Автор:
Зиннатуллин Альмир Альбертович, МОБУ СОШ №4 г. Нефтекамск, респ. Башкортостан

Преподаватель:
Гиззатуллина Алсу Нарисовна

Исследовательская работа на тему "Какие экологические проблемы существуют в авиации?"
План.

Введение
Недостатки современной авиации
3.1. Загрязнение воздуха химическими веществами
3.2. Самолеты сильно шумят
Безопасность в авиации как признак заботы об экологии
Способы уменьшения вреда окружающей
5.1. Лёгкие и вместительные лайнеры
5.2. Облегчение корпуса и "начинки"
5.3. Новый тип топлива
5.4. Новые способы пилотирования
5.5. Большие по размерам, но лёгкие по массе двигатели.
Заключение
Литература
Введение.

Авиации уже больше века, однако, в последнее время она переживает просто сумасшедший бум. В 1994 году в небо поднялось 1.25 миллиардов человек, а в 2012 – уже более 3 миллиардов! Такой взрывной поток пассажиров будет продолжаться и в будущем. Но то, что доставляет радость туристам, плохо для природы в целом.

На совести воздушного транспорта целых 5% от общего числа вредных выбросов (примерно в 8 раз меньше, чем от автомобильного транспорта), создающих парниковый эффект и ведущих к глобальному потеплению. Большинство развитых стран пытаются хоть как-то ограничить выбросы вредных газов, призывая граждан воздерживаться от поездок на автомобилях, а промышленников  – переходить на экологически чистые материалы. Но вот авиация со своими вредными выхлопами остается «священной коровой»...

Впервые об экологических проблемах, наносимых авиацией, заговорили в Чикаго – 7 декабря 1944 года  там был подписан документ под названием «Конвенция о международной гражданской авиации» (или «Чикагская конвенция»). Данный документ вводил некоторые экологические стандарты в международную авиацию в целом. Конвенция прошла успешное испытание временем и сегодня остается надежной основой развития и согласованного функционирования международной гражданской авиации.

Также в 2004 году ICAO установила три основные цели в области окружающей среды: 

Ограничение или снижение влияния авиационной эмиссии на местное качество воздуха.
Ограничение или сокращение количества людей, подвергаемых значительному воздействию авиационного шума.
Ограничение или уменьшение воздействия эмиссии парниковых газов на мировой климат в результате деятельности авиации.

ICAO также рассматривает рыночные варианты решения проблем, связанных с экологией, на основе участия авиации в обменах квотами на эмиссию. Сама идея реализации такого новшества пришла канадскому экономисту Джону Дейлсому в 1968 году. Дэйлс предлагал создать рынок прав на загрязнение, чтобы ограничить загрязнение водоёмов промышленностью. Революционно новым в этой идее было то, что правительство могло установить конкретный объём суммарной загрязняемости в качестве экологической цели. После установления ограничения на выброс определённых веществ на определённой территории и за конкретный период времени, начинается распределение соответствующего количества квот. Эмиссии, совершённые без определённой квоты, облагаются штрафом.

Кстати, новая система торговли квотами на выбросы в атмосферу двуокиси углерода начала действовать в Европе с 1 января 2012 года. На данный закон отреагировали буквально все промышленно развитые страны, включая Россию: в Москве прошел двухдневный саммит, по итогам которого 29 стран-участниц подписали декларацию, которая в скором времени была отправлена в Евросоюз.

Комитет по охране окружающей среды от влияния авиации при ICAO постоянно озабочен качеством окружающей среды. В специальном отчете о влиянии авиации на глобальную атмосферу, опубликованный Межгосударственной комиссией по изменению климата говорится, что деятельность авиации пагубно сказывается на озоновом слое, т.е. разрушает его. 

Цель работы:
Изучить, какие экологические проблемы существуют в авиации.
Задачи:
1.     Рассмотреть формы вредного физического воздействия на окружающую среду.

Изучить влияние на экологию химических элементов горения двигателя самолета.

2.     Выяснить, какие способы уменьшения вреда окружающей среде существуют в авиации.

