Авиационная экология. Воздействие авиационных горюче-смазочных материалов на окружающую среду

АВИАЦИОННАЯ

ЭКОЛОГИЯ

Москва

ИНФРА-М

2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Л.С. ЯНОВСКИЙ, А.А. ХАРИН,
И.В. ШЕВЧЕНКО, В.П. ДМИТРЕНКО

ВОЗДЕЙСТВИЕ АВИАЦИОННЫХ

ГОРЮЧЕ-СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Рекомендовано в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению подготовки 25.03.01

«Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей»

(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 504(075.8)
ББК 20.1я73
 
Я64

Яновский Л.С.
 Авиационная экология. Воздействие авиационных горюче-смазочных материалов на окружающую среду : учебное пособие / 
Л.С. Яновский, А.А. Харин, И.В. Шевченко, В.П. Дмитренко. — 
Москва : ИНФРА-М, 2021. — 180 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-010830-8 (print)
ISBN 978-5-16-102831-5 (online)

Систематизированы и обобщены накопленные за последние годы опыт
ные и расчетные данные по экологическим проблемам в авиации.

Рассмотрены вопросы эмиссии вредных веществ авиационными двига
телями, физико-химического воздействия на окружающую среду, токсичности и нормирования выбросов. Представлены методы контроля загрязнений и способы защиты окружающей среды от воздействия авиационной 
техники.

Учебное пособие написано в соответствии с требованиями Федерального 

государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.

Учебное пособие предназначено для студентов и преподавателей, зани
мающихся проблемой экологии применительно к авиационной технике.

УДК 504(075.8) 

ББК 20.1я73

Я64

© Коллектив авторов, 2004, 2016

ISBN 978-5-16-010830-8 (print)
ISBN 978-5-16-102831-5 (online)

Р е ц е н з е н т:

А.В. Фомочкин — д-р техн. наук, профессор кафедры «Промышленная 

безопасность и охрана окружающей среды» Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина

А в т о р ы:

Леонид Самойлович Яновский — д-р техн. наук, профессор, заслуженный 

деятель науки РФ, руководитель научной школы в области авиационной 
химмотологии, начальник отдела Центрального института авиационного 
моторостроения им. П.И. Баранова;

Александр Александрович Харин — д-р техн. наук, почетный работник выс
шего профессионального образования РФ, лауреат премии Правительства 
РФ в области образования, профессор Московского авиационного института 
(национального исследовательского университета); 

Игорь Владимирович Шевченко — д-р техн. наук, почетный работник выс
шего профессионального образования РФ, профессор Московского энергетического института (национального исследовательского университета);

Владимир Петрович Дмитренко — заслуженный работник высшей школы 

РФ, зав. кафедрой  Московского авиационного института (национального 
исследовательского университета)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................................................................................... 4
1. Воздействие авиационной техники на окружающую среду......................  7

1.1. Эмиссия вредных веществ авиационными

двигателями и загрязнение атмосферы ............................................... 8

1.2. Загрязнение почвы и водоемов в зоне аэропортов ............................ 35
1.3. Токсичность авиаГСМ ............................................................................45

1.3.1. Термины и определения по токсичности ......................................45
1.3.2. Токсичность индивидуальных углеводородов.............................49
1.3.3. Токсичность авиационных топлив ..................................................56
1.3.4. Токсичность смазочных авиамасел................................................ 62
1.3.5. Токсичность выхлопных газов ........................................................68

1.4. Экологически «чистые» авиаГСМ ................. 
74

1.4.1. Альтернативные топлива ..................................................................74
1.4.2. Смазочные материалы.......................................................................83

1.5. Пожаро- и взрывоопасность авиаГСМ .................................................88

1.5.1. Нормальная скорость распространения пламени ........................91
1.5.2. Концентрационные и температурные

пределы распространения пламени................................................ 97

1.5.3. Воспламеняющая энергия

и концентрационные пределы воспламенения .......................  104

1.5.4. Температура вспышки и температура самовоспламенения.... 112
1.5.5. Давление взрыва в замкнутом объеме ......................................  117
1.5.6. Чрезвычайные и аварийные ситуации ......................................  119

2. Нормирование выбросов вредных веществ .............................................. 133

2.1. Атмосфера............................................................................................  134
2.2. Гидросфера..........................................................................................  137
2.3. Почва ..................................................................................................... 140
2.4. Выбросы вредных веществ ГТД ......................................................  141
2.5. Утилизация отработавших авиаГСМ............................................... 145

3. Методы контроля уровня загрязнений ......................................................  150

3.1. Определение выбросов загрязняющих веществ ............................ 150
3.2. Уровень дымности выхлопных газов .............................................. 155
3.3. Размер сажевых частиц в выхлопных газах................................... 159
3.4. Канцерогенные П А У ..........................................................................  161
3.5. Определение авиаГСМ.......................................................................  162

Заключение ......................................................................................................... 168
Литература .......................................................................................................... 169

3

Защита и улучшение состояния окружающей среды является важнейшей задачей международного сообщества в XXI столетии. Чтобы сохранить 
Землю пригодной для жизни будущих поколений, необходимо создать 
и внедрить передовые технологии, позволяющие снизить выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду.

