CC BY
62
УДК 629.7.036.34+502.55
УЧЁТ ВЛИЯНИЯ НОВЫХ ТИПОВ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ НА ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ СИТУАЦИЮ
© 2012 В. Ф. Копьев, А. Г. Мунин, Ю. В. Медведев
Центральный аэрогидродинамический институт имени Н.Е. Жуковского, г. Москва
Рассматривается самолётоцентрированная экологическая модель для определения шумового воздействия и эмиссии загрязняющих веществ. Применяемые методы позволяют оценивать экологические характеристики как существующих, так и перспективных воздушных судов. В качестве примера приведены расчёты для ряда задач с соответствующим анализом результатов.
Экология авиации, прогнозирование, акустика, эмиссия загрязняющих веществ.
В настоящее время расширение городов приводит к тому, что жилая застройка вплотную примыкает к авиатранспортным предприятиям. Даже несмотря на рост цен на авиационное топливо, имеет место положительная динамика в развитии рынка авиационных перевозок. Дополнительно существующие тенденции ужесточения экологических норм для воздушных судов гражданской авиации вынуждают авиационный промышленный сектор искать новые технологии и решения для удовлетворения настоящим и перспективным требованиям.
В сложившейся ситуации параллельно с разработкой и исследованием новых методов снижения негативного воздействия авиации на окружающую среду необходимо обладать корректным инструментом для самой оценки этого воздействия [1]. Таким образом, задача разделяется на два направления: эмиссия загрязняющих веществ и шумовое воздействие. Но оба эти направления анализируются совместно в предлагаемой самолётоцентрированной модели (рис. 1).
Концепция данного подхода заключается в том, что при оценке экологических параметров воздушного судна рассматривается самолёт целиком, а не отдельно авиационный двигатель как, например, источник выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов. В этом случае даже при рассмотрении различных типов воздушных судов с одними и теми же установленными авиационными двигателями инвентаризация выбросов загрязняющих веществ, равно как и шумовые характеристики, будут специфичными для каждого отдельного типа.
Более того, возможен учёт степени загрузки воздушного судна, изменяющегося на протяжении взлётно-посадочного цикла аэродинамического качества, марки авиационного топлива, а также метеорологических параметров.
Поскольку от точности полученных результатов зависят и экологические сборы, и размеры расчётной области негативного воздействия и, в частности, конкурентоспособность отдельного типа воздушного судна, а также иные показатели, важно рассматривать весь набор параметров, которые влияют на получаемые оценки.
В качестве очевидного примера, демонстрирующего, насколько высокую погрешность даёт стандартный двигателецен-трированный подход оценки эмиссии ЗВ, является случай, когда на различные, но близкие по показателям типы ВС устанавливаются одни и те же типы авиационных двигателей.
Применяемые методы позволяют оценивать влияние существующих и новых типов воздушных судов на экологическую ситуацию. Данная модель может быть применена как для оценки экологических параметров отдельного воздушного судна, так и для численного моделирования экологической обстановки вблизи авиатранспортных предприятий.
В последнем случае намного предпочтительнее использовать подход с рассмотрением нескольких сценариев. Поскольку проводится анализ задачи с рядом параметров, многие из которых имеют статистический характер, целесообразно рассматривать пессимистичный, реалистичный и оптимистич-
ный прогнозы. Так оценивается не только ожидаемое среднее значение негативного воздействия, но и его разброс в зависимости от колебаний тех или иных параметров.
В качестве демонстрации предлагаемого подхода приводятся результаты расчётов для набора из нескольких модельных типов воздушных судов, имеющих существующие аналоги. Расчёты были проведены как по стандартным методикам, не принимающим во внимание все спецификации самолёта, так и с применением самолётоцентрированного подхода. Проведённый анализ показывает, что в большинстве случаев при учёте наиболее возможного количества параметров задачи результат оказывается ниже, чем при использовании стандартных методик.
Дополнительно представлены расчёты для перспективных модельных воздушных судов. Их основным отличием от существующих аналогов является увеличенная топливная эффективность, применение более
совершенных систем шумоглушения, сниженные индексы эмиссии ряда загрязняющих веществ. Анализ полученных данных позволяет сделать несколько предположений о положительных изменениях в сфере экологии, которые могут быть достигнуты после ввода в эксплуатацию этих типов воздушных судов.
Предложенный подход даёт возможность проведения корректного количественного анализа экологических параметров воздушного судна и целого их набора по факторам шумового воздействия и эмиссии загрязняющих веществ. Дальнейшее применение модели позволит оценивать экологическую обстановку в районах авиатранспортных предприятий, а также создавать рейтинги существующих и перспективных воздушных судов по экологическим показателям, включая появляющуюся в настоящее время метрику по эмиссии углекислого газа.
САМОЛЕТОЦЕНТРИРОВАННАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Выбор траектории движения и режимов работы двигателей определяет фактическое экологические показатели.
Шасси генерируют шум на взлете и посадке и влияют на аэродинамическое качество.
Ґ "ч
Вспомогательная силовая
установка является
источником шума и ЗВ только
при наземных операциях.
У
Реактивная струя (и ее взаимодействие с закрылками) представляет особый источник шума, а также влияет на рассеяние загрязняющих веществ,
V________________________у
Планер дает свой вклад как источник шума, а также влияет на аэродинамическое качество и потребную тягу.
Авиационный двигатель на данный момент является основным ^источником шума ВС и ЗВ,^
Рис. 1. Схема предлагаемого самолётоцентрированного подхода
Помимо методов вычисления эмиссии ЗВ от авиационных двигателей существуют методики, позволяющие рассчитывать эмиссию ЗВ от вспомогательных силовых установок, установленных на ВС. Безусловно,
при оборудованных на перронах аэропортов систем подачи электропитания и кондиционированного воздуха нет необходимости запускать ВСУ, однако в остальных случаях это регламентированная операция. В этом
случае инвентаризация выбросов ЗВ от ВСУ необходима, поскольку это дополнительный заметный вклад в загрязнение атмосферного воздуха. В случае отсутствия данных об индексах эмиссии и расходе топлива через ВСУ можно воспользоваться одним из двух вариантов расчёта.
Если известны значения по термодинамическим параметрам для ВСУ и некоторые дополнительные данные, то можно провести оценку индексов эмиссии и, как следствие, оценить выбросы ЗВ. Если ситуация такова, что данных крайне мало, можно воспользоваться одним из рекомендованных документов ИКАО для приблизительной оценки. В любом случае этот анализ должен быть проведён, если целью ставится не только качественное, но и ко-
личественное определение негативного воздействия авиации вблизи аэропорта [3].
При рассмотрении взлётно-посадочного цикла наиболее непредсказуемым в смысле продолжительности является режим малого газа, поскольку он не только специфичен для каждого аэропорта ввиду взаимного расположения перрона и торца ВПП, но и сильно зависит от загруженности движения по территории аэропорта и иных факторов. Поэтому для получения максимальной точности целесообразно использовать реальные данные. Например, в проведённом анализе были использованы как стандартные значения продолжительности этапов ВПЦ, так и реальные, специфичные для каждого отдельного рейса (рис. 2).
I СО Шх
сн
Стандартный Стандартный Реальный ВПЦ Учет загрузки
ВПЦ ВПЦ+ВСУ +ВСУ +ВСУ
Рис. 2. Пример инвентаризации выбросов ЗВ
При расчёте шумовых характеристик модельного воздушного судна использовалась метрика ЕРМВ (рис. 3). Несмотря на то, что она применяется для сертификации ВС по шуму, она может быть использована для оценки площади вблизи авиатранспортного предприятия [2], освобождающегося от негативного воздействия при снижении значений ЕРМс1В. Цель анализа заключается в разработке гармонизированных ужесточений норм, с одной стороны дающих максимальную экологическую и экономическую выгоду, с другой - достижимых и оптимальных для авиаперевозчиков и авиационной промышленности в целом.
Таким образом, при постепенном введении в эксплуатацию новых типов ВС и снятии с эксплуатации судов, выработавших свой ресурс или не соответствующих новым экологическим нормам, экологическая ситуация может метаться как в худшую, так и в лучшую сторону. Это будет зависеть от того, какие тенденции будет иметь интенсивность авиаперевозок, какие процедурные требования по взлёту и посадке будут внедрены. Фактически анализ проводится в таком направлении, чтобы вводимые перспективные ужесточения сохранили возможность и доступность авиаперевозок при условии не ухудшения экологической ситуации.
105
■ Текущий уровень
■ Системы шумоглушения С учетом загрузки ВС
Точка 1 Точка 2 Точка 3
Рис.З. Пример расчёта уровней шума в контрольных точках
Рассмотрим следующую ситуацию. Анализ будет проводиться для отдельного дня в году, чтобы избежать громоздкости задачи и на простом примере описать некоторые нюансы. Пусть существующее авиатранспортное предприятие в рассматриваемый день обслуживает 50 взлётно-посадочных операций. Ниже на схеме показаны различные этапы развития предприятия и тенденции роста авиатранспортных перевозок за счёт роста спроса. Из анализа исключаем экономические эффекты и связанные с ним детали, считая спрос независимым в данной постановке параметром.
На рис. 4 представлена условная схема рассматриваемого комплексного процесса.
Пусть в 2010 году авиатранспортное предприятие использовало ВСУ, однако в последующие годы оно перейдет на использование внешних источников питания и кондиционированного воздуха у перрона. Предположим, что каждые 5 лет прирост авиаперевозок будет составлять 20% от предыдущего периода, а также с 2020 года каждые 5 лет авиапарк на треть будет обновляться на более совершенные воздушные суда (рис.4). В данном случае важен не сам авиапарк, а количество ВПЦ в рассматриваемый день. Будем предполагать, что в 2010 году в моделируемый период совершалось 20 взлётно-посадочных циклов, причём соотношение ДМС и СМС в авиапарке сохраняется.