Рассмотреть технические характеристики самолетов, такие, как вместимость, масса, площадь крыла и т.п.

Недостатки современной авиации.

На диаграмме представлены два основных недостатка современных самолетов:

Давайте рассмотрим эти недостатки подробнее:

Первый недостаток ­ – двигатели самолетов выбрасывают газы, создающие парниковый эффект.

Современные самолеты летают на авиационном керосине – топливе, вырабатываемом из нефти. В основном в состав нефтепроизводного топлива входят углерод (С) и водород (H). При сгорании в двигателе атомы углерода и водорода отделяются друг от друга, чтобы соединиться с молекулами кислорода из воздуха. Получаются два новых вещества – углекислый газ и вода. Именно водяной пар, вырываясь из сопл, превращается в туман, образуя длинные белые следы. Углекислый газ и водяной пар задерживают тепло, излучаемое Землей, что само собой «помогает» развитию парникового эффекта.

Теоретически при сгорании керосина ничего кроме углекислого газа и воды образоваться не должно. Но на деле все не так. Во время работы двигателей самолетов происходит выброс отработанных газов, прямых и побочных продуктов сгорания топлива, которые могут быть причиной нежелательного воздействия на окружающую среду. Это явление называется «эмиссия». 

Эмиссия оксидов углерода, несгоревших углеводородов и частиц углерода — результат неполного сгорания топлива в двигателе. Эмиссия оксидов азота — следствие высокой температуры в зоне горения топлива, при которой становиться возможным окисление содержащегося в воздухе азота. Именно оксиды азота ведут к истощению озонового слоя Земли.

Итак, взгляните на таблицу. Здесь представлены коэффициенты для скорости эмиссии оксидов углерода и азота, несгоревших углеводородов:

Коэффициент
Температура воздуха, C°
-20
-10
0
10
20
30
Kq (NxHy)
0.74
0.81
0.88
0.96
1.0
1.11
Kq (CxHy,CmHn)
1.3
1.2
1.1
1.04
1.0
1.0
По таблице видно, что индексы оксидов углерода и несгоревших частиц топлива тем больше, чем ниже температура и давление в камере сгорания. Они максимальны при рулении самолёта в аэропорту, при взлёте достигают минимума и остаются близкими к минимуму во всех полётных фазах. Для оксидов азота закономерность обратная – при повышении температуры коэффициент возрастает, это может происходить при взлете самолета и дальнейшем полете.

Как уже было отмечено, спрос на авиатранспорт в мире будет расти, на диаграмме представлены средние значения темпов роста пассажиропотока, сжигаемого топлива для их перевозки и эмиссии оксидов азота, которая происходит в результате сгорания горючего.

По таблице видно, что в период 1984-1992 и 1992-2016 годов рост спроса на авиатранспорт в среднем не изменяется, количество сжигаемого топлива увеличивается, в сравнении с прошлыми периодами, но при этом эмиссия оксидов азота уменьшается, что указывает на модернизацию двигателей и усовершенствование качества топлива.

Приведу несколько шокирующих фактов:

При сгорании одного литра авиационного топлива выделяется более 2.5 кг СО2!
Рейс Москва – Санкт-Петербург, выполняется на самолете Airbus A320 (двухдвигательный авиалайнер с максимальной вместимостью 164 пассажира), авиалайнер пролетает 750 км и сжигает около 2700 литров авиационного топлива. Количество выбросов углекислого газа составляет около 7 тонн. Представьте себе масштабы загрязнений только по этому популярному маршруту, частота рейсов по которому может достигать двух-трех рейсов в час!
За время полёта из Лондона в Нью-Йорк и обратно генерируется примерно столько же парниковых газов, сколько и при отоплении одного сельского дома в течение одного года.
В Евросоюзе и в России выбросы газов от авиации увеличились на 87% по сравнению с 1990 годом.

Второй недостаток  – самолеты сильно шумят.

Что же значит, жить рядом с аэропортом? Это каждодневный ужас; людям, живущим в непосредственной близости к аэродромам, приходится наблюдать адский балет из влетов и посадок. Двигатели реактивных самолетов – это и есть машины для создания звуков, кроме того, при посадке самолеты давят своей огромной массой на воздух, что дает еще один источник сильного шума.

