Особливості технічної експлуатації ПС при впливі турбулентної атмосфери

В атмосферному повітрі завжди спостерігаються його неупорядковані, вихрові (турбулентні) рухи, причиною яких є наявність в атмосфері градієнтів температур, тисків і швидкостей. До того ж на виникнення атмосферної турбулентності впливає рельєф місцевості, наявність струменевих потоків і різких фронтів погоди. Причини турбулентності на різних висотах різні.

На малих висотах турбулентність атмосфери зустрічається головним чином у теплий час року через нерівномірне нагрівання поверхні землі (ріллі, гори, лісу, водойми і т.д.) (рис.1.13.). При цьому створюються термічні потоки повітря, що впливають на політ повітряних суден. Таку дію на ПС вертикальних потоків повітря в турбулентній атмосфері називають бовтанкою. Найбільш відчутна бовтанка спостерігається в нижніх шарах тропосфери до висоти 3,5...4 км.

 

 

Рис.1.13. Повітряні термічні потоки над рельєфом земної поверхні і їхній вплив на створення бовтанки літака

 

На середніх висотах турбулентність виникає на межах холодних і теплих фронтів, а також у купчастій хмарності (рис.1.14.). На великих висотах, поблизу тропопаузи (Н=11000...13000м) спостерігаються найчастіше горизонтальні потоки повітряних мас з різними швидкостями переміщення по висоті. При великих перепадах цих швидкостей виникає значна турбулізація повітряних потоків, яка викликає бовтанку ПС, що літають на цих висотах.

Турбулентність атмосфери охоплює, як правило, великі зони, що можуть бути як суцільними, так і переривчастими, а за часом існування від декількох годин до доби. Товщина турбулентних шарів складає 300...600 м. із шириною від 200 до 2500 м при горизонтальній довжині 50...200 км., але іноді товщина їх досягає 2...3 км при горизонтальній довжині до

1000 км. При цьому виникають струменеві потоки повітря на висотах від 5..7 до 15..18 км зі швидкостями 100...500 км/год і більше. Турбулентні зони нестійкі в часі і можуть зникнути через 30...50 хв. після виникнення.

Рис.1.14. Залежність інтенсивності бовтанки від висоти

 

Чим інтенсивніша турбулентність, тим менше розміри охопленого нею шару атмосфери. Швидкості висхідних і спадних поривів вітру можуть перевищувати 20..30 м/с. Причому, найчастіше інтенсивна турбулентність виникає в нижніх шарах тропосфери до висоти 3 км, тобто на висотах польотів вертольотів, заходів на посадку і зльоту літаків.

Часто вертикальні неупорядковані потоки повітря в атмосфері пов'язані з утворенням хмар зі швидко мінливою структурою. Політ ПС, у таких хмарах супроводжується, як правило, інтенсивною бовтанкою. Найбільш сприятливі умови для розвитку турбулентності атмосфери створюються в умовах інтенсивної грозової діяльності і над гірськими районами.

Для літаків і вертольотів, що виконують польоти на малих висотах, серйозну небезпеку може являти зсув вітру, тобто різка і значна зміна швидкості і (або) напрямку переміщення повітряних мас на малій відстані. Явище зсуву вітру найчастіше викликається температурною інверсією на малих висотах, коли холодне повітря застоюється в приземному шарі (що характерно в передгірних долинах), а теплі вітри переміщаються над холодною повітряною масою Зсув вітру спостерігається переважно в нічний час і при інтенсивній грозовій активності, викликаючи значну турбулентність атмосфери, що може посилюватись обмерзанням і градом. Найбільшу небезпеку явища зсуву вітру становить така його форма, які шторм чи шквал, які що утворюються в основному при взаємодії могутніх спадних повітряних потоків з поверхнею землі, що приводить до їх бічного розтікання уздовж його рельєфу.

Небезпека ж впливу зрушення вітру на ПС полягає в тому, що крім виникаючої бовтанки він викликає різку зміну повітряної швидкості ПС, а не тільки шляхової. При цьому, перетинаючи зону зсуву вітру за кілька секунд, ПС потрапляє в зону, де швидкість потоку, що набігає, різко змінюється, а напрямок може бути навіть протилежним (наприклад, невеликий зустрічний вітер зненацька стає попутним) із всіма аеродинамічними особливостями, що випливають звідси, для конструкції ПС. Звичайно, така інверсія спостерігається досить рідко, але імовірність її появи різко збільшується в умовах інтенсивної грозової діяльності над горбкуватою і гірською місцевістю.

З погляду пілотування літака турбулентність атмосфери характеризується двома показниками:

а) швидкістю вертикальних потоків повітря (висхідних чи спадних), W, м/с;

б) частотою турбулентності, f, Гц.

Швидкість вертикальних потоків повітря визначає:

– величину вертикального навантаження n_y, яке діє на літак і екіпаж;

– імовірність виходу на критичні кути атаки;

– зміну висоти польоту літака за маршрутом;

– стійкість роботи силової установки.

Частота турбулентності атмосфери визначає частотний спектр перевантажень і при деякій частоті негативно впливає на самопочуття екіпажу і пасажирів літака.

Розглянемо несприятливі наслідки бовтанки. Швидкість висхідних потоків на середніх і великих висотах досягає W=15...20 м/с, а в грозовому фронті – W=30..45 м/с. Швидкість спадних потоків трохи менше швидкості висхідних потоків.

У сталому горизонтальному польоті сума вертикальних сил, що діють на літак, дорівнює нулю, а перевантаження дорівнює одиниці: n_y = Y/(m∙g)=1,0.

При потраплянні літака у висхідний потік з вертикальною швидкістю W кут атаки крила зростає на величину ∆α, внаслідок чого росте його піднімальна сила Y (рис.1.15). Це викликає вертикальні і кутові переміщення літака, що додатково впливають на зміну кута атаки. При цьому зростає перевантаження на величину Dn_y :

 

n_у = (Y+DY)/(m·g) = 1+Dn_у

 

Зважаючи на те, що вертикальні потоки (пориви) можуть бути висхідними і спадними, відповідно, і збільшення перевантаження може бути як позитивним, так і негативним, тобто Dn_у = ± DY/(m·g). Це викликає додаткові навантаження і напруги в силових конструкціях ПС. При великій турбулентності атмосфери перевантаження, які виникають, можуть викликати напруги, що перевершують установлений запас міцності даного ПС.

З рис.1.15. видно, за рахунок чого виникає приріст кута атаки крила при дії вертикального висхідного потоку:

 

tgDa = W/V,

 

де W – швидкість вертикального висхідного потоку;V – швидкість польоту літака; Da - збільшення кута атаки крила.

 

 

 

Рис.1.15. Вплив висхідного потоку на кут атаки крила літака

 

Зважаючи на малу величину Da, можна прийняти

 

Da = W/V.

 

Тоді збільшення вертикального перевантаження через зміну кута атаки крила і приросту його піднімальної сили становить:

Dn_у = ± DY/(m·g) = ±(С_у·r·V²·S·Da)/(2·mg) =

= ± (C_y·r·W·V·S)/(2·m·g),

 

де С_у – коефіцієнт піднімальної сили крила; ρ - щільність повітря; S – площа поверхні крила.

З цієї формули видно, що при даному значенні швидкості вертикального пориву потоку приріст перевантаження пропорційний швидкості польоту літака.

При польоті в турбулентній атмосфері діючі на ПС неврівноважені сили викликають не тільки вертикальні, але і бічні перевантаження Dn_z. Однак горизонтальні складові поривів вітру, як правило, менше впливають на зміну руху ПС.

Інтенсивність бовтанки δ характеризується величиною перевантаження (середній період дії перевантаження в бовтанку складає 0,5...1,5 с при швидкості польоту 500...800 км/год), а її величина визначається прийнятою шкалою оцінки інтенсивності бовтанки, представленої в табл.. 1.3.

При слабкій і помірній бовтанці висота польоту літака практично не змінюється. Сильна і штормова бовтанка може мати місце при польоті в могутніх купчастих і грозових хмарах. Швидкості вертикальних поривів у них можуть досягати 20...30 м/с і більше, а зміна висоти польоту DН може досягати від сотень до 1500 ... 2000 м (рис.1.16).

Рис.1.16. Політ в бовтанку у вертикальних потоках

Таблиця 1.3. Шкала оцінки інтенсивності бовтанки

 

Позна-чення	Оцін-ка, бали	Характе-ристика бовтанки	Дія бовтанки на літак і екіпаж	Величина перевантаження
δ1		Слабка	Літак злегка погойдує. Слабкі окремі поштовхи	0,8 ≤ ny ≤ 1,2   (∆ ny ≤ 0,2)
δ2		Помірна	Погойдування підсилюється; поштовхи більш часті і сильні	0,5 ≤ ny ≤ 1,5   (∆ ny ≤ 0,5)
δ3		Сильна	Літак іноді провалюється. Сильні пош-товхи. Членів екіпажу то при-тискає до си-дінь, то підки-дає	1,5≤ ny ≤ 2   (∆ ny ≤ 1)
δ4		Штор-мова	Літак іноді кидає. ленів екіпажу сильно притискає до сидінь, або від-риває від них	ny < 0;   ny > 2   (∆ ny > 1)

 

При польотах у бовтанку на важких літаках мали місце випадки, коли перевантаження від вертикальних поривів вітру складали: мінімальні мінус 2,0, а максимальні плюс 4,1. Швидкість вертикального пориву на висотах більше 7000 м досягала 16,3 м/с. У зв’язку з тим , що важкі літаки проектуються на експлуатаційні перевантаження 2,8-3,2, в окремих випадках сильні пориви приводили до деформації конструктивних частин таких літаків. До того ж при надмірному збільшенні кута атаки крила на великій висоті у бовтанці літак може зірватись у штопор, а на малих висотах і максимальних швидкостях польоту не виключена можливість перевищення максимально допустимого перевантаження. От чому так необхідно точне прогнозування струменевих потоків, особливо на великих висотах.

Відповідно до Авіаційних правил України проходити між двома грозовими хмарами дозволяється, якщо відстань між ними по фронту не менше 20000 м, а польоти в зоні активної грозової діяльності взагалі заборонені.

Горизонтальні і вертикальні турбулентні повітряні потоки впливають на роботу турбореактивних двигунів. При значній нерівномірності потоку на вході в компресор ТРД вони можуть привести до великих неприємностей. Відомі випадки самовимикання двигунів у польоті, особливо на великих висотах, де ТРД більш чуттєвий до зменшення витрати повітря. У зоні вертикальних потоків утворюються косий напрямок повітря в двигун (рис.1.17), що приводить до зменшення витрати повітря, помпажу і самовимиканню двигуна.

Бовтанка негативно позначається на самопочутті членів екіпажа і пасажирів ПС. Дослідженнями встановлено, що на людину в польоті несприятливо впливають не тільки абсолютне значення перевантажень, але і їхня частота. Частота перевантажень при швидкості польоту 500 ... 800 км/год складає в середньому 0,7...2 Гц. Однак у польоті можливі випадки виникнення перевантажень з частотою 4 ... 5 Гц, що важко переноситься членами екіпажа і пасажирами, тому що цьому діапазону відповідають власні частоти коливань тіла людини, при яких верхня і нижня частини тіла починають коливатися в протифазі.

Для забезпечення безпеки польотів вертольотів в інтенсивно турбулентній атмосфері залишаються справедливими ті загальні закономірності і рекомендації, що визначені для екіпажа літака. При цьому основною умовою полегшення польоту і підвищення безпеки польотів у сильну бовтанку є витримування рекомендованого керівництвом з льотної експлуатації діапазону швидкостей польоту вертольота.

 

 

 

Рис.1.17. Вплив вертикального потоку повітря на роботу повітрозабирача ТРД

 

На літаках після їхнього потрапляння в зони інтенсивної турбулентності атмосфери відповідно до регламентів технічного обслуговування проводяться такі обов'язкові роботи:

- ретельно оглянути і переконатися в справності системи управління (рулів, елеронів, закрилків), у відсутності деформацій, тріщин, руйнувань тяг, качалок, кронштейнів;

- перевірити замки прибраного положення стійок шасі, місця кріплення замків і підвішування опор;

- оглянути і переконатися в справності вузлів кріплення пілонів, двигунів, крила, стабілізатора, рулів, елеронів, закрилків;

- зробити огляд силового набору планера, мотогондол, крила і скріплення на предмет відсутності на них деформацій, тріщин, послаблення (обриву) клепок обшивки, слідів можливого влучення (розряду) блискавки;

- оглянути електростатичні розрядники і переконатися в їхній справності.

На вертольотах при спеціальному технічному обслуговуванні передбачено виконання наступного переліку обов'язкових робіт:

- ретельно оглянути обшивку, силовий набір фюзеляжу, хвостової і кінцевої балок. Перевірити відсутність тріщин і послаблення клепок на силових шпангоутах фюзеляжу і хвостової балки;

- оглянути вузли кріплення двигунів, головного, проміжного і хвостового редукторів, перевірити відсутність тріщин і послаблення болтів (шпильок) їхнього кріплення, моментів затягування гайок болтів кріплення проміжного редуктора;

- перевірити співвісність двигунів з головним редуктором;

- перевірити злам і биття хвостового вала трансмісії;

- перевірити якість приклеювання обшивки лопастей несучого і рульового гвинтів;

- оглянути підвісні і додаткові паливні баки і переконатися у відсутності тріщин на вузлах і стрічках кріплення баків, відсутність течії палива по швах і опорних поверхнях обичайки.

Інші елементи конструкції літаків (вертольотів) оглядається і перевіряються відповідно до РТО за однією з форм технічного обслуговування даного типу літака (вертольота).

Про всі несправності, які виявлені при огляді літаків і вертольотів, записують в наряді на дефекацію й усунення дефектів. Після їхнього усунення всі члени комісії розписуються в зазначеному наряді про справність ПС. Якщо на ньому необхідно виконувати заводський ремонт, комісія складає акт і робить запис у формулярі літака (вертольота).