Dr hab. inż. Witold Wiśniowski, prof. nadzw. Warszawa, 04.07.2016 Instytut Lotnictwa
Al. Krakowska 110/114 Warszawa
RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ mgr. inż. GRZEGORZA ŚLUSARZA
pt. „Ocena emisji gazowych związków szkodliwych w spalinach silnika turbinowego samolotu wielozadaniowego”
wykonanej pod kierunkiem promotora prof. dr. hab. inż. Jerzego Merkisza oraz promotora pomocniczego dr. inż. Marka Waligórskiego.
1. Podstawa formalna recenzji
Recenzja została wykonana na zlecenie Pana Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej na podstawie dostarczonej rozprawy doktorskiej.
2. Przedmiot i zawartość recenzji
Przedmiotem recenzji jest rozprawa doktorska mgr. inż. Grzegorza Ślusarza pt. „Ocena emisji gazowych związków szkodliwych w spalinach silnika turbinowego samolotu wielozadaniowego”.
Praca składa się z 8 rozdziałów oraz spisu literatury. Tekst rozprawy liczy 98 stron, w tym 70 rysunków, 27 tabel oraz 16 wzorów. Bibliografia obejmuje 90 pozycji piśmiennictwa w tym 7 pozycji współautorstwa doktoranta. Rozprawa ma charakter doświadczalny.
W rozdziale 1 zatytułowanym „Wprowadzenie” autor zwraca uwagę, że zastosowanie norm, jakości spalin wymusza podejmowanie badań, zaś wprowadzenie nowych procedur diagnostycznych umożliwia wykrywanie zwiększonych emisji związków toksycznych. Na fali wzrostu wymagań autor uzasadnia celowość podjęcia badań samolotów wielozadaniowych.
W rozdziale 2 zatytułowanym „Samoloty wielozadaniowe” autor dokonuje przeglądu samolotów, które są przeznaczone do wykonywania więcej niż jednego zadania np. samolot pasażerski i transportowy. Następnie przedstawia w tabelach typy eksploatowanych myśliwskich samolotów wielozadaniowych. Jest takich samolotów dużo i to podkreśla potrzeby podjęcia tej pracy.
Rozdział 3 został zatytułowany „Związki szkodliwe spalin, normy i sposoby badań silników spalinowych statków powietrznych w aspekcie ochrony środowiska”.
W podrozdziale 3.1. „Emisja spalin turbinowych silników lotniczych” autor w zbyt zawiły sposób dąży do zakomunikowania, że spalanie bezemisyjne jest przypadkiem teoretycznym i stara się ten fakt przedyskutować.
Podrozdział 3.2. „Charakterystyka związków szkodliwych spalin silników turbinowych”, zawiera omówienie warunków powstania w komorze spalania silnika tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu oraz cząstek stałych.
Podrozdział 3.3 poświęcono omówieniu norm emisji spalin opracowanych przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska EPA.
Podrozdział 3.4. poświęcono normom emisji spalin opracowanych przez ICAO, gdzie obowiązuje reprezentatywny 3 etapowy cykl pomiarowy.
Podrozdział 3.5. poświęcono normom emisji spalin według FAR 34.
Podrozdział 3.6. posiada tytuł „Wymagania aparaturowe” i zawiera wymagania dotyczące analizatorów do pomiaru węglowodorów, do pomiaru tlenku węgla i dwutlenku węgla, stężenia tlenków azotu.
Podrozdział 3.7. zatytułowano „Procedura i realizacja badań”. W tym podrozdziale spodziewałem się uzyskać informację o konkretnych urządzeniach nie zaś ogólnych wskazówkach, co jak i z czego ma być zrobione.
Podrozdział 3.8. „Ocena przepisów w aspekcie badań silników turbinowych”, zawiera konkluzje, że przepisy badania czystości spalin nie obejmują silników w klasie samolotów wielozadaniowych. Autor nie zamieszcza przeglądu literatury; co się w tej dziedzinie robi autor ogranicza do przeglądu norm i przepisów, czyli tego, co robi się standardowo, nie odnosi się do wyprzedzających badań naukowych, które są prowadzone na świecie.
W spisie literatury wymieniono prace dotyczące badania emisyjności w warunkach próby przedstartowej. Takich pozycji jest tam 7. Autor powinien odnieść się do zaproponowanych tam testów i porównać je z opracowaniem własnym.
W rozdziale 4 autor przedstawia cel, tezy i zakres pracy. Rozdział 5 zatytułowano „Metodyka realizacji celu pracy”.
W podrozdziale 5.1 „Identyfikacja problemu naukowego” słusznie podkreślono, że w procesie szkolenia bojowego samolot wielozadaniowy realizuje loty o złożonym profilu prędkości i ciągu w przeciwieństwie do samolotów pasażerskich i transportowych, gdzie silniki pracują w stanach ustalonych. Według autora „problemem naukowym jest opracowanie sposobu oceny emisji zanieczyszczeń z silników myśliwskich samolotów wielozadaniowych w rzeczywistych warunkach eksploatacji.
Podrozdział 5.2. „Rozwiązanie problemu naukowego” proponuje metodykę dwuczłonową; badanie stanowiskowe oraz zbudowanie korelacji z wynikami analizy numerycznej, w której określono warunki eksploatacyjne?!. „Zapisy rejestratora lotu samolotu poddano ocenie statystycznej”.
Podrozdział 5.3. „Obiekt badań” oraz 5.4. silnik stosowany w zespołach napędów obiektów badawczych – nasuwa się pytanie czy autor miał dostęp do wyników badań fabrycznych silnika F100-PW-229 ?
W podrozdziale 5.5. autor przedstawił parametry fizykochemiczne paliwa, w podrozdziale 5.6.
aparaturę pomiarową.
W podrozdz.5.7. „Metodyka badań eksperymentalnych”. Autor po raz kolejny podkreśla, że podstawową decyzją było podzielenie badań na badania doświadczalne na stoisku naziemnym oraz numeryczne z rozszerzeniem wyników na obszar parametrów w locie.
Rozdział 6 zatytułowano „Badania emisji związków szkodliwych spalin z turbinowych silników odrzutowych w próbach stoiskowych”. Jak wynika z tytułu powinien zawierać omówienie zagadnienia i przedstawienie wyników.
Podrozdział 6.1. został zatytułowany „Ocena zależności parametrów eksploatacyjnych i wskaźników ekologicznych”, zaś 6.11. tytuł „Wyniki pomiarów parametrów ekologicznych”. W tym rozdziale zamieszczono wyniki badań stoiskowych mikrosilnika GTM120. Celem tych badań było zbadanie zależności stężenia związków szkodliwych w gazach wylotowych, w „zależności od współczynnika nadmiaru powietrza”, „zużycia paliwa i wielkości stężenia spalin”. Zawarte w tym rozdziale wyniki badań mikrosilnika GTM-120 dają, zdaniem autora, podstawy do zaproponowania …. Metody w skali samolotu wielozadaniowego.
W podrozdziale 6.2. wyznaczono punkt poboru spalin silnika samolotu wielozadaniowego. Zaś w podrozdziale 6.3. zaprezentowano „wyniki pomiaru stężenia szkodliwych spalin podczas próby stanowiskowej”.
Podrozdział 6.4. został zatytułowany „Analiza korelacji wartości parametrów eksploatacyjnych silnika F100-PW-229 w warunkach eksploatacji samolotu F-16”. W rozdziale przedstawiono wykresy zależności prędkości obrotowej silnika od „nastawy” dźwigni mocy, następnie zakres nastaw dźwigni mocy podzielono na kilka przedziałów. W poszczególnych przedziałach wyznaczono liczbę punktów
eksploatacyjnych. Uzyskane wyniki przeliczono na udziały procentowe względem całego analizowanego czasu lotu. Wyniki zestawiono w formie graficznej.
Podrozdział 6.5. zatytułowano „Analiza korelacji wartości parametrów eksploatacyjnych silnika F-100- PW-229 w warunkach eksploatacji samolotu F-16 z warunkami eksploatacyjnymi występującymi podczas próby silnika”. Autor zaproponował test, który:
1. Jest realizowany przy okazji, w czasie pracy silnika przed startem.
2. Test polega na pomiarze składu spalin w trzech stanach pracy silnika.
3. Wyniki testu naziemnego ekstrapoluje się na cały cykl eksploatacji wiedząc, jaka część statystycznego lotu może być przypisana do każdego z trzech stanów pracy silnika.
Podrozdział 6.6. zatytułowano „Konstrukcja testu do oceny emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach silnika F-100-PW-229 w warunkach eksploatacji samolotu F-16”.
