Экологические нормы как фактор конкурентной борьбы на рынках авиаперевозок и авиатехники

Клочков В.В., к.т.н., Шустов А.В., к.т.н., Гусманов Т.М.,

Центральный аэрогидродинамический  институт им. Н.Е. Жуковского, г. Жуковский

Экологические нормы  как фактор конкурентной борьбы

на рынках авиаперевозок и авиатехники

В работе проведен анализ экономических аспектов использования экологических норм как рычагов в глобальной конкурентной борьбе на рынках воздушных перевозок и авиатехники. Построены упрощенные экономико-математические модели рынков авиадвигателей при периодическом ужесточении экологических стандартов.

Введение

С начала 1990-хх гг. наблюдается  многократный спад платежеспособного спроса на российскую авиатехнику гражданского назначения, см., например, [7]. В числе важнейших причин низкой конкурентоспособности отечественной продукции, как показано в ряде работ (см., например, [10]), - неразвитость послепродажного обслуживания и материально-технического обеспечения, нередко на фоне неудовлетворительной надежности. Вместе с тем, одной из самых актуальных проблем российской авиационной промышленности в настоящее время является обеспечение соответствия отечественных воздушных судов и авиадвигателей международным экологическим нормам. В последнее время среди руководителей и специалистов российских авиастроительных предприятий и научно-исследовательских организаций все более популярен следующий тезис (см., например, [8]): “Введение и последовательное ужесточение развитыми странами мира авиационных экологических стандартов преследует не столько цели защиты окружающей среды, декларируемые официально, сколько цели завоевания зарубежными компаниями более благоприятных позиций на рынках авиатехники и авиаперевозок”. В пользу этой точки зрения говорит и недостаточно убедительное научное обоснование нормативных уровней шума на местности и эмиссии вредных веществ, с позиций экологии и медицины. Так, авторитетные российские и зарубежные специалисты в области метеорологии (см., например, [5]) высказывают сомнения в том, что антропогенные выбросы парниковых газов и тепла оказывают значимое влияние на глобальные изменения климата.

Настоящая работа носит характер технико-экономического, а не эколого-медицинского исследования. Поэтому в ней не ставится задача проверки обоснованности введенных к настоящему моменту или перспективных экологических норм. Анализируется лишь экономическая заинтересованность в их введении и дальнейшем ужесточении зарубежных двигателестроительных фирм и авиакомпаний. Если будет обнаружено, что такая заинтересованность в принципе может иметь место, нельзя исключать, что экологические нормы используются, в т.ч., и как орудие конкурентной борьбы на мировых рынках воздушных перевозок и авиатехники. Следует особо подчеркнуть, что при этом не исключается и официально декларируемый мотив защиты окружающей среды и здоровья населения, поэтому актуальность НИОКР в области авиационной экологии ни в коем случае не подвергается сомнению.

Проблемы соответствия российской авиатехники требованиям современных и перспективных международных экологических норм

Основными факторами воздействия современных дозвуковых воздушных судов на человека и окружающую среду считаются шум на местности и эмиссия вредных веществ. Можно заметить, что эти факторы связаны, прежде всего, с силовой установкой летательного аппарата, и в гораздо меньшей степени – с другими его подсистемами. При появлении и активном использовании сверхзвуковых пассажирских самолетов второго поколения на первый план может выйти проблема звукового удара, основным источником которого является уже не силовая установка, а планер летательного аппарата. Но на данный момент, фактически, экологические ограничения касаются именно авиадвигателей, поэтому экологические проблемы затрагивают двигателестроение в большей степени, чем другие подотрасли авиационной промышленности. В то же время, следует подчеркнуть, что уровень шума определяется не только типом авиадвигателей, но и типом летательного аппарата, на котором эти двигатели установлены, по следующей причине. Самолеты с большей взлетной массой оснащаются двигателями с большей тягой и, как правило, более шумными. Поэтому сертификации по шуму на местности подлежит именно летательный аппарат в целом, обладающий определенной взлетной массой, с установленными на нем авиадвигателями определенного типа.