Официальные данные свидетельствуют, что в России примерно 35 млн. человек подвержены существенному, превышающему нормативы, воздействию транспортного шума. От авиационного шума страдают более миллиона человек. 

Экспериментально доказано, что антропогенное шумовое воздействие неблагоприятно сказывается на организме человека и сокращает продолжительность жизни. Было установлено, что продолжительное пребывание в местах с шумовым загрязнением ведет к физиологическим и психическим нагрузкам – бессонница, гипертония. Люди становятся раздражительными и нервными. Исследование, организованное Гарвардской школой общественного здравоохранения и Бостонским университетом, выявило связь между воздействием шума от самолетов и уровнем госпитализации в связи с сердечно-сосудистыми заболеваниями.  Оказалось, что превышение звука на 10 дБ повышает риск заболеваемости сердечно-сосудистыми недугами на 3.5%. Причем высокий уровень госпитализации замечен в районах, где постоянный уровень шума не опускается отметки ниже 55 дБ. А в местах, где уровень шума колеблется в районе 65 дБ госпитализаций по причине инсультов выше на 25%, по сравнению с теми, кто испытывает шумовую нагрузку в 50 дБ. 

Безопасность в авиации как признак заботы об экологии.

Население, проживающее в окрестностях аэропорта, следует рассматривать, как  объект окружающей среды. Размещение аэропортов должно отвечать особым требованиям  не только по условиям обеспечения нормативного уровня шума, и загрязнения воздуха, но по гарантированию безопасности населения на прилегающей  территории.

За последние 20 лет явного улучшения относительных показателей безопасности полетов не произошло. По данным компании «Боинг» при развитии такого сценария, авиакатастрофы будут происходить по всему миру каждые 10-12 дней! 

Ежегодно в ЕС более 45 тыс. человек погибает и более 1.6 млн. получают увечья в транспортных происшествиях. Наибольшая часть жертв приходится на автомобильный сектор. Ущербы от авто- и авиакатастроф только в ЕС и в России оцениваются в 45 млрд. евро в год: 15 млрд. – страхование и ремонт средств передвижения (автомобили и самолеты), 30 млрд. – фатальные экономические потери от ликвидации различного рода последствий (в том числе и экологические). При избегании хотя бы одной аварии можно сохранить в среднем более 1 млн. евро, не говоря о человеческих жизнях. Внешние расходы транспортного сектора, которые в основном определяются экологическим ущербом (шум, загрязнение воздуха) и транспортными происшествиями составляют в основном 4% от общего валового национального продукта.

По диаграмме видно, что в 1991 году расходы на ликвидацию железнодорожных катастроф в большинстве стран Европы доминировали над авиационными расходами. 

Стоит отметить, что авиационный транспорт является одним из самых безопасных среди других.  

Сравнение показателей смертности для отдельных видов транспорта в ЕС за 1997 год.

Вид транспорта
Количество жертв
Уровень смертности (на 100 тыс. чел.)
Объем транспортных работ
(млрд. км.)
Дорожный
42500
11.3 (!)
3860
Воздушный
109
0,051
240
Железнодорожный
108
0,029
270
Водный
100
0,021
30

Сравнение внешних транспортных затрат определенных в Европе и Канаде приводится в нижней таблице. 

Стоимость загрязнения воздуха и транспортных происшествий в % от стоимости транспортных услуг.

Транспортные перевозки
Европа
Канада
Авиационные
16
7
Железнодорожные
4
21
Автомобильные
14
10-57

Способы уменьшения вреда окружающей среде.

Итак, мы рассмотрели 2 недостатка современных самолетов, теперь рассмотрим способы уменьшения вреда окружающей среде.

Первый и самый вероятный способ – делать более вместительные лайнеры.