Создание и совершенствование различных типов авиационных газотурбинных двигателей для самолетов и вертолетов, комбинированных ВРД 
для летательных аппаратов аэрокосмического назначения, их внедрение 
в эксплуатацию вызвало ряд существенных экологических проблем. Возникла реальная угроза развития «парникового» эффекта, разрушения озонового слоя Земли, накопления канцерогенных и мутагенных продуктов, выпадение кислотных дождей. Происходит накопление вредных веществ 
в атмосфере, воде и почве.

Количество веществ, выделяющихся из двигателей летательных аппаратов, в 40 -  50 раз меньше, чем от других источников (транспорт, энергетика, промышленность, сельское хозяйство) [I]. По сравнению с автомобильным транспортом авиация выделяет в 1,5 раза меньше Ж )х и в 11 раз 
меньше СО [2]. Однако авиация является источником прямого воздействия 
на атмосферу. Эмиссия происходит в слоях атмосферы, особенно чувствительных к различным возмущениям -  верхней тропосфере и нижней стратосфере, там, где зарождаются погодные процессы и где в значительном количестве содержится парниковый газ озон. Локальное загрязнение создается 
в зоне аэропортов и воздушных магистралей -  по трассам полета самолетов. 
Полеты дозвуковых самолетов происходят в основном в верхней тропосфере или нижней стратосфере на высотах 9-13 км, а сверхзвуковых -  в стратосфере на высотах 15-25 км. Полеты сверхзвуковых самолетов приводят 
к уменьшению концентрации озона в стратосфере [3, 4]. Основной причиной этого эффекта является наличие в выбросах двигателей этих аппаратов 
оксидов Ж )х, НОх и их соединений. Полеты дозвуковых самолетов оказывают влияние на изменение концентрации 0 3 и N0 в тропосфере, на плотность облаков в верхней тропосфере, на стратосферный аэрозольный слой 
и на стратосферно-тропосферный обмен.

По опубликованным данным [5] доля авиации в суммарном антропогенном загрязнении составляет примерно 3,5%. Влияние авиации на глобальное потепление оценивается в 3%, и этот вклад к 2005 г. может вырасти 
до 1 0- 20 % [6].

В настоящее время авиация потребляет 2 - 3 %  от общего количества 
ископаемого топлива, из них 80% расходуется в гражданской авиации [6].

Введение

4

Основным видом реактивного топлива является керосин, и, так как пока 
еще нет альтернативных топлив такой же энергоёмкости и лёгкости хранения, облик самолета в обозримом будущем останется без изменения.

Ученые и конструкторы осознают неотвратимость перемен в связи 
с загрязнениями атмосферы воздушным транспортом и уделяют всё больше 
внимания принятию долгосрочных планов предотвращения вредного воздействия авиации на окружающую среду. Ужесточение экологических норм 
заставляет переходить на более экологически чистые топлива и малоэмиссионные и малошумные двигатели, усовершенствовать технологию производства двигателя и планера, систему управления полетом и т.д.

В течение последних лет наблюдается резкая тенденция снижения 
вредных выбросов ГТД (рис. 1 и 2). Этот прогресс достигнут благодаря совершенствованию конструкций камер сгорания и постоянному повышению 
общей эффективности двигателей, что позволило уменьшить расход топлива и тем самым сократить выброс вредных веществ в атмосферу. За последние 40 лет потребление авиационного топлива уменьшилось на 70% 
[6].Современная авиация использует топливо вдвое эффективнее, чем 20 лет 
назад. К 2015 году предполагается дальнейшее повышение эффективности -  
более чем на 20%, а к 2050 году -  на 40-50%, объём перевозок к 2015 году 
возрастёт на 5%, а потребление топлива за счёт усовершенствования двигателей -  только на 3% [5,9] .

Рис. 1. Прогресс в области снижения эмиссии 
авиационных ГТД [10]: 1 -  эмиссия в % 
от требований ICAO 1986 г.

5

Вопросы экологии в авиации освещены в ряде работ [1-11]. Особое 
внимание уделяется влиянию авиационной техники на атмосферу.

В данном учебном пособии сделана попытка систематизации и обобщения накопленных за последние годы опытных и расчетных данных по 
экологическим проблемам в авиации. Рассмотрены вопросы эмиссии вредных веществ авиационными двигателями, физико-химического воздействия 
на окружающую среду, нормирования выбросов, а также методы контроля 
загрязнений и способы защиты окружающей среды от воздействия авиационной техники (АТ).

6

1. ВОЗДЕЙСТВИЕ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ 
НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Влияние авиационной техники на биосферу и человека 
весьма разнообразно, определяется многими факторами и проявляется на разных этапах -  от производства и эксплуатации до 
утилизации. Воздействие авиации на природную среду характеризуется химическими, физическими и механическими загрязнениями атмосферы, а также почвы и водоемов в районах 
расположения аэропортов.

