Журнал: "Транспортная стратегия XXI век" статья: Вопросы оптимизации загрязнения зоны аэропортов выхлопными газами турбореактивных двигателей самолетов | Издательский дом
#

Вопросы оптимизации загрязнения зоны аэропортов выхлопными газами турбореактивных двигателей самолетов

 

Председатель Межгосударственного авиационного комитета,д.т.н., профессор Татьяна Анодина

Аспирант Национального аэрокосмического агентства, г. Баку   Ибрагим Шаиг оглы Магеррамов   

 

Эмиссии с двигателей самолетов в атмосферу наиболее сильны при выруливании к полосе, выруливании от полосы, а также при взлете и посадке. Наиболее опасными загрязнителями, выбрасываемыми авиационными двигателями в атмосферу, являются СО, NOx,SO2и аэрозоли (PM). Используются такие показатели загрязнения атмосферы, как (1) коэффициент эмиссии, определяемый отношением веса эмитируемых веществ к количеству потребляемого топлива; (2) скорость потребления топлива; (3) длительность выполняемых операций на каждом этапе. При выруливании к полосе и при холостом ходу двигателя коэффициенты эмиссии углеводородов (HC) и СО наиболее высокие.

 

 

Предлагаемый нами метод оптимизации этапа выруливания самолетов по взлетной полосе позволяет выбрать большое количество оптимальных решений, синтезируемых на базе исходно задаваемых ограничений на суммарное загрязнение атмосферы,чем выгодно отличается от метода перебора известных стратегий реализации этапа.

 

Как отмечается в работе [1], вопрос об эмиссиях с двигателей самолетов в атмосферу начал исследоваться последние два десятилетия. Эмиссии с самолетов в атмосферу наиболее сильны в следующих стадиях всего полетного цикла: подход, выруливание к полосе; выруливание от полосы; взлет; посадка. В каждом из этих стадий двигатели самолета работают при относительно постоянной нагрузке и общие эмиссии могут быть вычислены с учетом коэффициента эмиссии каждого типа двигателя. Наиболее опасными загрязнителями атмосферы, выбрасываемыми авиационными двигателям в атмосферу, являются СО, NOx,SO2и аэрозоли (PM). Используются следующие показатели загрязнения атмосферы этими веществами: (1) коэффициент эмиссии, определяемый отношением веса эмитируемых веществ к количеству потребляемого топлива; (2) скорость потребления топлива; (3) длительность выполняемых операций на каждом этапе. На этапе выравнивания к полосе и при холостом ходу двигателя коэффициенты эмиссии углеводородов (HC) и СО наиболее высокие.

 

            В общем случае инвентаризация эмиссии осуществляется по следующей формуле EPA.

 

      (1)

 

 

 где: TIMjk – время, затраченное самолетом типа jв режиме k.

FFjk –циркулирование топлива в двигатель самолета типа jв режиме k.

EIijk – коэффициент эмиссии загрязнителя i самолетом типа jв режиме k.

NEj – количество двигателей в самолете типа j.

Если рассматривать только этап выруливания к полосе, формула (1) принимает следующий вид

 

 

      (2)

 

 

 В таблице 1 приведены коэффициенты эмиссии для этапа выруливания ко взлетной полосе [1].

Tаблицa1

Тип самолета

Скорость эмиссии (lb/1000 lb)

Коэффициент эмиcсии (lb/мин)

HC

CO

NOx

HC

CO

NOx

Boeing 777

1,92

21,86

4,80

0,106

1,203

0,264

Boeing 767

8,99

41,66

3,79

0,492

2,281

0,207

Boeing 757

2,85

15,44

4,30

0,143

0,776

0,216

Boeing 737

1,83

31,00

3,90

0,059

0,992

0,125

Региональные ERJ-135

0,55

20,15

3,10

0,011

0,413

0,063

 

 

Согласно работе [2], в основных аэропортах Европы современные самолеты затрачивают 10–30% всего времени полета на этап выруливания ко взлетной полосе, а самолет типа А320 тратит приблизительно 5–10% своего топлива на земле.