Чем самолет тяжелее, тем он больше сжигает топлива, а значит, сильнее загрязняет окружающую среду. Но если самолет берет на борт больше пассажиров, но это меняет дело. Сравним, к примеру, аэробусы Боинг 747-100 и пассажирский самолет с той же серии 747-8:

Характеристика
Boeing 747-100
Boeing 747-8
Масса
162.4 тонн
214.5 тонн
Вместимость
366 пассажиров
467 пассажиров
Площадь крыла
511 м3
567 м3
Потребление топлива
20.3 литров/км
15.4 литров/км
По таблице видно, что более вместительный 747-8 тратит 15.4 литра на километр, при своей вместимости 467 человек и массе 215 тонн, а 747-100, перевозя 366 пассажиров и имея массу 162 тонны, тратит 20.3 литра на километр.

Второй наиболее практичный метод – облегчить корпус и использовать меньше краски на фюзеляжах и крыльях.

Для уменьшения начальной массы самолета можно применять пластики с угле-, стекло- волоконным укреплением. Данные материалы легче и прочнее той же самой стали.

Вот некоторые плюсы композитных материалов:

Высокая удельная прочность
Высокая износостойкость
Лёгкость

 Но есть и минусы:

Стоимость
Гигроскопичность – свойство поглощать влагу. Именно этот «минус» стал причиной авиакатастрофы American Airlines Flight 587. В киле периодически скапливалась влага.
Высокий удельный объем , что очень плохо для сверхзвуковой авиации, ведь незначительное увеличение объема самолета нарушает его аэродинамические свойства.
Токсичность. Она  является таковой преградой использования некоторых композитных материалов в авиации. При эксплуатации такие материалы могут выделять опасные для человека пары. А при горении выделение опасных веществ увеличивается в геометрической прогрессии.
Облегчение лайнеров также возможно провести за счет внутренней начинки – интерьера. Уменьшение массы самолёта возможно, поработав с креслами. Ведь именно они – самые многочисленные изделия в салоне после крепежа. Как ни странно, но основная «потеря веса» кресла происходит не по внедрению новых материалов, а по тщательному, грамотному проектированию. Второй на очереди идет уборная. И тут инженеры ухитряются что-то сделать: заменяют алюминиевые каркасы на углепластики, устанавливают лёгкую сантехнику, делают новые системы слива воды.

По скромным расчетам компании Боинг, ограничив до минимума украшения на фюзеляже, можно сэкономить колоссальный объем топлива – более 100 тысяч литров в год! 

Следующий способ заключается в смене типа топлива.

Много компаний, производящих различное топливо, заинтересованы в создании биотоплива для самолетов. В рамках испытаний британской компании Virgin Atlantic Airways, из лондонского аэропорта «Хитроу» в амстердамский «Схипхол» вылетел Боинг-747 на биотопливе из кокосового и масла бабассу. Полет прошел успешно, но главный инженер отметил, что для производства такого большого количества топлива нужны: большая площадь для посадки растений  и большое количество деревьев, вырубка которых приведет к резкому скачку парникового эффекта.

Суть экотоплива в том, что часть углекислого газа, вырабатываемого при сгорании, будет поглощаться растениями. Также в планах есть и водород, имеются даже летательные аппараты с водородными двигателями, но дело в том, что дешево производить водород, не используя при этом нефть, пока не научились.

Конечно, изучено большое количество методов добычи водорода и без использования нефти и угля, но для этого нужно либо большое количество электричества или дорогих и редких металлов. Примером является способ добычи водорода из воды при помощи солнечной энергии, организованный Университетом Нового Южного Уэльса, Австралия. Реакция получения водорода проводится в присутствии солнечной энергии, которая далее преобразуется в электричество, воды и диоксида титана.

Есть также способ добычи H2 методом электролиза. Но он малоперспективен, ведь для того, чтобы получить то же самое электричество, опять-таки нужна нефть или газ. И использовать энергию ветра или «мирного атома» тоже не перспективно, ведь для получения водорода, на котором могли бы ездить все машины Британии, нужно было бы заставить все побережье острова ветряками или построить 100 АЭС, что само собой небезопасно. 

Еще один способ – обучение пилотов новым приемам пилотирования при взлете, посадке; рациональная организация воздушного движения (трассы так называемого «минимального шума», организация полетов в ночное время, оптимальное соотношение между интенсивностью ночных и дневных полетов).

