Автор: Злыденный Андрей Николаевич
Возраст: 16 лет
Место учебы: Краевое государственное автономное профессиональное образовательное учреждение "пермский авиационный техникум им. А.Д. Швецова
Город, регион: г. Пермь, Пермский край
Руководитель (Ф.И.О., место работы): Архипова Л.Г., КГАПОУ "Авиатехникум"; Зиннатова О.М., КГАПОУ "Авиатехникум"

Авиация и экология: проблемы и пути их решения

План:

Введение
1. История развития авиации
2. Влияние шума
3. Сравнительные характеристики различных самолётов
4. Эмиссия
5. Авиационное топливо
6. Виды топлива, применяемые в авиации
7. Криогенное топливо
8. Биотопливо
9. Тяга за счёт электричества
Вывод

Введение

100-летие гражданской авиации - это большой период, за который произошёл скачок от фанерных самолетов с паровым двигателем до летательных аппаратов из композиционных материалов с реактивными двигателями. Развивая технические аспекты самолёто- и двигателестроения параллельно уделяли особое внимание улучшению эргономических характеристик, надёжности и экологической безопасности.

Воздушный транспорт прочно вошел в жизнь человека из-за возможности преодолевать значительные расстояния, исчисляемые тысячами километров, за часы полётов. Данный фактор является неопровержимым преимуществом среди иных способов передвижения в интенсивном ритме современной жизни. Несмотря на относительную дороговизну, востребованность воздушного транспорта растет с каждым годом во всех странах мира, в том числе и в России. Согласно распоряжению правительства РФ от 27.11.2021 №3363-р “О Транспортной стратегии Российской Федерации до 2030 года с прогнозом на период до 2035” по состоянию на 2019 год воздушный транспорт занимает первое место по объему пассажирских перевозок. Авиационный транспорт способен перевозить большие грузы на большие расстояния за короткое время. Однако авиационный вид транспорта - один из загрязнителей атмосферного воздуха. Его пагубное влияние на окружающую среду проявляется в основном в выбросах в атмосферу токсинов с отработанными газами авиационных двигателей и в воздействии авиационных шумов.

Актуальность: На сегодняшний день большое количество перевозок воздушным транспортом приводит к загрязнению окружающей среды за счёт сгорания авиационного топлива. Оказывает негативное влияние также и шумовое воздействие. В связи с этим поиск новых решений для уменьшения воздействия авиатранспорта на окружающую среду является актуальным.

Цель работы: выявить экологические проблемы в авиации и найти способы решения их.

Задачи работы:

• рассмотреть развитие производства авиационных двигателей;
• проанализировать влияние авиационного шума на человека;
• анализ влияния выбросов загрязняющих веществ самолётами в атмосферу;
• изучить характеристики авиационного топлива и оценить его влияние на окружающую среду;
• рассмотрение наиболее экологичных видов топлива для применения в авиации.

1. Развитие производства авиационной техники

В России самолётостроение представляет собой своеобразную и интересную картину в истории авиации. Своеобразие связано с особенностями в экономической, технической и политической жизни страны начала XX века. В отличие от Европы, в России основной опорой самолётостроения стали вагоностроительные заводы, а Русско-Балтийский вагонный завод (РБВЗ) стал первым пристанищем авиации. В январе 1908 года главное инженерное управление подготовило доклад, где было определено современное положение в авиации. В том же 1908 году Военное ведомство использовало деньги, выделенные на развитие отечественного воздухоплавания, отправив двух русских офицеров, опытных воздухоплавателей С. А. Немченко и Н. И. Утешева, во Францию для ознакомления с развитием аэропланов и выработки мнения по поводу целесообразности приобретения этих машин для военных целей. В 1909 году в Петербурге был организован завод С. С. Щетинина — авиационный завод «Первое Российское товарищество воздухоплавания» (ПРТВ). С осени 1912 года заказы на изготовление «фарманов» и «ньюпоров» были отданы заводу Щетинина в Петербурге, Русско-Балтийскому вагонному заводу в Риге и московскому заводу «Дукс».

Впервые об экологических проблемах, наносимых авиацией, заговорили в Чикаго – 7 декабря 1944 года там был подписан документ (см. рисунок 1) 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.

Рисунок 1 – Один из рабочих эпизодов подписания Чикагской конвенции

Далее рассмотрим экологические проблемы авиации.

2. Влияние шума или “Акустическое загрязнение”

Рассмотрим влияние громкого звука на человека.

Авиационный шум - один из факторов негативного отношения к авиации населения на территориях с аэропортами и заводами.