Temat konstrukcji testu wymyka się z prostego opisu, dlatego powiem, co zrozumiałem: Analizowano lot po locie, aby ustalić, jaki procent czasu lotu silniki pracują przy określonych wartościach prędkości obrotowych. Prędkości obrotowe zastąpiono położeniem (nastawem) dźwigni mocy. Dla uproszczenia przyjęto, że cały lot odbywa się przy trzech położeniach dźwigni mocy. Te trzy położenia zdefiniowano, jako środki tych przedziałów prędkości obrotowych i nazwano punktami eksploatacyjnymi testu lub fazami. Emisję zanieczyszczeń można oszacować, znając masę spalin oraz rozdziały wagowe trzech faz.
Podrozdział 6.7 zatytułowano „Ocena emisji związków szkodliwych w spalinach silnika F100-PW-229 w warunkach testu emisji samolotu F-16”.
Rozdział 7 zatytułowano „Ocena emisji zanieczyszczeń spalin myśliwskich samolotów wielozadaniowych w warunkach eksploatacji”.
Podrozdział 7.1. nosi tytuł „Ocena emisji związków szkodliwych w spalinach silnika turbinowego na podstawie parametrów eksploatacyjnych rejestrowanych podczas lotu”.
*W tym miejscu nie sposób, nie zwrócić uwagi, że w kolejnych tytułach rozdziałów pracy używa się różnych nazw i określeń na te same wyrażenia i parametry. Do każdego rozdziału dopisane są długie powtarzające się wstępy.* W podrozdziale przedstawiono w tabeli i na wykresie słupkowym wielkości masy związków szkodliwych emitowanych podczas lotów. Dane uzyskano (jak przypuszczam) w wyniku procedury proponowanej w dysertacji. Należy podkreślić poznawczo wartości tych wyników.
Podrozdział 7.2. ma tytuł „Ocena emisji zanieczyszczeń spalin z silników turbinowych F100-PW-229 na podstawie zużycia paliwa”. Przy różnych stanach wytężenia silnika (prędkości obrotowych) skład spalin jest różny. Dlatego został opracowany test dzielący eksploatację na 3 obszary prędkości obrotowej. Proponowane oszacowanie masy zanieczyszczeń, jest wynikiem mnożenia masy zużytego paliwa przez 3.15 co stanowi udział masy dwutlenku węgla.
3. Ocena merytoryczna pracy
3.1. Ocena doboru tematu i postanowionych celów rozprawy
Badanie składników szkodliwych gazów wylotowych silników odrzutowych samolotów wojskowych jest tematem znacznie trudniejszym niż badania, np. samochodów. Można wyobrazić sobie takie badania na hamowniach wielkich producentów. Poszukiwanie prostej i taniej metody oceny emisji związków szkodliwych w gazach wylotowych silnika samolotu wielozadaniowego jest zadaniem aktualnym, potrzebnym i godnym uwagi, szczególnie, dlatego, że silnik samolotu wielozadaniowego może pracować przy ciągle zmieniających się prędkościach obrotowych i obciążeniach w złożonych manewrach. Cel rozprawy jest postawiony jasno i jednoznacznie.
3.2. Tezy rozprawy.
Autor rozprawy postawił tezę, że istnieje możliwość oceny oddziaływania myśliwskich samolotów wielozadaniowych na środowisko przy pomocy testów bazujących na pomiarach wykonanych na płycie lotniska oraz pomiarach przebiegu lotu przy pomocy standardowego rejestratora pokładowego. Teza jest postawiona poprawnie do postawionych celów rozprawy.
Dzięki testom zaproponowanym przez autora, istnieje możliwość pełnej oceny niekorzystnego oddziaływania gazów wylotowych samolotów wielozadaniowych na środowisko w całym cyklu wykonywanych zadań.
Autor słusznie zwraca uwagę na specyfikę szkolenia bojowego obejmującego manewry i ciągłe stany nieustalone, w przeciwieństwie do lotnictwa pasażerskiego i transportowego.
Praca dotyczy oszacowania ilości szkodliwych substancji zawartych w gazach wylotowych samolotów wielozadaniowych na przykładzie samolotu F-16. Wykorzystując dane z pokładowych rejestratorów lotu, autor wydzielił i zdefiniował tezy stanu pracy (prędkości obrotowych) silnika i określił ich procentowy udział w lotach.
Autor założył, że badania na ziemi w takich samych trzech stanach pracy (prędkości obrotowych) są adekwatne do stanów w locie.
Autor zbadał skład spalin w trzech stanach pracy na ziemi a następnie przyjął, że skład spalin w trzech stanach w locie będzie analogiczny. Autor zaproponował taką dwuczłonową procedurę badań jako autorski test badawczy.
