Реактивная гражданская авиация на протяжении всей своей истории находится под большим давлением экологов и защитников природы. Авиастроители, в свою очередь, постоянно внедряют новые идеи и решения для смягчения негативного влияния на климат и жителей планеты.
В этой статье пару слов о том, какое воздействие авиация оказывает на окружающую среду, что именно не устраивает экологов, и каким способом авиастроители пытаются решить возникающие проблемы?
Две основные проблемы
С момента появления гражданских реактивных лайнеров и вплоть до наших дней, вопросы экономии и экологии воздушного транспорта неразлучно связаны и переплетены между собой. Минимум четверть из всех расходов авиакомпаний приходится на оплату керосина, поэтому они в первую очередь, заинтересованы в самолётах, потребляющих как можно меньше топлива. Авиационные регуляторы вместе с экологами требуют сокращения эмиссии отработавших газов и вредных веществ, а также уменьшения акустического шума.
Очевидно, что практически всё замыкается на эффективности и совершенстве силовой установки самолёта. На протяжении семидесяти лет авиаконструкторы и создатели двигателей пытаются угодить всем заинтересованным сторонам, время от времени получая новые, более сложные вызовы.
Шумовое загрязнение
Вопросы по шумовому загрязнению территорий впервые появились в пятидесятые годы прошлого столетия, одновременно с началом активной эксплуатации новых реактивных пассажирских лайнеров. Близкое расположение аэропортов к жилым районам и быстрорастущий воздушный трафик в скором времени сделали шум главной экологической проблемой гражданской авиации.
Необычайно громкий звук, издаваемый при работе турбореактивного двигателя на максимальной тяге — это следствие выходя струи отработавших газов из сопла со скоростью около трёхсот метров в секунду. Звуковые волны различного спектра частот формируются в результате активного смешивания раскаленного потока из двигателя с окружающим воздухом.
Чем больше скорость истечения газа из сопла, тем сильнее уровень издаваемого шума.
В шестидесятые годы в прессе активно рассказывали о том, что будущее гражданских перевозок за сверхзвуковыми лайнерами. Отсюда вполне можно понять беспокойство людей, живущих по соседству с крупными аэропортами. Силовая установка сверхзвуковых самолётов предполагала наличие двигателей с форсажной камерой. За счет сжигания в ней дополнительного топлива, скорость истечения отработавших газов возрастала минимум вдвое, и как следствие, увеличивалась максимальная тяга. Но история сложилась так, что опасения людей, живущих в западных странах, в целом были напрасны. Массового распространения сверхзвуковые лайнеры так не получили.
Первые модификации двигателя Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 для сверхзвукового лайнера Concorde "дымили" даже на форсажном режиме работы
Технологии снижения шума
Существенный прогресс в работе по снижению авиационного шума произошел в шестидесятых-семидесятых годах с появлением двигателей, обладавших высокой степенью двухконтурности. Создавали их, в первую очередь, в рамках борьбы за экономию топлива, а снижение уровня шума было сопутствующим фактором. Турбовентиляторные двигатели расходовали намного больше воздуха, чем классические турбореактивные, но отбрасывали его с существенно меньшей скоростью. Таким образом удалось повысить общий КПД и одновременно с этим улучшить акустические показатели.
Потенциал развития турбовентиляторных двигателей оказался довольно высоким, что было очень кстати на фоне неоднократного ужесточения экологических норм. Благодаря снижению скорости истечения газов из двигателя, их влияние на создаваемый шум значительно снизилось, но на первый план вышел громкий звук от вентилятора. На режиме взлетной тяги его максимальная окружная скорость значительно превышала звуковую.
Тенденция на увеличение степени двухконтурности новых двигателей сыграла свою положительную роль. Больший диаметр вентилятора привел к снижению окружных скоростей, а его лопатки приобрели более оптимальную, с точки зрения аэродинамики, форму.
Дополнительно подавить шум помогают звукопоглощающие конструкции, размещаемые в мотогондоле. Как правило, это акустические панели резонансного типа, состоящие из нескольких слоёв и настроенные на гашение звуковых волн определенной частоты.
Еще одним относительно новым решением по снижению шума являются так называемые «шевроны»: специальные пилообразные кромки на срезе сопел одного или обоих контуров двигателя. Благодаря им происходит более плавное перемешивание потока газов из двигателя с окружающим воздухом — меньше турбулентности, ниже уровень возникающего шума.
Впрочем, возникает он не только как следствие работы двигателей. Весомый вклад в его создание вносит и сам планер самолёта. Особенно на взлетно-посадочных режимах, когда выпущена механизация крыла и шасси. Турбулентные завихрения, образующиеся в результате обтекания элементов конструкции самолёта окружающим воздухом, являются дополнительным источником шума.
Загрязнение вредными веществами
Проблема эмиссии отработавших газов, а говоря доступным языком - выбросов в атмосферу вредных веществ, возникла несколько позднее проблемы шумового загрязнения. Наиболее широко эта тема начала обсуждаться в конце семидесятых годов прошлого века, когда стало ясно, что не смотря на пережитый нефтяной кризис, рынок коммерческих воздушных перевозок продолжит своё активное развитие. Из-за этого экологи впервые подняли принципиальный вопрос о глобальном воздействии авиации на климат планеты. Международный регулятор ICAO разработал в начале восьмидесятых годов строгие нормы по эмиссии для авиационных двигателей. В последующие годы эти стандарты неоднократно пересматривались в сторону ужесточения.
Авиационные двигатели гражданских лайнеров используют в качестве топлива керосин: горючую смесь жидких углеводородов, получаемую из нефти методом прямой перегонки. Топливо сжигается в камере сгорания под высоким давлением и температурой. В результате химической реакции образуются основные продукты полного сгорания: углекислый газ и вода. Кроме этого в отработавших газах в относительно небольшом количестве так же присутствуют не сгоревшие углеводороды, оксиды азота, монооксид углерода, сажевые частицы и соединения серы. Эмиссия перечисленных веществ строго регламентирована документами ICAO, поскольку они оказывают негативное влияние на экологическую обстановку.
Оптимизация устройства и работы камер сгорания с каждым новым поколением двигателей приводит к значительному снижению выброса токсичных соединений, но о полном избавлении от них в конечном итоге речи не идёт.
Парниковые газы
Наиболее важная и одновременно спорная часть авиационной эмиссии — это парниковые газы и их влияние на климат планеты. Глобальное потепление уже несколько десятков лет является одной из самых обсуждаемых экологических проблем и хорошим поводом для спекуляций и необычных медийный перформансов. Так, например, в развитых западных странах есть общественные движения с названиями “летать стыдно“ или “королевство без полётов”. Участники таких организаций могут позволить себе демонстративно переплыть Атлантический океан на яхте под парусом из Великобритании в Соединенные Штаты, а несущественные мелочи жизни — это когда вся команда этого судна улетает обратно в Европу всё на том же на самолёте!
Общий вклад авиации в мировую эмиссию парниковых газов по самым свежим пессимистичным оценкам составляет не более 3.5%. В масштабах планеты вроде бы несущественная цифра, однако споры о глобальном влиянии коммерческих самолётов на климат не угасают. Некоторые специалисты полагают, что эмиссия водяного пара, которая ведет к образованию конденсационных следов, может способствовать глобальному потеплению. Кроме воды и углекислого газа на больших высотах задерживаются и не сгоревшие вещества в виде аэрозолей. По мнению ученых они тоже вносят свой негативный вклад в изменение климата.
Ближайшие перспективы
Что может предложить современная гражданская авиапромышленность в рамках борьбы за экологичность? Самое очевидное — это дальнейшая работа над оптимизацией силовой установки и планера самолётов. На этом и сконцентрированы основные усилия специалистов. Но коммерческие перевозки, не смотря на возникающие иногда кризисы, год от года растут и эффект от сокращения удельного расхода топлива самолётами, скорее всего, будет нивелирован. Таким образом, эмиссия парниковых газов будет только увеличиваться.
Одним из вариантов их сокращения стало использование набирающего в мире популярность биотоплива. Оно создается преимущественно из растительного сырья либо из продуктов жизнедеятельности живых организмов. Некоторые крупные авиакомпании уже провели демонстрационные полёты на гражданских лайнерах, полностью или частично заправленных биотопливом.
По сравнению с керосином, при его сгорании выделяется примерно на треть меньше углекислого газа, что могло бы значительно улучшить ситуацию с эмиссией парниковых газов. Но пока биотопливо производится в очень малых количествах и стоит в два-три раза больше, чем керосин. Тем не менее, это направление считается очень перспективным и туда привлекаются крупные инвестиции.
Преимущество биотоплива состоит еще и в том, что для его использования не нужно перестраивать существующую заправочную инфраструктуру, а также что-то менять в конструкции самолёта.
Другое дело — криогенное топливо. В конце восьмидесятых годов прошлого века в Советском Союзе проходили испытания летающей лаборатории Ту-155. Один из его двигателей, получивший обозначение НК-88, мог работать на жидком водороде и сниженном природном газе. Экспериментальная программа должна была показать на практике возможность использования криогенного топлива на гражданских самолётах.
Жидкий водород — практически идеальное топливо, при сгорании которого образуется только вода и некоторое количество окислов азота. Сжиженный метан намного уступает водороду, но всё же сгорает намного чище керосина. Основная проблема в том, что хранить криогенное топливо можно только в специальном герметичном баке с экранно-вакуумной изоляцией. Поддерживать его в жидком состоянии возможно только при экстремально низких температурах: для водорода -250°С, для метана -160°С. На Ту-155 такой бак занимал почти половину пассажирского салона и располагался в его задней части. Таким образом, хранить криогенное топливо в крыле как керосин не получится — компоновка самолёта должна быть совершенно иной. К явным минусам можно отнести еще и чрезвычайную взрывоопасность водорода. Из-за целого набора трудно решаемых проблем, криогенное топливо не имеет практически никаких шансов на появление в авиации в обозримом будущем.
Экономия на очевидном
Впрочем, и относительно более простые с точки зрения реализации технологии, направленные на снижения расхода топлива, пока не особо приживаются. В 2013 году на парижском авиасалоне была представлена система электрического руления для среднемагистральных лайнеров. Между колёс основных стоек шасси Airbus А320 было установлено по электромотору, который вращал внешнее колесо.
Самолёт демонстративно катался с зачехленными двигателями по рулёжным дорожкам аэропорта Ле Бурже, получая электроэнергию от вспомогательной силовой установки. По заявлению создателей системы, авиакомпании смогут ежедневно экономить до полтонны топлива при активной эксплуатации лайнера. В общем выражении это сопоставимо с эффектом от установки винглетов: специальных аэродинамических законцовок крыла, созданных для увеличения топливной эффективности.
Массовое использование электрической тяги на рулении помогло бы улучшить качество воздуха в аэропорту и снизить уровень шума.
Несколько крупных авиакомпаний выразили заинтересованность в таких системах, но вплоть до наших дней ни одна из них ими не пользуется. В конечном итоге, все проекты на эту тему были свернуты.
Будущее за электрическими самолётами?
Современные гражданские лайнеры уже вплотную приблизились к пределам своей эффективности. Аэродинамика планера самых последних моделей практически доведена до совершенства, а у турбовентиляторных двигателей остался весьма скромный потенциал по уменьшению удельного расхода топлива. Большие надежды на будущее развитие гражданских перевозок связывают с появлением полностью электрических самолётов, имеющих альтернативную аэродинамическую компоновку. В настоящее время уже создано несколько проектов небольших самолётов с электрическим двигателем, получающим энергию от бортовых аккумуляторных батарей. А уже после 2030 года ожидается появление региональных лайнеров вместимостью до 100 человек, способных преодолевать расстояние до 1000 километров.
Главные проблемы электрической авиации на данный момент — недостаточная ёмкость аккумуляторов и отсутствие подходящих электромоторов большой мощности. По прогнозам, ёмкость литий-ионных батарей в ближайшее десятилетие смогут увеличить только вдвое. Потому наиболее перспективным решением могут стать самолёты, оснащенные с гибридной силовой установкой. Вентиляторы или винты будут вращаться при помощи электромотора, а электричество на борту будет вырабатываться генератором, подключенным к газотурбинной установке, работающей на традиционном углеводородном топливе. Полностью зеленым такой самолёт назвать, конечно нельзя, но на практике их массовое использование поможет существенно сократить количество вредных выбросов, и, в теории, сделать путешествия воздушным транспортом существенно дешевле.
Это канал Авиасмотр, большое спасибо за внимание и до встречи в новых сюжетах!
Видео-версию этой статьи смотрите на youtube-канале Авиасмотр