По санитарным нормам допустимый уровень шума, который не наносит вреда слуху даже при длительном воздействии на человека, принято считать, 55 дБ в дневное время и 40 дБ ночью. Однако шум пролетающего самолета составляет примерно 140 дБ, и это почти в 3 раза больше положенного. Также по международным нормам рекомендуется снижать уровень шума самолёта на 10 дБ каждые 10 лет. Повышенный уровень шума имеет негативные последствия для здоровья, например, может вызвать нарушение слуха, , коронарную недостаточность, раздражение, нарушение сна и снижение работоспособности, повышает уровень несчастных случаев на производстве, стимулирует агрессию и другие антисоциальные формы поведения, вызывает гипертонию и увеличивает риск сердечных приступов.

С авиационным шумом можно бороться, например, перенести аэропорты или изначально строить их за пределами города. Но как же быть тем городам которые не могут это сделать, либо с точки зрения финансов, или из-за того, что просто нет места за городом под аэропорты. В этом случае нужно задуматься, как это исправить. К примеру, подумать о доработке самолёта.

Основной шум самолёта возникает от двигателя. Значит нужно изобрести такой двигатель или доработать старый так, чтобы он издавал как можно меньше шума. Например, этого можно достичь за счёт акустической обработки поверхностей перед и за вентилятором в двухконтурных двигателях и за счёт установки регулируемых реактивных сопел. Вместе с тем уровень шума снижается путём увеличения степени двухконтурности и выбора оптимальных параметров двигателя, что особенно важно для пассажирских самолётов.

Далее рассмотрим сравнительные характеристики выбросов двигателей самолётов.

3. Сравнительная характеристика выбросов загрязняющих веществ в атмосферу самолётами

В таблице 1 приведено сравнение отечественных и зарубежных самолётов по выбросам загрязняющих веществ.

Самыми опасными считаются концентрация оксида углерода (CO) и метана (CH4). По таблице видно, что отечественные самолёты менее экологичны, чем зарубежные. Далее проведём анализ причин загрязнённости окружающей среды вредными выбросами из двигателя.

4. Эмиссия (выхлоп) авиационных двигателей

Пролетая в небе, самолет оставляет за собой полосы (рисунок 2). Разберём причины их возникновения. Обратимся к термину ”конденсационный след”.

Рисунок 2

Конденсационный след — видимый в воздухе след после самолёта, состоящий из сконденсированной влаги (капель или ледяных кристаллов), возникающий в атмосфере за движущимися летательными аппаратами.

Определим влияние конденсационного следа самолёта от авиационного топлива, которое вырабатывается из нефти, в основном состоящей из углерода (С) и водорода (Н). Сгорание топлива в двигателе происходит не полностью, а примерно на 70 %, значит, остальное идёт на выброс и входит в конденсационный след. При возгорании в двигателе топлива атомы водорода и углерода отделяются друг от друга и соединяются с молекулами кислорода из воздуха. Получаются два новых вещества углекислый газ и вода. Именно водяной пар, вырываясь из сопла, превращается в туман, образуя длинные белые полосы. В то же время углекислый газ и водяной пар задерживают тепло получаемое Землёй, тем самым происходит парниковый эффект, который может повлиять на глобальное потепление.

Известно, что конденсационный след, это только часть выхлопных газов.

Выхлопные газы – продукт работы двигателей внутреннего сгорания. Учитывая стремительный рост количества транспорта за последние 50 лет, выхлопные газы в воздухе городов обосновались всерьёз и надолго, и количество их только растёт. Сейчас именно выхлопные газы – основная причина загрязнения воздуха в городе. Они оказывают негативное влияние на здоровье человека и могут нанести достаточно серьёзный вред здоровью. В выхлопных газах присутствует угарный газ, не имеющий  вкуса и запаха, который при высокой концентрации может вызывать головокружение, головную боль, тошноту и приводит к обморокам.

В результате анализа содержания конденсационного следа и выхлопных газов установлено, что основными загрязняющими веществами являются: углекислый газ (СО2 ), окись углерода (СО), углеводороды и оксиды азота, при этом выбросы диоксида серы (SO2 ) зависят от уровня серы в топливе. Другие важные вещества, которые выделяются в относительно небольших концентрациях, являются оксид азота (N2O )  и метана (CH4 ).

Большинство людей считает, что выхлопные газы от самолёта не оказывают никакого влияния на человека. Однако это ошибочное мнение. Больше всего выхлопных газов выделяется при взлёте самолёта, поэтому чаще всего от угарного газа страдают люди, выполняющие техническое обслуживание самолёта или находящиеся на территории аэропорта.

5. Авиационное топливо

5.1. Виды топлива, применяемые в авиации

Авиационное топливо — горючее вещество, вводимое вместе с воздухом в камеру сгорания двигателя летательного аппарата для получения тепловой энергии в процессе окисления кислородом воздуха (сжигания).

Виды авиационного топлива представлены на рисунке 3.

Рисунок 3

Проанализируем наиболее часто используемый вид топлива.

В настоящее время большинство самолетов оснащены реактивными двигателями, а значит, чаще всего в качестве авиационного топлива используется керосин, наносящий вред экологии.

Существует несколько вариантов для повышения экологичности керосина:

а) сделать дополнительную очистку или при добавлении каких-либо химикатов;
б) увеличить рост топливной эффективности, за счёт более полного сгорания топлива;
в) переход на альтернативное топливо и другие способы получения тяги:
   1) криогенное топливо (водород и сжиженный природный  газ);
   2) биотопливо;
   3) тяга за счёт электричества.

5.2. Криогенное топливо

«Криогенный» переводится как «рожденный холодом». Речь идет о топливе, охлажденном до очень низких температур, когда газ переходит в жидкое состояние. К криогенному виду топлива относятся: жидкий водород и сжижений природный газ, в основном состоящий из метана. Эти топливо является довольно экологичным, а также это топливо является более безопасным. В отличии от керосиновых, криогенные топливные баки не взрываются, так как в них отсутствует кислород.

5.2.1. Жидкий водород

Водород - один из перспективных источников энергии. Он хорошо хранится, транспортируется в газообразном, жидком и твёрдом виде. А самое удивительное, что водород в отличии от сгорания угля, нефти, газа, может участвовать в круговороте энергии сколько угодно, сгорая, он превращается в водяной пар, затем в воду. Так же водородное топливо среди всех альтернативных топлив обладает наилучшими энергетическими характеристиками. А именно его теплота сгорания на единицу массы в 2,7 раза больше, чем у авиакеросина. В общем, водород — это уникальное топливо для всех видов транспортных средств. Но водородное топливо обладает рядам причин, по которым до сих пор не является распространённым.

При использовании водорода в авиации большую проблему представляет низкая температура кипения, которая составляет – 250 ℃ , тем временем температура сжиженного газа составляет -160 ℃ . Всё это требует значительного увеличения объёмов топливных баков, применение эффективной теплоизоляции.

В середине 1980-х годов у специалистов ОАО “Туполев” появилась возможность создать самолет, работающий на сжиженном газовом топливе. На базе пассажирского лайнера Ту-154 они построили летающую лабораторию Ту-155 (рисунок 4). В качестве авиационного топлива был использован жидкий водород. Серийно он так и не был выпущен из-за  передела двигателя и салона самолёта. На рисунке 4 видно, что, топливо заливается не в крылья, а в ёмкость находящуюся внутри самолёта (выделено красным на рисунке 4), из-за чего и меняется конструкция самолёта.

Рисунок 4

По приведённым характеристикам можно сделать вывод, что жидкий водород является почти идеальным экологически чистым топливом, которое выделяет при сгорании в основном воду.

5.2.2. Сжиженный природный газ

Один из подходящих видов замены обычного горючего является сжиженный природный газ. Экологический аспект использования газового оборудования в авиации немаловажен, тем более, что его использование практически в двое уменьшает степень выброса вредных веществ в атмосферу. Положительный экологический эффект от введения в эксплуатацию альтернативного газового топлива и оборудования говорит сам за себя. Газ не только более экономичный, он и более качественный в сравнении с бензином и причиной этому - частные случаи (контрофактности) последнего, в то время как к качеству газового топлива не придерёшься. Его смесь на сегодняшний день не разбавишь. Технический ресурс двигателя в этой ситуации повышается. Испытания, как на земле, так и в воздухе, множество различных исследований показали, что при использовании сжиженного природного газа большинство характеристик не меняют своего принципиального значения. Более того, при работе в условиях пониженной температуры, некоторые характеристики даже улучшаются.

5.3. Биотопливо

На смену традиционному керосину придёт биотопливо. В конце января 2009 года состоялся демонстрационный полёт авиалайнера Boeing 747-300, использующего смесь традиционного топлива и биотоплива - это уже четвёртые эксперимент по применению биотоплива в авиации. До этого полёта с использованием биотоплива предпринимали компании Virgin Atlantic Airways  (Великобритания), Continental Airlines (США), Air New Zealand. Причём в самый первый эксперимент вызвал резкую критику, так как для изготовления биотоплива применялись съедобные растения.

