» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
» Все публикации автора
Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»

Июль, 2021 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №7 (52) 2021
Автор: Пронин Егор Андреевич, Студент
Рубрика: Технические науки
Название статьи: Влияние полностью электрических самолетов на окружающую среду
Дата публикации: 11.07.2021
УДК 629.7
ВЛИЯНИЕ ПОЛНОСТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ САМОЛЕТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Пронин Егор Андреевич
студент
Лелюх Полина Юрьевна
студент
Уфимский государственный авиационный
технический университет, г. Уфа
Аннотация. В настоящее время в авиационной
промышленности выдвигаются жесткие требования по надежности, безопасности и
эффективности летательных аппаратов (ЛА) и их устройств на борту. Также в
последнее время развитые и развивающиеся страны вводят серьезные требования к
разрабатываемым ЛА для снижения экологического загрязнения, вызванного
выбросами вредных веществ и акустическим шумом. Согласно концепции развития
электрической авиации, последним этапом в развитии электрических самолетов
является полностью электрический самолет, который в качестве источника энергии
использует исключительно электрическую энергию. В данной статье представлена
современная оценка влияния полностью электрических самолетов на окружающую
среду с точки зрения выбросов CO2 в атмосферу и оказания шумового
воздействия. Кратко описана концепция полностью электрических самолетов с
выделением основного современного технического ограничения. Раскрыты основные
факторы, из-за которых можно оценивать вклад полностью электрического самолета
в выбросы CO2, и показаны главные источники возникновения
акустического шума в полностью электрических самолетах. Также в статье указаны
перспективные пути решения современных проблем с влиянием полностью
электрических самолетов на окружающую среду.
Ключевые слова:
электрическая авиация, полностью электрический самолет, загрязнение окружающей
среды, шумовое загрязнение.
1. Введение
Промышленная конкуренция между странами возрастает с каждым годом. Власти
многих стран осознали стратегическую важность развития авиации, вследствие чего
в развитие авиации осуществляется существенный вклад со стороны государств [1].
Однако с развитием промышленности, в том числе и авиационной, развивается и
обратная негативная сторона, приковавшая как внимание экологов, так и внимание
инженеров и властей, – загрязнение окружающей среды и ухудшение здоровья
населения [2].
Стремление человечества к сокращению выбросов, содержащих вредные
вещества, а также к снижению шумового загрязнения вносят большой вклад на выбор
направления и основных приоритетов развития авиационной промышленности. Так,
например, Европейская комиссия согласно документу «Flightpath
2050» ставит перед собой цели достигнуть сокращения выбросов CO2 на
75%, NOx на 90% и снижения шумового загрязнения на
65%. Одним из основных перспективных решений рассматривается внедрение
электрической самолетов [1].
2. Электрический самолет
Электрический самолет – концепция, в которой ЛА приводится в движение при
помощи электрического двигателя. Согласно [3] электрический самолет может
подразделяться на:
–турбоэлектрический самолет;
– самолет с гибридной силовой установкой;
– полностью электрический самолет.
Полностью электрический самолет, который для собственного движения
использует исключительно электрическую энергию, является последним этапом
развития электрических самолетов.
В настоящее время имеются серьезные технические ограничения в области
развития электрических батарей, что является серьезным препятствием для
развития концепций электрических самолетов. Основное техническое ограничение
выражается в недостаточной плотности электрической энергии батарей, вследствие
чего большинство конструкций полностью электрических самолетов на сегодняшний
день нацелены на легкие самолеты. Тем не менее, наравне с легкими самолеты всесторонне
оценены многочисленные конструкции узко-фюзеляжных самолетов [4].
