Ежегодно от работы авиационных двигателей в атмосферу попадает около 6-8 млн тонн оксидов азота. Это опасные загрязнители, образующиеся при сгорании топлива. Они не просто угрожают качеству воздуха, а планомерно воздействуют на верхние слои атмосферы, вызывая кислотные дожди, усиливая парниковый эффект и приводя к постепенному потеплению климата. Борьба с подобными выбросами ведется через ужесточение международных стандартов и технические инновации в двигателестроении. Ученые Пермского Политеха разработали оригинальный виртуальный измеритель концентрации окислов азота в камере сгорания, адаптированный под разные режимы полета самолета. Новый подход к построению системы на основе нейронной сети позволил на 82,8% повысить точность расчетов концентрации эмиссии газов.
Статья опубликована в сборнике «XIV Всероссийское совещание по проблемам управления».
Окислы азота (или оксиды азота) — это общее название для целой группы химических соединений, в которых атомы азота и кислорода соединены друг с другом в разных пропорциях. Главный источник их образования — процессы горения при высоких температурах: когда в камере сгорания двигателя она достигает 1300 °C, атомы начинают распадаться и вступать в реакцию. Окислы азота — одни из самых опасных долгоживущих загрязнителей воздуха, и их воздействие от авиации особенно значительно, потому что выбросы происходят в верхних слоях тропосферы и нижних слоях стратосферы. Там эти газы сильнее влияют на образование озона и оказывают более серьезное воздействие на климат, чем выбросы на земле. Кроме того, выбросы оксидов азота воздействуют и на человека: при выпадении осадков они переходят в кислоты, вызывая кислотные дожди, что отрицательно сказывается на здоровье и окружающей среде.
Допустимые нормы выбросов для авиадвигателей постоянно ужесточаются, что требует разработки новых высокотехнологичных методов их снижения. Для этого важно уметь точно управлять и измерять концентрацию оксидов азота в камере сгорания. Прямое измерение с помощью физических датчиков – сложная и дорогая задача. Им приходится работать в экстремальных условиях, при высокой температуре и давлении, что приводит к их быстрому износу, выходу из строя и частой замене. Кроме того, они не обеспечивают достаточную точность и непрерывный контроль.
На смену датчикам приходят различные физико-химические или нейросетевые компьютерные модели, которые способны смоделировать все реакции образования вредных веществ и спрогнозировать их выбросы в атмосферу. Но чаще всего подобные системы очень ресурсоемки, требуют много мощности и времени, не всегда соответствуют требуемым нормативам и изменяющимся условиям работы.
Ученые Пермского Политеха разработали оригинальный виртуальный нейросетевой измеритель окислов азота, который адаптируется под режимы работы газотурбинного двигателя и обеспечивает как точность, так и быстродействие системы.
– Одним из основных преимуществ разработки является способность работать без прямого контакта с газами высокой температуры внутри камеры сгорания, а за счет косвенных измерений. В режиме реального времени система анализирует несколько ключевых параметров работы газотурбинного двигателя: расход топлива, давление и температуру в камере сгорания, коэффициент избытка воздуха. Эти данные легко получить с помощью стандартных датчиков, а по ним наша система с достаточно высокой точностью вычисляет концентрацию окислов азота, – объясняет Вячеслав Никулин, ассистент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ.
Структуру нейронной сети ученые построили на базе персептрона – простой классической модели, которая состоит из одного скрытого слоя нейронов, в режиме реального времени обрабатывающих множество входных данных. Чем больше нейронов используется, тем больше времени уходит у измерителя на расчет выбросов газа. В ходе серии экспериментов ученые определили, что сеть из 3 нейронов позволяет проводить расчеты всего за 3,63 миллисекунды с достаточной точностью.
Уникальность разработки ученых – в ее адаптивности. Двигатель самолета работает в разных режимах: взлет, набор высоты, посадка, руление. Каждый из них имеет свои особенности и характеристики горения. Эксперты обучили нейросеть отдельно для каждого режима. Введение механизма подстройки весовых коэффициентов в адаптивной модели с учетом режима работы двигателя позволило более достоверно выдавать информацию о содержании эмиссии (выделения) оксидов азота. Внедрение такого блока адаптации на 82,8% повышает точность измерений по сравнению с системой, где использован неадаптивный измеритель.
Таким образом, разработанный виртуальный измеритель — это не отдельный физический датчик, а программный алгоритм, встраиваемый в систему управления авиационным двигателем. Во время полета в режиме реального времени он получает и обрабатывает данные о расходах топлива, давлении и температуре в камере сгорания. На их основе быстро (3,63 миллисекунды) рассчитывает концентрацию оксидов азота. Благодаря этой информации система управления может корректировать параметры работы двигателя и тем самым повлиять на снижение выбросов без ущерба для тяги и экономичности.
Разработка ученых Пермского Политеха открывает новые возможности для создания экологичных и эффективных систем управления авиационными двигателями. Внедрение инновационного виртуального измерителя обеспечит более точный и оперативный контроль процесса сгорания, что способствует сокращению вредных выбросов в атмосферу.
