4. Нагрузки самолета при полете в неспокойном воздухе

4.1. Турбулентность атмосферы

Перегрузки от действия неспокойного воздуха возникают при движении воздуха, направление которого не совпадает с направлением полета самолета, или при турбулентных пульсациях воздуха. Особенностью таких движений воздуха является их беспорядочность и случайный процесс изменения скорости по величине и направлению.

Причины, вызывающие турбулентность атмосферы, имеют различную физическую природу.

При анализе нагрузок, действующих на самолет при полете в неспокойном воздухе, принято различать перемещения воздуха по градиенту скорости. Если скорость движения воздуха до максимального значения возрастает на протяжении 300 – 500 м (около 2 сек), то такие перемещения называются потоками. Перемещения с большим градиентом называются порывами.

Наиболее часто возникают конвективные вертикальные потоки, вызванные нарушением температурного равновесия в атмосфере. Неравномерность нагрева участков земной поверхности приводит к возникновению в приземном слое атмосферы вертикальных перемещений воздуха (рис. 4.1).

Н ад более нагретыми участками поверхности (песчаное плато, пашня и др.) возникают восходящие потоки, а над менее нагретыми участками (лес, водные пространства и т.д.) возникают нисходящие потоки.

П

Рис. 4.1 Схема возникновения термических потоков

ри устойчивой атмосфере, когда с увеличением высоты температура падает медленно (меньше 6° на 1000 м), конвективные потоки не достигают большой силы и не распространяются на большие высоты.

Скорость их может составлять 2…5 м/с. На высотах, которые больше 1000 м эти потоки затухают, и полет самолета происходит в спокойной атмосфере.

В жаркие дни при устойчивой атмосфере появляются плоские кучевые облака. Выше их верхней границы конвективные потоки не распространяются.

При неустойчивой атмосфере, когда с увеличением высоты температура падает очень быстро (более 9° на 1000 м), и при достаточной влажности воздуха в атмосфере образуются мощные конвективные потоки. Они поддерживаются и питаются энергией, которая выделяется в процессе конденсации водяных паров.

образование конвективных вертикальных потоков сопровождается появлением на небе мощных кучевых или грозовых облаков. при их образовании скорости вертикальных потоков достигают 15 м/с. в приземном слое вне облака скорости потоков меньше (до 10 м/с). Мощные кучевые облака распространяются до высот 4000…5000 м.

Вертикальные потоки еще большей скорости возникают в грозовом облаке. скорость восходящих потоков может достигать 18…50 м/с, а нисходящих – 10…40 м/с.

Мощные кучево-дождевые облака могут достигать больших высот и даже выходить за границу тропосферы. В экваториальной зоне наблюдалась высота купола кучево-дождевого облака на высоте 21000 м, а в умеренных зонах высота их превышает 10000 м (рис. 4.2.).

Полет в грозовых облаках очень опасен, и их следует избегать.

Р ассмотренные вертикальные потоки до недавнего времени считались основными для определения зоны опасной «болтанки». Однако наибольшую опасность представляют вертикальные потоки, образующиеся при ясном небе, так как при этом отсутствуют какие-либо внешние признаки их существования.

О

Рис. 4.2 Потоки в мощных кучево-дождевых облаках

ни возникают на больших высотах где существуют зоны, в которых воздух при ясной погоде сильно турбулизирован. Протяженность этих зон значительна (по высоте до 2000 м и по горизонтали до 600 км)

Одной из причин образования в атмосфере турбулентных зон являются струйные потоки воздуха. Особо значительные по скорости струйные потоки создаются в зонах разрыва по высоте тропопаузы, где воздух сильно турбулизирован. Эффективные вертикальные скорости потоков в этих зонах достигают 6,5 …8,7 м/с.

Обтекание воздухом горных препятствий носит весьма сложный характер (рис. 4.3). Оно зависит от формы препятствия, ориентировки хребта относительно потока, средней скорости и порывистости ветра, термодинамической устойчивости потока, различия в степени нагрева солнечной радиацией склонов и т. д.

При очень слабых ветрах обтекание хребта носит ламинарный характер.

При усилении ветра вблизи кромки хребта возникают круговые движения потока, приводящие к локальному увеличению скорости ветра над хребтом.

размеры вихрей на подветренной стороне гор колеблются в широких пределах и могут достигать нескольких сот метров. Причем воздух может подтекать к хребту также со стороны, противоположной направлению основного потока. Подветренные вихри периодически отрываются от склонов и уносятся потоком воздуха.

П ри очень сильных ветрах образование вихрей может происходить даже на наветренной стороне горных хребтов.

При определенных условиях над зоной вихрей возникает система стоячих подветренных волн, которые постепенно затухают при удалении от хребта. Здесь турбулентность потока развита слабо, однако при полете самолета он может испытывать циклическую болтанку.

П

Рис.4.3. Влияние рельефа

поверхности земли на

вертикальные воздушные потоки

ри полете над горами вертикальные потоки могут наблюдаться на расстояниях больше 15 км от вершин хребтов. Скорость порывов вблизи хребтов может достигать 20 и более м/с.