POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Maszyn Roboczych i Transportu

(1)

Wydział Maszyn Roboczych i Transportu

Grzegorz Ślusarz

Ocena emisji gazowych związków szkodliwych w spalinach silnika turbinowego samolotu wielozadaniowego

PRACA DOKTORSKA

Promotor:

Prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz

Promotor pomocniczy:

dr inż. Marek Waligórski

Poznań 2016

(2)

Spis treści

Streszczenie ... 4

Summary ... 5

Ważniejsze skróty i oznaczenia ... 6

1. Wprowadzenie ... 7

2. Samoloty wielozadaniowe ... 10

2.1. Definicja samolotu wielozadaniowego ... 10

2.2. Wielozadaniowe samoloty myśliwskie na świecie ... 13

3. Związki szkodliwe spalin, normy i sposoby badań silników spalinowych statków powietrznych w aspekcie ochrony środowiska ... 24

3.1. Emisja spalin z turbinowych silników lotniczych ... 24

3.2. Charakterystyka związków szkodliwych spalin silników turbinowych ... 25

3.3. Określenie norm emisji zanieczyszczeń ze statków powietrznych przez EPA ... 31

3.4. Normy emisji spalin według ICAO ... 33

3.5. Normy emisji spalin według FAR 34 ... 34

3.6. Wymagania aparaturowe ... 38

3.7. Procedura realizacji badań ... 40

3.8. Ocena przepisów w aspekcie badań silników turbinowych ... 42

4. Cel, tezy i zakres pracy ... 43

5. Metodyka realizacji celu pracy ... 45

5.1. Identyfikacja problemu naukowego ... 45

5.2. Rozwiązanie problemu naukowego ... 46

5.3. Obiekty badań ... 47

5.4. Silnik stosowany w zespołach napędowych obiektów badawczych ... 48

5.5. Parametry fizykochemiczne paliwa ... 49

5.6. Aparatura pomiarowa ... 52

5.7. Metodyka badań eksperymentalnych ... 54

6. Badania emisji związków szkodliwych spalin z turbinowych silników odrzutowych w próbach stanowiskowych ... 56

6.1. Ocena zależności parametrów eksploatacyjnych i wskaźników ekologicznych ... 56

6.1.1. Wyniki pomiarów parametrów ekologicznych ... 56

6.1.2. Analiza zależności wybranych parametrów spalin ... 59

6.2. Wyznaczenie położenia punktu pomiarowego poboru spalin ... 62

6.3. Pomiary stężenia związków szkodliwych spalin podczas próby stanowiskowej ... 65

6.4. Analiza korelacji wartości parametrów eksploatacyjnych silnika F100-PW-229 w warunkach eksploatacji samolotu F-16 ... 68

6.5. Analiza korelacji wartości parametrów eksploatacyjnych silnika F100-PW-229 w warunkach eksploatacji samolotu F-16 z warunkami eksploatacyjnymi występującymi podczas próby silnika ... 77

6.6. Konstrukcja testu do oceny emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach silnika F100-PW-299 w warunkach eksploatacji samolotu F-16 ... 79

6.7. Ocena emisji związków szkodliwych w spalinach silnika F100-PW-229

w warunkach testu emisji dla samolotu F-16 ... 82

(3)

7. Ocena emisji zanieczyszczeń spalin myśliwskich samolotów wielozadaniowych

w warunkach eksploatacji ... 86

7.1. Ocena emisji związków szkodliwych w spalinach silnika turbinowego na podstawie parametrów eksploatacyjnych rejestrowanych podczas lotu ... 86

7.2. Ocena emisji zanieczyszczeń spalin z silników turbinowych F100-PW-229 na podsta- wie zużycia paliwa ... 88

8. Zakończenie ... 91

8.1. Podsumowanie ... 91

8.2. Wnioski ... 91

8.3. Kierunki dalszych prac ... 93

Literatura ... 94

(4)

Streszczenie

Ocena rzeczywistych warunków eksploatacji samolotów wielozadaniowych, ukierunko- wana na analizę emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach generowanych przez ich zespoły napędowe, jest zagadnieniem nowym zarówno w skali krajowej, jak również w skali światowej. Dążeniem autora jest określenie oddziaływania samolotu wielozadaniowe- go i jego eksploatacji na środowisko naturalne człowieka oraz wskazanie wpływu stosowania specyficznych warunków eksploatacyjnych na ekologiczne aspekty ich pracy. W ramach pra- cy wykonano analizy histogramów obciążenia silników wybranych samolotów wielozada- niowych rejestrowanych w rzeczywistych warunkach eksploatacji, które dotyczyły losowo wybranych lotów, a zostały zarejestrowane przez pokładowe rejestratory parametrów lotu.

Przeprowadzono badania stężenia związków szkodliwych zawartych w spalinach silników podczas prób przedlotowych samolotów oraz prób realizowanych na hamowni silnikowej.

Uzyskane wyniki z przeprowadzonych pomiarów poddano analizie porównawczej z warto- ściami obciążenia silników podczas prób, które zarejestrował rejestrator parametrów lotu.

Wspólne zestawienie uzyskanych danych umożliwiło przypisanie wartości stężenia poszcze- gólnych związków szkodliwych spalin odpowiednim stanom obciążenia silnika w trakcie lotu.

Informacje te wykorzystano do oceny emisyjności wybranych samolotów wielozadaniowych

podczas warunków ich eksploatacji. Na podstawie przeprowadzonych analiz skonstruowano

test badawczy, który może posłużyć do oceny stanu eksploatacyjnego silnika turbinowego

samolotu wielozadaniowego.

(5)

in multi-role aircraft turbine engine exhaust Summary

Assessment of the actual operating conditions of multi-role aircraft focused on the analysis

of the emission of harmful compounds contained in the exhaust gas generated by the power-

trains is the new issue both nationally as well as globally. Aim of the author's work is to de-

termine the impact of multi-role aircraft and its operation on the environment and to assess the

influence of operation in specific conditions on ecological aspects of aircraft operation. As

part of the work analysis of engine load histograms of selected multi-role aircrafts has been

done. Histograms have been made on the basis of parameters registered under real operating

conditions that involved randomly selected flights, and were recorded by the on-board flight

data recorders. Research of the concentration of harmful substances in the exhaust gases dur-

ing pre-flight tests and engine dynamometer has been carried out. Obtained results of the

measurements were subjected to a comparative analysis to the values of the engine load regis-

tered during tests by flight data recorder. Data analysis allowed assigning of the concentration

value of the individual compound of exhaust emissions to the corresponding state of engine

load during the flight. This information was used to assess the emission of selected multi-role

aircraft during conditions of their operation. On the basis of these analyses, a research test was

developed, which enables the assessment of the operating state of a turbine engine in a multi- role aircraft.

(6)

Ważniejsze skróty i oznaczenia

ACARE

Advisory Council for Aeronautics Research and Innovation in Europe – Komi-

tet doradczy do spraw badań i innowacji aeronautyki w Europie

AVL

Anstalt für Verbrennungskraftmaschinen List – Instytut Spalania, Graz, Austria

CO tlenek węgla

CO

2

dwutlenek węgla

e

i

natężenie emisji i-tego związku w spalinach

EPA

Environmental Protection Agency – Agencja Ochrony Środowiska w USA

FAR 34

Fuel Venting and Exhaust Emission Requirements for Turbine Engine Powered

Airplanes – przepisy określające normy emisji spalin samolotowych silników

turbinowych

FID

Flame Ionization Detector – analizator płomieniowo-jonizacyjny

FIR

Flight Information Region – obszar informacji powietrznej przypisany po-

szczególnym lotniskom

HC

Hydrocarbons – węglowodory

IATA

International Air Transport Association – Zrzeszenie Międzynarodowego

Transportu Lotniczego

ICAO

International Civil Aviation Organization – Organizacja Międzynarodowego

Lotnictwa Cywilnego

JAR 34

Joint Aviation Requirements – przepisy określające normy emisji spalin

LTO

Landing and Take Off – wzorcowy cykl startu i lądowania

NATO

North Atlantic Treaty Organization – Pakt Północnoatlantycki

NDIR

Non-Dispersive Infrared – analizator niedyspersyjny na podczerwień

NDUV

Non-Dispersive Ultraviolet – analizator niedyspersyjny na ultrafiolet

NEWAC

New Aero Engine Core Concepts – program Unii Europejskiej wspierający no-

we rozwiązania konstrukcyjne silników związane ze zmniejszeniem emisji związków szkodliwych spalin

NO

x

tlenki azotu

PEMS

Portable Emission Measurement System – mobilna aparatura do pomiaru emisji

związków szkodliwych

PM ppm

Particulate Matter – cząstki stałe

parts per million – liczba części na milion SZ RP Siły Zbrojne Rzeczypospolitej Polskiej

THC

Total Hydrocarbons – całkowita emisja węglowodorów

UE Unia Europejska

u

j

współczynnik wagowy

(7)

Rozwój techniki w zakresie konstrukcji środków transportu z wszystkich rodzajów trans- portu jest ukierunkowany na konieczność poprawy ekonomiczności realizowanych funkcji transportowych przy jednoczesnym ograniczeniu negatywnego wpływu na środowisko natu- ralne. Stosowanie zaawansowanych technologii i ich rozwój zmusza do ciągłej weryfikacji istniejących warunków pracy silników oraz ich skutków oddziaływania na środowisko natu- ralne człowieka. Konieczność realizacji różnego rodzaju funkcji transportowych oraz nowe wyzwania w tym zakresie powodują, że transport jest zaliczany do bardzo dynamicznie roz- wijającej się dziedziny. Rozwój transportu przekłada się na zwiększenie zapotrzebowania energetycznego, w większości zaspakajanego paliwami pochodzącymi ze złóż kopalnych, co przyczynia się do zwiększenia negatywnego oddziaływania na środowisko człowieka przede wszystkim ze względu na emisję szkodliwych składników spalin. Pomimo prowadzonych wielu prac i badań z różnych dziedzin dotyczących ograniczenia negatywnych skutków trans- portu, w dalszym ciągu poważnym zagrożeniem jest emisja związków szkodliwych zawartych w spalinach generowanych przez zespoły napędowe różnego rodzaju środków transportu.

