Что обеспечивает безопасность самолётов во время турбулентности?

В условиях турбулентности самолет может снизиться на несколько десятков футов, не влияя на безопасность.

0:00 / 0:00

Каждый, кто хоть раз садился в самолет, наверняка испытывал внезапные толчки и тряску в воздухе. Это физическое явление, известное как турбулентность, может вызывать сильное беспокойство во время полета. На самом деле, это одна из главных причин, по которой до 40 процентов граждан США страдают авиафобией — сильным, иррациональным страхом перед авиаперелетами.

Но на самом деле, несмотря на то, насколько пугающей может показаться турбулентность, это всего лишь обычная часть полета. И она гораздо менее опасна, чем кажется на первый взгляд.

Турбулентность — это внезапное, часто непредсказуемое возмущение в воздушном потоке. Характеризующаяся быстрыми изменениями скорости и направления ветра, она порождает восходящие и нисходящие воздушные потоки, вызванные нерегулярным движением атмосферы. Это приводит к тому, что самолет движется вместе с окружающим воздухом.

Вкратце, турбулентность возникает, когда самолет движется в нерегулярных или неустойчивых воздушных потоках. Но почему она не оказывает большего воздействия на самолеты, и как самолеты остаются в небе? Ответ кроется в их конструкции.

Виды турбулентности

Турбулентность может быть вызвана рядом факторов окружающей среды. Однако основной её причиной являются изменения в атмосфере. Конвективная турбулентность, вызванная неравномерным нагревом поверхности Земли, является одним из наиболее распространённых типов. Она возникает, когда тёплый воздух поднимается, а холодный опускается. В результате сильные вертикальные потоки создают восходящие и нисходящие потоки во время полёта.

Еще одна распространенная форма — механическая турбулентность. Она возникает, когда воздушный поток нарушается рельефом местности или искусственными сооружениями, такими как горы, здания и даже ряды деревьев. Эти факторы нарушают плавные ветровые потоки и создают нерегулярные движения воздуха, особенно на малых высотах.

Турбулентность в чистом воздухе (CAT), часто невидимая форма турбулентности, возникает на больших высотах. Она развивается, когда быстро движущийся воздух, например, струйные течения, взаимодействует с более медленно движущимся окружающим воздухом. Она образуется в безоблачных областях и её трудно обнаружить с помощью бортового радара.

Турбулентность также может усиливаться вблизи погодных систем. Фронтальная турбулентность возникает при столкновении теплых и холодных воздушных масс. Турбулентность в грозовых облаках может быть очень сильной из-за мощных восходящих и нисходящих потоков внутри штормовых систем. Именно поэтому пилоты избегают полетов через грозовые зоны или вблизи них.

Сдвиг ветра происходит ближе к земле. Это резкое изменение скорости или направления ветра на небольшом расстоянии. Он может быстро изменить подъемную силу и летно-технические характеристики самолета, поэтому он особенно важен во время взлета и посадки.

Разработан для адаптации

Коммерческие самолеты совершают крейсерские полеты со скоростью до 600 миль в час (521 узел) на высотах от 30 000 до 42 000 футов, которые специально выбираются для уменьшения возмущений. Однако из-за меняющихся ветровых потоков и атмосферных условий турбулентность может возникать практически на любой высоте.

Именно поэтому современные самолеты спроектированы не для того, чтобы выдерживать, а для того, чтобы поглощать и адаптироваться к турбулентности. В соответствии со стандартами сертификации, установленными Федеральным управлением гражданской авиации (FAA) и Европейским агентством по безопасности полетов (EASA), каждый самолет должен выдерживать нагрузки, превышающие нагрузки при обычных полетах.

По этой причине инженеры определяют так называемую предельную нагрузку. Это максимальная нагрузка, с которой, как ожидается, столкнется самолет в течение срока своей эксплуатации. Самолеты должны выдерживать нагрузку, в 1,5 раза превышающую этот уровень, без разрушения.

Крылья самолета играют решающую роль в его устойчивости, поскольку они сконструированы таким образом, чтобы изгибаться под нагрузкой, а иногда и подниматься вверх на несколько футов. Это поглощает турбулентные нагрузки и снижает усталость конструкции, подобно амортизатору.

Современные крылья из углеродного волокна созданы для того, чтобы гнуться, а не ломаться. Они превосходят такие материалы, как алюминий и титан, по соотношению прочности к весу и могут выдерживать примерно 150 процентов от ожидаемых нагрузок. В самолетах Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350 углеродное волокно используется как в крыльях, так и в хвостовом оперении.

Кроме того, системы управления по проводам регулируют рулевые поверхности в реальном времени. Эти полуавтоматические системы управления полетом с компьютерным управлением заменяют механические органы управления электронным интерфейсом. Они сглаживают возмущения и снижают нагрузки на планер.

Нарастающая турбулентность

Однако, если говорить о менее оптимистичных моментах, то, похоже, турбулентность усиливается. Исследование, проведенное в 2023 году Университетом Рединга (Великобритания), показало, что сильная турбулентность увеличилась на целых 55 процентов с 1979 года. Рост наиболее заметен в условиях турбулентности в чистом воздухе, которую трудно обнаружить.

Исследователи указали на изменение климата как на возможный фактор. В более ранней работе, проведенной тем же университетом, было установлено, что изменение климата может привести к тому, что сильная турбулентность в самолетах станет в три раза более распространенной.

Исследовательская группа использовала моделирование атмосферы на суперкомпьютере и обнаружила, что повышение турбулентности обусловлено усилением сдвига ветра в струйном течении. Ожидается, что даже умеренная турбулентность резко возрастет.

«Даже самых опытных часто летающих пассажиров может встревожить перспектива увеличения интенсивности сильной турбулентности на 149 процентов, из-за которой авиапассажиров и бортпроводников по всему миру часто госпитализируют», — сказал Пол Уильямс, профессор атмосферных наук в университете.

Прогнозирование турбулентности воздуха

А теперь хорошие новости. Самолеты не терпят крушения во время турбулентности, потому что их крылья постоянно создают подъемную силу, а окружающий воздух остается неизменным, подобно лодке, плывущей по волнам. Подъемная сила возникает из-за неравномерного воздушного потока, а не из-за пустых воздушных зон, поэтому даже в тяжелых случаях самолет будет двигаться вместе с воздухом, а не падать.

Тем не менее, хотя турбулентность вряд ли уничтожит самолет, она все же может привести к повреждению конструкции. Прогнозирование турбулентности повышает безопасность бортпроводников и пассажиров, снижает количество травм и повышает топливную эффективность.

Однако этот процесс по-прежнему остается критически слабым местом современной авиации, поскольку прогнозы в значительной степени основаны на субъективных и часто неточных отчетах пилотов. Именно поэтому совершенствование методов прогнозирования остается приоритетной задачей для исследователей.

Например, ученые из Варшавского университета в Польше обнаружили, что турбулентность можно обнаружить быстрее и точнее, анализируя параметры полета, передаваемые коммерческими самолетами. Согласно исследованию, сами самолеты могут выступать в качестве бортовых датчиков и помогать выявлять зоны турбулентности практически в режиме реального времени.

Другое исследование, проведенное Королевским технологическим институтом KTH и Суперкомпьютерным центром Барселоны, показало, что искусственный интеллект может предотвращать внезапные падения высоты в воздухе. Команда протестировала систему машинного обучения, которая улучшает управление потоком воздуха над крыльями. Система снижает риск сваливания, одновременно повышая устойчивость.

Еще один метод искусственного интеллекта от Политехнического университета Валенсии использует нейронные сети для анализа сложного поведения жидкостей и, следовательно, для объяснения турбулентности, а не просто для ее моделирования.

Использование современных технологий для прогнозирования турбулентности, а не просто реагирования на нее, может значительно повысить безопасность полетов.

Sourse: interestingengineering.com