Как указывается в работе [3], наиболее точные значения коэффициентов эмиссии СО, NOxиHCимеются в базе данных ICAO. При модельных вычислениях рекомендуется использовать следующие значение коэффициентов эмиссии:

            EI(CO2) = 3,155 г/кг

            EI(SOx) = 1,237 г/кг

            EI(H2O) = 0,8 г/кг

 

            Согласно работе [4], окиси азота (NOx) и углеводороды (HC) являются прекурсорами появления приземного озона, который вызывает проблемы в функционировании легких, усугубляет такие болезни, как астма, хронический бронхит, эмфизема. При этом в США 96% всех задержек полетов происходит на земле, в аэропортах.

Согласно работе [4], анализ функционирования аэропортов в Орландо и Нью-Йорке показал, что для уменьшения выбросов СО, NO,SOх, HCна 27% требуется уменьшение времени выруливания ко взлетной полосе соответственно на 27 и 45%.

 

 Согласно работе [5], в целях оптимизации этапа выруливания самолета к полосе взлета при вылете или к выходу аэропорта при приземлении в смысле минимальных выбросов в атмосферу следует рассматривать четыре стратегии реализации этого этапа:

1) выруливание со всеми работающими двигателями;

2) выруливание с одним работающим двигателем;

3) операционное буксирование;

4) выполнение операции с помощью электрических приспособлений в носовой части самолета.

 

При выполнении первой стратегии все двигатели работают в режиме холостого хода, расход топлива и эмиссия HCи СО увеличиваются. Согласно подсчетам компании Airbus, использование дополнительного силового агрегата для операции выталкивания при выруливании в течение 12 мин. приводит к трате 300 кг топлива для А320 и 60–70 кг для А340.

 

            При выполнении второй стратегии используется только один двигатель для выруливания. При этом можно достичь от 32 до 50% сокращения объема эмиссии в атмосферу. Однако эта операция считается опасной, т.к. возможны реактивные взрывы, в особенности у широкофюзеляжных самолетов.

Выбор стратегии определенного буксирования дает определенные преимущества при малых эмиссиях буксира в окружающую среду, а вариант использования носового электрического приспособления позволяет исключить также эмиссии буксиром.

 

            В работе [5] сообщается о разработке модели для оптимизации условий эмиссии выбросов в атмосферу с учетом всех четырех вышеуказанных стратегий, где были использованы данные, взятые с банка ICAO. При этом суммарные эмиссии вычислялись по формуле:

 

     

где: QE – суммарные эмиссии в течение выруливания (гр);

nmax – суммарное количество авиадвигателей;

QA.X.X. – потребление топлива авиадвигателями в режиме холостого хода (кг/с);

twucd – суммарное время для нагрева или охлаждения авиационного двигателя;

EIX.X. – коэффициент эмиссии авиадвигателей в режиме холостого хода (гр. эмиссии / кг топлива);

QE.str – коэффициент эмиссии при выруливании (г/с);

t – общее время выруливания.

Применительно к рассматриваемой модели были исследованы аэропорт Скифол Амстердама и Международный аэропорт Куала-Лумпур. Детальный анализ указанных аэропортов в [5] позволит дать количественную оценку вышеуказанным четырем стратегиям (таблица 2).

 Таблица 2

    Стратегия

Загрязнители

A

B

C

D

CO2

1

3,39

2,51

2,51

2,00

2

3,65

2,76

2,68

2,23

HC

1

2,59

1,91

1,49

1,34

2

2,34

1,77

1,38

1,26

CO

1

23,25

17,15

13,97

11,91

2

20,37

15,40

12,65

10,89

NOx

1

4,69

3,47

4,80

3,28

2

5,60

4,22

5,34

3,99

 

Цифрами указаны: 1 – данные по аэропорту Скифол, Амстердам;

         2 – данные по аэропорту Куала-Лумпур.

 

Оптимизация, предлагаемая в работе [5], заключается в выборе той стратегии выполнения этапа выруливания, при которой суммарные эмиссии в атмосферу минимальны.

Таким образом, существующий вариант оптимизации фактически является перебором имеющихся стратегий и не допускает возможности синтеза какого-либо нового варианта решения задачи. Далее в настоящей статье рассматривается возможность оптимизации реализации этапа выруливания в аэропортах с применением метода линейного программирования. Для этого воспользуемся некоторыми результатами работы [6]. Согласно работе [6] каждый тип самолета характеризуется семейством графиков, отображающих эмиссии в атмосферы различных загрязнителей в зависимости от длительности времени выруливания (рис. 1).

    

α4

α3

α2

α1

VOC

SOX

NOX

CO

TB

150

100

50

500

1000

γ

 

Рис. 1.Зависимость количества эмитируемых в атмосферу загрязнителей от времени выруливания

 

 На рис. 1 указана зависимость показателя γ, определяемого как

                 (3)

где: Рзаг. – вес загрязнителя атмосферы в граммах;

  Ротп. – отправной вес самолета в тоннах;

 от ТВ – время выруливания.

Допустим, что в аэропорту обслуживаются n типы самолетов, а количество загрязнителей атмосферы m. Считаем, что каждый тип самолета имеет определенное оптимальное время выруливания, которое должно быть вычислено с учетом ограничений, налагаемых на суммарные загрязнения атмосферы отдельными типами загрязнителей.

Такие ограничения в методе линейного программирования имеют вид:                      

      (4)

В ограничительных условиях (4) для упрощения записи условно допущено, что с каждого типа самолетов имеется всего лишь один экземпляр.

 При этом постоянные ajобозначают допустимое суммарное загрязнение аэропорта компонентом j.

 В качестве целевой функции выбираем следующее условие:

           (5)

 т.е. суммарное время выруливания должно быть сведено к минимуму.

Отметим, что для решения сформулированной выше задачи оптимизациимогут быть использованы различные методы, реализуемые с помощью компьютерных программ.

            Наиболее наглядное решение задачи оптимизации получается при n = 2; m= 3.

В этом случае система неравенств (4) принимает следующий вид:

          (6)

          (7)

           (8)

Условия (5) принимают следующий вид:

                          (9)

Графическое условное решение задачи (6), (7), (8), (9) приведено на рис. 2.

        

Рис. 2.Графическое решение оптимизационной задачи (6)–(9).

Принятые обозначения: aa1, bb1, cc1 – соответственно ограничительные линии, соответствующие условиям (6)–(9); OO1 –центральная линия, формируемая из условия t1 + t2 = 0; d12d22 – смещенная позиция линии d11d21; S – оптимальная точка, позволяющая выбрать оптимизационные значения t1и t2оси ординат и абсцисс.

            Таким образом, как видно из решения выше рассмотренной задачи, удается определить оптимальные величины t1optи t2opt, соответствующие оптимальному времени выруливания самолетов первого и второго типов.

 В заключение отметим, что предлагаемый нами метод оптимизации этапа выруливания самолетов по взлетной полосе позволяет выбрать большое количество оптимальных решений, синтезируемых на базе исходно задаваемых ограничений на суммарное загрязнение атмосферы,чем выгодно отличается от метода перебора известных стратегий реализации этапа.

       

 

 

            Литература:

1.    Aviation Emissions, Impacts & Mitigation a primer http://www.faa.gov/regulations_policies/plicy_ guidancr/enver_plicy/media/Primer_Jan2015.pdf

2.    Travis M.N.Aircraft Greenhause Gas Emissions during the Landing and take if Cycle at bay area airports. http://repository.usca.edu/capstone

3.    Uncertain but do not contrubute much to natioal totals.http://www.ipccnaggio.iges.or.jp/gp/bgp/2_5_Aircraft.pdf Aircaraft emissions.

4.    Aircraft and Airport-Related haArdous Air Pollutants: Resarch Needs and Analysis htpp://onlinenubs trb.org/onlinenubs/acrp/acrp_rpt_007.pdf

5.    Ithnan M.I.MD, Selderbeek T., Beelaerts van Blokland W.W.A., Lodewijks G.Aircraft Taxiing Strategy Optimization.

 http://rstail.nl/new/wp-content/uploads/2015/02/izzudin_ithnan.pdf

6.    Ratliff G., Sequeira Ch., Waitz I., Ohsfeldt M., Thrasher T., Graham M., Thompson T.Aircraft impacts on local and regional air quality in the United States. Partner Project 15 final report. October 2009.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Яндекс.Метрика