Szczególną uwagę poświęca się emisji dwutlenku węgla, będącego miarą zużycia paliwa oraz tlenkom azotu i cząstkom stałym. Wzajemne rozbieżności mechanizmów powstawania tlen- ków azotu i cząstek stałych stanowią barierę rozwoju współczesnych silników spalinowych [5–10, 20, 22, 23, 25, 26, 31, 32, 35, 37–59, 61–73].

Wiele czynników wskazuje na ciągłą i wieloletnią dominację silników spalinowych wśród napędów lotniczych. Taka sytuacja nadal będzie utrzymana z powodu braku alternatywnego napędu. W kolejnych latach jednym z najpoważniejszych problematów człowieka będą pro- blemy energetyczne i ekologiczne. Intensywność negatywnego oddziaływania transportu uza- leżniona jest przede wszystkim od liczby środków transportowych i od ich sposobu efektyw- nego wykorzystania. Dlatego od wielu lat trwają intensywne prace, mające na celu zminima- lizowanie ich negatywnego oddziaływania na środowisko. Jednym z kluczowych sposobów oddziaływania jest wprowadzanie coraz bardziej rygorystycznych dopuszczalnych wartości emisji związków toksycznych z silników spalinowych. W efekcie tych działań obowiązują ustalenia prawne, dotyczące emisji związków toksycznych z silników spalinowych stosowa- nych w różnego rodzaju środkach transportu oraz innych urządzeniach. Obniżane wartości limitowanej emisji związków toksycznych spalin, powoduje ciągłe unowocześnianie i moder- nizację silników spalinowych. Dzięki tym działaniom współczesne układy napędowe wraz z silnikami spalinowymi znacznie odbiegają w aspekcie emisji zanieczyszczeń od tych stoso- wanych jeszcze kilkanaście lat temu, zarówno pod względem konstrukcji, jak i zastosowa- nych technologii.

Emisja związków toksycznych spalin zależy w od stanu technicznego silnika. W związku

z tym działalność ustawodawcza ukierunkowana jest na wprowadzanie nowych procedur dia-

gnostycznych i badawczych umożliwiających wykrywanie zwiększonej emisji związków tok-

sycznych spalin. Działania te bardzo szeroko rozpowszechnione są w środkach transportu

drogowego dla pojazdów osobowych i ciężarowych. Podobne działania, ale w mniejszym

zakresie, dotyczą również statków powietrznych. Obecne przepisy dotyczące wpływu środ-

ków transportu lotniczego na środowisko wprowadzone przez EPA (Environmental Protec-

tion Agency – Agencja Ochrony Środowiska), ICAO (International Civil Aviation Organiza- tion – Organizacja Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego), zawarte w JAR 34 (Joint Avia- tion Requirements – przepisy określające normy emisji spalin), FAR 34 (Fuel Venting and Exhaust Emission Requirements for Turbine Engine Powered Airplanes – przepisy określają-

ce normy emisji spalin samolotowych silników turbinowych), dotyczą głównie emisji hałasu

i związków szkodliwych spalin ze szczególnym uwzględnieniem tlenków azotu.

(8)

1. Wprowadzenie 8

Pierwsze działania ukierunkowane na ocenę wpływu statków powietrznych na środowisko naturalne podjęła EPA w 1970 roku w Stanach Zjednoczonych. Przeprowadzono badania nad wpływem toksycznych składników spalin emitowanych przez statki powietrzne na środowi- sko. Uzyskane wyniki wykazały, że poziom emitowanych składników toksycznych: tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu oraz zadymienia spalin jest duży. W związku z czym, podjęto prace ukierunkowane na wprowadzenie ograniczeń emisji tych związków z silników statków powietrznych. Działania te przyczyniły się do opublikowania przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska w 1973 roku, pierwszych aktów normatywnych dotyczących emisji CO, HC i NO

x

, a normy dotyczące zadymienia spalin opublikowano w 1976 roku.

Organizacja Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego ICAO swoje stanowisko w sprawie problemu negatywnego oddziaływania statków powietrznych na środowisko naturalne czło- wieka, przedstawiła na konferencji „Środowisko życia człowieka” zorganizowanej przez Or- ganizację Narodów Zjednoczonych w Sztokholmie w 1972 roku. Zawarto je w Rezolucji Ra- dy A18-11. Następstwem tej rezolucji było ustanowienie przez ICAO programu działań wo- bec środowiska. Częścią tego programu było powołanie „grupy studyjnej”, wspierającej orga- nizację w wielu zadaniach związanych z emisją z silników statków powietrznych. Rezultatem prac grupy było wydanie w 1977 roku okólnika ICAO, zatytułowanego „Sprawdzanie emisji z silników statków powietrznych”. Okólnik ten zawierał materiał przewodni w formie proce- dur certyfikacyjnych, w celu sprawdzania drenażu paliwa, emisji związków gazowych i za- dymienia dla nowych silników turboodrzutowych i turbowentylatorowych, przeznaczonych jako napęd statków powietrznych o prędkościach poddźwiękowych.

Przeprowadzone działania przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska oraz Organi- zację Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego, spowodowały, że opracowano dwa akty normatywne i podjęto działania w kierunku standaryzacji norm. Wspólne prace przyczyniły się do ujednolicenia norm i ich publikacji w 1981 roku, jako odrębny załącznik do Konwencji Chicagowskiej – Załącznik 16 „Ochrona środowiska”, składający się z dwóch tomów; tom I –

„Hałas statków powietrznych”, tom II – „Emisja z silników statków powietrznych”. W opra- cowaniu zawarto normy dotyczące między innymi stanowiskowych testów badawczych, me- tod pomiaru, aparatury pomiarowej oraz sposobu obliczania emisji związków szkodliwych spalin. Zawarto tam również limity emisji poszczególnych związków szkodliwych zawartych w spalinach z podziałem na pewne grupy silników. Zawarte limity emisji okresowo zostają zmniejszane w celu stymulacji rozwoju napędów statków powietrznych ukierunkowanych na ochronę środowiska.

Obecnie obowiązujące limity wymuszają wspólne działania producentów silników lotni- czych w kierunku poszukiwania nowych sposobów na zmniejszenie emisji związków szko- dliwych. Działania te prowadzone są w ramach realizacji wspólnych programów między in- nymi takich jak w ramach Unii Europejskiej program NEWAC, który zakłada redukcję emisji CO

2

o 6% i NO

x

o 16%. Program ten jest zbieżny z ogólnymi założeniami Komitetu dorad- czego do spraw badań i innowacji aeronautyki w Europie (Advisory Council for Aeronautics

Research and Innovation in Europe – ACARE), które zakładają w zakresie ochrony środowi-

ska zmniejszenie emisji CO

2

o 50% i NO

x

o 80% oraz redukcję hałasu o 50% do 2020 roku, w stosunku do dopuszczalnych wartości emisji z 2001 roku [27–30]. W krajach Unii Europej- skiej jest realizowany również program CLEAN SKY oraz CLEAN SKY 2. Programy te są wspólną inicjatywą technologiczna, której celem jest wspomaganie działań związanych z opracowaniem i wdrożeniem nowych technologii w zakresie napędów lotniczych przyczy- niając się do znacznego ograniczenia negatywnego wpływu transportu lotniczego na środowi- sko.