3.3. Ocena naukowej wartości rozprawy
Przedmiotem badań autora było znalezienie sposobu pomiaru ilości substancji szkodliwych zawartych w gazach wylotowych samolotu F-16 w trakcie eksploatacji, przy wykorzystaniu możliwości pomiarów w czasie naziemnych prób przedstartowych oraz analizy rejestracji parametrów lotu. Autor przygotował zestaw aparatury badawczej, zbadał elementy wrażliwości położenia czujników, przeprowadził pomiary. Autor przyjął zastosowaną procedurę jako pierwszą część autorskiego testu badawczego.
Autor opracował statystycznie wyniki rejestracji parametrów lotów realizowanych w trakcie różnych misji badawczych, wytypował trzy reprezentatywne stany testów, tworząc w ten sposób drugą część autorskiego testu badawczego.
Autor przeprowadził dodatkowo badania hamowniane mikrosilnika, starając się zrozumieć i uzasadnić proponowany autorski test badawczy.
Powyższy opis i argumenty potwierdzają naukowe wartości rozprawy.
4. Uwagi krytyczne 4.1. Uwagi merytoryczne
W pracy nie przedstawiono przeglądu literatury. Nie jest przeglądem literatury prezentacja danych technicznych kilkunastu typów samolotów wielozadaniowych ani również przegląd norm czystości spalin. W pracy nie opisano w sposób przejrzysty modelu wzajemnej kompatybilności naziemnej i lotnej części testu autorskiego.
4.2. Uwagi natury ogólnej.
Ciekawa treść pracy ginie w powtarzających się fragmentach faktów oczywistych. To, co stanowi osiągnięcia autora nie jest właściwie wyeksponowane. Rozdziały (np. 6.4.) powinny być zakończone jasnym podsumowaniem. Nawet „autorski test” ginie wśród potoku słów. Rozdział o badaniu mikrosilnika nie jest jasno wpisany w tok wywodu.
Dlaczego nie podano danych fabrycznych o emisji silnika Pratt&Whitney F100-PW-229.
W spisie literatury wymieniono prace dotyczące badania emisyjności w warunkach próby przedstartowej. Takich pozycji jest około 7. Autor powinien określić się co do zaproponowanych tam testów i porównać je z własnymi, albo powołać się, że są to jego pomysły.
Na czym polega analiza numeryczna określania warunków eksploatacyjnych. Można by było napisać jasno i prosto (str. 47). W opisie silnika, który badano (str. 48) nie jest istotny fakt naprawy sprężarki.
W podrozdziale 5.7. pierwsze zdanie nie ma związku z drugim. W tekście nie wyjaśnia się czy podane wyniki są dziełem autora czy też są wzięte z literatury (np. str.57).
Nie ma w tekście rysunku 6.31.
Nie znalazłem wyjaśnienia zdania, że „dzięki temu testowi zmniejszy się ilość badań weryfikacji stanu technicznego tych napędów”.
Nie ma w spisie oznaczeń symboli użytych na str. 81.
Podsumowanie zamieszczone na str. 91 powinno być napisane jaśniej.
Skąd autor ma dane o dzbanowych komorach spalania i jaki to ma związek z pracą (str. 92)?
5. Wnioski końcowe
W recenzowanej rozprawie doktorskiej mgr inż. Grzegorz Ślusarz rozwiązał postawione zadanie, którym było opracowanie autorskiej metody oceny emisji gazowych związków szkodliwych w spalinach turbinowego samolotu wielozadaniowego. Autor rozwiązał zadanie, stosując właściwe metody i urządzenia badawcze. Na podkreślenie zasługuje fakt, że autorska procedura umożliwia w.w. ocenę w warunkach ograniczonego czasu badań stoiskowych oraz wykorzystanie jednego dostępnego źródła informacji o przebiegu lotu, jakim jest rejestrator pokładowy.
Niezależnie od uwag, stwierdzam, że recenzowana rozprawa doktorska Pana mgr. inż. Grzegorza Ślusarza pt. „Ocena emisji gazowych związków szkodliwych w spalinach silnika turbinowego samolotu wielozadaniowego” spełnia wymagania określone w Ustawie o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dnia 14 marca 2003 roku. Dlatego stawiam wniosek o dopuszczenie Autora do publicznej obrony rozprawy doktorskiej.
Witold Wiśniowski