В настоящее время допустимые уровни шума на местности и эмиссии вредных  веществ регламентируются, прежде всего, Приложением 16 к международной конвенции о гражданской авиации. Том 1 посвящен нормам по шуму на местности, а том 2 – нормам эмиссии вредных веществ. В РФ и странах СНГ действуют гармонизированные с международными положениями Авиационные правила АП-34 и АП-36, регламентирующие, соответственно, уровни эмиссии и шума. Допустимые уровни шума на местности (см., например, [3]) постепенно ужесточаются. В 1972г вступила в действие Глава 2 тома 1 Приложения 16 стандарта ИКАО, с 1977г – Глава 3, согласно которой суммарный уровень шума в трех контрольных точках надлежало снизить на 20 EPN дБ по сравнению с уровнем, определяемым требованиями Главы 2. С 01.01.2006г все вновь сертифицируемые самолеты должны удовлетворять требованиям Главы 4 тома 1, предусматривающей снижение суммарного уровня шума в трех контрольных точках еще на 10 EPN дБ. Нормы ИКАО по эмиссии вредных веществ (см., например, [15]), впервые введенные в действие в 1981г, также периодически пересматриваются в сторону ужесточения. Так, в 1996г на 20% ужесточены требования по выбросам оксидов азота, а в 2004г допустимый уровень этого показателя был сокращен еще на 16%, и т.д. Следует подчеркнуть, что это именно сертификационные правила, не имеющие обратной силы, т.е., эксплуатация авиатехники предыдущих поколений, сертифицированных по прежним стандартам, непосредственно не запрещается. Несмотря на это, ряд стран Евросоюза в инициативном порядке запрещает полеты над своей территорией и ранее выпущенным воздушным судам, которые формально не обязаны соответствовать новым стандартам ИКАО, см. [14]. Более того, на рубеже 1990-х – 2000-х гг. ряд стран ЕС выступил в ИКАО с инициативой запретить эксплуатацию воздушных судов, доработанных путем установки ЗПК и сертифицированных повторно. Однако эти попытки встретили ожесточенное сопротивление авиакомпаний США, до 30% парка которых составляли на тот момент именно доработанные воздушные суда (подробнее см., например, [1]).

Показатели экологического совершенства ныне эксплуатируемых, выпускаемых и вновь создаваемых в России воздушных судов приводятся во множестве источников – см., например, [2, 3, 14, 15]. Большинство отечественных воздушных судов и авиадвигателей 3-го поколения (Ил-86 и НК-86, Ту-134 и Д-30, Ил-76 и Д-30КП, и т.д.) соответствуют лишь нормам Главы 2 по шуму на местности и нормам 1976г по выбросам вредных веществ. При этом, модернизация перечисленных авиадвигателей нецелесообразна. В ряде случаев (например, для Ил-76) выход видится в массовой ремоторизации парка, т.е., в переоборудовании самолетов более современными авиадвигателями. Некоторые воздушные суда и авиадвигатели 3-го поколения удовлетворяют более современным требованиям. Например, один из основных типов самолетов в российской гражданской авиации, Ту-154М, оснащенный авиадвигателями Д-30КУ-154, удовлетворяет требованиям Главы 3 по шуму на местности с минимальным запасом (0,1..1,6 EPN дБ), а самолет Як-42 с двигателями Д-36 даже укладывается в эти требования с запасом 5 EPN дБ. В ряде случаев соответствие современным экологическим стандартам может обеспечиваться путем доработки ранее выпущенных самолетов и авиадвигателей в процессе капитального ремонта. Так, например, по данным производителей (см. [12]), установка звукопоглощающих конструкций (ЗПК) на авиадвигатели Д-30КУ-154, позволяет повысить запас относительно требований Главы 3 по шуму на местности до 5 EPN дБ. Для этого же типа двигателей НПО “Сатурн” разработана (совместно с ЦИАМ им. Баранова) и серийно выпускается малоэмиссионная камера сгорания, позволяющая удовлетворить требованиям норм 2004г по эмиссии вредных веществ, и даже несколько уменьшить расход топлива. При этом характерный порядок затрат на оснащение одного воздушного судна комплектом ЗПК составляет 300..500 тысяч долларов, что является для многих российских перевозчиков более чем приемлемой платой за возможность продолжения полетов по международным авиалиниям на имеющемся парке воздушных судов. По данным [14], доля самолетов отечественного производства, доработанных до уровня требований Главы 3 путем установки ЗПК, составляет 18%.

Основной тип современных российских авиадвигателей – ПС-90А, которым оснащаются магистральные пассажирские самолеты семейств Ту-204/214 и Ил-96, в базовой модификации обеспечивает этим воздушным судам лишь соответствие требованиям Главы 3 по шуму на местности и нормам 1996г по эмиссии вредных веществ. В настоящее время завершается создание модификации ПС-90А2, которая, как ожидается, позволит самолетам Ил-96 и Ту-204/214 со значительными запасами уложиться, соответственно, в требования Главы 4 и нормы 2004г. Что касается ремоторизованного грузового самолета Ил-76ВД-90, оснащенного двигателями ПС-90А-76, он уже получил сертификат соответствия этим требованиям, причем, запас по шуму на местности составляет 12 EPN дБ, а установка ЗПК нового типа повысит этот запас до 20 EPN дБ.

Все вновь создаваемые и перспективные  воздушные суда и авиадвигатели (RRJ и SaM146, Ан-148 и Д-436-148, МС-21 и ПС-12) также будут удовлетворять требованиям действующих экологических стандартов. Однако зарубежные двигателестроительные компании в настоящее время активно создают научный и технологический задел для кардинального улучшения экологических характеристик перспективных авиадвигателей (подробнее см. [13]). В таблице 1 приведены сведения о некоторых зарубежных научно-исследовательских программах, нацеленных на существенное сокращение эмиссии вредных веществ и шума на местности, производимого авиационными двигателями.

Таблица 1.

Основные исследовательские  программы экологической направленности, реализуемые в зарубежном авиационном двигателестроении

Характерные суммы затрат по этим программам составляют десятки или  даже сотни миллионов долларов в год, что существенно выше ожидаемых размеров ассигнований из российского государственного бюджета и из собственных средств отечественных двигателестроительных предприятий. Уверенность зарубежных двигателестроителей в успехе реализации экологических программ позволяет, например, NASA предлагать к 2020г ужесточить требования ИКАО по шуму на местности еще на 10..12 EPN дБ, по сравнению с требованиями Главы 4, см. [3]. Поэтому руководители и работники ведущих отечественных предприятий и НИИ осознают необходимость активизации НИОКР в сфере авиационной экологии – см., например, [2, 3, 6, 15]. Вопреки распространенному стереотипу, в нашей стране экологическим проблемам авиации уделялось значительное внимание еще в советскую эпоху, см., например, [3]. Российская авиационная промышленность и отраслевая наука сохранили потенциал, необходимый для радикального улучшения экологических параметров перспективных авиадвигателей. Так, например, в ВИАМ с применением математического моделирования созданы новые типы звуко- и вибропоглощающих материалов, имеющих сложную структуру (сотовую, пористую, многослойную) и способных работать в условиях высоких температур, см. [6]. Головные НИИ отрасли – ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского и ЦИАМ им. П.И. Баранова – располагают современным арсеналом методов математического моделирования и натурного эксперимента для исследования акустических и эмиссионных характеристик самолетов и авиадвигателей, см. [3, 15].

Некоторые технико-экономические  аспекты улучшения экологических характеристик авиадвигателей

Помимо экологических характеристик, в число основных технических показателей, характеризующих конструктивное совершенство авиадвигателей, входят:

• показатели весового совершенства – например, удельная тяга (т.е., отношение тяги авиадвигателя на определенном режиме работы к его массе);
• показатели топливной экономичности – прежде всего, удельный расход топлива на взлетном и на крейсерском режимах работы;
• показатели надежности (ресурс основных деталей, средняя наработка на досрочный съем, на выключение в полете, и т.п.)

В силу конструктивных особенностей газотурбинных авиадвигателей, все их технические характеристики находятся в тесной и чрезвычайно сложной взаимосвязи друг с другом. Поэтому изменение экологических характеристик неправомерно рассматривать в отрыве от таких важных технико-экономических параметров, как, например, ресурс основных деталей авиадвигателя или удельный расход топлива. По мнению ряда специалистов в области проектирования авиадвигателей, до определенного момента соображения улучшения экологических характеристик и прочих показателей совершенства авиадвигателей не противоречили друг другу. Например, повышение полноты сгорания топлива сокращает не только удельный расход топлива, но и выбросы несгоревших остатков топлива, дымность выхлопа. Как отмечено в работе [8], сам по себе переход к двухконтурным турбореактивным авиадвигателям и повышение степени их двухконтурности, целесообразные с точки зрения повышения удельной тяги и топливной экономичности, попутно привели и к радикальному (приблизительно на 20 дБ) сокращению уровня шума, что и было закреплено требованиями Главы 3 тома 1 Приложения 16. В то же время, для дальнейшего снижения уровня шума авиадвигателей, производителям приходится внедрять новые, все более сложные и дорогостоящие звукопоглощающие конструкции, и даже оптимизировать геометрию газовоздушного тракта не по критериям повышения тяги или сокращения расхода топлива, а именно из соображений снижения уровня шума. При этом, по данным [3, 8], почти за 30 лет целенаправленной работы, проводимой зарубежным двигателестроением в условиях ужесточения экологических норм, уровень шума удалось понизить лишь на 8..10 дБ, что и отражено в требованиях Главы 4. Таким образом, возможности ныне применяемых технологий снижения уровня шума авиадвигателей близки к исчерпанию, и дальнейшее продвижение в этом направлении требует все больших затрат. Возможно, существенного прогресса удастся достичь за счет применения революционно новых технологий – например, активных систем шумоподавления, и т.п., разработка и внедрение которых, опять-таки, сопряжены со значительными затратами.