W krajach Unii Europejskiej szacuje się, że lotnictwo ma swój wkład w całkowitą emisję

gazów cieplarnianych na poziomie 3%. Według Międzyrządowego Panelu ds. Zmian Klima-

tycznych inne środki transportu produkują kolejne 2% emisji, a transport drogowy 13%. Emi-

(9)

sja gazów cieplarnianych generowanych przez lotnictwo zwiększa się, a tendencja ta z pew- nością się utrzyma. Od 1990 do 2009 roku emisja gazów cieplarnianych wytwarzanych przez lotnictwo w krajach UE utrzymuje stały wskaźnik wzrostu na poziomie 4,3% rocznie [1–4, 11, 13, 15, 18, 19, 21, 27–30, 34, 36, 40, 60, 62, 64, 70, 72, 75, 76, 79].

Zrzeszenie Międzynarodowego Transportu Lotniczego (IATA) również prowadzi działania mające na celu zmniejszenie negatywnego oddziaływania transportu lotniczego na środowi- sko. Działania te ukierunkowane są na skłanianie producentów statków powietrznych do in- westycji w nowe technologie, przewoźników lotniczych do optymalizacji lotów, porty lotni- cze do inwestycji w infrastrukturę zapewniającą możliwie największą dbałość o środowisko.

Działania te spowodowały zmniejszenie emisji dwutlenku węgla o 44,5 mln ton w latach 2004‒2007, co odpowiada oszczędnościom w wysokości 7,7 mld dolarów [27–30].

W większości prace związane z analizami statystycznymi oddziaływania statków po- wietrznych na środowisko, a także prace rozwojowe realizowane w ramach różnych projek- tów dotyczą przede wszystkim samolotów komunikacyjnych, transportowych i silników tur- binowych, turbowentylatorowych, które są wykorzystywane do ich napędu [27–30, 24, 71, 78]. Natomiast do tej pory nie podjęto działań w celu oceny emisji zanieczyszczeń przewi- dzianych dla silników turbinowych o zastosowaniu militarnym dotyczących ich specyficz- nych warunków eksploatacji.

W związku z tym, w niniejszej pracy podjęto próbę oceny emisji zanieczyszczeń spalin

z silników wojskowych samolotów wielozadaniowych wraz z opracowaniem dedykowanego,

emisyjnego testu badawczego.

(10)

2. Samoloty wielozadaniowe

2.1. Definicja samolotu wielozadaniowego

Określenie wielozadaniowy, w odniesieniu do samolotu, jest przymiotnikiem przypisują- cym konstrukcji samolotu kilka funkcji przeznaczenia. Przykłady takich funkcji, w odniesie- niu do samolotów wykorzystywanych w lotnictwie cywilnym, to przede wszystkim połącze- nie funkcji transportowych z funkcją pasażerską. W lotnictwie cywilnym przyjęto podział samolotów na samoloty transportowe i na samoloty pasażerskie. Samoloty transportowe de- dykowane do tej funkcji charakteryzują się specjalną konstrukcją kadłuba zapewniającą do- stęp do przestrzeni ładunkowej przez drzwi towarowe od tyłu samolotu lub od przodu. Typo- wymi przedstawicielami samolotu transportowego są Antonow An-124 Rusłan (rys. 2.1) oraz Boeing 747-8F (rys. 2.2). Pierwszy z nich jest konstrukcją górnopłata o kształcie kadłuba z jedną przestrzenią ładunkową projektowaną wyłącznie do przewozu ładunków. Drugi jest reprezentantem idei opracowanej jednej konstrukcji samolotu szerokokadłubowego, który może być wykonany w zależności od przeznaczenia jako transportowy lub pasażerski. W wersji transportowej wykonuje się zamiast pokładu pasażerskiego, pokład transportowy o wzmocnionej konstrukcji a kadłub wykonuje się bez zbędnych okien i drzwi. Dostęp do prze- strzeni ładunkowej jest zapewniony przez wykonane przednie drzwi transportowe. Dolny po- kład z przestrzenią ładunkową i bocznymi drzwiami ładunkowymi dedykowanymi wersją samolotu pasażerskiego pozostają niezmienione.

a) b)

Rys. 2.1. Antonow An-124 Rusłan [90]: a) na drodze startowej, b) podczas załadunku

Rys. 2.2. Boeing 747-8F podczas załadunku [89]

(11)

Największym samolotem kwalifikowanym jako pasażerski jest AIRBUS A380-800 (rys.

2.3). Jest to samolot szerokokadłubowy o konstrukcji dolnopłata. W przestrzeni kadłuba wy- dzielono trzy główne pokłady. Dolny jest pokładem transportowym a pozostałe dwa (środko- wy i górny) są pokładami pasażerskimi (rys. 2.4). W zależności od wersji wykonania prze- strzeni pasażerskiej może mieścić od 555 do około 850 osób.

Rys. 2.3. Samolot pasażerski AIRBUS A380-800 [88]

Rys. 2.4. Przekrój poprzeczny kadłuba i schemat pokładów pasażerskich samolotu AIRBUS A380 w wersji 555 miejsc [87]

Przy rozgraniczeniu funkcjonalnym typów samolotów transportowych i pasażerskich wy- stępują również samoloty, które można by zakwalifikować jako samoloty wielozadaniowe.

Przykładem takiej konstrukcji jest samolot Boeing 747 Combi (rys. 2.5). W jego kadłubie na środkowym pokładzie wydzielona została dodatkowa przestrzeń transportowa (rys. 2.6), do której dostęp zapewniono przez wykonane boczne drzwi transportowe. Samolot Boeing 747 Combi, zgodnie z przyjętą definicją samolotu wielozadaniowego jest konstrukcyjnym przy- kładem zastosowania samolotu wielozadaniowego w cywilnym transporcie lotniczym.

Rys. 2.5. Samolot Boeing 747 Combi [82]

(12)

2. Samoloty wielozadaniowe 12

Rys. 2.6. Pokład środkowy samolotu Boeing 747 Combi z wydzieloną dodatkową przestrzenią trans- portową w tylnej części kadłuba [85]

W lotnictwie ogólnym do grupy samolotów wielozadaniowych zalicza się małe samoloty śmigłowe z silnikami tłokowymi o dużym zapasie mocy i charakteryzujące się krótką drogą startową. Samoloty te wykorzystywane są do operacji lotniczych realizowanych z wykorzy- staniem lotnisk i lądowisk, znajdujących się w trudnym terenie lub będących tzw. terenem przygodnym. Samoloty te w związku z tym mają również odpowiednio zaprojektowane pod- wozie. Do takich samolotów zaliczane są między innymi PZL-104 Wilga, An-2 oraz Jak- -12 eksploatowane w większości polskich Aeroklubów, wykorzystywane do transportu skoczków spadochronowych, holowania szybowców itp. Biorąc pod uwagę definicję samolo- tu wielozadaniowego i odnosząc ją do wojskowych samolotów transportowych, można przy- jąć, że w większości są one samolotami wielozadaniowymi. Przykładem może być transport sprzętu wojskowego, żywności, ludzi, skoczków spadochronowych (rys. 2.7), transport ran- nych, leków i wyposażenia medycznego, transport zwierząt, itd.

Rys. 2.7. Transport skoczków spadochronowych samolotem transportowym Boeing C-17 Globemaster III [86]

Szczególnego znaczenia nabiera funkcja wielozadaniowości w przypadku samolotów bo-

jowych. Pierwsze samoloty wykorzystywane w celach militarnych, podczas pierwszej wojny

światowej, były samolotami wielozadaniowymi. Pełniły funkcje patrolowe, rozpoznania li-

czebności, rozmieszczenia i potencjału wojsk nieprzyjaciela, ostrzału i bombardowania wro-

ga, a także służyły do prowadzenia walk powietrznych z napotkanym wrogiem. Doświadcze-

nia wojenne z tego okresu przyczyniły się do zmian wizji taktyki wojskowej. Wraz z rozwo-

jem specyfiki działań wojennych i rozwojem techniki lotniczej nastąpiła specjalizacja środ-

ków bojowych, w tym również samolotów. Zaprojektowano bombowce do prowadzenia nalo-

tów bombowych realizowanych w dużej odległości od lotniska startowego; zaprojektowano

dedykowane do walki powietrznej samoloty myśliwskie, które okazały się bardzo skuteczną

bronią przy możliwościach nadania im różnej funkcji w zależności od przenoszonych środ-

ków bojowych np. torped czy bomb.

(13)

Obecnie w rozumieniu militarnym samolot wielozadaniowy dotyczy samolotu myśliw- skiego zdolnego do realizacji różnych zadań w zależności od wyposażenia w środki bojowe.

Przykładem takiego samolotu są, będące na wyposażeniu Sił Powietrznych Rzeczypospolitej Polskiej, samoloty MiG-29 i F-16 Fighting Falcon, z czego samoloty F-16 wraz z uzbroje- niem (rys. 2.8) są obecnie najnowocześniejszymi lotniczymi środki bojowymi w Siłach Zbrojnych RP.

