Воздействие атмосферной турбулентности на полеты воздушных судов

На безопасность полета существенное влияние оказывают условия окружающей среды, в том числе и социальные, в которых функционируют элементы авиационного комплекса.

Анализ статистических данных показывает, что причиной большого числа (12-15%) летных происшествий и предпосылок к ним являются неблагоприятные условия среды.

Под неблагоприятными условиями понимают такие условия, воздействие которых на систему «летчик-самолет» и другие элементы авиационного комплекса создают угрозу безопасности полета.

Воздействие неблагоприятных условий среды на систему «летчик-самолет» может привести к самым различным последствиям:

• изменению аэродинамических сил и моментов, вызывающих возмущенное движение самолета, в результате чего параметры его движения отклоняются от заданных и могут превысить предельно допустимые значения;
• ухудшению видимости, дискомфорту, что усложняет условия работы и функциональное состояние экипажа, повышает нервно-психологическую нагрузку;
• созданию помех в работе автоматических систем управления, искажению показаний барометрических приборов;
• повреждению отдельных частей самолета, а в ряде случаев, к его разрушению в полете, травмам и гибели экипажа.

По степени опасности последствий все неблагоприятные условия можно разделить на три группы.

К первой группе относятся условия, приводящие к катастрофическим последствиям. К их числу можно отнести столкновения самолетов в воздухе друг с другом, с наземными препятствиями и т.д. Степень опасности последствий воздействия таких условий ηс=1.

Вторая группа включает неблагоприятные условия, приводящие к критическим последствиям. К их числу относятся интенсивное обледенение самолета, сильная атмосферная турбулентность и др. Особенно опасны турбулентность в ясном месте и попадание самолета в спутную (воздушное течение в виде возмущённых масс воздуха (то есть вихрей), сходящих с крыла, стабилизатора, других несущих и управляющих поверхностей) турбулентность на малых высотах. Степень опасности последствий воздействия этой группы неблагоприятных условий 0<<ηс<1.

Третья группа неблагоприятных условий (умеренная турбулентность, дымка, небольшие осадки и т.д.) вызывает малосущественные последствия, которые в основном, сводятся к незначительному ухудшению условий работы экипажа. При этом ηс<<1.

Как правило, полеты в неблагоприятных условиях первой и второй группы запрещаются. Однако, несмотря на значительное улучшение работы метеорологического и радиотехнического обеспечения полетов, совершенствование методов управления воздушным движением, наземных и бортовых технических средств самолетовождения, пока еще не всегда представляется возможность достоверно предсказать и исключить попаданию летательных аппаратов в неблагоприятные условия.

В настоящее время в связи с расширением диапазона высот и скоростей полета самолетов и усложнением задач, решаемых авиацией, число случаев попадания летательных аппаратов в неблагоприятные условия среды, особенно в такие как атмосферная турбулентность, спутная турбулентность, струйные течения возросло. Учитывая, что попадания самолета в эти виды неблагоприятных условий являются наиболее вероятными и опасными, рассмотрим несколько подробнее их влияние на безопасность полета.

Основными причинами возникновения атмосферной турбулентности являются:

• трение воздушного потока о поверхность земли, что приводит к торможению приземных слоев и образованию значительных по величине вертикальных и горизонтальных градиентов скорости ветра;
• неравномерный нагрев различных участков земной поверхности, вызывающий вертикальные потоки воздуха и порождающий так называемую термическую или конвекционную турбулентность;
• процессы облакообразования, связанные с появлением значительных градиентов температуры и давления воздуха в атмосфере;
• деформация воздушных течений, обусловленная рельефом земной поверхности (горы, возвышенности);
• взаимодействие воздушных масс с различными термическими режимами, формирующих атмосферные фронты с большими градиентами температуры;
• большие градиенты скорости потоков воздуха на границах струйных течений, обуславливающих непрерывное преобразование энергии основного потока в энергию турбулентности. Эта причина является одним из источников образования турбулентности в ясном небе.

Такое большое число взаимосвязанных причин приводят к весьма сложной структуре атмосферной турбулентности. Однако установлено, что атмосферную турбулентность на высотах H>200 м можно считать однородной и изотропной в пределах достаточно больших областей пространства.

Свойство однородности турбулентности означает, что ее статистические характеристики одинаковы во всех точках данной области, а свойство изотропности, – что эти характеристики не зависят от направления, т.е. все направления скорости движения воздуха равновероятны.

При изучении воздействия турбулентности на самолет применяются две модели атмосферной турбулентности: дискретный порыв со скоростью υ c «градиентным» участком и без него и непрерывно случайные порывы. В последнем случае турбулентность изучается методами теории вероятностей и описывается случайными функциями. Вследствие однородности и изотропности атмосферной турбулентности в пределах достаточно больших областей пространства ее можно рассматривать как кусочно-стационарный случайный процесс. Это означает, что вся атмосфера может быть разделена на отдельные области, в пределах каждой из которых турбулентность стационарна. Стационарность турбулентности означает, что математическое ожидание и дисперсия скорости порывов не зависят от координаты рассматриваемой точки, а корреляционная функция зависит только от расстояния между рассматриваемыми точками и не зависит от их абсолютных координат.

Важнейшей характеристикой турбулентности как стационарной случайной функции является пространственная частота;

λ – длина волны спектральных составляющих турбулентного движения воздуха, м;

L – масштаб турбулентности, характеризующий среднюю протяженность наиболее крупных порывов, м;

συ – среднее квадратическое значение скорости порывов, м/с.

При изучении воздействия непрерывной атмосферной турбулентности на летящий самолет наиболее важными являются не пространственные, а ее временные характеристики.