулирующим вопросы защиты окружающей среды от воздействия авиации, является Международная организация гражданской авиации (ИКАО), объединяющая 185 государств, в том числе Российскую Федерацию. ИКАО — специализированное учреждением ООН, на которое возложена ответственность за разработку стандартов, рекомендуемой практики и инструктивного материала по различным аспектам деятельности международной гражданской авиации.

Международные стандарты по выбросам (эмиссии) вредных веществ от авиационных двигателей гражданской авиации существуют в виде тома II «Эмиссия авиационных двигателей» Приложения 16 к Конвенции о международной гражданской авиации. В рамках СНГ эмиссия вредных веществ регулируются Авиационными правилами АП-34 «Охрана окружающей среды. Нормы эмиссии для авиационных двигателей», практически соответствующими международным требованиям. В соответствии с международным и отечественным стандартами в настоящее время нормируется эмиссия несгоревших углеводородов (HC), оксида углерода (CO), оксидов азота (NOх), дыма (SN) и запрещается преднамеренный выброс топлива в атмосферу гражданской авиацией в зоне аэропортов. Впервые международный стандарт по эмиссии принят в 1981 г., с 1996 г. по настоящее время действуют более жесткие (на 20 %) международные нормы на эмиссию оксидов азота. В 1998 г. ИКАО приняла решение о дополнительном ужесточении норм на эмиссию NOх (приблизительно на 16 %) для новых двигателей и модификаций существующих двигателей, созданных после 31 декабря 2003 г. В настоящее время подавляющее большинство зарубежных двигателей удовлетворяет действующим и новым нормам ИКАО.

С учетом постоянного ужесточения международных норм по экологии гражданской авиации, а также на фоне экологического совершенства зарубежных двигателей крайне неудовлетворительно выглядит состояние авиадвигателей отечественных — более 80 % отечественного парка двигателей гражданской авиации не соответствуют международным и национальным нормам эмиссии вредных веществ. Проблема лучшего отечественного двигателя гражданской авиации РФ ПС-90А состоит в том, что он едва-едва, на пределе удовлетворяет действующим с 1996 г. нормам ИКАО на эмиссию оксидов азота NОх (79,2 г/кН против нормы 80,6 г/кН). На любые последующие модификации двигателя, созданные после 2003 г., распространяется действие более жестких норм, которым двигатель не будет соответствовать без доработки камеры сгорания.

Зарубежные фирмы ведут интенсивные работы по созданию камер сгорания для газотурбинных двигателей с уменьшенной в 2…3 раза эмиссией NОх по отношению к действующим нормам ИКАО 1996 г. Большинство разработчиков авиационных двигателей рассчитывают создать такие камеры к 2010 г.

Обширные научные исследования, по мнению ИКАО, пока не подтвердили существенного влияния авиации на озоновый слой Земли при полетах в верхних слоях атмосферы. Возможно, при увеличении парка сверхзвуковой пассажирской авиация это влияние будет сильнее. Поэтому в настоящее время ряд международных научно-исследовательских и опытно-конструкторских программ направлен на создание камер сгорания для сверхзвуковых самолетов с индексом эмиссии оксидов азота 5 г/кг (граммов NОх на килограмм сгоревшего топлива).

Учитывая достигнутый зарубежными авиационными двигателями уровень эмиссии NOх (см. «Двигатель», 1999, № 2) и современную позицию государств, входящих в ИКАО, можно с уверенностью утверждать, что неизбежно дальнейшее ужесточение норм на эмиссию NОх в рамках действующей процедуры нормирования эмиссии вблизи аэропортов.

В настоящее время политика в области охраны окружающей среды от воздействия авиации определяется рядом межгосударственных соглашений:

Рамочная конвенция ООН об изменении климата (1992 г.);
Киотский протокол по парниковым газам, влияющим на климат (1997 г.);
Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой (1987 г.).