Rys. 2.8. Samolot F-16 Fighting Falcon wraz z uzbrojeniem [67]

2.2. Wielozadaniowe samoloty myśliwskie na świecie

Samoloty myśliwskie w swojej funkcji przeznaczenia mają zadanie zwalczania innych

statków powietrznych. Zadanie to wymaga odpowiednich właściwości eksploatacyjnych, któ-

re są parametrami wyjściowymi do procesów opracowania konstrukcji samolotu. Do takich

właściwości należą: duża zwrotność, uzyskanie dużych prędkości lotu a zarazem możliwość

lotu z bardzo małymi prędkościami, duże prędkości wznoszenia i zniżania, możliwość długo-

trwałego lotu w pozycji odwróconej, możliwość operacji na dużych wysokościach, itd. Wła-

ściwości te wskazują na konstrukcję samolotu o stosunkowo małych wymiarach i z napędem

zapewniającym dużą siłę ciągu. Założenia te przekładają się na możliwości realizowanych

operacji lotniczych w zakresie ich czasu trwania i zasięgu skutecznego samolotu. Wynika to

przede wszystkim z dostępnego na pokładzie samolotu zapasu paliwa. W związku z tym sa-

moloty myśliwskie największą skuteczność mają w zadaniach realizowanych w bliskich odle-

głościach od lotniska bazowego, z którego startują. Wraz ze zwiększeniem odległości operacji

(14)

od miejsca startu, funkcja zdolności bojowej samolotu się zmniejsza z powodu konieczności zabrania zapasu paliwa w zbiornikach podwieszanych. Wraz z koniecznością zabrania więk- szej ilości paliwa zmniejsza się możliwość podwieszenia uzbrojenia, co przekłada się bezpo- średnio na zdolności bojowe samolotu. Dodatkowe znaczenie mają szybko zmieniające się warunki operacji wojskowej realizowanej w dużej odległości od miejsca bazowania samolotu.

Uniemożliwia to pełne przystosowanie samolotu do wykonywanej misji. W związku z tym konieczne stało się opracowanie konstrukcji samolotów myśliwskich, które będą charaktery- zowały się zdolnościami zbliżonymi do założeń samolotu myśliwskiego, a jednocześnie swym uzbrojeniem będą miały możliwość wykorzystania odpowiednich środków w zależno- ści od zaistniałych potrzeb sytuacyjnych. Opracowano konstrukcje samolotów myśliwskich, które te założenia spełniają i tworzą rodzaj samolotów wielozadaniowych (tabl. 2.1). Prace związane z opracowaniem konstrukcji myśliwców wielozadaniowych trwały od lat 50. XX wieku, natomiast opracowane skuteczne rozwiązania obejmują lata 70. XX wieku. W tym okresie zaprojektowano i wprowadzono do eksploatacji samoloty, które po modernizacjach są produkowane do dnia dzisiejszego. Przykładem takich samolotów są: CF-18 Hornet produ- kowany przez McDonnell Douglas, Su-27 produkowany przez KnAAPO, Irkut Corporation, Mirage 2000 produkowany przez Dassault Aviation, Tornado IDS/ECR produkowany przez Panavia Aircraft GmbH, MiG-29 produkowany przez zakłady Mikoyan, F-16 Fighting Falcon produkowany przez General Dynamics/Lockheed Martin Aeronautics.

Tablica 2.1. Konstrukcje myśliwskich samolotów wielozadaniowych [77, 81]

Samolot, producent

i liczba wyprodukowanych samolotów Charakterystyka napędu

CF-18 Hornet (CF-18A, CF-18B) McDonnell Douglas

Stany Zjednoczone Ameryki Północnej Wprowadzony do eksploatacji w 1983 r.

Wyprodukowano 1480 szt.

2 silniki General Electric F404-GE-402

Siła ciągu silnika:

– bez dopalacza 48,9 kN każdy – z dopalaczem 79,2 kN każdy Spręż: 26:1

Stopień dwuprzepływowości: 0,34:1 Jednostkowe zużycie paliwa:

– tryb wojskowy 82,6 kg/N·h – dopalacz 177,5 kg/N·h

Stosunek ciągu do masy: 7,8:1 (78,0 N/kg)

Kraje eksploatujące: Stany Zjednoczone Ameryki Północnej – 314 szt., Kanada – 138 szt., Australia – 71 szt., Hiszpania – 94 szt., Szwajcaria – 26 szt., Malezja – 8 szt., Kuwejt – 35 szt., Finlandia – 62 szt.

(15)

Tablica 2.1 cd. Konstrukcje myśliwskich samolotów wielozadaniowych

Chengdu J-10

Chengdu Aircraft Industry Group Chiny

Wprowadzony do eksploatacji w 2005 r.

1 silnik Saturn-Lyulka AL-31FN lub WS-10A AL-31FN

– bez dopalacza 79,43 kN – z dopalaczem 125 kN Spręż: 23:1

– tryb wojskowy 24,6 g/N·s – dopalacz 54,3 g/N·s

Stosunek ciągu do masy: 7,87:1 (78,7 N/kg) WS-10A

– bez dopalacza 89,17 kN – z dopalaczem 132 kN

Stosunek ciągu do masy: 7,5:1 (75,0 N/kg) Kraje eksploatujące: Chiny – 240 szt., Pakistan 36 szt. (124 szt. w fazie sukcesywnej dostawy)

Xian JH-7, Xian Aircraft Industry Corporation Chiny

2 silniki Xian WS-9 Siła ciągu silnika:

– bez dopalacza 54,29 kN każdy – z dopalaczem 91,26 kN każdy

Kraje eksploatujące: armia chińska eksploatuje całość produkcji.

Mirage 2000, Dassault Aviation, Francja Wprowadzony do eksploatacji w 1982 r.

1 silnik Snecma M53-P2 Siła ciągu silnika:

– bez dopalacza 64,3 kN – z dopalaczem 95,1 kN Spręż: 9,8:1

– tryb wojskowy 0,9 kg/dN·h – dopalacz 2,1 kg/dN·h

Kraje eksploatujące: Francja – 315 szt., Indie – 51 szt., Zjednoczone Emiraty Arabskie – 67 szt., Chiny – 60 szt., Grecja – 44 szt., Egipt – 20 szt., Katar – 12 szt., Peru – 12 szt.

(16)

Rafale, Dassault Aviation, Francja Wprowadzony do eksploatacji w 2001 r.

2 silniki Snecma M88-2 Siła ciągu silnika:

– tryb wojskowy 0,8 kg/dN·h – dopalacz 1,75 kg/dN·h

Kraje eksploatujące: Francja – 135 szt., Indie – 36 szt., Zjednoczone Emiraty Arabskie – 67 szt., Egipt – 6 szt., Katar – 24 szt.

Eurofighter Typhoon Eurofighter Jagdflugzeug GmbH Wprowadzony do eksploatacji w 2003 r.

2 silniki Eurojet EJ200 Siła ciągu silnika:

– bez dopalacza 60 kN każdy – z dopalaczem 90 kN każdy Spręż: 26:1

– tryb wojskowy 21 g/kN·s – dopalacz 47 g/kN·s

Kraje eksploatujące: Austria – 15 szt., Niemcy – 180 szt., Włochy – 121 szt., Kuwejt – 28 szt., Oman – 12 szt., Arabia Saudyjska – 72 szt., Hiszpania – 87 szt., Wielka Brytania – 232 szt.

Tornado IDS/ECR, Panavia Aircraft GmbH Wprowadzony do eksploatacji w 1979 r.

2 silniki Turbo-Union RB199-34R Mk 103 Siła ciągu silnika:

– bez dopalacza 43,8 kN każdy – z dopalaczem 76,8 kN każdy Spręż: 23,5:1

Stopień dwuprzepływowości: 1,1:1

Kraje eksploatujące: Niemcy – 93 szt., Włochy – 78 szt., Arabia Saudyjska – 82 szt., Wielka Bryta- nia – 102 szt.

(17)

HAL Tejas, Hindustan Aeronautics Limited Indie

1 silnik General Electric F404-GE-IN20 Siła ciągu silnika:

– bez dopalacza 53,9 kN – z dopalaczem 89,8 kN Spręż: 26:1

Kraje eksploatujące: wszystkie wyprodukowane samoloty eksploatowane są w Indiach.

Sukhoi Su-27,

(Sukhoi Su-30, Sukhoi Su-33, Sukhoi Su-34, Sukhoi Su-35, Sukhoi Su-37, Shenyang J-11)

KnAAPO, Irkut Corporation, Rosja Wprowadzony do eksploatacji w 1985 r.

Su-27 wyprodukowano 809 szt.

Su-30 wprowadzono w 1996 r.

i wyprodukowano 500 szt.

i wyprodukowano 2 szt. (silniki z wektorowaniem siły ciągu) Łącznie wyprodukowano: 1489 szt.

2 silniki Lyulka AL-31FP Siła ciągu silnika:

– bez dopalacza 75,22 kN każdy – z dopalaczem 123 kN każdy Spręż: 23:1

Kraje eksploatujące: Erytrea – 9 szt., Etiopia – 20 szt., Indonezja – 5 szt., Kazachstan – 30 szt., Ro- sja – 718 szt., Ukraina – 120 szt., Uzbekistan – 34 szt., Stany Zjednoczone Ameryki Północnej – dane niejawne, Wietnam – 12 szt.