3. Влияние на окружающую среду
3.1 Загрязнение атмосферы вредными
веществами
Концепция полностью электрического самолета способна полностью исключить
прямые локальные выбросы вредных веществ, попадающих в атмосферу в результате
сжигания углеводородных топлив. Выбросы CO2, связанные с полностью электрическим самолетом
оцениваются с точки зрения общего жизненного цикла электроэнергии. В связи с
тем, что постоянным источником энергии в полностью электрических самолетах
является электричество, во внимание необходимо принимать следующие факторы [5]:
– выбросы парниковых газов при производстве электрических батарей;
– выделившееся количество CO2 (интенсивность) во время выработки используемой
электроэнергии;
– потери, связанные с зарядкой электрических батарей;
– потери, связанной с передачей и с распределением электрической энергии;
– конструктивными особенностями самолета;
– особенностями эксплуатации самолета.
В [4] показана интенсивность выбросов полностью электрического самолета
первого поколения на 180 мест и 150 пассажиров в течение полета на 400 морских
миль (
При учете выбросов парниковых газов при производстве аккумуляторов
интенсивность выбросов полностью электрического самолета немного возрастет в зависимости
от исходных предположений. Так, имеющиеся данные об исследованиях аккумуляторов
на литий-ионной основе,
позволяют предположить увеличение интенсивности выбросов CO2
на 2–10 г на ДПК [6]. Тем не менее, внедрение использования
возобновляемой электроэнергии для производства электрических батарей могло бы
решить эту проблему [5].
Общая интенсивность выбросов CO2 полностью электрических самолетов будет снижаться с
внедрением улучшенных технологий производства самолетов и электрических
батарей, а также с потенциальным внедрением использования возобновляемых
ресурсов при выработке электрической энергии для электрических сетей. В свою
очередь увеличение длительности полета самолета неизбежно приведет к увеличению
требуемой для полета количества электрической энергии, что приведет к
увеличению выбросов CO2 за счет дополнительного
веса электрических батарей на борту самолета [5].
3.2 Шумовое воздействие
Влияние полностью электрических самолетов на шумовое загрязнение зависит
от принятых проектных решений: оно может оказаться как меньшим при сравнении с
традиционными самолетами, так и большим [5]. Шум электрического оборудования,
исходящий от электрических двигателей и генераторов, преобразователей и других
электрических компонентов, будет иметь большое влияние на составление
акустической сигнатуры полностью электрического самолета [7]
В работе [5] приведена оценка общих улучшений шумовых характеристик
полностью электрического самолета с удельной энергией электрических батарей 800
Вт·ч·кг−1 в сравнении с лучшими показателями ближнемагистральных самолетов современного поколения.
Наблюдается уменьшение площади звукового контура на 36% по сравнению с лучшими
традиционными представителями класса ближнемагистральных
самолетов с учетом, как взлета, так и посадки. Снижение шумового воздействия
может позволить увеличить время работы аэропортов, расположенных в городской
черте, что приведет к увеличению использования ЛА и пропускной способности
аэропорта. Отмечается, что за счет использования вентиляторов
c более низкими
коэффициентами давления и отсутствия шума при сгорании углеводородных топлив
авторы ожидают более сокращение площади контура шума при взлете более чем на 50%.
И напротив, более высокая масса полностью электрического самолета окажет
влияние на детерминанты шума (в основном, к детерминантам относятся подъемная
сила, лобовое сопротивление и скорость посадки), которые приведут к увеличению
площади контура шума на 15% по сравнению с таковыми с лучшими представителями
узко-фюзеляжных самолетов.
Однако ожидаемая в будущем более высокая удельная энергия электрических
батарей и усовершенствование будущих конструкций электрических самолетов, в том
числе, внедрение в конструкцию самолета новых шумоизолирующих материалов дадут
возможность снизить уровень акустического загрязнения, производимого полностью
электрическим самолетов [5, 7].
Более высокая удельная энергия аккумуляторной батареи и будущие
конструкции самолетов дадут возможность снизить уровень шума за счет новых
концепций конструкции самолетов и изменений в эксплуатационных процедурах
(таких как сильно распределенная силовая установка и крутые заходы на посадку с
движителями в генераторном режиме).
