Дым

Для начала, надо разделять полноту сгорания и дым. Как минимум, потому что первое - основная характеристика камеры сгорания (КС), а второе - экологическая. Корреляция там есть, но не более того. Сюрприз-сюрприз, но дымить (даже если только на определенных переходных режимах) может даже камера с предельно высокой полнотой сгорания, потому что последняя, на самом деле, пускай на первый взгляд достаточно простая основная характеристика КС, но вообще с физической и практической точек зрения - очень сложная для определения вещь. В текущих требованиях и ТЗ вообще устанавливается, что даже на малом газу (минимальный режим) не допускается полнота сгорания ниже 95 %. Кто внимательно смотрел полеты Суперджета с новехонькими ПД-8 могут обратить внимание, что даже там был небольшой момент с дымлением движка :)
По определению, полнота сгорания - это отношение тепла, выделившегося в системе в реальности, к максимально достигаемому тепловыделению при заданных условиях процесса горения. Замерить теоретически тепловыделение в реальности можно, а вот максимальное значение определить очень проблемно, во многом из-за необходимости определения энтальпии турбулетного течения, ибо турбулентность на процесс горения влияет, особенно в современных камерах. Ой, а если еще и вспоминать, что есть такие эффекты как вибрационный режим горения, мммм. Если это все не учитывать, то варианта оценки полноты ровно два: либо оценивать сравнением с максимальной термодинамической температурой, которая вычисляется по удельной теплоте сгорания топлива (низшей обычно), либо посредством хим. состава выхлопа. Основными маркерами неполноты в выхлопе являются несгоревшие углеводороды (НС) и монооксид углерода (СО). Почему они? Ну потому что их концентрации характернее всего коррелируют с температурой на выходе из КС. Но зависимость на практике индивидуальна для разных камер, обобщения, которые есть, врут по чуть-чуть везде, но такой метод считается более надежным. СО2 при этом, как можно видеть, здесь вообще никак не привязан, собственно как и дым. Просто в школьной химии это преподносят так, что при сгорании любого углеводорода образуются только СО2 и водичка. Этот случай - идеальный. Но из него идет такое следствие, что чем выше полнота тем больше СО2, так как он образуется доокислением СО. Так-то оно так, вот только там не учитывается азот и тот факт, что водичка при Т ≈ 1200-2000 К в окружении активных радикалов типа атомарного кислорода, азота и гидроксильной группы ОН, немножечко так неустойчива, как и СО2. И что СО2 и СО могут туда сюда превращаться. Конечно, относительно других соединений СО2 и Н2О довольно устойчивые, к тому же их объем достаточно существенен в продуктах сгорания, но вот если сравнить значения теоретические, из брутто формулы, и реальные, из хим. анализа, разница будет в пару процентов, а это ну как бы много, при средних мольных долях СО2 в диапазоне от 3 до 6 % - это будет в относительных величинах отличие в 10…20 %. При этом это будет противоречить температуре: для брутто формулы завышение будет на 100-200 К. Реальная химия, особенно сложных композиционных углеводородов с плавающим составом, таких как авиационный керосин (хотя это касается любых нефтепродуктов) безумно сложна, а детальные механизмы (кинетические схемы), более менее достоверно описывающие ее, состоят из десятков и даже сотен тысяч элементарных реакций.
Дым в привычном понимании - это видимый шлейф. Вот именно видимая часть как правило, ни СО, ни СО2, ни НС по понятным причинам не содержит - это все-таки бесцветные газы. А вот сажу и всякие нелетучие твердые частицы - да. Но тут про это надо говорить отдельно.

Дым - это, эммм, вещь (сущность?), которая имеет пусть и не очень качественную с методологической точки зрения, но вполне однозначную количественную характеристику. Основной документ по любым эмиссиям вредных веществ кроме СО2 - это том 2 приложения 16 к Конвенции о международной гражданской авиации (CAEP ИКАО). У нас с 2022 года эти требования ИКАО зафиксированы, кстати, на национальном уровне - «Нормы летной годности. Часть 34». До 2017 года в нормах ИКАО фигурировал показатель под названием число дымности (SN, smoke number). Чисто экспериментальная характеристика, которая определяется косвенным измерением степени изменения показателя видимости дымового шлейфа за счет потери отражательной способности, которая выражается в окрашивании специального фильтра для улавливания частиц. Ну то есть никто даже и не пытался записать прям список веществ, которые в дым входят. С 2017 года это норма фактически заморожена и заменена не нелетучие твердые частицы (нлТЧ), которая с SN коррелирует достаточно хорошо. Там им дано определение, тоже вялое, но какое есть - это соединения, которые при нагреве до 350 °С остаются твердыми. С 2020 года характеристик для определения эмиссии нлТЧ стало еще к тому же и три (с этим связана кстати особая попаболь нашего авиапромма ибо для этой гадости сертифицировано по ИКАО только 2,5 измерителя и все из недружественных стран).