(18)

Tablica 2.1 cd.

Konstrukcje myśliwskich samolotów wielozadaniowych

Su-30MKI, Hindustan Aeronautics Limited Rosja/Indie

Licencja Sukhoi Design Bureau Su-30 Wprowadzony do eksploatacji w 2000 r.

2 silniki Lyulka AL-31FP z wektorowaniem siły ciągu

Kraje eksploatujące: wszystkie wyprodukowane samoloty eksploatowane są w Indiach.

Shenyang J-11

(kopia licencyjna Sukhoi Su-27SK) Shenyang Aircraft Corporation, Chiny Wprowadzony do eksploatacji w 1998 r.

2 silniki Lyulka AL-31F lub Woshan WS-10A AL-31F

Stosunek ciągu do masy: 7,87:1 (78,7 N/kg) WS-10A

– bez dopalacza 89,17 kN każdy – z dopalaczem 132 kN każdy

Stosunek ciągu do masy: 7,5:1 (75,0 N/kg) Kraje eksploatujące: armia chińska eksploatuje całość produkcji.

Shenyang J-15, J-16

(wersje licencyjne Sukhoi Su-27SK) Shenyang Aircraft Corporation, Chiny Wprowadzony do eksploatacji w 2013 r.

Wyprodukowano: Shenyang J-16 – 24 szt., Shenyang J-15 – 21 szt.

2 silniki WS-10A Siła ciągu silnika:

– bez dopalacza 89,17 kN każdy – z dopalaczem 132 kN każdy

Kraje eksploatujące: armia chińska eksploatuje całość produkcji.

(19)

JF-17 Thunder, FC-1 Xiaolong Chengdu Aircraft Industry Group/Pakistan

Aeronautical Complex, Chiny/Pakistan Wprowadzony do eksploatacji w 2007 r.

1 silnik Klimov RD-93 lub Guizhou WS-13 Klimov RD-93

– tryb wojskowy 75 kg/N·h – dopalacz 188 kg/N·h

Stosunek ciągu do masy: 7,9:1 (79,0 N/kg) Guizhou WS-13

– bez dopalacza 51,2 kN – z dopalaczem 84,6 kN

Stopień dwuprzepływowości: 0,57:1 Stosunek ciągu do masy: 7,8:1 (78,0 N/kg) Kraje eksploatujące: Pakistan – 66 szt., Republika Związku Mjanmy – 16 szt.

T-50 Golden Eagle, Korea Aerospace Industries (we współpracy z Lockheed Martin) Wprowadzony do eksploatacji w 2005 r.

1 silnik General Electric F404

produkowany na licencji przez Samsung Techwin

Stosunek ciągu do masy: 7,8:1 (78,0 N/kg) Kraje eksploatujące: Indonezja – 16 szt., Irak – 24 szt., Korea Południowa – 49 szt., Filipiny – 12 szt., Tajlandia – 4 szt.

JAS 39 Gripen, Saab Group, Szwecja Wprowadzony do eksploatacji w 1997 r.

1 silnik Volvo RM12 Siła ciągu silnika:

– bez dopalacza 54 kN – z dopalaczem 80,5 kN Spręż: 27,5:1

– tryb wojskowy 23,9 mg/N·s – dopalacz 50,6 mg/N·s

Kraje eksploatujące: Brazylia – 36 szt., Czechy – 14 szt., Węgry – 12 szt., Republika Południowej Afryki – 26 szt., Szwecja – 134 szt., Tajlandia – 12 szt.

(20)

F-16 Fighting Falcon, General Dynamics/

Lockheed Matin Aeronautics Stany Zjednoczone Ameryki Północnej Wprowadzony do eksploatacji w 1978 r.

1 silnik General Electric F110-GE-100 lub Pratt & Whitney F100-PW-229 F110-GE-100

– bez dopalacza 76,3 kN – z dopalaczem 127 kN Spręż: 29,9:1

Stosunek ciągu do masy: 7,29:1 (72,9 N/kg) F100-PW-229

Stopień dwuprzepływowości: 0,32:1 Stosunek ciągu do masy: 7,8:1 (76,0 N/kg)

Kraje eksploatujące: Bahrajn, Belgia, Chile, Dania, Egipt, Grecja, Izrael, Indonezja, Irak, Jordan, Maroko, Holandia, Norwegia, Oman, Pakistan, Polska, Portugalia, Chiny, Korea Południowa, Ru- munia, Singapur, Tajlandia, Turcja, Zjednoczone Emiraty Arabskie, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej, Wenezuela.

Mitsubishi F-2A

Mitsubishi Heavy Industries/Lockheed Martin (General Dynamics F-16 Fighting Falcon) Japonia/Stany Zjednoczone Ameryki Północnej Wprowadzony do eksploatacji w 2000 r.

1 silnik General Electric F110-GE-129 Siła ciągu silnika:

Kraje eksploatujące: cała produkcja eksploatowana w Japonii.

F-35 Lightning II, Lockheed Martin Stany Zjednoczone Ameryki Północnej Wprowadzenie do eksploatacji w 2020 r.

Całość produkcji w fazie prototypu.

1 silnik Pratt & Whitney F135

Silnik dedykowany do tego samolotu o maksymalnej sile ciągu 191,35 kN

(21)

MiG-29, Mikoyan, Rosja Wprowadzony do eksploatacji w 1982 r.

Planowana jest modernizacja samolotu i będzie oferowana od 2018 roku jako MiG-35

2 silniki Klimov RD-33 Siła ciągu silnika:

– bez dopalacza 50 kN każdy – z dopalaczem 81,4 kN każdy Spręż: 21:1

– tryb wojskowy 75 kg/N·h – dopalacz 188 kg/N·h

Kraje eksploatujące: Algieria – 36 szt., Azerbejdżan – 13 szt., Bangladesz – 8 szt., Białoruś – 41 szt., Bułgaria – 16 szt., Czad – 3 szt., Kuba – 4 szt., Erytrea – 4 szt., Indie – 87 szt., Iran – 25 szt., Kazachstan – 40 szt., Malezja – 12 szt., Mongolia – 5 szt., Republika Związku Mjanmy – 14 szt., Peru – 19 szt., Korea Północna – 35 szt., Polska – 38 szt., Rosja – 34 szt., Serbia – 4 szt., Słowacja – 6 szt., Sudan – 12 szt., Syria – dane niejawne, Turkmenistan – 24 szt., Ukraina – 80 szt., Stany Zjednoczone Ameryki Północnej – dane niejawne, Uzbekistan – 60 szt., Jemen – 18 szt.

Doświadczenia wynikające z eksploatacji tego typu samolotów i znaczenia wojskowego w aspekcie realizowanych zadań wskazują na potrzebę wykorzystania i rozwoju tego typu konstrukcji. Prace takie są prowadzone i obecnie są już prezentowane wyniki tych działań w postaci wersji prototypowych poddawanych testom weryfikacyjnym. Przykładem jest kon- strukcja samolotu HAL Tejas produkowany przez Hindustan Aeronautics Limited w Indiach, który wprowadzono do eksploatacji w 2015 roku, oraz samolot F-35 Lightning II opracowany przez Lockheed Martin w Stanach Zjednoczonych, który jest w fazie badań prototypów, a którego przewiduje się do wprowadzenia do eksploatacji w 2020 roku. Zakłada się, że Sa- molot F-35 Lightning II ma być następcą docenianego samolotu F-16 Fighting Falcon.

Według informacji ogólnie dostępnych trudno jest określić liczbę myśliwców wielozada- niowych eksploatowanych w chwili obecnej na świecie. Z danych uzyskanych od producenta można określić w przybliżeniu liczbę wyprodukowanych samolotów, a posługując się danymi jawnymi wyposażenia sił zbrojnych poszczególnych krajów oszacować pewną liczbę samolo- tów eksploatowanych. Różnice pomiędzy tymi liczbami mogą mieć różne przyczyny wynika- jące ze strat w działaniach, wypadków czy wycofania z eksploatacji.

Dane dotyczące liczby wyprodukowanych, przykładowo zawartych w pracy, myśliwskich samolotów wielozadaniowych (tabl. 2.2.) wskazują, że około 80% wyprodukowanych samo- lotów znajduje się w ciągłej eksploatacji. W odniesieniu do Sił Zbrojnych Rzeczypospolitej Polskiej w Siłach Powietrznych eksploatowanych jest zgodnie z przydziałem bazowania, 48 samolotów F-16 oraz 32 samoloty MiG-29 (tabl. 2.3).

Istotną kwestią związaną z tematyką pracy jest konstrukcja silników stosowanych do na- pędu myśliwskich samolotów wielozadaniowych. We wszystkich przykładowo przedstawio- nych konstrukcjach zastosowano do napędu silniki turbinowe, dwuprzepływowe, o małym stopniu dwuprzepływowości z dopalaczem. W kilku najnowszych konstrukcjach występują silniki z tzw. wektorowaniem siły ciągu wprowadzonym do poprawy zwrotności samolotu.

