Воздействие атмосферной турбулентности на полеты воздушных судов

Изучение турбулентности, зон её возникновения и причин образования является очень значимым для полетов воздушных судов. Целью данной статьи является исследование условий, приводящих к возникновению интенсивной турбулентности для повышения эффективности метеорологического обеспечения полетов воздушных судов.

Аннотация статьи
атмосферная турбулентность
спектральная плотность
безопасность полета
неблагоприятные условия среды
Ключевые слова

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.

Текст статьи
  1. Шибанов Г. П. Авиационные инциденты и окружающая среда // Авиапанорама. – 2017. – № 5 (125). – С. 24-33.
  2. Юшков В. П. Вероятностное описание турбулентных процессов в атмосфере // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. – 2013. – № 4 – С. 65-72.
Список литературы