А теперь, что важно еще - сажа. В старых камерах сажа действительно была большой проблемой, сейчас с этим попроще в определенном смысле. Ибо сажа и копоть характерны для камер сгорания с большими высокотемпературными областями с локально низким коэффициентом избытка воздуха, из-за которого в реакциях сложных углеводородов часто в осадок выдает стабильный углерод в аллотропном состоянии типа «сажа». Вместе с этим там образуется еще куча всего интересного. В этом контексте есть работы, в частности из Авиадвигателя и из Самары, которые показывают, что потенциально основной источник нлТЧ - это полиароматические углеводороды (ПАУ). Дым, как и нлТЧ, как можно понять, и состоит в разных долях из ПАУ и частиц углерода. Резюме: сажа - лишь кусочек проблемы, который к тому же для разных КС может играть как большую роль (как в старых), так и меньшую (как в новых) роль.

Почему же так? Современные КС гражданских движков - это малоэмиссионные КС двух типов: с богато-бедным горением и с бедным горением. Первых много больше - это и Pratt & Whitney, и Rolls Royce, и ранние CFM (типа CFM-56), и ранние General Electric (типа CF34), да даже наши ПС-90, ПД-14 и ПД-8. А вот CFM LEAP, GEnx, и в перспективе ПД-35 - это движки с КС бедного типа. Не буду вдаваться с детали, кто захочет может почитать статьи по теме, но суть такова, что бедное горение обеспечивает улучшение экологичности в целом благодаря тому, что большая часть реакций протекает при больших коэффициентах избытка воздуха и при низких температурах, а на сам факел пламени почти не воздействуют дополнительным воздухом, поэтому зоны горения хорошо и почти однозначно локализованы. Из-за этого отсекается большой объем специфической высокотемпературной химии, где и появляются все эти ПАУ и ижи с ними. Также есть исследования, показывающие, что на дым и нлТЧ можно повлиять, используя альтернативные топлива. Поэтому на дым в современных движках оказывает влияние больше всего: 1) тип малоэмиссионной КС; 2) объемы высокотемпературных зон с высокой интенсивностью турбулентности и локально низким коэффициентом избытка воздуха; 3) топливо и его состав.

А теперь самое главное. ИКАО, будь оно неладно, в лице САЕР довольно щепетильно относится к вопросу сохранения всяких бумажек и созданию баз данных, чай не сельский ТЮЗ, а международная бюрократия. На сайтах EASA и ИКАО хранится прелюбопытнейшая база данных по эмиссии вредных веществ для всех сертифицированных с 1986 года (год создания приложений к конвенции и комитета САЕР, начало учета требований по экологии) двигателей. Если зайти в этот документ можно узнать много любопытного. Например, что «самые экономичные» двигатели Rolls Royce Trent 1000/7000 имеют НУЛЕВУЮ эмиссию НС и мизерную эмиссию СО, но безумное дымление на уровне от 60 % до почти 95-98 % от максимального уровня по SN, при том что полнота сгорания там 99.9 % даже на малом газу. С нлТЧ у них также все печально. А вот топовые в плане экологичности движки CFM International LEAP или GEnx с малоэмиссионными КС с бедным горением типа TAPS имеют показатели по СО и НС ощутимо так хуже, но при этом и SN, и нлТЧ у них составляет всего 6-10 % от максимально допустимого уровня! Можно все еще сильнее запутать: у Pratt & Whitney, как и Rolls Royce - богато-бедные КС, по СО и НС там все ближе к LEAP, но вот по SN - уже 40% от максимума, а не 60-90 %. При этом по нлТЧ все также плохо. Почему? Ну просто у P&W зоны горения сильнее оптимизированы, им пришлось провалиться немного по СО и НС, зато удалось сильно порезать сажу, а вот от ПАУ избавиться - не очень.
При этом найти в сети видосы, где любой из этих движков пыхтит в процессе полета вполне возможно.

Резюме сему действу: дым с полнотой связан очень слабо, СО и НС с дымом так связаны слабо, полнота с СО2 тоже связана слабо, дым - состоит из сажи и нлТЧ, сажа с дымом связаны, но сажа - лишь часть дыма, в современных КС - сажи меньше, остальных нлТЧ - больше, пыхать дымом могут даже самые современные и экологичные движки.
Небольшое дополнение по старым движкам и почему Ту-134 так дымит.

КС двигателей Д-30 как и многие ранние КС строились по трубчато-кольцевой схеме, где начальный участок ближе к компрессору - индивидуальные трубы с топливной форсункой в каждой, а второй участок - кольцевой газосборник, где потоки из них объединяются. У ПС-90, кстати, такая же схема, хотя движок сильно моложе 🌚. И такая схема использовалась как раз потому, что обеспечивает очень хорошую стабилизацию пламени, запуски как земные, так и высотные, хорошую полноту сгорания. Но недостаток очевиден: в замкнутом относительно небольшом объеме такой трубы количество тех самых высокотемпературных зон с низким коэффициентом избытка воздуха крайне велико. А проницаемость трубы - высокая, ее же надо и охлаждать, и пламя стабилизовать (а стабилизировали там вихрями за струями воздуха). То есть и интенсивность турбулентности высокая, и горение почти полностью диффузионное. Кроме того, чем больше всяких струй воздуха и прочего, тем сильнее последствия при переходах на разные режимы, потому что возврат к устойчивой стабилизации тоже не происходит прям мгновенно. Полнота сгорания у Д-30 на низких режимах и правда плохая, но на дым это сказывается опосредованно, более того, дымление внезапно на малых режимах менее активно, чем на высоких (на малом газу SN - 8, а на взлете - 33). Просто из-за меньшей скорости реактивной струи шлейф дыма менее заметен. На выходе из-за всего этого безобразия образуются и ПАУ, и частицы сажи, и все на свете. При этом в ПС-90 конструкцию оптимизировали насколько, что там и дыма, и нлТЧ сильно меньше (в сравнении с Д-30: процент от требований по SN изменился с 170% от максимума до 40). Если брать схожие движки, например, модели CF6 и ПС-90 со схожими параметрами рабочего процесса (и степень двухконтурности, и степень сжатия), то там по дыму отличие в два раза в пользу лучшего у ПС-90. По СО и НС при это разницы особо нет, по экономичности тоже близки, полнота у CF6 хорошая, на уровне. Между двигателями почти в 20 лет. При этом у CF6 КС кольцевая и ближе к современным. Если брать Д-30 и НК-86 (который на основе НК-8 сделан, тоже не молодой мягко говоря), то при одинаково низких рабочих параметрах отличие в дыме у них тоже большое: 170 % от максимума у Д-30 при 48 % от максимума у НК-86. У НК-86 камера опять же кольцевая. Вот собственно и влияние рабочих параметров на дымление. К тому же, степень чистоты топлива и присадки, которые сейчас используются, также уже давно не те же, что в 60-70 годах. А это тоже влияет на дым.
Если же говорить про двигатели для специальных целей, даже без учета особых режимов работы (там-то понятно, что без дыма с огнем никак), то там и топливо иногда другое, не ТС-1, и все вообще направлено на устойчивые запуски и стабильность работы, а не на экологию, поэтому лучше пусть стабилизация с высокотемпературными зонами будет больше и даже пусть сажа летит, главное как самолет не вращай, что с ним не делай он и летать будет, и, если что, запуститься при любых условиях в любом положении.

Также, нигде не упомянул про топливные форсунки, ибо распыл топлива влияет и на полноту, и на дым существенно. Только немного по разным путям. И для полноты, и для дыма важны и размер капель, и их равномерность в аэрозоле: слишком маленькие капли в равномерном аэрозоле будут плохо передавать тепло на соседние капли, гореть будет не очень качественно, низкая полнота, но дыма тоже может быть немного, слишком большие в неравномерном аэрозоле - долго испаряться, резко вспыхивать и потенциально будут осаживаться на стенках камеры, там образовывать сажу от перегрева жидкой пленки. А если нормальный размер, а равномерность не очень - те самые локальные богатые высокотемпературные зоны и дымление.