W zależności od wielkości samolotu i jego potrzeb napędowych występują samoloty jednosil-

nikowe i dwusilnikowe. Silniki stosowane do napędu samolotów wielozadaniowych w zależ-

ności od potrzeb samolotu i uzyskiwanej wartości siły ciągu (tabl. 2.4) mogą być stosowane

w obu tych wariantach.

(22)

Tablica 2.2. Zestawienie liczby wyprodukowanych myśliwskich samolotów wielozadaniowych względem liczby będących w eksploatacji na 2015 r. [77, 81]

Samolot Liczba wyprodukowanych

[szt.]

Liczba eksploatowanych [szt.]

CF-18 Hornet 1480 748

Chengdu J-10 400 276

Xian JH-7 240 240

Mirage 2000 601 581

Rafale 268 268

Eurofighter Typhoon 747 747

Tornado IDS/ECR 992 355

HAL Tejas 16 16

JF-17 Thunder/FC-1 Xiaolong 100 82

Sukhoi Su-27...37 1489 1485

T-50 Golden Eagle 82 105

MiG-29 1600 638

JAS 39 Gripen 247 234

F-16 Fighting Falcon 4540 4500

Mitsubishi F-2A 98 98

Razem 12 900 10 373

Tablica 2.3. Samoloty wielozadaniowe eksploatowane w Polskich Siłach Zbrojnych RP w 2016 r.

Samolot Baza przyporządkowania Liczba

F-16

31 Baza Lotnictwa Taktycznego w Krzesinach

32 Baza Lotnictwa Taktycznego w Łasku 48 szt.

MiG-29A/UB

22 Baza Lotnictwa Taktycznego w Malborku 23 Baza Lotnictwa Taktycznego w Mińsku Ma- zowieckim

32 szt.

(23)

Tablica 2.4. Zestawienie silników przykładowych samolotów wielozadaniowych pod względem wartości siły ciągu uzyskiwanej bez dopalacza [81]

Silnik

Siła ciągu silnika [kN]

bez dopalacza z dopalaczem

Turbo-Union RB199-34R Mk 103 43,8 76,8

General Electric F404-GE-402 48,9 79,2

Klimov RD-93 49,7 84,6

Klimov RD-33 50,0 81,4

Snecma M88-2 50,0 75,6

Guizhou WS-13 51,2 84,6

General Electric F404 53,1 78,7

General Electric F404-GE-IN20 53,9 89,8

Volvo RM12 54,0 80,5

Xian WS-9 54,3 91,3

Eurojet EJ200 60,0 90,0

Snecma M53-P2 64,3 95,1

Lyulka AL-31FP 75,2 123,0

Lyulka AL-31F 75,2 123,0

Pratt & Whitney F100-PW-229 79,1 129,6

Woshan WS-10A 89,2 132,0

Silniki turbinowe stosowane do napędu samolotów wielozadaniowych charakteryzują się wartością siły ciągu od 43 kN do 90 kN, uzyskiwanej w trybie pracy bez dopalacza oraz war- tością siły ciągu w zakresie od 76 kN do 132 kN ciągu w trybie pracy z dopalaczem. W obec- nie eksploatowanych samolotach wielozadaniowych nie zastosowano silników o większej wartości siły ciągu. Związane jest to z możliwościami konstrukcyjnymi silników, ponieważ część z nich opracowana została w latach 60‒70. ubiegłego wieku. Wśród zastosowanych silników można wyodrębnić rodziny silników, w ramach których prowadzono modernizacje i udoskonalenia. Przykładem jest Klimov RD, Lyulka AL-31, General Electric F404 oraz F100. Występują również silniki produkowane na licencji, takie jak Woshan WS-10A (na licencji Lyulka AL-31), czy Guizhou WS-13 (na licencji Klimov RD-33). Nowe konstrukcje silników wprowadza się dla nowych projektowanych konstrukcji samolotów wielozadanio- wych. Przykładem jest silnik Pratt & Whitney F135 o maksymalnej sile ciągu 191,35 kN, dedykowany do samolotu F-35 Lightning II.

Modernizowane konstrukcje silników lotniczych zaprojektowane 40–50 lat temu, kiedy w produkcji samolotów wojskowych nie zastanawiano się nad emisją zanieczyszczeń spalin, stosowane jako napęd nowo produkowanych samolotów wielozadaniowych, niesie obawę ciągle dużej emisji zanieczyszczeń z tych silników do środowiska naturalnego człowieka.

Słuszne wydaje się przeprowadzenie próby oceny emisji zanieczyszczeń spalin z tego rodzaju

napędów lotniczych stosowanych we współcześnie eksploatowanych samolotach.

(24)

3. Związki szkodliwe spalin, normy i sposoby badań silników spalinowych statków powietrznych

w aspekcie ochrony środowiska

3.1. Emisja spalin z turbinowych silników lotniczych

Komora spalania silnika turbinowego musi zapewniać stabilność zachodzących w niej pro- cesów w szerokim zakresie zmian ciśnienia i temperatury. Na przykład, konstrukcja i układ sterowania silnika muszą zapewnić zapłon mieszanki na wysokościach powyżej 9000 m po uprzednim zaprzestaniu pracy silnika, tzn. w sytuacji, gdy temperatura powietrza na wlocie do silnika nie przekracza 220 K, a wartość ciśnienia wynosi poniżej 0,03 MPa. Ponadto komora spalania musi zapewniać możliwość realizacji spalania w szerokim zakresie zmian prędkości i temperatury powietrza napływającego do komory przy zmieniających się wartościach współ- czynnika nadmiaru powietrza. Wymagania odnośnie emisji składników toksycznych spalin są dodatkowym elementem optymalizacyjnym pracy silnika, który stanowi duże wyzwanie w projektowaniu nowych konstrukcji, powoduje zwiększenie kosztów produkcji, a prace w tym zakresie mają charakter ciągły w celu spełnienia kolejnych wymagań stawianych lotnictwu ze strony ochrony środowiska.

Dążenie do ciągłego zwiększania sprężu silnika wynika z potrzeby uzyskiwania coraz większej wartości sprawności cieplnej obiegu silnika. Jest to również przyczyną wzrostu tem- peratury powietrza na wlocie do komory spalania, zatem obniża możliwości wykorzystania tego powietrza do chłodzenia silnie nagrzanych elementów samej komory i turbin. Skutkuje to również koniecznością dostarczenia większego strumienia powietrza do elementów wyma- gających chłodzenia. Problemy te są możliwe do rozwiązania przez stosowanie bardziej efek- tywnych metod chłodzenia, jednak komplikują one konstrukcję silnika podnosząc koszty jego wytworzenia.

W idealnych warunkach, spalanie paliwa lotniczego przebiega według reakcji chemicznej, którą w celach poglądowych można zapisać następująco:

[C

n

H

m

+ S] + [O

2

+ N

2

] → CO

2

+ H

2

O + N

2

+ O

2

+ CO + HC + NO

x

+ SO

2

+ PM (3.1)

paliwo + powietrze → spaliny

Produktami tej reakcji spalania są przede wszystkim dwutlenek węgla i para wodna, któ-

rych proporcje ilościowe zależą od stosunku ilościowego węgla zawartego w paliwie do wo-

doru. W wyniku rzeczywistego procesu spalania, które przebiega niezupełnie i niecałkowicie,

w spalinach występują dodatkowo takie związki, jak tlenek węgla, węglowodory, tlenki azotu

oraz cząstki stałe. Przykładowe ilościowe wartości emisji poszczególnych produktów spalania

w zależności od fazy lotu samolotu przedstawiono w tablicy 3.1. Wynika z nich, że poziom

emisji dwutlenku węgla, pary wodnej i dwutlenku siarki jest stały bez względu na rodzaj wy-

konywanego fragmentu lotu. Natomiast poziom emisji tlenków azotu, tlenku węgla i węglo-

wodorów silnie zależą od wartości obciążenia silnika i warunków lotu. Tlenek węgla i wę-

glowodory są produktami niezupełnego spalania. Wartość ich emisji jest duża na małych za-

kresach mocy, kiedy temperatura powietrza na wlocie do komory spalania jest stosunkowo

niska, a procesy mieszania i atomizacji paliwa przebiegają z niewielką sprawnością. Nato-

miast tlenki azotu osiągają wartości największe na zakresach mocy maksymalnej – obciążenie

silnika podczas startu. Większość tlenków azotu powstaje w komorze spalanie w obszarze

najwyższej temperatury, czyli w obszarach o stechiometrycznym składzie mieszanki.

(25)

Tablica 3.1. Poziom emisji poszczególnych produktów spalania w g substancji/kg spalonego paliwa dla wybranych fragmentów zadania lotniczego [33]

Rodzaj składnika Kołowanie Start Przelot

emisja [g/kg paliwa]

CO2 3160 3160 3160

H2O 1230 1230 1230

CO 25 (10–65) 1,0 1,0–3,5

HC 4 (0–12) 0,5 0,2–1,3

NOx

krótki zasięg 4,5 (3–6) 32 (20–65) 7,9–11,9

długi zasięg 4,5 (3–6) 27 (10–53) 11,1–15,4

SO2 1,0 1,0 1,0

3.2. Charakterystyka związków szkodliwych spalin silników turbinowych

Tlenek węgla

Głównym miejscem powstawania tlenku węgla w silnikach turbinowych jest strefa pier- wotna komory spalania, w której podczas pracy silnika na współczynniku nadmiaru powietrza λ < 1, czyli na tzw. bogatej mieszance paliwowo-powietrznej powstają duże ilości tlenku wę- gla wynikające z niedoboru tlenu do całkowitego utlenienia węgla do dwutlenku węgla. Na- tomiast podczas pracy silnika na mieszance stechiometrycznej lub ubogiej (czyli λ ≥ 1), mogą powstawać duże ilości tlenku węgla w wyniku dysocjacji dwutlenku węgla; znaczne zmniej- szenie emisji tlenku węgla jest możliwe przez zmniejszenie temperatury w komorze spalania, które można by osiągnąć dzięki doprowadzeniu dodatkowej ilości powietrza za pierwotną strefą spalania [31–33, 37–40].

W rzeczywistości emisja tlenku węgla jest znacznie większa niż wynika to z równowagi termodynamicznej i jest największa podczas pracy silnika w zakresie kołowania, gdy tempe- ratura spalin jest stosunkowo niska. Wynika to z małego współczynnika nadmiaru powietrza (λ < 1), zbyt krótkiego czasu przebywania czynnika w komorze spalania, a co się z tym wiąże małej dynamiki spalania, złego wymieszania paliwa z powietrzem, co powoduje powstawanie w komorze spalania stref „ubogich”, które nie podtrzymują spalania oraz stref „bogatych”, które powodują dużą lokalną koncentrację tlenku węgla. Emisja tlenku węgla wiąże się rów- nież z chłodzeniem procesu spalania w obrębie ścianek komory spalania powodowanego przepływem powietrza chłodzącego ścianki komory.

Tlenek węgla utlenia się stosunkowo wolno, dlatego w zależności od prędkości jego utle-

niania określa się czas przebywania czynnika w komorze spalania oraz średnią wartość tem-

peratury niezbędnej do prawidłowego zakończenia procesu spalania. Małe stężenie tlenku

węgla w spalinach jest możliwe do osiągnięcia tylko w dobrze dobranym wąskim zakresie

współczynnika nadmiaru powietrza λ ≈ 1,1

–

1,3 (rys. 3.1) oraz temperatury gazów w strefie

pierwotnej (rys. 3.2) [31–33, 37–40].

(26)

3. Związki szkodliwe spalin, normy i sposoby badań… 26

Rys. 3.1. Wpływ współczynnika nadmiaru powietrza w strefie pierwotnej λ na stężenie tlenków azotu, tlenku węgla i węglowodorów [33]

Rys. 3.2. Wpływ temperatury płomienia w strefie pierwotnej na emisję tlenku węgla i tlenków azotu [33]

Węglowodory

Do głównych przyczyn powstawania węglowodorów zalicza się: złe rozpylenie paliwa, w

wyniku czego paliwo nie ma możliwości całkowitego spalenia, zbyt małą prędkość spalania

oraz wygaszanie płomienia przy ściankach komory spalania przez przepływające powietrze

służące do chłodzenia. Na emisję węglowodorów składa się zarówno paliwo wyrzucane z

komory spalania w postaci kropel i par oraz produkty niecałkowitego spalania paliwa czyli

węglowodory o mniejszej masie molekularnej niż paliwo np. C

8

H

16

→ C

2

H

4

.

(27)

Wartości stężenia węglowodorów i tlenku węgla są największe dla pracy silnika na zakre- sie małego obciążenia (tzw. małego gazu) i zmniejszają się wraz ze wzrostem prędkości tur- biny do zakresu maksymalnego obciążenia silnika (rys. 3.3). Na powstawanie węglowodorów i tlenku węgla ma również wpływ wartość ciśnienia powietrza na wlocie do silnika, którego wzrost powoduje znaczne obniżenie emisji (rys. 3.4) [33].

Rys. 3.3. Wpływ zmiany obciążenia silnika na wartości stężenia tlenku węgla i węglowodorów w spalinach (nn – nagrzewanie silnika, nMG – mały gaz, nmax – maksymalne obciążenie) [33]

Rys. 3.4. Wpływ ciśnienia powietrza dostarczanego do komory spalania na stężenie tlenku węgla i węglowodorów (temperatura powietrza na wlocie T3 = 600 K, stosunek powietrze-paliwo

wynosi 90) [33]

Tlenki azotu

Tlenki azotu określane są jako suma tlenku azotu oraz dwutlenku azotu powstałych w pro-

cesie utleniania azotu atmosferycznego podczas spalania, a więc jest to proces endotermiczny

zachodzący z bardzo dużą prędkością. Tlenki azotu powstają w miejscach o wysokich tempe-

raturach płomienia przekraczających 1800 K. Pierwotnym produktem utleniania azotu w stre-

fach o wysokiej temperaturze oraz znacznym nadmiarze powierza jest tlenek azotu, którego

(28)

udział jest wielokrotnie większy niż dwutlenku azotu podczas pracy silnika na pełnym obcią- żeniu. Jeśli silnik pracuje na małym obciążeniu, to udział dwutlenku azotu w emisji tlenków azotu może sięgać nawet 50%. Tlenek azotu ze względu na sposób jego powstawania dzieli- my na trzy rodzaje:

 Termiczny tlenek azotu, który powstaje w wyniku utleniania azotu atmosferycznego w komorze spalania w strefie gazowej za płomieniem. Potwierdzono, że w wyniku proce- su spalania powstawanie tlenku azotu przebiega według mechanizmu łańcuchowego Ze- ldowicza:

O

2

↔ 2O (3.2)

O + N

2

↔ NO + N (3.3)

N + O

2

↔ NO + O (3.4)

Podczas pracy silnika przy nadmiarze powietrza (λ > 1) główne reakcje paliwo- powietrze mają niewielki wpływ na powstawanie tlenku azotu, ponieważ zachodzą one szybko i oddają powstałe ciepło do mieszaniny gazów. Powstawanie atomów tlenu przez dysocjację termiczną, który nie został zużyty w czasie spalania, to początek reak- cji łańcuchowej tworzenia się tlenku azotu. Tak powstałe atomy tlenu reagują z czą- steczkami azotu i tworzą tlenek azotu. W rzeczywistości temperatura gazów powstałych w wyniku spalania mieszanki paliwowo-powietrznej zależy od wartości współczynnika nadmiaru powietrza, a maksymalna wartość powstawania tlenków azotu znajduje się po ubogiej stronie stechiometrii (rys. 3.5). Wynika to z konkurencji paliwa i azotu w łącze- niu się z wolnym tlenem. Najwyższa temperatura spalania jest osiągana dla λ =

= 0,95–1,0, ale z powodu większych szybkości reakcji egzotermicznych wolny tlen łą- czy się z molekułami paliwa. Gdy λ > 1,15 temperatura spalania zmniejsza się w wyni- ku czego zmniejsza się prędkość reakcji i niewykorzystywany jest wzrost wolnego tle- nu, a w związku z tym poziom tlenku azotu zmniejsza się [3–33, 37–40].

Rys. 3.5. Współzależność stężenia NOx i NO jako funkcja współczynnika nadmiaru powietrza [33]

(29)

– Nadrównowagowy, który powstaje na początku procesu spalania bogatych mieszanek paliwowo-powietrznych o niskiej temperaturze płomienia. Powstawanie jego zachodzi w wyniku wzajemnego oddziaływania dużej liczby cząsteczek pośrednich, które po- wstają podczas przebiegu zasadniczych reakcji utleniania węglowodorów do tlenku wę- gla i dalej do dwutlenku węgla [33].

– Tlenek azotu powstały w wyniku utlenienia azotu zawartego w paliwie. Ilość powstałe- go w ten sposób tlenku azotu zależy od procesu spalania, w przypadku gdy paliwo nie zawiera więcej azotu niż 0,5% masy całego paliwa, to podczas spalania ubogich mie- szanek przekształca się on całkowicie na tlenek azotu. Zawartość azotu organicznego w lekkich destylowanych paliwach nie przekracza 0,06%, natomiast w przypadku ciężkich destylowanych paliw wartość ta wzrasta nawet do 1,8% [33].

Na rysunku 3.6 przedstawiono wpływ temperatury powietrza na wlocie silnika na emisję tlenków azotu. Natomiast wpływ ciśnienia na emisję tlenków azotu ukazano na rysunku 3.7;

ciśnienie w zakresie 0,5–3,0 MPa ma niewielki wpływ na emisję tlenków azotu.

