Влияние турбулентности на полеты воздушных судов Болтанка самолетов

8.2, Влияние турбулентных пульсаций на воздушное судно. Болтанка самолетов

Полет самолета в турбулентной атмосфере сопровождается болтанкой появлением знакопеременных ускорений, линейных колебаний центра тяжести самолета и угловых колебаний относительно центра тяжести. Следовательно, турбулентность приводит к нарушению равновесия сил, действующих на ВС, и его движение становится возмущенным* При этом:

-изменяется высота, курс и скорость полета;

-ухудшается устойчивость и управляемость ВС, а также комфорт полета;

-увеличивается износ отдельных агрегатов и узлов ВС.

Это интересно:

То, что при полете в турбулентной атмосфере изменяется высота, курс и скорость полета, а также ухудшается устойчивость, управляемость самолета и нарушается ком­форт полета, пожалуй, объяснений не требует, Износ же отдельных агрегатов и узлов происходит из-за так называемой усталости материалов (понятие «усталость» - обще­принятый термин в технологии, материаловедении и других науках). Вам, если вы Лета­ли на самолете, сидели у иллюминатора и видели конец крыла, иногда приходилось ви­деть, что крыло по каким-то причинам «дышит» - колеблется в вертикальной плоскости. Это происходит из-за попадания самолета в турбулентную зону. А теперь представьте себе, что вам нужно отломать кусок проволоки, который вам сразу не поддается. Что вам приходится делать? Вы начинаете изгибать ее вверх и вниз до тех пор, пока прово­лока не сломается. Дальнейшую аналогию с крылом самолета проводить или уже все понятно? До отрыва крыла дело, естественно, не доходит, но с усталостью балки, на которой крыло крепится, турбулентность делает «свое черное дело». Вот поэтому через установленные промежутки времени все детали и узлы самолета подвергаются проверке на прочность конструкции. Этим обеспечивается безопасность полетов.

На взлете и посадке болтанка опасна тем, что из-за сильной турбулентно­сти возможны значительные броски самолета вверх и вниз от расчетной траек­тории полета. Если броски вверх могут привести к тому, что ВС.окажется на закритичсских углах атаки, что наиболее опасно при взлете самолета, то броски ВС вниз могут привести к столкновению с земной или водной поверхностью, что одинаково опасно как при взлете, так и при посадке,

Интенсивность болтанки определяется перегрузкой или ее приращением. Перегрузка (я) - отношение подъемной силы в данный момент времени (К) к подъемной силе горизонтального полета (К₀), т.е.

у

^/о

(8.1)

Если вспомнить, что в горизонтальном полете подъемная сила равна массе самолета (К₀ = С), а любая мгновенная величина равна средней плюс ее откло­нение от этого среднего (Г = К₀ + ДК)* то можно записать

_ _ д_у

П — —1т, 1О.^1

О О О О О

Из последней формулы видно, что в горизонтальном полете перегрузка я = 1. Во всех же остальных случаях перегрузка определяется двучленом. Это не­удобно при проведении различных расчетов, и поэтому исследователи пошли на «маленькую хитрость»: они решили определять не перегрузку и, а прираще­ние перегрузки

= я-1. (8,3)

Из физики известно» что любая сила, в том числе и масса самолета, и из­менение подъемной силы равны произведению массы тела на ее ускорение, Если массу самолета обозначить через т, а ускорение» которое получает само­лет при полете в турбулентной атмосфере, - через /, то приращение перегрузки самолета будет равно

_Ли

лЦ*/»- ""*

т в

Это значит, что приращение перегрузки самолета является безразмерной величиной и измеряется в долях ускорения свободного падения - в долях «^».

Причины возникновения ускорения / в полете могут быть двоякими. С од­ной стороны, это вмешательство летчика в управление самолетом, а с другой -действие турбулентного порыва на ВС.

Рассмотрим влияние вертикального порыва на самолет без вмешательства летчика в управление. Предположим, что на самолет, летящий с горизонталь­ной скоростью V) подействовал вертикальный порыв Ц_у (рис. 8,1).

Рис. 8.1, Влияние вертикального порыва на полет самолета. Тогда подъемная сила самолета равна до воздействия порыва

, (8.5)

а после воздействия порыва

У + ДК = (с,. + Дс ,)5 ^—. (8.6)

Действительно, если посмотреть на правую часть выражения (8,5), то ста­новится очевидным, что ни плотность воздуха (р), ни скорость полета (Р), ии площадь крыла (5) измениться не могут, а может измениться только коэффици­ент подъемной силы су. Используя правила математики и учитывая, что У » 11_у, можно записать (см. рис, 1.5):

(8.7)

,

В последнем выражении — — характеризует крутизну (скорость) измене-

да

ния коэффициента подъемной силы, а величина Да -- изменение угла атаки. Вспомнив из математики, что тангенсы малых углов равны самим углам, мож­но записать (см. рис. 8.1):

(8.8)

Теперь, если из выражения (8.6) вычесть выражение (8.5) и подставить все значения из последних двух уравнений, мы получим

дс (Л,

(8.9)

V 2

Однако выражение (8.9) еще не окончательное. Из него становится оче­видным, от каких параметров зависит приращение подъемной силы, а нам нужно знать, от чего зависит приращение перегрузки. Для этого следует по­следнее выражение разделить на О. Тогда получим:

с,. _г

д„ = _ = _ 1^р — *- (8.10)

О да 2О

или Дя./к--. («.и)

да 2— 8

Анализ выражения (8.11) позволяет сделать вывод, что перегрузка, кото­рую испытывает самолет, зависит от типа самолета, высоты и скорости его по­лета и скорости вертикального порыва. Следовательно, два разных самолета, выполняющих полет на одной высоте с одинаковой скоростью, при встрече с одним и тем же порывом будут испытывать разную перегрузку (разную бол­танку).

Это интересно:

Из приведенного последнего выражения видно, что при заданной высоте и скоро­сти полета (а эти параметры экипаж всегда знает до вылета) для определения болтанки и ее интенсивности нужно только знать скорость вертикального порыва и_г А скорость вертикальных порывов не что иное, как скорость вертикальных токов. Следовательно, если мы научимся грамотно прогнозировать вертикальные токи, то с прогнозом болтанки самолетов проблем быть не должно. К сожалению, точность прогноза вертикальных то­ков в настоящее время такова, что для прогноза болтанки приходится пользоваться дру­гими методами.

Перегрузка в полете может измеряться визуально (по ощущениям экипа­жа), акселерометрами - приборами, фиксирующими величину ускорения, или акселерографами - приборами, не только фиксирующими, но и записывающи­ми величину ускорения самолета. Кстати, значения ускорения самолета попа­дают в «черный ящик». Анализируя вертикальную и горизонтальную состав­ляющие порыва, можно определить истинное направление оси турбулентного вихря,

В соответствии с правилами ИКАО, если |Дп| < 0,5, то болтанка относится к слабой. Ей соответствуют вертикальные порывы до 10 м/с. При 0,5 < |Дя| < 1,0 болтанка считается умеренной, а вертикальные порывы при этом составляют 10-15 м/с, В тех случаях, когда |Дя| > 1,0, болтанка фиксируется как сильная и ей соответствуют вертикальные порывы более 15 м/с.

При заходе самолета на посадку, когда из-за уменьшения скорости плани­рования ВС его устойчивость и управляемость ухудшены по сравнению с гори­зонтальным полетом, а необходимая подъемная сила создается за счет исполь­зования элементов механизации крыла, перегрузка до ± 0,3 фиксируется как слабая, болтанка от ± 0,3 до ± 0,4 - как умеренная и свыше ± 0,4 - как сильная.

При слабой болтанке ощущаются частые толчки самолета и наблюдается покачивание с крыла на крыло и незначительное изменение высоты полета. Режим полета сохраняется, Пассажиры и экипаж (особенно пассажиры) при слабой болтанке испытывают неприятные ощущения, ходьба по самолету затрудняется.

При умеренной болтанке наблюдаются резкие вздрагивания и отдельные броски ВС, которые часто сопровождаются большими кренами. Режим полета нарушается по высоте и по курсу. При больших отрицательных перегрузках (броски вниз) ощущается невесомость, а при положительных (броски вверх) - сильное прижатие к креслу. При умеренной болтанке незакрепленные предме­ты начинают смещаться, хождение по самолету может вызвать легкие травмы. В полете необходимо пристегнуться ремнями.

При сильной болтанке имеют место очень сильные и резкие броски само­лета, которые сопровождаются большими перегрузками. Режим полета нару­шается, а использование автопилота крайне затруднено. Ухудшается и управ­ляемость ВС, что может привести к возникновению нештатной ситуации на борту самолета, При сильной болтанке пассажиры могут отделяться от кресел и зависать на ремнях или сильно прижиматься к креслам. Несоблюдение пас­сажирами правил поведения на борту ВС (непристегнутые ремни, расположе­ние на верхней полке над собой тяжелых предметов, сумок и т.д.) может при­вести к получению серьезных травм и ушибов.

Турбулентность, вызывающая болтанку самолетов, на различных высотах встречается неодинаково часто. Так, по данным статистики установлено, что в слое 0-1 км повторяемость болтанки составляет 25%, на высотах 1-6 км она при­мерно равна 10%, а в слое 6-11 км повторяемость болтанки вновь увеличивается до 15%. На больших высотах в слое 11-16 км повторяемость болтанки уменьшает­ся до 5-8%, а в средней стратосфере (выше 16 км) становится меньше 5%.

Такое распределение турбулентности в атмосфере нетрудно объяснить фи­зически. Нижний километровый слой подвержен турбулизации за счет неодно-

Турбулентность в облаках

Структура турбулентности при ясном небе

Турбулентность в струйном течении

Орографическая турбулентность

Синоптические условия интенсивной турбулентности

4.4. Сдвиг ветра

Условия возникновения сдвига ветра

Влияние сдвига ветра на влет и посадку

Способы обнаружения сдвига ветра в приземном слое атмосферы

Предупреждения о сдвиге ветра

4.5. Обледенение воздушных судов

Причины возникновения обледенения воздушных судов

Факторы, влияющие на интенсивность обледенения

Виды и формы отложения льда на поверхности воздушных судов

Влияние обледенения на аэродинамические характеристики воздушных судов, работу двигателей

4.6. Грозовая деятельность. Электризация воздушных судов.

Условия образования и классификация гроз

Явления, связанные с грозой

Влияние грозовой деятельности на работу авиации

Методы наблюдения за грозами

Электризация воздушных судов

Причины возникновения электризации

Рекомендации по выполнению полетов в зонах грозовой деятельности и электризации

5. МЕЖДУНАРОДНАЯ АВИАЦИОННАЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Сообщение о фактической погоде на аэродроме – METAR

Аэродромные метеорологические органы обеспечивают производство регулярных, специальных наблюдений за состоянием погоды на аэродроме, а также по запросу. По результатам наблюдений составляются метеорологические сводки, которые передаются по каналам связи.

Регулярные наблюдения на аэродромах ведутся ежедневно в течение всех суток, если только между полномочным метеорологическим органом, соответствующим полномочным органом ОВД и эксплуатантом нет иной договоренности. Такие наблюдения проводятся с интервалом в один час или, если это предусмотрено региональным аэронавигационным соглашением, с интервалом в полчаса.

В тех случаях, когда имеют место определенные изменения приземного ветра, видимости, дальности видимости, текущей погоды или облачности, регулярные наблюдения на аэродромах дополняются специальными наблюдениями.

Перечень критериев для проведения специальных наблюдений составляется полномочным метеорологическим органом на основе консультаций с соответствующим полномочным органом ОВД, эксплуатантами и другими заинтересованными сторонами.

Сводки погоды по аэродрому, которыми обмениваются метеорологические органы составляются в кодовой форме METAR/SРЕСI, предусмотренной Всемирной метеорологической организацией.

Фактическая сводка по запросу составляется в случаях, когда необходима самая последняя метеоинформация для взлета или посадки. Обеспечивается метеорологическим органом по запросу диспетчера.