Интенсивность болтанки

Воздушные суда обладают различной чувствительностью к турбулентности в зависимости от таких параметров, как воздушная скорость и плотность воздуха, вес воздушного судна, площадь поверхности крыла и угол стреловидности крыла.

При полете в зонах с интенсивной турбулентностью возни­кает опасность потери управляемости. Кроме того, при сильной болтанке самолет может выйти на критиче­ский угол атаки и потерять устойчивость (сваливание на крыло).

Болтанка может также привести к самовыключению двига­теля из-за резкого уменьшения количества поступающего в него воздуха в результате колебаний самолета. Это явление чаще всего наблюдается при полетах на больших высотах, где дви­гатель наиболее чувствителен к изменению расхода воздуха.

Также болтанка искажает показания некоторых пилотажных приборов, например указателя скорости, высотомера, вариометра.

Наибольшую опасность для полета воздушных судов в турбулентной атмосфере представляет сочетание мощных вертикальных потоков большой протяженности с частыми и большими вертикальными порывами (эти порывы обусловлены турбулентными завихрениями).

Такое сочетание вызывает штормовую болтанку, очень опасную для пассажирских воздушных судов по условиям по условиям прочности и условиям потери управляемости.

Действительно, если самолёт под действием мощного восходящего потока перейдет в пикирование, разовьет недопустимую скорость и в этот момент пересечет восходящий порыв, то перегрузка может достигнуть разрушающей величины (рис. 71).

Рис. 71. Влияние восходящих потоков на полёт воздушного судна

При мощном нисходящем потоке самолет может выйти на большие углы кабрирования с недопустимым снижением скорости. При встрече в этом положении с сильным вертикальным порывом воздушное судно может выведено далеко за критические углы атаки, при которых произойдёт сваливание на крыло или на нос (рис. 72).

Рис. 72. Влияние нисходящих потоков на полёт воздушного судна

Болтанка нарушает комфорт пассажиров и снижает работоспособность экипажа. Особенно быстро утомляется пилот, вынужденный строго следить за поведением самолета и свое­временно противодействовать опасным тенденциям. По этой причине при интенсивной турбулентности значительно сокраща­ется допустимая продолжительность полета.

Способность пилота переносить знакопеременные ускорения зависит не только от их ампли­туды, но и от их частоты. Частота перегрузок при скорости по­лета 600-900 км/ч составляет в среднем 0,8-2 Гц. Однако в полете могут иметь место перегрузки с частотой 4-5 Гц, кото­рые тяжело переносит летчик, так как эта частота соответствует диапазону собственных колебаний тела человека.

При полете в условиях турбулентности одной из важнейших проблем является забота о безопасности и комфорте пассажиров, ведь при длительном действии даже слабая болтанка вызывает неприятные ощущения у отдельных пассажиров. Умеренная болтанка вызывает неприятные ощущения у значительной части пассажиров и затрудняет ходьбу в салоне. При сильной болтанке незакрепленные предметы начинают смещаться. Хождение по самолету может вызвать ушибы пассажиров. Необходимо пристегивание пассажиров ремнями. Сильная болтанка плохо переносится большинством пассажиров, вызывает болезненные явления. Очень сильная болтанка вызывает отделение кресел и зависание на ремнях безопасности, а при положительных перегрузках – затяжное прижатие к креслам. В случае непристегивания ремней пассажиры могут получить травмы и сильные ушибы головы. Резкие и большие перегрузки вызывают у подавляющего большинства пассажиров болезненные явления.

Интенсивность атмосферной турбулентности сильно изменяется во времени и в пространстве. Обычно вне по­граничного слоя атмосферы воздушный поток является слабо воз­мущенным (квазиламинарным), и только в отдельных слоях или целых зонах наблюдается усиленное перемешивание воздуха. Та­кие зоны и принято называть турбулентными. Основной причиной турбулентности воздушных течений являются возникающие в ат­мосфере контрасты в поле ветра и температуры. Эти контрасты порождают различные процессы. К ним относятся: трение воздуха о поверхность земли, в результате чего наблюдаются большие вертикальные градиенты ветра в нижнем слое атмосферы; дефор­мация воздушных течений орографическими препятствиями; не­равномерное нагревание различных участков подстилающей по­верхности, что вызывает термическую конвекцию; процессы облакообразования, при которых выделяется тепло конденсации и из­меняется характер полей температуры и ветра; взаимодействие воздушных масс, различных по своим свойствам, на границе ко­торых очень резко выражены горизонтальные градиенты темпе­ратуры и ветра, а также наличие инверсионных слоев, в которых могут возникать гравитационные волны, теряющие при определен­ных условиях устойчивость и др.

Все перечисленные выше процессы могут действовать одно­временно в одном или в разных направлениях и тем самым уве­личивать или уменьшать степень турбулентности атмосферы. При классификации турбулентности обычно во внимание принима­ются не причины ее возникновения, а особенности развития. В зависимости от причин возникновения турбулентность можно подразделить условно на термическую (конвективную), динамическую, механическую и орографическую.

Термическая (конвективная) турбулентность образуется при наличии сверхадиабатических вертикальных градиентов темпе­ратуры воздуха (например, при адвекции холодного воздуха на теплую подстилающую поверхность) или в результате нерав­номерного нагрева подстилающей поверхности. В первом случае турбулентность обусловливается так называемой спонтан­ной конвекцией, а во втором - контактной конвекцией (рис.73). При этом возникают как упорядоченные, так и неупорядоченные восходящие и нисходящие движения воздуха. Интенсивность этого вида турбулентности зависит от влажности воздуха: в сухом воздухе конвекция развивается до высоты 2-3 км (болтанка слабая и умеренная); во влажном – до больших высот и приводит к образованию мощно-кучевых и кучево-дождевых облаков (болтанка сильная). Вершины таких облаков могут быть на всех высотах тропосферы; иногда могут проникать и в нижнюю стратосферу. Вертикальные токи в кучево-дождевых облаках мо­гут достигать 50 м/с и более; полет в этих облаках категорически запрещается. Однако интенсивная турбулентность термического происхождения может наблюдаться и вне облаков. Этот вид тур­булентности имеет хорошо выраженный годовой и суточный ход. Максимального развития термическая (конвективная) турбулент­ность достигает летом в послеполуденные часы, а ее повторяе­мость увеличивается с уменьшением широты места.

Рис.73. Термическая турбулентность Рис.74. Механическая турбулентность

Механическая турбулентность возникает из-за трения движущегося потока о неровную земную поверхность (рис.74). Механическая турбулентность зависит от скорости ветра у поверхности земли, шероховатости земной поверхности, а также от направления ветра относительно неровностей рельефа. Причиной турбулентности воздушного потока в этом случае является потеря устойчивости со сдвигом ветра в пограничном слое.

Над горной местностью наблюдается деформация воздушного потока, которая способствует образованию орографической турбулентности. Воздушный поток при обтекании горных препятствий деформируется. Степень и характер деформации зависит от характера набегающего потока – его скорости, направления и температуры, и от формы и размеров горного хребта, а также под каким углом встречается воздушный поток с хребтом.

Влияние горного хребта на воздушный поток начинает сказываться на значительном расстоянии. При высоте хребта 1000м воздушный поток начинает восходящее движение на расстоянии 60-80 км от него. На наветренных склонах гор в приземном слое возникает множество мелких вихрей диаметром порядка нескольких десятков метров.

Над горным хребтом вследствие вихреобразования при срыве потока с кромки хребта и сгущения линий тока опасная турбулентность может наблюдаться в слое 500-1000м над вершинами гор. Здесь же могут наблюдаться и вертикальные градиенты ветра 5м/с и более на 100м.

За хребтом (на подветренной стороне) воздушные завихрения в нисходящем потоке представляют наибольшую опасность для полетов. Скорость нисходящего потока может достигать 5м/с и даже больше.

При сильных ветрах, направленных перпендикулярно к хребту, на подветренном склоне почти от самой поверхности хребта и до высоты 1-1,5км над вершиной образуется зона, в которой наблюдается интенсивная турбулентность, вызывающая сильную болтанку самолетов. Горизонтальная протяженность этой турбулентной зоны может простираться на 10-15 км от хребта. При убывании скорости ветра, направленного к хребту, до 4-6 м/с турбулентность затухает и болтанка уменьшается.

Наряду с турбулентностью на условия полета в горных районах влияет также эффект общего подъема воздуха на наветренной и опускание его на подветренной стороне. Поэтому самолёт на наветренной стороне хребта «тянет» вверх, а на подветренной «прижимает» к земле.

При большой скорости ветра (более 8м/с) направленного перпендикулярно к горному хребту, за подветренным склоном могут возникать вихри, называемые роторами, или турникетами (рис.75).

Оси таких вихрей бывают горизонтальными и направленными параллельно горному хребту. Диаметр роторов может достигать нескольких сотен метров и более. Скорость вертикальных движений в отчетливо выраженных роторах колеблется от 5 до 10м/с. Вследствие этого в роторах наблюдается сильная турбулентность, аналогичная турбулентности в кучево-дождевых облаках. Иногда в верхней части роторного вихря образуются разорвано – кучевые облака е небольшим вертикальным развитием. Роторы часто располагаются в виде нескольких параллельных хребту полос.

Рис.75. Орографическая турбулентность Рис.76. Динамическая турбулентность

Если над хребтом в слое толщиной 4-5 км наблюдается усиливающийся ветер, перпендикулярно хребту, а стратификация устойчивая (т.е. есть инверсия, изотермия или слабое падение температуры с высотой), то на подветренной стороне хребта образуются подветренные волны, называемые иногда стоячими или горными волнами. Образованию таких волн благоприятствует наличие у хребта крупных склонов.

