Способы снижения расхода топлива в самолётах

В авиационном деле каждый конструктор борется за снижение веса конструкции, соблюдая все прочностные допуски. В авиации нет мелочей. Любая погрешность при проектировании, либо при эксплуатации воздушного судна может привести к нежелательным издержкам, размеры которых, в масштабах хотя бы одной авиакомпании, может привести к кризисному положению. В первую очередь, чего коснётся просчёт – расходы на топливо. На топливо приходится примерно 25% расходов авиакомпаний. В настоящий момент тонна авиационного керосина стоит 48000 рублей. В России наблюдается динамика падения цен на авиатопливо, как и во всем мире, что является следствием пандемии.

Рассмотрим факторы, влияющие на расход топлива в самолетах:

Часовой расход топлива: относится к количеству топлива, потребляемого за час полета.

Километровый расход топлива: относится к количеству топлива, потребляемого на один километр полета.

Технические способы снижения расхода топлива

Использование аэродромных тягачей: помогает снизить расход топлива при рулении самолета на взлетно-посадочную полосу.

Гибридные силовые установки: например, использование авиадвигателей на водородном топливе может значительно снизить общий расход топлива.

Усовершенствованные двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД): позволяют снизить удельный расход топлива в крейсерском полете.

Турбовинтовентиляторные двигатели: могут еще больше снизить удельный расход топлива.

Гибридные электрические или полностью электрические силовые установки: могут потенциально значительно снизить расход топлива.

Выбор оптимального эшелона полета

Процедура step climb: позволяет экипажу менять эшелон полета на более высокий или низкий, чтобы занять оптимальный эшелон для снижения расхода топлива.

Другие рекомендации по снижению расхода топлива

Режим непрерывного набора высоты (ССО): уменьшает потребление топлива и эмиссии при наборе высоты.

Точная информация о текущих и прогнозных данных об атмосфере: позволяет оптимизировать полет и снизить расход топлива.

Следование рекомендациям ИКАО: предоставляет возможности и методы для сведения к минимуму потребления топлива и эмиссии.

Существует два вида расхода топлива, которые зависят от крейсерского режима полёта: часовой и километровый.

Как снизить расход потребляемого топлива? Рассмотрим технические способы. Двигатели потребляют драгоценный керосин, причем явно в большем, чем надо для руления, количестве. Расход топлива на руление составляет 2–4% от общего расхода топлива на выполнение полетов, и тем значительнее, чем чаще летает (и рулит) самолет.

Широко распространены использование аэродромных тягачей. Они помогают снизить расход при рулении самолёта на ВПП. Например, тягач TaxiBot, управляемый из пилотской кабины. Эффективность от использования тягача составит 1.42 при месячной экономии на топливе, когда двигатели заглушены при транспортировке тягачом. Экономия на топливе составит 34728$, при оплате аренды машины 24420$ за месяц.

Использование аэродромных тягачей. Они помогают снизить расход при рулении самолёта на ВПП.

Гибридные силовые установки. Например, использование авиадвигателя на водородном топливе может уменьшить общий запас топлива на 68% и удельный расход двигателя на 65,5%.

При выборе двигателя для снижения расхода топлива в самолётах можно рассмотреть следующие варианты:

Усовершенствованные двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД). Применение ТРДД с большой и сверхбольшой степенью двухконтурности (увеличенной до 12–20), увеличенной до 40–45 степенью повышения давления и повышенной температурой газов перед турбиной позволит снизить на 10–15% удельный расход топлива в крейсерском полёте.

Турбовинтовентиляторные двигатели различных схем. Их использование поможет уменьшить удельный расход топлива ещё на 15–20%.

Гибридная электрическая или полностью электрическая силовая установка. Двигатели на водородном топливе. Оценки специалистов показывают, что самолёт на жидком водороде может быть на 25% легче и на 30% дешевле, его двигатели будут более долговечными и надёжными, чем у самолёта, работающего на керосине, при одинаковой грузоподъёмности и дальности полёта. Выбор двигателя зависит от конкретных условий и требований к самолёту.

Выбор эшелона полёта для снижения расхода топлива в самолётах осуществляется с помощью процедуры step climb. Экипаж меняет эшелон полёта на более высокий (реже – низкий) относительно первоначального с целью занять оптимальный эшелон на данный момент полёта, при полёте на котором расход топлива у самолёта будет наименьшим.

При расчёте step climb учитываются, в первую очередь, такие факторы:

• масса воздушного судна на каждом этапе полёта;
• температура на эшелоне;
• расход топлива воздушным судном;
• наличие опасных факторов в виде обледенения либо турбулентности.

Также для оптимизации полёта важно иметь максимальное количество и точность текущих и прогнозных данных о состоянии реальной атмосферы: атмосферного давления, температуры воздуха и скорости ветра по всему маршруту.

Использование оптимального эшелона полета является ключевым фактором для улучшения топливной экономичности полетов и минимизации эмиссий в атмосферу. Очевидно, что большая часть топлива расходуется в фазе набора. В зависимости от протяженности заданного маршрута, массы воздушного судна и метеорологических условий полета определяется оптимальный эшелон полета, который постепенно увеличивается по мере того, как запас топлива на борту расходуется. Занятие и выдерживание воздушным судном оптимального эшелона в течение всего полета без перерыва будет способствовать оптимизации топливной эффективности полета и сокращению эмиссий (вредных выбросов).

ИКАО сформулировал рекомендации в части уменьшения расхода топлива и эмиссии (вредных выбросов). В документе приведены возможности и методы сведения к минимуму потребления топлива и, соответственно, эмиссии при производстве полетов воздушными судами гражданской авиации.

Рекомендации ориентированы на уменьшение расхода топлива и эмиссии, однако при выполнении всех операций основное внимание должно уделяться обеспечению безопасности полетов. Нельзя допускать того, чтобы изменения, вносимые с целью экономии топлива, приводили к понижению уровня безопасности полетов. Все решения относительно изменения эксплуатационных процедур зависят от конкретной ситуации (например, от погодных условий, наличия оборудования, средств и служб), связанной с выполнением каждого полета, воздушного судна и экипажа.

В частности, Глава 8 посвящена возможностям и методам уменьшения расхода топлива и эмиссии на различных этапах полета.

Один из методов – режим непрерывного набора высоты (англ. ССО – continuous climb operation) способен обеспечить снижение уровня шума, потребления топлива и объема эмиссий при одновременном повышении стабильности полета и предсказуемости траектории полета как для диспетчеров, так и для пилотов.

Непрерывный набор высоты (ННВ) – это метод пилотирования воздушного судна, обеспечивает выполнение оптимизированного полета, с учетом текущих возможностей воздушного судна, тем самым уменьшая потребление топлива в процессе набора высоты.

Оптимальный вертикальный профиль приобретает форму траектории непрерывного набора высоты с минимальным количеством горизонтальных участков полета, необходимых только для увеличения скорости и обеспечения соответствующей полетной конфигурации воздушного судна.

Оптимальный угол вертикальной траектории должен варьироваться в зависимости от типа воздушного судна, его фактической массы, скорости ветра, температуры наружного воздуха, атмосферного давления, условий обледенения и других динамических характеристик и определяется соответствующими положениями РЛЭ конкретного самолёта.

Ожидаемый эффект выполнения методик по ННВ:

• Экономия затрат в результате сокращения потребления топлива и эффективный профиль эксплуатации воздушного судна;
• Сокращение объема необходимого радиообмена;
• Более последовательные траектории полета;
• Снижение рабочей нагрузки на пилотов и диспетчеров УВД.