Основными источниками загрязнения являются выбросы 
продуктов сгорания топлив авиационными двигателями, горюче-смазочные материалы (ГСМ) и шумовые эффекты. По данным [12], аэропорт на 100 рейсов в сутки дает следующую картину суточного выброса вредных веществ: >ГОХ -8 т, СО - 9,6 т, 
НС - 1,6 т, бенз(#)пирен - 0,015 кг. Выбросы продуктов сгорания загрязняют территории в окрестностях аэропортов и стратосферу, вызывая изменение озонового слоя, выпадение кислотных дождей, потепление климата.

Воздействие ГСМ проявляется при прямом контакте с атмосферой, почвой, водами и живыми организмами в условиях 
хранения, транспортирования и применения. Такие свойства 
ГСМ, как токсичность, канцерогенность, пожаро- и взрывоопасность, представляют непосредственную угрозу для живых 
организмов. Попадая в почву, ГСМ нарушают верхний плодородный слой за счет ее поверхностной и глубинной деструкции, изменяют газовый и водный обмен.

Авиационный шум является одним из распространенных 
нежелательных источников загрязнения окружающей среды. 
Авиационный шум оказывает вредное физиологическое и психологическое воздействие на пассажиров, аэродромный обслуживающий персонал и население близко расположенных к аэ7

родромам районов. 
Интенсивность воздушного движения 
и частота рейсов непрерывно увеличиваются, самолеты оснащаются более эффективными и мощными двигателями. Все это 
делает проблему снижения шума авиационных двигателей 
весьма актуальной. 
Проблема авиационного шума подробно 
изложена в работах [13-18].

1.1. Эмиссия вредных веществ авиационными двигателями

и загрязнение атмосферы

Авиация является одним из важнейших источников антропогенного загрязнения атмосферы. Спектр эмитируемых из 
авиационных двигателей веществ достаточно широк и зависит 
от типа двигателя и используемого топлива. Основными загрязняющими веществами, входящими в состав выхлопных газов авиационных двигателей, являются оксиды азота (1>ЮХ), оксиды углерода, углеводороды, сажевые частицы и, в очень 
малых количествах, оксиды серы [19-20].

Оксид углерода, углеводороды и сажевые частицы появляются вследствие неполного окисления топлива и его пиролиза. Ж )х образуются в зоне горения в результате реакций окисления азота, находящегося в воздухе. Реакция окисления идет с 
заметной скоростью только при температурах 2000° С и выше, 
т.е. в самых высокотемпературных зонах камеры сгорания 
(КС). Механизмы образования вредных веществ подробно рассмотрены в работе [21]. Разработана система уравнений для 
расчета составляющих вредных выбросов (>ЮХ, СО, НС, дыма) 
и оптимизации камер сгорания [22].

Наиболее важными параметрами процессов, происходящих 
в КС и оказывающих существенное влияние на механизмы образования вредных веществ, являются температура газа, время 
пребывания продуктов сгорания в зоне горения, коэффициент

8

избытка воздуха (а). Эти параметры, в свою очередь, зависят 
от качества распиливания топлива и его смесеобразования 
с воздухом, интенсивности подвода и количества воздуха в зоне горения.

На рис. 1.1 показаны выбросы загрязняющих веществ авиационными ГТД как функция величины тяги. На режиме малого 
газа коэффициент полноты сгорания топлива составляет примерно 99% и выбросы НС и СО являются максимальными. На 
режимах взлета, набора высоты и крейсерского полета коэффициент полноты сгорания составляет более 99,9%, и величина 
выбросов НС и СО является очень малой. Выбросы Ж )х 
и дымление двигателей ведут себя противоположно: их максимум образуется при наибольшей тяге двигателя.

Рис. 1.1. Эмиссионные характеристики ГТД [1.10]: 
1 -  режим работы двигателя;

2 -  режим малого газа;

3 -  максимальный режим;

4 -  полнота сгорания;

5 -  NOx -  высокая температура газов

9

В табл. 1.1. приведены индексы эмиссий загрязняющих 
веществ (]М0Х, СО, НС) ГТД на различных режимах взлетнопосадочного цикла [23, 24]. Взлетно-посадочный цикл включает в себя режимы малого газа ‘(холостого газа), руления, взлета, 
набора высоты и посадки. Кроме того, в выхлопных газах современных авиационных ГТД может содержаться еще до 
0,1 г/кг 802. Зависимость уровня дымности выхлопа от режимных параметров показана на рис. 1.2.

100

£Г

20

Выруливание 
Заход 
Горизонталь- Качествен- 
Взлет 
на 
ный полет 
но новая

посадку 
высота

Рис. 1.2. Число дымности выхлопных газов в зависимости 
от условной раооты двигателя

Особую опасность представляют канцерогенные (и мутагенные; полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), 
которые присутствуют в малых концентрациях (несколько 
мкг/м3) в продуктах сгорания любого нефтяного топлива. Химическая стабильность ПАУ позволяет им постепенно накапливаться в среде обитания. Кроме того, ПАУ характеризуются

10