Стоячими волнами называются потому, что их вершины и долина находятся на одном месте по отношению к хребту. Длина таких волн может быть от 5 до 50км, амплитуда 100-150м. Распространяются в высоту в несколько раз (4-5) превышая высоту хребта, могут наблюдаться во всей тоще тропосферы, иногда распространяясь в нижнюю стратосферу.

При полёте в зоне стоячих волн возникает циклическая болтанка, вызываемая чередующимися восходящими и нисходящими движениями воздуха в гребнях и долинах волн, вертикальные скорости в этом случае могут достигать10-12м/с. Наиболее тяжелые условия полёта наблюдаются в коротких волнах с большой амплитудой. В области образования подветренных волн наблюдаются резкие колебания атмосферного давления. Вследствие этого показания барометрического высотомера часто оказываются ненадежными. Иногда при полётах отмечались ошибки в определении высоты до 300м и даже 750м.

Динамическая турбулентность обусловлена большими вертикальными и горизонтальными градиентами температуры и ветра, которые наблюдаются преимущественно в зонах атмосферных фронтов и в струйных течениях, на границах слоев инверсии и изотермии, в зонах сходимости и расходимости воздушных потоков на больших высотах, на осях высотных гребней и ложбин (рис.76).

В сущности, механизм возникновения динамической турбулент­ности (гидродинамической неустойчивости) мало отличается от механической турбулентности. Отличие состоит лишь в отсутствии, прямого влияния подстилающей поверхности, характерного для динамической турбулентности.

Турбулентность, наблюдающаяся в атмосфере на высотах более 5 км при отсутствии кучевообразных облаков, называется турбулентностью ясного неба – ТЯН (САТ). Опасность ее состоит в неожиданном попадании ВС в эту зону, когда явные признаки турбулентности отсутствуют.

Горизонтальная протяженность зоны ТЯН меняется от нескольких км до 400 - 500 км, хотя чаще она не превышает 70 - 80 км; вертикальная мощность в 60% случаев не превышает 1000 м, но над горами она может иметь и большую мощность.

Ускорения, связанные с ТЯН, часто бывают настолько сильными, что спо­собны вырывать людей из кресел и рас­швыривать их и сорванные с мест пред­меты по кабине или салону, а также могут вызывать такие напряжения в конструкциях воздушных судов, кото­рые приближаются к расчетным пределам их структурной прочности или даже превышают их. Сильная турбулентность может наблюдаться при больших и малых значениях вертикальных сдвигов ветра.

Турбулентность при ясном небе вызывает особые проблемы, поскольку она может возникнуть внезапно и не­ожиданно.

Чаще всего ТЯН связана со струйными течениями. Она встречается на циклонической стороне струйных течений при больших боковых сдвигах ветра; при слабо выраженной расходимости изогипс; в зонах резкого излома изогипс на высотном гребне. В горных районах ТЯН встречается чаще, чем над равниной.

Метеорологичесие условия образования ТЯН следующие:

– вертикальный градиент температуры 1°С /100 м;

– горизонтальный градиент температуры 2°С /100 км;

– вертикальный сдвиг ветра 8 м/с на 100 м;

– горизонтальный сдвиг ветра 10 м/с на 100 км.

При анализе и оценке метеорологической обстановки следует учитывать, что болтанка ВС, обусловленная турбулентностью атмосферы, может возникать при следующих условиях:

– в нижнем приземном слое, из-за неодинакового нагрева земной поверхности, трения воздушного потока о поверхность земли;

– при пересечении инверсионных слоев (в зоне тропопаузы и в зоне инверсии над поверхностью земли);

– в зоне атмосферных фронтов и особенно, когда с ними связаны высотные фронтальные зоны, где наблюдаются горизонтальные градиенты температуры 2 град С на 100 км и скорости ветра более 20 км/час на 100 км;

– при вхождении в облачность (выделяется тепло конденсации и кристаллизации);

– в горной местности (горные волны и роторные движения на подветренной стороне);

– в зоне струйных течений (когда наблюдается вертикальный градиент скорости ветра более 10 м/с на 1 км высоты и изменение направления ветра более 15 град на 1 км высоты);

– в зонах сходимости и расходимости воздушных потоков и при резком изменении потоков по направлению (периферия циклона, гребень, ложбина).

Болтанка самолетов, при полетах в вышеуказанных условиях, может быть различной интенсивности и приводит к усложнению условий полета, вибрации ВС, покачиванию, толчкам и ударам, потере высоты, устойчивости полета, ухудшению управляемости, искажению показаний ряда приборов, ускорению изнашиваемости деталей. Если прирост перегрузки превышает допустимые значения, то это может привести к летному происшествию.

Поиск по сайту: