Структура турбулентності, що викликає бовтанку літака. Поняття про перевантаження. Оцінка інтенсивності бовтанки

При оцінці умов польотів необхідно брати до уваги вірогідність виникнення, структуру і тривалість існування турбулентних зон, в яких може спостерігатися бовтанка літаків

Структура турбулентних зон має складний вигляд і по різному впливає на різні типи літаків і вертольотів.

Встановлено, що на дозвукові літаки чинять вплив вихори розмірами від декількох десятків до декількох сотень метрів, а на надзвукові літаки - від декількох сотень до декількох тисяч метрів.

Дуже великі вихори як би залучають літак до свого потоку. При цьому літак не випробовує бовтанки, а разом з потоком здійснює плавну зміну висоти польоту. На дуже дрібні турбулентні вихори літак також не реагує, оскільки вони різного знаку і взаємно компенсуються.

Горизонтальна і вертикальна структура турбулентних зон дуже складна. Одночасно можуть зустрічатися як суцільні (безперервні) турбулентні зони, так і переривчасті, які складаються з декількох локальних турбулентних ділянок.

Тривалість існування (збереження) турбулентних зон може змінюватися у великих межах. Зареєстровані випадки, коли турбулентний режим зберігався протягом доби і більше. Проте вірогідність збереження турбулентності протягом 6 годин і більше, як правило, не перевищує 50-60 % практично на усіх висотах як в тропосфері, так і в стратосфері. Товщина турбулентних зон в тропосфері в середньому складає 300-600 м, в стратосфері зменшується до 200-300 м В зоні атмосферних фронтів і хмарних систем вона може досягати декількох кілометрів.

У верхній тропосфері і стратосфері товщина турбулентних зон із збільшенням широти зменшується від 1400 м в південних широтах до 400 м північних.

Горизонтальна протяжність турбулентних зон у декілька разів більше їх товщини і вимірюється від декількох кілометрів до декількох сотень, а в зоні атмосферних фронтів і тисяч кілометрів.

Повторюваність турбулентних зон має добре виражений річний хід. У теплий період найбільша повторюваність спостерігається в тропосфері помірних широт. Інтенсивність термічної турбулентності в цей період має максимум в післяполудневі години. У холодний період року максимум повторюваності турбулентності переміщається в стратосферу.

З висотою повторюваність турбулентності змінюється від максимуму в нижньому шарі тропосфери до мінімуму в середній тропосфері і потім до максимуму в районі тропопаузи. Максимальна повторюваність турбулентних зон в помірних широтах північної півкулі відзначається на висотах 8-12 км і складає в середньому 12 %. В південних районах повторюваність турбулентності зростає в середньому до 16-18 %.

Таким чином, в атмосфері на різних рівнях постійно існують турбулентні вихори різного масштабу. Ці вихори розвиваються, зникають, переміщаються і усі по-різному чинять вплив на літак, що пролітає через них.

Політ літальних апаратів в турбулентній атмосфері супроводжується трясінням і неврегульованими рухами по вертикалі, появою перевантаження.

Перевантаженням (n) називається відношення суми усіх сил, діючих на літак до ваги літака, тобто

, (1)

де P - сила тяги двигуна; R - повна аеродинамічна сила (R = X + Y + Z); G - сила ваги літака.

На практиці перевантаження найчастіше представляють у вигляді трьох складових по напрямах осей системи координат, пов'язаної з літаком (мал. 1).

Перевантаженням в будь-якому напрямі називається число, що показує, в скільки разів складова повної аеродинамічної сили, діюча на літак в цьому напрямі, більше або менше його ваги

, (2)

, (3)

, (4)

де Rx, Ry і Rz - складові усіх поверхневих сил в проекції

відповідно на осі X, Y і Z.

У розрахунках міцності літаючих апаратів вирішальне значення має перевантаження у напрямі підйомної сили ny, тому її часто ототожнюють з перевантаженням в цілому. Проте в окремих випадках перевантаження у напрямі сили лобового опору nx також може бути істотним.

При польоті в турбулентній атмосфері підйомна сила безперервно змінюється із-за миттєвої зміни швидкості обтікання літального апарату, викликаного горизонтальними пульсаціями швидкості вітру, а також в результаті дії на літак небезпечніших вертикальних потоків, що змінюють кут атаки. Це призводить до порушення рівноваги сил, в першу чергу підйомної сили, діючих на літак і виникненню знакозмінних перевантажень. В цьому випадку перевантаження літака рівне

, (5)

де (Y - приріст підйомної сили; (n - приріст перевантаження ((n = (Y/G).

Дуже часто для оцінки інтенсивності бовтанки користуються поняттям "Приріст перевантаження"

. (6)

Для з'ясування фізичного змісту цієї характеристики припустимо, що літак, що здійснював горизонтальний політ з постійною повітряною швидкістю (сталий рух) потрапив в зону сильних висхідних рухів повітря. Під дією вертикального пориву підйомна сила Y збільшується, отримавши приріст (Y, тоді сталий рух буде порушений, літак дістане прискорення, рівне

, (7)

чи

,

звідки

. (8)

Таким чином, приріст перевантаження є прискорення, яке отримає літак при польоті в турбулентній атмосфері, виражене в долях прискорення вільного падіння g.

Перевантаження у польоті може вимірюватися візуально (по відчуттях екіпажа), акселерометрами - приладами, фіксувальними величину прискорення, або акселерографами - приладами, не лише фіксувальними, але і записуючими величину прискорення літака. Поява знакозмінних прискорень, лінійних коливань центру тяжіння літака і кутових коливань відносно центру тяжіння називається бовтанкою. При попаданні в зону бовтанки несподівано і в значних межах змінюється висота, курс, швидкість і режим польоту, погіршується стійкість і керованість літального апарату.

При зустрічі з інтенсивним висхідним потоком повітря літак випробовує кидок вгору і може перейти в пікірування з неприпустимим збільшенням швидкості (мал. 2 а). Під впливом низхідного потоку великої швидкості відбувається кидок вниз, і літальний апарат може вийти на великі кути кабрірування з неприпустимим зниженням швидкості (мал. 2 б).

На злеті і посадці бовтанка небезпечна тим, що із-за сильної турбулентності можливі значні кидки літака вгору і вниз від розрахункової траєкторії зниження (набору висоти). Якщо кидки вгору можуть привести до того, що літальний апарат виявиться на закритических кутах атаки, що найнебезпечніше при зльоті літака, то кидки літального апарату вниз можуть привести до зіткнення із земною (водною) поверхнею, що однаково небезпечно як при зльоті, так і при посадці.

Атмосферну турбулентність, що викликає бовтанку літального апарату залежно від її інтенсивності і відповідно до правил ИКАО прийнято ділити на слабку, помірну і сильну (таблиця. 1).

Таблиця 1

Шкала для оцінки інтенсивності турбулентності, що викликає бовтанку

Інтенсивність турбулентності (бовтанка)	Діапазон приростів долі g	Швидкість поодинокого пориву, м/з
Слабка		<10
Помірна		10-15
Сильна		>15

При заході літака на посадку, зменшується швидкість його планування, а стійкість і керованість погіршені в порівнянні з горизонтальним польотом.

Необхідна при цьому підйомна сила створюється за рахунок використання елементів механізації крила. Перевантаження до (0,3 фіксується як слабка бовтанка, від (0,3 до (0,4 як помірна і понад (0,4 як сильна бовтанка.

При слабкій бовтанці (_/\_() відчуваються часті поштовхи літака, спостерігається похитування літака з крила на крило і незначну зміну висоти польоту. Режим польоту зберігається. Екіпаж переживає неприємні відчуття.

При помірній бовтанці (_/\_) спостерігаються рідкісні здригання і окремі кидки літака, які часто супроводжуються великим креном. Режим польоту порушується по висоті і курсу. При великих негативних перевантаженнях (кидок вниз) відчувається невагомість, а при позитивних (кидок вгору) - сильне притискання до крісла. При помірній бовтанці незакріплені предмети починають зміщуватися.

При сильній бовтанці (_/\_) мають місце дуже сильні і різкі кидки літака, які супроводжуються великими перевантаженнями. Режим польоту порушується, використання автопілота украй ускладнене. Погіршується керованість літака, що може привести до виникнення нештатної ситуації на борту. При сильній бовтанці екіпаж (пасажири) можуть відділятися від крісел і зависати на ременях або сильно притискатися до крісел.

При попаданні літака в зону інтенсивної бовтанки зазвичай рекомендується зменшити швидкість польоту, проте в усіх випадках вона не має бути менше швидкості, при якій забезпечується стійкий політ.

Перевантаження зменшується при збільшенні висоти польоту із-за зміни щільності повітря. Проте небезпека інтенсивної бовтанки з висотою зростає унаслідок погіршення стійкості літака (політ відбувається на кутах атаки, близьких до гранично допустимих).

Рівень турбулентної енергії в атмосфері може бути оцінений за допомогою безрозмірного параметра, званого числом Ричардсона

(9)

де (- прискорення сили тяжіння; T - середня температура шару (z; (a -(- параметр термічної стійкості; (= ((u/(z) - параметр

динамічній стійкості (вертикальне зрушення вітру).

Число Ричардсона широко використовується як критерій стійкості атмосфери: при Ri < 0 стратифікація атмосфери нестійка, збільшується інтенсивність турбулентності, отже, зростає інтенсивність бовтанки літака. При Ri = 0 стратифікація атмосфери байдужа, при Ri > 1 стійка, - турбулентність затухає, інтенсивність бовтанки зменшується.

Поиск по сайту: