Исследования самарских ученых увеличат точность прогнозирования канцерогенных выбросов авиадвигателей

Исследования ученых Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва помогут создавать более экологичные авиадвигатели с меньшим уровнем канцерогенных выбросов в атмосферу (*).

Активное развитие авиационного транспорта приводит к постоянному загрязнению атмосферы различными химическими веществами - оксидами углерода, серы, азота, а также углеводородами. Выбросы авиационных двигателей угрожают не только окружающей среде, но и здоровью людей.

"Продукты сгорания углеводородного топлива, как известно, обладают канцерогенной активностью, так как в их составе содержатся полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые способны вызывать мутацию клеток и раковые заболевания у живых организмов.
Поэтому задача выявления механизмов образования ПАУ при горении топлива остается очень актуальной при разработке новых авиадвигателей - конструкторы просчитывают и моделируют процессы горения, стараясь уменьшить уровень вредных, в том числе канцерогенных выбросов", - рассказал старший научный сотрудник научно-образовательного центра газодинамических исследований (НОЦ ГДИ-209) Самарского университета Сергей Матвеев.

Топливом авиационных ГТД является керосин, состоящий из десятков и даже сотен индивидуальных углеводородных компонентов. Для того, чтобы конструкторы авиадвигателей заранее могли рассчитать и спрогнозировать уровни вредных выбросов, ученые создают “облегченные” топливные смеси, воспроизводящие наиболее важные с точки зрения экологии показатели реального авиатоплива. Такие смеси называются суррогатами.

"Суррогатов авиационного керосина в мире разработано немало - за рубежом эта тема исследований достаточно популярна. Но, как ни странно, среди разработанных суррогатов очень мало таких, которые помогали бы прогнозировать уровень канцерогенности выбросов. Кроме того, зарубежные суррогаты ПАУ не отличаются большой точностью - их показатели порой в десять раз отличаются от данных настоящего топлива", - отметил Матвеев.

В качестве базового реального топлива самарскими учеными был выбран широко используемый в гражданской и транспортной авиации керосин марки ТС-1 (зарубежный аналог Jet-A). В ходе исследований и экспериментов ученые разработали детальный кинетический механизм, включающий пути образования канцерогенных ПАУ и оксидов азота и состоящий из 597 веществ и почти 12 тысяч реакций.

По итогам были созданы и испытаны два варианта суррогатов керосина, которые, как показали испытания, наилучшим образом воспроизводят характеристики реального авиатоплива. По результатам испытаний самарские суррогаты оказались примерно на порядок точнее зарубежных аналогов в плане соответствия тем или иным свойствам настоящего авиационного керосина.

"Было проведено сравнение концентраций продуктов сгорания, получаемых при сжигании суррогатов и авиационного керосина марки ТС-1. Оба суррогата показали хорошую согласованность с реальным топливом по основным компонентам продуктов полного сгорания, по оксидам углерода и несгоревшим углеводородам максимальное отклонение не превысило 20%", - отметил Сергей Матвеев (**).

Разработанные в Самарском университете им. Королёва суррогаты могут использоваться в конструкторских бюро на этапе проектирования и доводки камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей для улучшения их экологических характеристик и уменьшения канцерогенных выбросов в атмосферу.

* Исследования проводились в рамках проекта "Разработка суррогата авиационного керосина для определения эмиссии полициклических ароматических углеводородов двигателями гражданской авиации". Данный проект был поддержан Российским научным фондом (РНФ), став победителем конкурса "Проведение инициативных исследований молодыми учеными" Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными. Программа разработана по поручению Президента Российской Федерации с целью содействия формированию в России передового сектора фундаментальных и поисковых исследований, пользующихся мировым признанием, и поддержки лучших российских ученых.

Победителем данного конкурса Президентской программы также стал проект старшего научного сотрудника научно-образовательного центра газодинамических исследований Самарского университета Анны Савченковой "Создание модели образования зародышей сажи за счет димеризации молекул ПАУ". Проведенное в рамках проекта исследование позволит более точно прогнозировать образование зародышей сажи при сгорании углеводородных топлив, и, следовательно, даст возможность решения многих экологических задач. Результаты исследования были отражены в публикациях в ведущих мировых научных журналах, в том числе в журнале Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP), входящем в квартиль Q1.

** Результаты научных изысканий отражены в статьях Study of the formation of polycyclic aromatic hydrocarbons in the combustion chambers of aircraft engines и Experimental study of the combustion of surrogates of aviation kerosene TS-1, опубликованных в известной серии сборников статей Американского Физического института AIP Conference Proceedings.

Фото: pixabay.com