Способ оценки условий образования конденсационных следов самолетов с различными типами двигателей

Изобретение относится к авиационной метеорологии и может быть использовано при оценке условий образования конденсационных следов самолетов. Сущность: измеряют параметры атмосферного воздуха на трассе полета самолета: давление, температуру, относительную влажность. Определяют температурный градиент линии смешения. Вычисляют пороговое значение температуры, соответствующее максимальному пересыщению пара в смешанной струе относительно его насыщенного значения при указанной температуре. Определяют разность парциальных давлений пара смешанной струи и насыщенного пара над водой при пороговом значении температуры. Формируют количественный критерий - показатель пересыщения. По суммарной величине и знаку показателя пересыщения выполняют количественную оценку условий образования конденсационных следов. Технический результат: повышение точности оценки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к авиации, к метеорологии, а именно к оценке условий образования самолетных конденсационных следов, и может быть использовано в области экологии для оценки роли авиации в антропогенных факторах, влияющих на изменение климата на Земле.

Как показывают исследования последних лет, существенным фактором, влияющим на экологию окружающей среды, являются конденсационные следы самолетов. Конденсационный след (кондслед) образуется при смешивании выхлопной струи авиационного двигателя с холодным атмосферным воздухом при определенном сочетании параметров выхлопной струи и температуры, давления и влажности атмосферного воздуха. При сгорании 1 кг применяемого в настоящее время авиационного топлива выделяется около 1,25 кг паров воды, которые, смешиваясь с окружающим воздухом, охлаждаются, и, охладившись до температуры точки росы, конденсируются, образуя вначале капли воды, которые затем замерзают и превращаются в кристаллы льда. В результате за самолетом образуется оптически видимый след, время существования которого в зависимости от влажности и температуры окружающего атмосферного воздуха может быть от нескольких минут до нескольких часов.

Содержащиеся в выхлопных струях авиадвигателей двуокись углерода и другие примеси загрязняют атмосферу, но их доля очень незначительна по сравнению с загрязнениями от промышленности, транспорта, лесных пожаров и др. Хотя непосредственное влияние на экологию самих кондследов относительно невелико, но их существенная роль состоит в том, что они инициируют (являются катализатором) образование и интенсивное развитие перистых облаков. Именно перистые облака, которые по данным Межгосударственной комиссии по проблемам изменения климата (Special Report of IPCC "Aviation and the Global Atmosphere, Cambridge Univ. Press, UK. 1999), могут покрывать тысячи квадратных километров земной поверхности, создают парниковый эффект и тем самым существенно влияют на изменение климата. Поэтому проблема исследования условий образования перистых облаков и их влияния с каждым годом становится все более актуальной. Факторами, определяющими условия образования и существования кондследов, являются параметры атмосферы - температура, давление, влажность на высоте полета, и также исходные параметры выхлопной струи авиадвигателя - температура за турбиной и начальная влажность выхлопных газов, которые, в свою очередь, зависят от типа и конструкции двигателя. Как показывают исследования последних лет (см., например, работы "Influence of propulsion efficiency on contrail formation", U.Schumann, Acrosp.Sci. Technol, №4, 2000; "Experimental test of the influence of propulsion efficiency on contrail formation" U.Schumann and R.Busen, Jom of Aircraft №6, 2000), при параллельном полете двух типов самолетов с различными двигателями в одних и тех же условиях за одним из них (А340) кондслед появился, а за другим (В707) отсутствовал. Следовательно, при рассмотрении условий образования кондследов учет типа и режимов работы авиадвигателей самолетов является обязательным.

Целью предлагаемого изобретения является возможность получения более объективной и точной оценки условий образования и существования конденсационных следов по сравнению с известными способами благодаря применению количественного критерия, который, в свою очередь, определяют как по результатам фактических измерений параметров атмосферы, так и с учетом исходных параметров газовой струи конкретных типов авиадвигателей. Известен способ диагноза и прогноза условий образования облачных (конденсационных) следов за самолетами (заявка №99110323, 2001.03.10, авторов Подгайского В.Н. и Супрановича В.Н.), основанный на сравнении фактической температуры воздуха в атмосфере на уровне тропопаузы, t_тр, с критической температурой образования кондследов на уровне тропопаузы, t_к. Для определения температуры и давления авторы используют карту тропопаузы, по давлению на уровне тропопаузы определяют критическую температуру образования кондследов и на основании полученных данных предлагают ввести критерий, который определяют по формуле:

Δt_тр=t_к-t_тр.

Анализируя значение критерия Δt_тр, делают выводы: положительному значению Δt_тр соответствует наличие условий образования кондследов, а нулевому и отрицательным значениям - их отсутствие.

Недостатки известного способа:

при определении указанного в способе критерия принимают значения температуры и давления, полученные не в результате прямых измерений, а по данным карты тропопаузы, которая составляется на основе прогностических значений, получаемых синоптическим и статистическим методами, которые, как известно, рассматривают атмосферные процессы лишь крупного масштаба (см. книгу "Физика облаков" А.М.Боровикова и др., Л., Гидрометеоиздат, 1961), а данные по влажности атмосферного воздуха в способе вообще отсутствуют, кроме статистически заранее заданных значений удельной влажности 0,15 и 0,1 г/кг, тогда как в реальности влажность изменяется в широких пределах от нуля до насыщения; совершенно не учитываются исходные параметры газовой струи, зависящие от типа, характеристик и режима работы авиадвигателей. Известен способ прогноза условий образования и эволюции облачных (конденсационных) следов за самолетами (заявка №2000101205, 2001.11.27 авторов Подгайского В.Н., Супрановича В.Н. и Девяткина А.М.). Для его осуществления используют диаграмму, которая представляет собой график зависимости температуры точки росы для различных значений давления и влажности атмосферы, на который нанесена кривая стратификации (изменение температуры атмосферы по высоте). Нижнюю границу слоя возможного образования кондследов на указанной диаграмме определяют по точке пересечения кривой стратификации с кривой критических температур образования кондследов при влажности воздуха, соответствующей насыщению надо льдом, а за верхнюю границу принимается уровень тропопаузы.

Недостатки способа в основном те же, что и предыдущего, кроме того, факт использования насыщения влажности надо льдом для определения критической температуры свидетельствует о том, что способ правомерен для прогноза лишь эволюции (состояния и существования) уже образовавшихся кондследов, а не условий их образования, т.к. известно, что для образования кондследов необходимо насыщение над водой.

Известны способы определения параметров, характеризующих условия образования кондследов, описанные в ряде опубликованных работ (например, Applcman, H. The formation of exhaust condensation trails by jet. aircraft. Bull. Amer. Meteorol., Soc. 34, 1953. А.М.Боровиков и др. Физика облаков, Л., Гидрометеоиздат, 1961, А.Т.Матвеев. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. Л., Гидрометеоиздат, 1984), в которых также используются аэрологические диаграммы, при расчете которых принимают следующие допущения: вся теплота сгорания топлива идет на нагрев выхлопных газов, процесс охлаждения струи - изобарический и адиабатический, процесс рассеивания тепла и разбавления влажности выхлопной струи идентичны, т.е. отношение изменения удельной влажности (Δm) и температуры (ΔT) является прямой линией (так называемая линия смешения) Δm/ΔТ=const. На фиг.1 приведен пример аэрологической диаграммы (кривая стратификации 1-2-3 на ней принята по МСА). Линия 100% относительной влажности (линия 1-1') является граничной, правее которой образование кондследа маловероятно, в заштрихованной области левее линии 2-3 образование кондследа возможно при абсолютно сухом атмосферном воздухе. В промежуточной области между 0% к 100% влажности и образование кондследа возможно, если суммарная влажность смешанной струи и атмосферного фона достигнет насыщения. Недостатки рассмотренных способов:

отсутствует какой-либо обобщающий количественный критерий, позволяющий более объективно оценивать условия, в которых может (или не может) образовываться кондслед, его состояние и длительность существования; не учитываются исходные параметры газовой струи авиадвигателя, от которых существенно зависят условия образования кондследов.

В работах специалистов Геофизического института и Университета Аляски (Geophysical Institute, University of Alaska) Martin Stuefer and Gerd Wendler "Contrail.studies and forecast in the subarctic atmosphere above Faifbanks, Alaska" (2004) и "Contrails functional Requirements UPOS-BJX-01", (2003) использован способ оценки условий образования кондследов, основанный на статистике наблюдений и фотографирования кондследов самолетов, пролетающих по трассам над г. Фербанкс, Аляска, и результатов зондирования атмосферы с помощью радиозондов, запускаемых два раза в сутки. На основании полученных статистических данных предложена градация кондследов по длительности существования: менее 1 минуты - кратковременный, неустойчивый кондслед; от 1 до 10 мин - промежуточные, и более 10 мин - длительный, устойчивый кондслед. Наибольшая повторяемость устойчивых следов наблюдается при удельной влажности не менее 0,03 г/кг, а при удельной влажности менее 0,01 г/кг вероятность образования кондследов много меньше, при этом в 89,3% случаев кондследы появлялись при дефиците точки росы (разность между насыщающим и фактическим значениями влажности) менее 0,1 г/кг. Наиболее вероятное (91% случаев) граничное значение температурного градиента линии смешения (Δm/ΔТ), разделяющее случал образования и отсутствия кондследов, оказалось равным Δm/ΔТ=0,037 г/(кг·К).

Недостатки использованного способа: как и в предыдущих аналогах, не учитываются исходные параметры газовой струи двигателей, отсутствует количественный критерий для оценки условий образования и существования кондследов, кроме того, измерение влажности атмосферы с помощью радиозондов может выполняться лишь ориентировочно, т.к. применяемые в них простейшие сорбционные гигрометры имеют большое запаздывание и очень ненадежны при температурах ниже -40°С (при которых и образуются кондследы).

Наиболее близким к предлагаемому является способ, описанный в работе "Influence of propulsion efficiency on contrail formation" (U.Schumann, Aerosp. Sci. Technol. 4, 2000). Способ осуществляют следующим образом: измеряют давление, температуру; относительную влажность атмосферы на исследуемой высоте с помощью самолета-зондировщика, оборудованного измерительной аппаратурой, измеряют скорость полета и расход топлива самолетов, кондследы которых исследуют, определяют КПД силовой установки самолета по формуле:

η=FV/(m_f·Q),

где V - скорость самолета, м/с; F - тяга силовой установки, Н, рассчитываемая исходя из характеристик двигателя и аэродинамического сопротивления самолета, m_f - расход топлива, кг/с; Q - теплотворная способность топлива. МДж/кг, определяют температурный градиент линии смешения по формуле:

где - удельная масса воды, выделяющаяся при сгорании 1 кг топлива (для авиационного топлива кг/кг); р - атмосферное давление, Па; С_р - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); ε=0,622 - отношение газовых постоянных воздуха и водяного пара; строят график зависимости линии смешения с углом наклона, равным arctg G, и совмещают его с кривой зависимости парциального давления насыщенного пара от температуры над водой, E_в(t), фиг.2. На основании полученного графика делают выводы: если прямая смешения пересекает кривую Е_в(t) высоко относительно точки М, которая представляет собой точку касания линии смещения с температурной кривой насыщенного пара над водой при 100% влажности атмосферного воздуха, то образуется устойчивый кондслед (линия 1); если прямая смешения пересекает Е_в(t) вблизи точки М, образуется неустойчивый, быстро исчезающий кондслед (линия II); если прямая смешения проходит ниже E_В(t) (линия III) - кондслед не образуется.

Недостатки способа:

отсутствие количественного критерия для более объективной оценки условий образования и состояния кондследов; КПД силовой установки может быть определен лишь приближенно; т.к. тяга силовой установки в рассматриваемом способе зависит не только от характеристик двигателя, но и от аэродинамических характеристик самолета в целом, которые изменяются в течение полета в зависимости от режима полета, загрузки самолета и др.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в возможности количественной оценки условий образования и существования конденсационных следов самолетов с различными типами двигателей, что позволяет разрабатывать рекомендации и требования по организации авиатрасс таким образом, чтобы минимизировать влияние полетов на окружающую среду, а также существенно сократить объем и стоимость летных исследований кондследов благодаря целенаправленным полетам.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе, включающем измерение параметров атмосферного воздуха на трассе полета самолета: давления (р), температуры (t_нв), относительной влажности (ϕ), определение температурного градиента линии смешения (градиента зависимости парциального давления водяного пара в смешанной выхлопной струе двигателя от температуры), оценку условий образования кондследов, вычисляют пороговое значение температуры, соответствующее максимальному пересыщению пара в смешанной струе относительно его насыщенного значения при указанной температуре. Определяют h_м - разность парциальных давлении пара смешанной струи и насыщенного пара над водой при пороговом значении температуры. Формируют количественный критерий - "показатель пересыщения" пара h_Σ из суммы двух составляющих:

h_Σ=h_м+h_нв,

где h_нв - парциальное давление пара в атмосферном воздухе при окружающей температуре;

h_м - разностъ парциальных давлений пара смешанной струи и насыщенного пара над водой,

по суммарной величине и знаку показателя пересыщения h_Σ выполняют количественную оценку условий образования конденсационных следов, их мощность (размеры, плотность), а по величине составляющей h_нв оценивают условия существования (степени устойчивости) конденсационных следов.

Кроме того, по результатам сравнения температуры выхлопной струи за турбиной t_т с окружающей и учета исходных параметров газовой струи двигателей самолета и коэффициента избытка воздуха на рассматриваемых режимах полета по трассе определяют температурный градиент линии смешения по формуле:

где - температурный градиент линии смешения при условии равенства нулю влажности атмосферного воздуха;

- относительная масса паровыделения топлива (отношение массы водяного пара, выделяющегося при сгорании 1 кг топлива к массе воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, например для авиационного керосина

Более того, определяют пороговое значение температуры t_м, соответствующей максимальному пересыщению пара в смешанной струе относительно его насыщенного значения при указанной температуре, Е_в(t_м), путем численного решения уравнения:

где производная

Оценку условий образования и существования кондследов производят в зависимости от суммарной величины показателей пересыщення h_Σ и его составляющих h_м н h_нв. Образование кондследов возможно лишь в условиях, соответствующих положительным значениям показателя пересыщення, но их мощность (размеры, плотность) зависят от величины показателя h_Σ. Анализ существующих экспериментальных данных показывает, что мощные кондследы должны образоваться при значениях h_Σ порядка 15...20 Па, при небольших значениях h_Σ могут образовываться слабые, быстро исчезающие кондследы. Длительность существования кондследов зависит от влажности окружающего атмосферного воздуха: длительно существующие, устойчивые кондследы имеют место при влажности воздуха не ниже насыщающего значения надо льдом.

Предлагаемый способ поясняется фиг.1-3, на которых изображены:

На фиг.1 приведен пример аэрологической диаграммы (кривая стратификации 1-2-3 на ней принята по МСА). Линия 100% относительной влажности (линия 1-1') является граничной, правее которой образование кондследа маловероятно, в заштрихованной области левее линии 2-3 образование кондследа возможно при абсолютно сухом атмосферном воздухе. В промежуточной области между 0%

На фиг.2 показан график зависимости линии смешения от температуры с углом наклона, равным arctg G, и совмещение ее с кривой зависимости парциального давления насыщенного пара от температуры над водой, Е_в(t). На фиг.3 приведено графическое изображение показателя пересыщення h_ε и его составляющих h_м и h_нв, кривые парциального давления насыщенных паров над водой и льдом Ев(t) и Ел(t), пороговое значение температуры tм, линии смешения при нулевой влажности атмосферного воздуха окружающей среды и с учетом влажности окружающей среды.

Способ осуществляется следующим образом.

Измеряют параметры атмосферного воздуха на трассе полета самолета: давление (р), температуру (t_нв), относительную влажность (ϕ). С учетом исходных параметров газовой струи двигателей самолета: температуры за турбиной t_т и коэффициента избытка воздуха на рассматриваемых режимах полета по трассе а на основании этих данных определяют температурный градиент линии смешения по формуле:

где - температурный градиент линии смешения при условии равенства нулю влажности атмосферного воздуха, - относительная масса паровыделения топлива (отношение массы водяного пара, выделяющегося при сгорании 1 кг топлива к массе воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, например для авиационного керосина

Затем определяют пороговое значение температуры t_м, соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе относительно его насыщенного значения при указанной температуре, Е_в(t_м), путем численного решения уравнения

где производная после чего определяют величину количественного критерия - "показателя пересыщения", (см. фиг.3):

h_Σ=h_м+h_нв,

где составляющую h_м показателя пересыщения приравнивают разности парциального давления пара в смешанной струе при температуре t_м, e_стр(t_м) и парциального давления насыщенного пара над водой при этой температуре, E_в(t_м):

Па,

а составляющую h_нв приравнивают парциальному давлению пара надо льдом при окружающей температуре на трассе полета:

h_нв=е_нв(t_нв)=ϕ·Е_л(t_нв), Па

где Е_л(t_нв) - парциальное давление насыщенного пара надо льдом при температуре t_нв.

Оценку условий образования и существования кондследов производят в зависимости от суммарной величины показателей пересыщения h_Σ и его составляющих h_м и h_нв. Образование кондследов возможно лишь в условиях, соответствующих положительным значениям показателя пересыщення, но их мощность (размеры, плотность) зависят от величины показателя h_Σ.

Анализ существующих экспериментальных данных показывает, что мощные кондследы должны образоваться при значениях h_Σ порядка 15...20 Па. Длительность существования кондследов зависит от влажности окружающего атмосферного воздуха: длительно существующие, устойчивые кондследы имеют место при влажности воздуха не ниже насыщающего значения надо льдом.

Пример.

Требуется оценить условия образования кондследов вдоль трассы крейсерских полетов самолета с газотурбинными двигателями в диапазоне высот 10...10,5 км.

Выполнено зондирование атмосферы с помощью самолета-зондировщика, оборудованного измерительной аппаратурой, причем измерение влажности атмосферного воздуха выполнялось конденсационным гигрометром. В результате получено: атмосферное давление р=26500...24900 Па; температура t_нв=53...-57°С; относительная влажность ϕ=90...95% (полеты происходят в зоне образования перистых облаков). Для выполнения оценки принимаем средние значения указанных параметров: р=25700 Па, t_нв=-55°С, ϕ=93%. Параметры газовой струи двигателей в указанных условиях полета: температура за турбиной t_т=408°С; коэффициент избытка воздуха α=4,10. Относительная масса паровыделения авиационного топлива кг/кг.

Согласно предложенному способу выполняем:

определение температурного градиента линии смешения при нулевой влажности атмосферы: Па/К;

определение порогового значения температуры t_м: в результате численного решения уравнения где a=7,63, b=241,9, с шагом решения δt=0,05°С, получено значение t_м=-41,9°С; определение парциального давления пара в смешанной струе при температуре t_м: Па; определение величины показателя пересыщения: где Па, Па, следовательно h_Σ=8,6+1,95≈10,6 Па.

При такой величине показателя пересыщения в указанных условиях полета должен образоваться устойчивый кондслед.

При полете на той же высоте, но при t_нв=-48°С и относительной влажности ϕ=70%, получаем:

температурный градиент =1,85 Па/К;

температура t_м=-40,5°С;

парциальное давление пара в струе при температуре t_м: e_стр(-40,5)=18 Па;

показатель пресыщения h_Σ

h_Σ=e_стр(-40,5°)-Е_в(-40,5°)+е_нв(-48°)=13,9-18+3,6=-0,5 Па

В таких условиях полета кондслед не образуется.

Таким образом, возможности количественной оценки условий образования и существования конденсационных следов самолетов с различными типами двигателей позволяют разрабатывать рекомендации и требования по организации авиатрасс таким образом, чтобы минимизировать влияние полетов на окружающую среду, а также существенно сократить объем и стоимость летных исследований кондследов благодаря целенаправленным полетам.

1. Способ оценки условий образования конденсационных следов самолетов с различными типами двигателей, включающий измерение параметров атмосферного воздуха на трассе полета самолета - давления (р), температуры (t_НЕ), относительной влажности (ϕ), определение температурного градиента линии смешения (градиента зависимости парциального давления водяного пара в смешанной выхлопной струе двигателя от температуры), оценку условий образования конденсационных следов, отличающийся тем, что вычисляют пороговое значение температуры, соответствующее максимальному пересыщению пара в смешанной струе относительно его насыщенного значения при указанной температуре, определяют h_м - разность парциальных давлений пара смешанной струи и насыщенного пара над водой при пороговом значении температуры, формируют количественный критерий - показатель пересыщения пара h_Σ из суммы двух составляющих:

h_Σ=h_м+h_НЕ,

где h_НЕ - парциальное давление пара в атмосферном воздухе при окружающей температуре;

h_м - разность парциальных давлений пара смешанной струи и насыщенного пара над водой,

по суммарной величине и знаку показателя пересыщения h_Σ выполняют количественную оценку условий образования конденсационных следов (размеры, плотность).

2. Способ оценки условий образования конденсационных следов самолетов с различными типами двигателей по п.1, отличающийся тем, что пороговое значение температуры определяют путем приравнивания производной зависимости парциального давления насыщенного пара по температуре dE_в(t)/dt к значению температурного градиента линии смешения:

dE_в(t)/dt=,

где E_в(t) - температурная зависимость давления насыщенного пара над водой;

- температурный градиент линии смешения.

3. Способ оценки условий образования конденсационных следов самолетов с различными типами двигателей по п.1, отличающийся тем, что по результатам сравнения температур выхлопной струи за турбиной t_т и окружающей среды определяют температурный градиент линии смешения с учетом исходных параметров газовой струи двигателей самолета и коэффициента избытка воздуха на рассматриваемых режимах полета по трассе по следующей формуле:

где - температурный градиент линии смешения при нулевой влажности атмосферного воздуха;

e_стр - парциальное давление водяного пара в смешанной выхлопной струе, Па;

- относительная масса паровыделения топлива (отношение массы пара, выделяющегося при сгорании 1 кг топлива, к массе воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива);

Δt - разность между пороговым значением температуры и окружающей температуры атмосферного воздуха.