После негативного общественного резонанса для создания авиационного биотоплива второго поколения будет применяться только непригодные в пищу растения, которые при этом не вытесняют пищевые ресурсы земель или из водных бассейнов, а также не требуют вырубки лесов. На этот раз в эксперименте осуществляемом Japan Airlines совместно с компанией Boeing и изготовителями двигателей Pratt & Whitney, использовалась биотопливо изготовленная из смеси трёх растений: рыжика (материалом для  эксперимента стало масло, полученное из посевной травы — рыжика, который относится к семейству капустных и, соответственно, считается близким родственником обыкновенной капусты) – 84 %, ятрофы - около 16 % и водорослей - около 1 %. Рыжик считается весьма перспективным для производства биотоплива, поскольку его семена имеют весьма высокий процент содержания жирных масел 35 % - 47 %. Кроме того, растения может выращиваться в сухих областях на бедной почве. Ятрофа уже достаточно давно применяется при производстве коммерческого биодизеля в Бразилии. Помимо этой страны плантации этого растения находится в Индии, Бирме, Никарагуа, Африки, на Филиппинах. Как и рыжик, ятрофа весьма не прихотлива. Процент водорослей в биотопливе пока незначителен. Это связано с несколькими факторами. Во-первых, водоросли чувствительны к изменению температуры и нуждается в тёплом климате. Во-вторых, для получения коммерческого биопродукта необходимы эффективные инструменты для сбора и переработки большого объёма растений. Большим плюсом водрослей является гораздо большее содержание масла, чем в других растениях, а также способность активно поглощать углекислый газ из атмосферы.

5.4. Электроэнергия

Ожидается, что в посленефтяной период существенно возрастет количество наземных транспортных средств, оборудованных электромоторами, исключением не станут и самолёты. Как известно, наибольший расход топлива самолёта происходит во время его взлёта. Поэтому уже сейчас руководители больших аэропортов задумываются над тем, как обеспечить необходимым количеством электроэнергии для самолёта. Они приходят к выводу, что существующие электрогенерирующие системы даже самых развитых стран не смогут удовлетворить потребности будущего энергоэлектрического авиационного флота.

В результате развития новейших технологий уже в ближайшем будущем появятся новые высокоплотные электрические аккумуляторы. Работа над созданием авиационных электродвигателей для самолётов будет продолжаться очень активно, не зависимо от наступления посленефтяного периода.

Вывод

Авиационный транспорт используется в народном хозяйстве для перевозки срочных грузов, в проведении работ для сельского хозяйства, геологоразведки, рыбного промысла. Уровень развития воздушного транспорта является показателем степени научно-технического потенциала страны. Традиционный воздушный транспорт отрицательно влияет на экологическую ситуацию, потому что загрязняет воздух продуктами сгорания топлива, создаёт шум, расходует кислород.

Безусловно, по сравнению с выбросами, производимыми автомобильным транспортом, на данном этапе уровень загрязнения самолётами не очень значителен, однако нужно принимать во внимание тот факт, что воздушные перевозки - наиболее динамично развивающийся вид транспорта, и со временем его отрицательное влияние на природу будет становиться всё более заметным.

По моему мнению, следует взять за основу и работать по развитию криогенного топлива, а именно – жидкого водорода, потому что это более экологичное топливо, при этом с ним уже были проведены испытания, которые показали хорошие летно-технические характеристики.

Таким образом, можно сделать вывод, что авиатранспорт хотя и вредит окружающей среде, но для решения данной проблемы есть множество разных вариантов, которые возможно реализовывать.

Список литературы

1. Андреев В., Солозобов В. Топливо для летательных аппаратов XXI века [Наука и жизнь] https://www.nkj.ru › archive › articles
2. Берков С.А. Изучаем физику
3. Журнал “Авиаглобус” №2
4. Иванова А.Р. Труды Гидрометцентра России // Влияние авиации на окружающую среду и меры по ослаблению негативного воздействия. 2017. Вып. 365. С. 5-14
5. Конденсационный след [Википедия] – URL: https://ru.wikipedia.org
6. Миягашева В.А., Иншаков Д.Р., Пономарев А.В., Бойко О.Г. Экологические проблемы в авиации и пути их решения // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Секция «Эксплуатация и надежность авиационной техники». 2016. Т. 1. С. 808-810.
7. Николайкин Н.И., Мельников Б.И., Большунов Ю.А. Научный вестник МГТУ ГА// Перевод на альтернативные виды топлива как способ повышения энергетической и экологической эффективности транспорта. 2010. №162. С. 12-21.   
8. Растения для полетов [Независимая газета] – URL: https://www.ng.ru › ng_energiya › 15_polet
9. Современная энциклопедия