Rys. 3.6. Wpływ temperatury powietrza na wlocie do komory spalania na emisję tlenków azotu [33]

Rys. 3.7. Porównanie emisji tlenków azotu dla dwóch wartości ciśnienia [33]

(30)

Znacznie większy wpływ na emisję tlenków azotu ma czas przebywania cząsteczki powie- trza w strefie płomienia. W zależności od wartości lokalnego współczynnika nadmiaru powie- trza emisja tlenków azotu zwiększa się wraz ze zwiększeniem (rys. 3.8). Przebieg procesu tworzenia się tlenków azotu w komorze spalania rozpoczyna się od utlenia azotu do tlenku azotu, ale po obniżeniu się temperatury gazów wylotowych do określonego poziomu, tlenek azotu utlenia się do dwutlenku azotu. Reakcja ta odbywa się już w komorze spalania w stre- fach o znacznym nadmiarze powietrza. Podczas pracy silnika w zakresie maksymalnej siły ciągu udział dwutlenku azotu w emisji tlenków azotu jest niewielki, ale w przypadku pracy na minimalnej sile ciągu udział dwutlenku azotu sięga nawet 50% emisji tlenków azotu [33].

Rys. 3.8. Wpływ czasu przebywania cząsteczki powietrza w strefie płomienia na emisję tlenków azotu dla sumarycznego współczynnika nadmiaru powietrza w płomieniu [33]

Cząstki stałe

Cząstki stałe w ujęciu toksyczności spalin, są to wszystkie cząstki charakteryzujące się pewną geometrią, emitowane wraz ze spalinami do otoczenia. Najczęściej emitowane cząstki stałe są w postaci sadzy, która z powodu właściwości higroskopijnych zawiera różnego rodza- ju związki będące produktami niecałkowitego i niezupełnego procesu spalania. Cząstki stałe powstają w bogatych w paliwo strefach płomienia, gdzie doszło do nieprawidłowego wymie- szania paliwa z powietrzem. Cząsteczki rozpylonego paliwa trafiają do strefy gorącego pło- mienia, który w silniku turbinowym jest utrzymywany w komorze spalania w sposób ciągły.

W strefie tej realizowane są procesy utleniania węglowodorów, a przestrzeń komory wypeł-

niona jest płomieniem, w związku z czym wartość lokalnego współczynnika nadmiaru powie-

trza wynosi w granicach λ ≈ 0,8–1,5. Brak odpowiedniej ilości tlenu oraz wysoka wartość

(31)

temperatury w obszarze płomienia powodują reakcje odwodornienia cząsteczek paliwa, w wyniku czego z chemicznego wiązania węglowodoru pozostaje węgiel i przyjmuje postać sadzy. Sadza nie jest produktem spalania paliwa węglowodorowego w stanie zrównoważo- nym, więc prędkość jej wydzielania nie zależy od kinetyki reakcji, ale bardziej od procesów fizycznych rozpylenia i wymieszania paliwa.

Powstawanie sadzy zależy w dużej mierze od rodzaju węglowodoru. Znane są dwa główne sposoby powstawania sadzy, które opisują miedzy innymi powstawanie sadzy z węglowodo- rów aromatycznych:

– kondensacja pierścieni aromatycznych w struktury grafitopodobne,

– rozpad węglowodorów na małe fragmenty, które następnie polimeryzują do postaci większych molekuł z deficytem wodoru i z nich następnie powstają jądra przyszłych cząstek sadzy [31–33, 37–40].

3.3. Określenie norm emisji zanieczyszczeń ze statków powietrznych przez EPA

Intensywny rozwój transportu lotniczego wyrażany stałym wzrostem liczby samolotów i operacji lotniczych, generuje rosnącą emisję związków szkodliwych do atmosfery. Analizę tego problemu podjęto w 1970 roku. Przeprowadzono badania nad wpływem toksycznych składników spalin emitowanych przez statki powietrzne na środowisko. Na podstawie uzy- skanych wyników stwierdzono, że konieczne jest wprowadzenie ograniczeń emisji związków szkodliwych spalin z silników statków powietrznych. Jako pierwsza normy emisji spalin opu- blikowała amerykańska Agencja Ochrony Środowiska EPA w 1973 roku, a dotyczyły one emisji tlenku węgla, węglowodorów oraz tlenków azotu; normy dotyczące zadymienia spalin opublikowano w 1976 roku. Dla odpowiedniego dostosowania norm emisji spalin, które zale- żą od rodzaju i mocy silnika, lotnicze silniki spalinowe zostały podzielone na siedem różnych grup. Wyróżniamy w nich silniki lotnicze pod względem rozwijanej mocy lub ciągu oraz typu konstrukcji [26, 30]:

– grupa T1 – silniki turbinowe odrzutowe oraz turbinowe wentylatorowe o ciągu starto- wym mniejszym od 36 kN,

– grupa T2 – silniki turbinowe odrzutowe oraz turbinowe wentylatorowe o ciągu starto- wym równym lub większym 36 kN,

– grupa T3 – silniki rodziny JT3D (samoloty B707, DC-8), – grupa T4 – silniki rodziny JT8D (samoloty B727, B737, DC-9), – grupa T5 – silniki dla samolotów naddźwiękowych,

– grupa P1 – silniki tłokowe,

– grupa P2 – silniki turbinowe wałowe o zastosowaniach śmigłowych i śmigłowcowych.

Silniki JT3D oraz JT8D wydzielono jako osobne grupy, ponieważ od wielu lat bardzo duża liczba tych silników znajduje się w eksploatacji. Jednostki napędowe samolotów o bardzo małych mocach, czyli silniki tłokowe z grupy P1 oraz silniki turbinowe z grupy T1 o ciągu startowym mniejszym od 27 kN, jak i silniki turbinowe śmigłowe z grupy P2 o mocy maksy- malnej mniejszej od 2 MW nie są objęte normami emisji spalin. Największa emisja szkodli- wych związków spalin jest związana z operacjami startu i lądowania, a więc w rejonie lotnisk.

W celu porównania wartości emisji związków toksycznych poszczególnych samolotów

w obszarze lotniska oraz odniesienia ich do opracowanych norm emisji, opracowano wzor-

cowy cykl startu i lądowania LTO (Landing and Take Off). Zawiera on w sobie operacje lot-

nicze poniżej wysokości 914 m, czyli podczas lądowania od chwili, gdy samolot zniżając się

przekroczy wysokość 914 m, aż do chwili, gdy wyląduje. Następnie, podczas operacji startu,

(32)

a więc od chwili kołowania do chwili ponownego osiągnięcia wymaganej wysokości. Suma- ryczna ilość składników toksycznych, jakie emituje samolot podczas cyklu LTO zależy w dużej mierze od typu samolotu, od liczby i rodzaju jego silników. Wpływ na całkowitą emisję ma również długość cyklu LTO [17, 24, 32]. Normy emisji składników toksycznych spalin opublikowane przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska, przedstawiają warto- ści emisji wyrażone w gramach składnika toksycznego na kiloniuton ciągu:

a) normy dla silników klas T1, T2, T3 i T4 o zakresie ciągów od 27 kN do 90 kN obowią- zujące od 1 stycznia 1981 roku:

– CO: 169,47 · 10

–0,007462 rO

, – HC: 26,51 · 10

–0,006637 rO

,

gdzie rO oznacza ciąg startowy w kN,

b) normy dla silników klas T2, T3 i T4 o zakresie ciągów nie mniejszym niż 90 kN obo- wiązujące od 1 stycznia 1981 roku:

– CO: 36,1, – HC: 6,7,

– NO

x

: 33,0/(rPR/25)

^0,5

[(rT

3

)/288,15–2,774] (po 1 stycznia 1984 roku), gdzie:

rPR – spręż w warunkach startu,

rT

3

– temperatura powietrza na wylocie ze sprężarki w warunkach startu, c) normy dla silników klasy T5 obowiązujące od 1 stycznia 1984 roku:

– CO: 237, – HC: 30,7, – NO

x

: 70,8,

d) wartości normy emisji których nie mogą przekraczać silniki nowo certyfikowane wy- tworzone w lub po 1 stycznia 1984 roku:

– w klasach T1, T2, T3, i T4 o ciągu większym lub równym 27 kN:

– CO: 25,0, – HC: 3,3, – NO

x

: 33,0,

– silniki w klasie T5:

– CO: 61,0, – HC: 7,8, – NO

x

: 39,0,

e) wartości dopuszczalne dla zadymienia spalin:

– klasy T1, T2, T3 i T4 (od 1 stycznia 1979 roku): D = 79 rO

^–0,265

, – klasa P2 (od 1 stycznia 1979 roku): D = 277 rO

^–0,280

,

– klasa T5 (od 1 stycznia 1980 roku): D = 79 rO

^–0,265.