2.3 Загрязнение атмосферы воздушно-реактивными двигателями

Полеты дозвуковых и будущих сверхзвуковых самолетов, могут оказывать существенное влияние на верхние слои атмосферы в результате выбросов продуктов сгорания топлива. Так, вклад воздушных судов гражданской авиации в выбросы оксидов азота на больших высотах оценивается в 55% при том, что на малых высотах он составляет 2–4%, а по диоксиду углерода и потреблению топлива доля гражданской авиации в общем объеме выбросов и потребления ископаемого топлива оценивается величиной примерно в 3%. В России из 35 млн. т вредных выбросов различных транспортных средств 89% приходится на автомобили, 8% – на железные дороги, 2% – на авиатранспорт и 1% – на водный транспорт.

Современные самолеты и вертолеты относятся к передвижным источникам выброса вредных веществ в атмосферу. При эксплуатации воздушных судов использование жидкого топлива в камерах сгорания двигателей сопровождается образованием различных продуктов сжигания.

В настоящее время авиация использует главным образом воздушно-реактивные двигатели (ВРД). Принцип работы ВРД основан на непрерывной подачи компрессором топлива в смеси с воздухом в камеру сгорания, процесс горения протекает постоянно.

эмиссия продуктов

сгорания

шум

Рис. 2. Схема турбореактивного двигателя

Газообразные продукты сгорания из камеры сгорания поступают в турбину и осуществляют механическую работу, вращая колеса турбины, от вала которого приводится в движение ротор компрессора и соответствующие насосы. Затем продукты сгорания топлива в виде газового потока проходят реактивное сопло и, расширяясь в нем, создают реактивную силу тяги, необходимую для полета самолета.

В авиации используется углеводородное топливо, преимущественно керосин и в небольшом количестве бензин.

В идеале горючими элементами углеводородного топлива являются углерод и водород, поэтому при сгорании должны выделяться углекислый газ и вода.

Как известно, воздух на 78% состоит из азота. Считается, что азот – инертный газ, не вступающий в химические реакции. Поэтому реакция должна протекать по схеме:

Однако высокие температуры, при которых обычно протекают реакции, наличие в топливе различных примесей (в первую очередь серы) приводит к существенному расширению состава продуктов сгорания:

Несгоревшие горючие газы, кислород и водород в молекулярной и тем более атомарной форме составляют суммарно менее 0,1% и незначительно влияют на экологические свойства продуктов сгорания.

Внешним проявлением избыточного содержания углеводородов в отходящих газах является густой серо-белый дым. Внешним проявлением избыточного образования сажи является окрашивание отходящих газов в черный цвет.

Оксиды азота NO_x– это продукт окисления азота воздуха кислородом воздуха при условии высоких температур (свыше 2000 °С).

При горении в камере сгорания образуется в основном оксид азота NO, который частично (не более 5 %) окисляется до диоксида азота NO₂. На образование NO и NO₂расходуется не более 0,1 % азота воздуха. Продукты окисления серы S представлены в отходящих газах парами серной кислотами H₂SO₄и твердыми сульфатами MSO₄. Наличие каждого из этих продуктов обусловлено как уровнем температуры, так и степенью взаимодействия с другими продуктами горения, находящимися в потоке отходящих газов (причем не только в КС, но и в выпускном трубопроводе).

Эмиссионные характеристики авиационных двигателей зависят в основном от работы силовой установки. Известно, что высокие концентрации СО и НС характерны для газотурбинных двигательных установок на пониженных режимах (холостой ход, руление, приближение к аэропорту, заход на посадку), тогда как содержание оксидов азота NO_x (NO, NO₂, N₂O₅) существенно возрастает при работе на режимах близких к номинальному (взлет, набор высоты, полетный режим). Поэтому значительное загрязнение воздуха последним отмечается по маршруту следования воздушных судов. Дозвуковые воздушные суда выполняют полеты в верхних слоях тропосферы и нижних слоях стратосферы (на высотах примерно 9—13 км), а крейсерские высоты сверхзвуковых воздушных судов проходят на несколько километров выше (примерно 17—20 км) в стратосфере. Именно на этих высотах происходит основной выброс загрязняющих веществ. Доля выбросов в призменном слое атмосферы достаточно мала.

Загрязнение нижней стратосферы выше тропопаузы (высоты более 9–11 км) влияет на физико-химический состав стратосферного воздуха. Частицы, выброшенные на высоте 14 км, пребывают в стратосфере до одного месяца, а на высоте 22 км – до двух лет.

В свою очередь, увеличение влагосодержания воздушных масс способствует появлению облаков, а у земли при низких отрицательных температурах – возникновению тумана (смога). Поступающий из двигателя самолета водяной пар под влиянием турбулентного обмена перемешивается с окружающим воздухом, что приводит при низких температурах и высокой влажности к конденсации и сублимации водяного пара. При наличии слоев инверсий поднимающийся объем водяного пара растекается, способствуя образованию обширной пелены из облаков слоистообразной формы. Первоначально облачный след имеет ширину несколько сот метров, но, растекаясь, увеличивается до нескольких километров. Таким образом, водяной пар, выбрасываемый в атмосферу, может увеличивать количество перистых облаков и их вертикальную мощность.