В решении проблем эмиссии авиационных двигателей участвует не только ИКАО, но и ряд организаций ООН:

Межправительственная группа экспертов по изменению климата;
Всемирная метеорологическая организация и др.

Согласно Киотскому протоколу стороны, подписавшие его (84 страны, включая Россию), обязуются сократить совокупные выбросы шести «парниковых» газов (из которых самое прямое отношение к авиации имеет углекислый газ) по меньшей мере на 5 % по сравнению с уровнем 1990 г. в период действия обязательств сторон с 2008 по 2012 г. Российской Федерации, как стране, переходящей к рыночной экономике, надлежит не превышать общегосударственный уровень 1990 г. по эмиссии СО2.

По-видимому, такое требование распространится и на авиационную технику.

Методику расчета эмиссии углекислого газа ИКАО не разрабатывает, т.к. это вещество является продуктом сгорания авиационного керосина и его количество напрямую зависит от количества сгоревшего топлива. В связи с ростом пассажирских воздушных перевозок и увеличением потребления авиационного керосина для сдерживания эмиссии СО2 исключительно важное значение приобретает топливная эффективность воздушных судов. По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата мировой рост в 1990-2015 гг. воздушных перевозок составит 5 % в год, потребления топлива — 3 % в год, а топливная эффективность новых воздушных судов, поступающих в эксплуатацию, в 1997-2015 гг. в среднем повысится на 20 %, т.е. приблизительно на 1 % в год.

Читать еще: Что такое предпусковой прогрев двигателя

Для ограничения эмиссии СО2 ИКАО совместно с другими организациями ООН предполагает разработать не запретительные меры (как в случае с авиационным шумом), а так называемые «рыночные методы» регулирования — к 2008 г. создать систему обмена квотами на эмиссию СО2 воздушных судов между странами, а также ввести систему пошлин (сборов) за эмиссию.

На последнем заседании (январь 2001 г.) Комитет ИКАО по охране окружающей среды от воздействия авиации принял решение (CAEP/5-WP/86) о разработке и принятии в 2004 г. на следующем своем заседании ряда мер по ограничению нормируемых в настоящее время вредных веществ: НС, СО, NОх и дыма. В частности, предполагается ввести запрет на эксплуатацию авиационных двигателей, не соответствующих международным нормам. В случае принятия такого решения ИКАО будут запрещены полеты на международных линиях гражданских самолетов, оснащенных практически всеми отечественными двигателями (включая двигатель ПС-90А), если их экологические характеристики не будут улучшены до нормативных уровней. С учетом процедуры принятия решений в ИКАО датой фактического запрета на полеты может быть 2008 г. Следует также принимать во внимание особую, более жесткую позицию в области экологии авиации стран Европейского Содружества: аналогичные вопросы они планируют рассмотреть уже в 2003 г. И пока еще не известно, не придвинется ли срок введения запретов еще ближе.

Исследование влияния эмиссии авиационных двигателей на окружающую среду

На протяжении многих лет в институте ведутся исследования условий образования, состава конденсационных следов самолетов, прогноза их образования и характеристик. Эти исследования позволяют оценить возможности уменьшения конденсационных следов и снижения их вредного влияния на климат Земли при полетах самолетов с различными типами ГТД с учетом трасс полетов и особенностей состояния атмосферы в различных регионах.

В обобщенном отчете международной комиссии «Авиация и глобальный климат Земли» показано, что помимо непосредственного загрязнения атмосферы окислами углерода и азота (СО2 и NOx ) эмиссия авиадвигателей в крейсерских полетах современных самолетов приводит к образованию конденсационных следов, что инициирует образование перистых облаков, а перистая облачность играет главную роль в радиационном балансе теплообмена между атмосферой и поверхностью земли.

СО2 и вода, являясь продуктами сгорания углеводородного топлива, образуются на всех этапах полета и при сгорании каждого килограмма топлива образуется 3,1 кг СО2 и 1,24 кг воды. Наряду с СО2 , конденсационные следы и перистые облака равномерно распространяются в атмосфере и способствует возникновению парникового эффекта.

Конденсационные следы образуются в результате конденсации и замерзания водяного пара, содержащегося в выхлопной струе авиадвигателей. Конденсационные следы образуются на тех же высотах, что и перистые облака, по структуре они близки к ним и их даже называют искусственными перистыми облаками (Cirrus tractus).

Институт проводит экспериментальные исследования с использованием аппаратуры для измерения влажности воздуха, водности жидкой и кристаллической фаз облака, дисперсности и концентрации частиц аэрозолей, установленой на летающую лабораторию Ту-154.

В ЛИИ разработана качественно новая (по сравнению с применяющимися в международной практике) методика оценки условий образования устойчивых конденсационных следов (КС) в крейсерских полетах самолетов с ГТД, обеспечивающая получение данных по образованию КС конкретного самолета, необходимых для оценки парникового эффекта, создаваемого КС и образованных (инициированных) ими перистых облаков.

Перспективы использования разработанной методики для оценки возможного уменьшения образования КС при полетах самолетов с применяющимися и перспективными ТРДД подтверждены расчетами и результатами наблюдений образования КС на международных трассах, проводимых с помощью мобильного комплекса, при полетах самолетов Ту-154М, В777, В747, В767, В757, В737, А310, А330, А319, А320, А321, А340, Як-42.

Даны рекомендации по дальнейшему проведению исследований с целью количественной оценки возможного уменьшения образования КС конкретных самолетов при полетах на различных трассах в различное время года и суток и формированию требований по использованию показателей «экологического паспорта» конкретного самолета по образованию КС, характеризующих образованный ими парниковый эффект, аналогичный показателю парникового эффекта от СО2, составляющей эмиссии ГТД наряду с парами воды.

Двигатель ПД-14 получил сертификат ИКАО образца 2020 года и сможет выполнять международные полеты

ЦИАМ в ИКАО: история и современность

Экологическая миссия ИКАО

«Точка» особого контроля ИКАО — экологическая обстановка в районе аэропортов, зоны непосредственного воздействия шума при взлете и посадке самолетов. Здесь введены жесткие требования в части шума и эмиссии вредных веществ от авиационных двигателей: несгоревших углеводородов, оксида углерода, оксидов азота (NOx) и дыма. Запрет также введен на преднамеренный выброс топлива в атмосферу после останова двигателя. Действующий стандарт по выделению в атмосферу вредных веществ дополнен требованием по ограничению эмиссии нелетучих твердых частиц. Он вступает в силу с 2020 года для производимых и с 2023 года — для новых двигателей. Кроме того, разработан и вводится в действие с 2020 года новый международный стандарт на ограничение эмиссии углекислого газа (СО2), источником которого являются авиадвигатели.

Для улучшения качества воздуха вблизи аэропортов ИКАО наложила запрет на производство двигателей, не соответствующих нормам ИКАО по эмиссии вредных веществ вблизи аэродромов 2008 года (САЕР/6), а также предполагает ужесточить нормы на эмиссию NOx от авиационных двигателей на 45% (к 2020 году) и на 60% (к 2030 году) по сравнению с нормами САЕР/6. После 2023 года ИКАО планирует введение норv на эмиссию NOx в полете на уровне 5…10 г/кг (в граммах на килограмм сгоревшего топлива).

Что касается шума, то вблизи аэропортов ИКАО недавно дополнительно ужесточила нормы на 7 EPN дБ относительно требований Главы 4 международного стандарта. К 2028 году планируется дальнейшее ужесточение этого показателя.

По букве стандарта

Согласно действующим международным договорам и законодательству России, а также проводимой государственной политике в области развития воздушного транспорта, требования к экологическим характеристикам перспективных летательных аппаратов, устанавливаемые ИКАО, будут автоматически применяться и в нашей стране.

Стандарты не допускают возможности эксплуатации устаревших типов воздушных судов, поэтому необходимо формировать опережающий научно-технический задел при создании перспективных летательных аппаратов с учетом действующих и планируемых экологических требований ИКАО. На это направлена основная деятельность ЦИАМ, на протяжении полувека сотрудничающего с ИКАО.

Институт разрабатывает мероприятия по модернизации эксплуатируемых отечественных двигателей гражданской авиации для их соответствия нормам ИКАО, требованиям ЕС и международных региональных организаций с учетом технической достижимости и экономической обоснованности указанных мероприятий.

Для соответствия новым международным требованиям по экологии ЦИАМ проводит работы по созданию технологий, позволяющих авиационным двигателям стать более экологичными в отношении шума, эмиссии вредных веществ и расхода топлива (эмиссии СО2). Исследования включают разработку опережающих технологий, которые обеспечат снижение шума вентиляторов перспективных двухконтурных турбореактивных двигателей, шума внутреннего контура, включая компрессор, камеру сгорания и турбину, шума выхлопной струи и уменьшение выбросов вредных веществ.

Прорыва в уменьшении вредного воздействия авиации на окружающую среду можно достичь и посредством поэтапной разработки революционных технологий. Именно поэтому все ведущие страны изучают возможность перехода на гибридные и полностью электрические двигатели, которые могут обеспечить существенный выигрыш и по экологичности, и по экономичности. ЦИАМ находится в мировом тренде и ведет разработку гибридного (мощностью 500 кВт) и электрического (мощностью 60 кВт) двигателей-демонстраторов, конструктивная схема которых позволяет снизить объем выделения вредных веществ. Разработанные ИКАО международные экологические стандарты содержатся в Приложении 16 «Охрана окружающей среды» к Конвенции о международной гражданской авиации, включающем несколько томов: «Авиационный шум» (том I), «Эмиссия авиационных двигателей» (том II), «Эмиссия CO2 самолетов» (том III), «Система компенсации и сокращения выбросов углерода для международной авиации (CORSIA)» (том IV).

Последний регламент, уже одобренный ИКАО, — «Система компенсации и сокращения выбросов углерода для международной авиации (CORSIA)» — вызвал немало споров. В документе предлагается ввести в действие новый международный стандарт по глобальной системе рыночных мер в качестве механизма снижения эмиссии углерода каждой страной. Другими словами, за превышение выделенных квот на выбросы вредных веществ в атмосферу авиаперевозчикам придется платить дополнительный сбор. Эта инициатива, которую обсуждали и на прошедшей в этом году юбилейной 40-й сессии Ассамблеи организации в Монреале, неоднозначно воспринимается рядом государств, в том числе Россией, Китаем, Индией и другими государствами. Эксперты считают, что компенсационная схема CORSIA — это попытка возложить дополнительное и неоправданное финансовое бремя на гражданскую авиацию, которое только помешает ее устойчивому развитию.

Читать еще: В чем разница между коллекторным и асинхронным двигателями

Тем не менее, пилотный экспериментальный проект уже запущен в добровольном режиме в 2019 года, а с 2027 года участвовать в программе должны будут авиакомпании всех государств — членов организации. В разработанной САЕР системе CORSIA приветствуется использование альтернативных топлив (теперь они называются устойчиво производимые авиационные топлива). Их применение авиакомпаниями позволит заметно снизить их компенсационные обязательства и соответствующие платежи за выброс парниковых газов. ЦИАМ не только участвует в разработке нормативных документов по авиационным горюче-смазочным материалам, но и активно исследует возможности применения альтернативных топлив.

Эксперты ЦИАМ в ИКАО

СССР присоединился к ИКАО в 1970 году. В этот период в мире резко активизировались коммерческие перевозки с использованием турбовинтовых самолетов, начали использоваться сверхзвуковые пассажирские воздушные суда. Это привлекло внимание к изучению проблем воздействия авиации на экологию. В 1983 году в результате объединения Комитетов по авиационному шуму (CAN) и эмиссии авиационных двигателей (CAEE) был создан Комитет по охране окружающей среды от воздействия авиации (CAEP, Committee on Aviation Environmental Protection). Он стал помогать организации формулировать политику и принимать новые регламентируюшие документы ИКАО — «Стандарты и рекомендованная практика» (SARPs), связанные с авиационным шумом, эмиссией вредных веществ от авиадвигателей и более общим влиянием авиации на окружающую среду.