Таким способом воспользовалось и Управление воздушного транспорта ФРГ (DFS). Оно решило опробовать во Франкфуртском аэропорте новую систему прилета самолетов, чтобы снизить шум, мешающий живущим неподалеку от аэропортов гражданам. По новым правилам, самолеты должны подлетать к взлетно-посадочной полосе по единому маршруту, а не по параллельным, как сейчас.
Плюс этой системы в том, что точка, в которой самолеты начинают выстраиваться в колонну, располагается намного выше, чем нынешние маршруты подлета. Таким образом, уровень шума от них будет ниже. Такая система уже функционирует в аэропорту Осло.

В добавок к способам уменьшения звуковых колебаний вокруг аэропортов можно добавить проведение строительно-планировочных мероприятий (новые взлетно-посадочные полосы, к примеру). Также нужна строгая организация жилой застройки в зонах с повышенным уровнем звука вблизи аэропортов. В некоторых промышленных центрах Европы есть специальные комиссии по борьбе с шумом, куда входят органы санитарной инспекции и транспортных служб. 

И последний, наверно, самый кардинальный способ – оснащение самолетов большими, но легкими по массе двигателями. 

Для того  чтобы уменьшить шум струи, используют двухконтурные турбовентиляторные двигатели – вид  двухконтурных турбореактивных  двигателей с высокой степенью двухконтурности. В них, часть всасываемого воздуха, протекая внутри двигателя, обходит камеру сгорания, в результате увеличивается тяга, но уменьшается шум. Дело в том, что на выходе из двигателя находящийся под меньшим давлением  холодный воздух смешивается с сильно сдавленным горячим из камеры сгорания. Чтобы добиться серьезного уменьшения уровня шума, сами двигатели нужно делать  как можно большего размера. Но из-за ограничения по весу сейчас это невозможно. Однако, на помощь приходят материалы нового поколения, называемые «композитные». Двигатели из таких материалов будут сочетать в себе небольшой вес, внушительные размеры и малошумность.

Заключение.

На данный момент сказать, что в авиации нет никаких проблем, практически невозможно – много вопросов касающихся экономики, безопасности и экологии. Все эти проблемы решимы, но для этого нужно время. Мир не стоит на месте: все, что существовало раньше, модернизуется или приходит в негодность, и на место старого приходит что-то абсолютно новое. То же самое происходит и в авиации. На смену авиационному керосину в скором времени придет новое биотопливо, двигатели самолетов станут большими, но лёгкими по массе; композитные материалы в скором времени столкнут «с пьедестала» металл и алюминий. Все больше и больше компаний, производящих самолёты, пытаются придать лайнерам новую форму, интегрируя крылья и фюзеляж.

В своем исследовании я, рассмотрев недостатки современной авиации и пути их решения, пришел к выводу, что хоть и авиация наносит вред окружающей среде, ее популярность будет все расти и расти, поэтому решение всех нынешних проблем не должно занимать долгое время. Нужно действовать быстро и непромедлительно, ведь без чистой планеты нет нашего будущего.

Литература.

1.«Энциклопедия Безопасности Авиации» / Н. С. Кулика, В. П. Харченко, М.Г. Луцкий – 2008 год.
2. Журнал «Юный Эрудит» №5 (57), май 2007 год.
3. Специальный доклад МГЭИК «Aviation and the Global Atmosphere» / 1999 год с поправками в 2007 году (Перевод с английского).
4.  «Социальная экология» / Ю.Г. Марков – 2004 год.
5. Журнал «Вокруг Света» №7 (2790) июль 2006 год.
6. Материалы из ru.wikipedia.org
7. «Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России» / В.Ф. Протасов – 2000 год.
8. Официальный сайт Европы: europa.eu
9. Официальный сайт ICAO: icao.int
10. «Охрана окружающей среды» / Ю. В. Новиков – 1987 год.
11. Интернет-портал «Российская газета»: rg.ru
12. Другие интернет ресурсы, форумы.