Парк ВС
ВСУ уу X X X X
ВПЦ Л +20% Т+20% ї+20% Т+20%
2010
2015
2020
2025
2030
(Глава 4) -5 дБ
Рис.4. Рассматриваемый перспективный сценарий развития авиатранспортного предприятия
В результате проведённых вычислений получаем следующую динамику эмиссии загрязняющих веществ и парниковых газов (рис. 5). Указан не только построенный прогноз, но и дополнительно представлены расчёты для следующих сценариев:
1) авиатранспортное предприятие не обновляет авиапарк (заменяет исчерпавшие ресурс ВС на идентичные) на протяжении рассматриваемого периода (нейтральный рост);
2) авиатранспортное предприятие не обновляет авиапарк и продолжает использовать ВСУ на протяжении рассматриваемого периода (с учётом ВСУ).
Как видно из представленных диаграмм, детальный учёт параметров, влияющих на задачу, и таких внешних факторов, как дополнительные вводимые ограничения, может в значительной степени изменить результаты вычислений.
1ЧОх
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2025
НС
-Нейтральный рост -С учетом ВСУ -Прогноз
2035
-Нейтральный рост -С учетом ВСУ -Прогноз
-Нейтральный рост -С учетом ВСУ -Прогноз
Рис. 5. Результаты расчётов по сценариям развития авиатранспортного предприятия
В данном анализе не учитывались экономические выгоды от предлагаемых сценариев. Однако стоит отметить, что при использовании данных о системе торговли квотами на эмиссию ПГ и экологических сборах на основании полученных результатов вычислить экономический эффект от вводимых процедур.
В анализе не учитывались мелкие аэропортовые источники, которые фактически являются нерелевантными для проводимого исследования [4]. Следует отметить, что зачастую очень много внимания уделяется таким источникам, влияние которых пренебрежимо мало на формируемую санитарнозащитную зону. Однако недостаточно внимания уделяется основным источникам ЗВ -воздушным судам.
Данный модельный пример показывает, насколько может самолётоцентрированный подход качественно изменить проводи-
мый анализ и предоставить более точную информацию, необходимую для оценки негативного воздействия авиатранспортного предприятия на окружающую среду.
Важно отметить тот факт, что в подавляющем большинстве случаев детализация проекта оказывается выгодной для аэропортов и аэродромов: фактические выбросы ЗВ оказываются ниже оценочных, полученных по менее точным подходам.
Библиографический список
1. Копьев, В.Ф. Проблемы экологии летательных аппаратов. [Текст] / В.Ф. Копьев, А.Г. Мунин, С.А. Чернышев // ТВФ. - 2012. -№1. - С. 40-46.
2. Приложение 16 к Конвенции о международной гражданской авиации «Охрана окружающей среды». Т.1. «Авиационный шум». - Международная организация гражданской авиации, 2011.
3. Приложение 16 к Конвенции о международной гражданской авиации «Охрана окружающей среды». Т. 2. «Эмиссия загрязняющих веществ». - Международная организация гражданской авиации, 2011.
4. Медведев, Ю.В. Моделирование воздушного судна как источника загрязняющих
веществ. Расчёт концентраций загрязняющих веществ в районе аэропорта для прогнозирования экологической ситуации [Текст] / Ю.В. Медведев // Тез. докл. второй всерос. открытой конф. по авиационной акустике. -М. -2011. -С. 175-176.
EFFECT OF THE NEW AIRCRAFT TYPES ON THE ENVIRONMENTAL SITUATION
© 2012 V. F. Kopiev, A. G. Munin, Yu. V. Medvedev Central Aerohydrodynamics Institute (TsAGI), Moskow
The aircraft centered environmental model for calculation of the pollutant emission and noise impact is considered. The methods applied allow evaluating the environmental parameters for modern aircraft types as well as for those being under development. As the example a number of calculation results with the corresponding analysis is presented.
Aviation ecology, forecasting, acoustics, pollutant emission.
Информация об авторах
Коиьев Виктор Феликсович, профессор, доктор физико-математических наук, начальник акустического отделения, Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского, г. Москва. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: аэроакустика.
Мунин Анатолий Григорьевич, профессор, доктор технических наук, главный научный сотрудник, Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского, г. Москва. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: аэроакустика.
Медведев Юрий Владимирович, младший научный сотрудник, Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского, г. Москва. E-mail: yuriv.medved@,gmail.com. Область научных интересов: авиаэкология (акустика и эмиссия загрязняющих веществ и парниковых газов).
Kopiev Victor Feliksovich, professor, doctor of physical and mathematical sciences, head of acoustic department. Central Aerohydrodynamics Institute (TsAGI). E-mail: vkopiev@,mktsagi.ru. Area of research: aeroacoustics.
Munin Anatoly Grigoryevich, professor, doctor of technical sciences, chief researcher. Central Aerohydrodynamics Institute (TsAGI). E-mail: aero acoustic s @,mkt sagi.ru. Area of research: aeroacoustics.
Medvedev Yury Vladimirovich, research assistant. Scientific Research Moscow Complex Central Aerohydrodynamics Institute (TsAGI). E-mail: [email protected]. Area of research: aviation ecology (acoustics and pollutant emission).