Представителем СССР, а позднее Российской Федерации, в комитетах CAEE и CAEP ИКАО с момента их образования до 1997 года был сотрудник ЦИАМ Алексей Горбатко. Он принимал участие в разработке первого издания международного стандарта по эмиссии (том II «Эмиссия авиационных двигателей» Приложения 16), советского стандарта «Охрана природы. Атмосфера. Газотурбинные двигатели самолетов гражданской авиации. Нормы и методы определения выбросов загрязняющих веществ».

Алексей Горбатко — также один из авторов международной научной монографии Aviation and the Global Atmosphere, IPCC, Cambridge University Press, 1999 («Авиация и глобальная атмосфера», Рамочная конвенция по изменению климата), на многие годы определившей деятельность ИКАО в области охраны окружающей среды от воздействия авиации.

В 1997 году на посту представителя России в CAEP Алексея Горбатко сменил сотрудник ЦИАМ Сергей Волков. Вместе с коллегами он активно отстаивал интересы российских разработчиков и эксплуатантов авиационной техники при изменении международных стандартов (том I «Авиационный шум», том II «Эмиссия авиационных двигателей») и разработке тома III «Эмиссия СО2 самолетов». Сергей Волков — инициатор и один из разработчиков первого издания Авиационных правил АП-34 «Охрана окружающей среды. Эмиссия вредных веществ авиационными двигателями. Нормы и испытания» 2003 года.

С 2018 года официальным представителем России в САЕР снова назначен сотрудник ЦИАМ: им стал начальник сектора отдела исследования эффективности применения силовых установок на летательных аппаратах ЦИАМ Артур Мирзоян.

Следует отметить, что все эти годы в рабочих группах САЕР ИКАО постоянно работали эксперты из ЦИАМ, ЦАГИ, ГосНИИГА и других организаций, без помощи которых невозможна успешная защита интересов отечественных авиапроизводителей и эффективная работа представителя России в САЕР ИКАО.

Примеров успешного участия экспертов ЦИАМ в работе САЕР немало.

В рамках процесса, реализуемого Группой независимых экспертов САЕР, каждые три года готовятся прогнозы относительно снижения шума, эмиссии вредных веществ и потребления топлива на среднесрочную (10 лет) и долгосрочную (20 лет) перспективы. В части прогнозирования эффективности современных и будущих технологий снижения шума самолетов на местности активно принимал участие сотрудник ЦИАМ, член рабочей группы САЕР по шуму, начальник сектора отделения компрессоров ЦИАМ Юрий Халецкий.

C 2012 г. ЦИАМ принимал активное участие в разработке нового Стандарта ИКАО по эмиссии СО2. Усилиями Института были приняты нормы по эмиссии углекислого газа для производимых и новых самолетов на уровнях, которые устраивали отечественных производителей. Вклад ЦИАМ в международный стандарт ИКАО по эмиссии СО2 в 2013 г. был отмечен призовым местом в конкурсе «Авиастроитель года-2013» Союза авиапроизводителей России в номинации «За вклад в разработку нормативной базы в авиации и авиастроении».

Активно ЦИАМ совместно с АО «ОДК-Авиадвигатель» включился и в разработку новых норм CAEP по эмиссии нелетучих твердых топливных частиц. Благодаря этому удалось убедить законодателей принять такие нормы для производимых и новых авиадвигателей, которым удовлетворяют двигатели ПД-14 и ПС-90А. В этом году эта работа также была отмечена наградой в конкурсе «Авиастроитель года-2018».

Эмиссия авиационных двигателей что это