4. Вывод
В данной статье рассмотрено влияние полностью электрических самолетов на
окружающую среду. Влияние самолетов, как традиционных, так и электрических, на
окружающую среду в первую очередь обусловлено выбросами CO2
в атмосферу, а также оказанием шумового загрязнения.
В статье раскрыта классификация
электрических самолетов с последующим акцентом на концепцию полностью
электрических самолетов с описанием основного технического ограничения,
стоящего на пути полноценной реализации данной концепции. Отражено, в каком виде
представлены современные исследования, посвященные полностью электрическим
самолетам.
Выявлены основные 6 факторов, исходя
из которых полностью электрический самолет также оказывает вклад в выбросы CO2
в атмосферу, даже несмотря на отсутствие выбросов при
сжигании углеводородных топлив. Общее снижение выбросов CO2 в
атмосферу при современном уровне развития технологий составляет около 30%.
Также отмечено возможное дальнейшее снижение выбросов за счет внедрения в
производство электроэнергии и электротехнических установок новых перспективных
решений.
Раскрыты основные причины шумового
влияния полностью электрических самолетов. Приведена оценка общего основного
улучшения уровня шумового загрязнения по сравнению с лучшими представителями
традиционных узко-фюзеляжных конструкций. Уменьшение площади звукового контура составляет 36%,
что в перспективе может положительно сказаться на работе аэропортов,
расположенных внутри аэропортов. Также приведены оценки шумового влияния во
время взлета и посадки полностью электрического самолета. Если во время взлета
наблюдается уменьшение площади звукового контура на 50%, то во время посадки
картина противоположная и наблюдается увеличение шумового загрязнения на 15%. В
заключении рассмотрения шумового загрязнения полностью
электрических самолетов указаны будущие перспективные пути уменьшения звукового
влияния на окружающую среду, которые включают в себя улучшение технологии
электрических батарей и усовершенствование конструкции полностью электрического
самолета с применением новых современных перспективных материалов.
Список литературы:
- Flightpath 2050: Europe’s vision for aviation - report of the high level group on aviation research // European Commission – 2011. [Электронный ресурс]. URL: https://ec.europa.eu/transport/sites/transport/files/modes/air/doc/flightpath2050.pdf (дата обращения 07.07.2021).
- Сердюкова, А.Ф. Загрязнение окружающей среды отходами производств / А.Ф. Сердюкова, Д.А. Барабанщиков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 25 (211). — С. 28-31. — URL: https://moluch.ru/archive/211/51589/ (дата обращения: 07.07.2021).,
- Brelje B.J., Martins J.R.R.A. Electric, hybrid, and turboelectric fixed-wing aircraft: A review of concepts, models, and design approaches. Progress in Aerospace Sciences, 2019, vol. 104, pp. 1-19.
- Gnadt A.R., Speth R.L., Sabnis J.S., Barrett S.R. Technical and environmental assessment of all-electric 180-passenger commercial aircraft. Progress in Aerospace Sciences, 2019, vol. 105, pp. 1-30.
- Schäfer, A.W., Barrett, S.R.H., Doyme, K., Dray L.M., Gnadt A.R. Self R., O'Sullivan A., Synodinos A.P., Torija A.J. Technological, economic and environmental prospects of all-electric aircraft. Nature Energy, 2019, vol. 4, no. 2, pp. 160-166.
- Kim H.C., Wallington T.J., Arsenault R., Bae C., Ahn,S., Lee, J. Cradle-to-gate emissions from a commercial electric vehicle Li-ion battery: a comparative analysis. Environmental science & technology, 2016, vol. 50, no. 14, pp. 7715-7722.
- Spakovszky Z.S. Advanced low-noise aircraft configurations and their assessment: past, present, and future. CEAS Aeronautical Journal, 2019, vol. 10, no. 1, pp. 137-157. – Т. 10. – №. 1. – С. 137-157.
Комментарии: