Масштаб турбулентности и критерии безопасности

А.Тяппо
Александр Тяппо
старший преподаватель Белорусской государственной академии авиации
Введение минимальных интервалов вертикального эшелонирования (RVSM) на территории России потребует частичного изменения технологии работы диспетчерского и летного состава и правил полетов, как того требуют документы ИКАО, в частности DOC 9574 «Руководство по применению минимума вертикального эшелонирования». Но в настоящее время часть вопросов не разрешена и теоретически не обоснована даже на уровне ИКАО. В частности, это касается полетов в неспокойной атмосфере. Сложность вопроса заключается в том, что безопасный уровень (TLS), равный 2,5•10-9, который необходимо соблюдать, рассчитан для спокойной атмосферы. Предлагаемая вниманию читателей статья отвечает на вопросы: как учитывать влияние турбулентности при сохранении предписанных уровней безопасности, какие изменения технологии работы диспетчерского и летного состава потребуются.

Полеты по RVSM прочно завоевывают свое достойное место в мире авиационных перевозок. Теоретически обоснованные нормы CRM (так называемые критические уровни безопасности) позволяют использовать сокращенные интервалы вертикального эшелонирования. Это дает значительное преимущество по пропускной способности воздушного пространства, по уменьшению загруженности диспетчера, по увеличению регулярности рейсов и экономии топлива. Но эти теоретически обоснованные нормы, заложенные в расчеты уровня CRM, основаны на допуске, где технические характеристики выдерживания высоты автопилотом не превышают среднеквадратичной величины 15 м при интенсивности полетов 2,5 пролета на 1 час. Если какая-то величина в этих расчетах превышает пороговые уровни, то это значит, что другая величина должна быть на соответствующее значение меньше, чтобы общая величина CRM не выходила за установленный уровень, равный 2,5•10- 9. Если одна из базовых величин превышает установленный уровень, а остальные имеют значения, близкие к критическим, – теоретически обоснованные нормы CRM будут нарушены. Документы ИКАО предписывают в этом случае закрыть соответствующую зону (район) на время для полетов по RVSM до момента, когда параметры придут в норму в соответствии с требованиями для таких полетов.
Такая ситуация может возникнуть, когда в каком-то районе, открытом для полетов по RVSM, будет наблюдаться турбулентность. При пороговых значениях уровня турбулентности автопилот не сможет сохранять заданную техническими характеристиками высоту полета в рамках среднеквадратичной точности выдерживания высоты, равной 15 м. Но какими критериями пользоваться диспетчеру, решая дилемму – превышает ли данная турбулентность пороговые значения, при которых необходимо закрывать воздушное пространство, или нет (беря в расчет, конечно, интенсивность полетов на данный промежуток времени)? Попробуем вывести те критерии, которые сохранят безопасность полетов, позволив закрывать воздушное пространство для полетов по RVSM или с полной уверенностью предоставлять воздушное пространство для этих полетов, четко будучи уверенным, что данная турбулентность не вызовет нарушения вертикального эшелонирования.
Сделаем экскурс в теорию стабилизации воздушных судов по высоте. Ввиду различных микропорывов в вертикальной и горизонтальной плоскостях к центру давления воздушного судна будут все время прикладываться какие-то дополнительные силы с различными векторными направлениями, под действием которых воздушное судно будет изменять траекторию (в данном случае – высоту). Это очень отчетливо наблюдалось раньше, когда воздушные суда были менее скоростные, летали на меньших высотах, где плотность воздуха (ρ) больше. Самое главное, они не имели систем траекторного управления, так называемых демпферов рыскания по трем осям координат. В этих случаях говорили, что воздушное судно попало в «воздушную яму», пассажиры это хорошо ощущали (ощущения катания на американских горках). Конечно, перепады высоты во время полета тогда были куда более значительны, чем у современных воздушных судов. Действительно, полеты ранее выполнялись без автопилота, и реакция пилота на парирование воздушных порывов (в среднем 3 секунды, а порой и больше) несравнима с реакцией парирования автоматикой систем траекторного управления (десятые доли секунды). Вот почему современные лайнеры редко попадают в «воздушные ямы» – ведь скорость отработки изменения угла набегающего потока (угла тангажа) сравнима с его изменением при попадании в вертикальный порыв. В данном случае мы намеренно обратим внимание на вертикальные порывы, так как их «вклад» в изменение подъемной силы, а, значит, и изменение высоты полета, значительно превышает те значения горизонтальных порывов, которые могли бы вызвать изменение высоты полета. Иными словами, порывы ветра в горизонтальной плоскости при полете современных воздушных судов на эшелоне не в состоянии вызвать изменение высоты полета за те критические значения, о которых говорилось выше. Поэтому в дальнейшем для расчетов будем учитывать только вертикальные порывы ветра. Они вызывают изменения подъемной силы, приложенной в центре давления, а, значит, и изменение высоты. Подъемная сила изменяется за счет изменения угла атаки, но эта сила парируется системой траекторного управления. Скорость же отработки на парирование изменения угла атаки соизмерима со скоростью изменения угла набегающего потока. Поэтому, хотя изменение величины подъемной силы за счет изменения угла атаки могло бы быть в два раза больше, чем сила, которая вызвана кинетической энергией воздушного порыва, мы ее в расчетах учитывать не будем.
Летные испытания показали, какие среднеквадратичные отклонения от высоты полета вызывают различные значения эффективных порывов. Данные приведены на рисунке 1.

Рис 1. Нормированные среднеквадратичные значения колебаний высоты полета самолета при действии вертикальных порывов ветра в функции масштаба турбулентности.
L, м – масштаб турбулентности;
σy, м – среднеквадратичные значения колебаний по высоте;
σωy, м/с – среднеквадратичные вертикальные порывы ветра.

На данном графике приведены среднеквадратичные значения отклонения по высоте воздушного судна с автопилотом, имеющим высотный характер в функции масштаба турбулентности.
Значения L по оси абсцисс станут понятными, если вспомнить, что при интерпретации перегрузок воздушных судов в качестве масштаба турбулентности обычно принимается расстояние, равное произведению времени сохранения знака (направления перегрузки) на скорость полета. Соответственно, при одних и тех же значениях горизонтальной протяженности вертикальных порывов по времени они будут действовать дольше на то воздушное судно, которое летит с меньшей скоростью. Значит, и вызовут большие по высоте изменения, что хорошо видно на графике. Кривая 1 относится к номинальному значению передаточного числа

i y = 0,07 град/м

Кривая 2 относится к уменьшенному значению передаточного числа

i y = 0,025 град/м

Уменьшение передаточного числа обусловлено наличием у корректора автопилота зоны нечувствительности порядка +(10-20) м. Влияние зоны нечувствительности приводит к значительному уменьшению передаточного числа при полете в турбулентной атмосфере. Данные на графике показывают, что среднеквадратичные значения колебаний высоты измеряются единицами метров на единицу среднеквадратичного значения скорости вертикальной составляющей ветра. Эти колебания в сильной степени зависят от передаточного числа автопилота по высоте.
Определим, какой порыв ветра вызовет среднеквадратичное отклонение по высоте свыше 15 м – получим 10 м/с. Данный расчет был выполнен в соответствии с кривой 1 на графике №1, так как передаточное число на автопилот документами ИКАО четко не определено, поэтому считаем по худшему варианту – тому, который хуже стабилизирует высоту полета. В будущем, когда критерии передаточного числа по высоте будут приняты едиными для всех типов воздушных судов, критические величины порывов надо будет пересчитать.
Так как у диспетчера и у пилотов нет возможности замерять вертикальные порывы, но есть четкая корреляционная зависимость между интенсивностью болтанки и величинами вертикальных порывов, определим значение перегрузки, которое будет соответствовать критическому значению вертикального порыва в 10 м/с.
Согласно научной программе Thunderstorm, выполненной в США в течение нескольких лет, было установлено, что среднеквадратичное значение вертикальных порывов при полете в кучевых облаках (Cb) составляет 2,5 м/с, а вероятность появления вертикальных порывов 5 м/с в них составляет 10-5, что значительно меньше пороговых значений.
Среднеквадратичное значение вертикальных порывов в кучево-дождевых (Cb nb) облаках равно 4 м/с и, соответственно, вероятность появления вертикальных порывов 6,5 м/с и более – 10-4, 7,5 м/с и более –10-5, 10 м/с и более – 10-6.
Данные исследований болтанки, проводившиеся в СССР, также свидетельствуют о среднеквадратичной величине порывов в грозовых облаках около 4,5 м/с. Принимая во внимание вышесказанное, можно подвести итог: при появлении в районе полетов кучево-дождевых облаков (Cb nb) интенсивность полетов не должна превышать 2,1 пролета.
Однако сильные вертикальные порывы могут возникать не только в кучево-дождевых облаках (Cb nb). Турбулентность, а, значит, и порывы ветра, наблюдаемые выше 5-6 км и не связанные с конвективными облаками, принято называть турбулентностью ясного неба (ТЯН). Есть еще также орографическая турбулентность, где также наблюдаются сильные вертикальные порывы.
При орографической турбулентности сильная и умеренная болтанки наблюдаются при горизонтальной скорости ветра более 50 км/ч (хотя в данных ситуациях очень большое значение имеют местные условия). Умеренная болтанка – это перегрузки от 0,5 g до 1 g, а сильная болтанка – с перегрузками более 1g. Эти данные были введены в гражданскую авиацию, когда воздушные суда не оснащались системами траекторного управления. Возникло разночтение. При выполнении научной программы Thunderstorm, когда полеты выполнялись на воздушных судах с зажатым рулевым управлением, вертикальный поток со скоростью 5 м/с вызывал перегрузку 0,5 g. Такие же данные были получены в СССР при выполнении программы исследования турбулентных потоков на самолете Ил-18 в 1960-е годы. Вертикальные потоки со скоростью 5 м/с вызывали перегрузку 0,5 g, а вертикальные потоки со скоростью 10 м/с вызывали перегрузку около 1 g.
Современные воздушные суда, оснащенные системой траекторного управления, будут испытывать перегрузку 0,5 g при порывах ветрах со скоростью около 20 м/с. Кроме этого, свой вклад вносит и тот факт, что современные воздушные суда имеют большую массу и скорость по сравнению с воздушными судами, на которых проводились исследовательские полеты по изучению турбулентности. Вертикальные порывы 10 м/с будут вызывать перегрузку современных воздушных судов около 0,2 g, что соответствует среднеквадратичной точности выдерживания высоты более 15 м. Отсюда следует, что при прогнозировании сильной болтанки, когда воздушные потоки вертикальной направленности будут около 10 м/с, нарушатся пороговые величины по точности выдерживания высоты автопилотом. Соответственно, будет необходимо уменьшать другие пороговые значения (в частности, интенсивность полетов). Также, при получении доклада от воздушного судна о перегрузке в 0,2 g можно с большой степенью достоверности утверждать, что точность выдерживания высоты, заложенная в математическую модель RVSM, не будет соблюдаться.
Согласно действующим нормам ИКАО, при превышении безопасного уровня TLS необходимо закрыть полеты по RVSM в данном районе. Критерий, который определяет это превышение, четко не определен. В статье доказывается, что в режиме текущего времени критерием, который позволяет диспетчеру определить нарушение уровня TLS, являются доклады экипажей воздушных судов о болтанке, интенсивность которой превышает 0,2 g. Если при заступлении смены диспетчеров в обслуживаемом районе прогнозируется грозовая деятельность, ТЯН, а интенсивность движения не более 2,1 пролета в час – в процессе работы велика вероятность нарушения безопасного уровня TLS, что потребует закрытия полетов по RVSM согласно нормам ИКАО. Но, к сожалению, нарастание интенсивности болтанки в кучево-дождевых облаках очень сложно спрогнозировать, как и разрастание самих кучево-дождевых облаков. Еще сложнее спрогнозировать интенсивность болтанки по орографическим причинам и при ТЯН.
В этом случае правильным вариантом действий диспетчеров при прогнозах вероятного нарушения безопасного уровня TLS является корректировка интенсивности потока путем перенацеливания воздушных судов по разведенным маршрутам. В настоящее время интенсивность воздушного движения над Европой в большинстве районов уже приближается к величине 2,5 пролета в час. В связи с этим при перераспределении потоков из-за закрытия какой-либо зоны создается ситуация нарушения уровня TLS уже в других районах. Принимая во внимание сам уровень прогнозов интенсивности болтанки, можно говорить о больших недостатках этого варианта действий.
Полеты в настоящее время выполняются с использованием спутниковой навигации, инерциальных систем, при которых точность самолетовождения очень высока. Единственно правильным решением будет введение бокового эшелонирования, которое позволит соблюсти уровни TLS не только в случае сильной болтанки, но и в условиях, когда интенсивность воздушного движения в каком-либо районе начнет превышать уровень в 2,5 пролета в час. Для этого необходимо в масштабах ИКАО ввести в правила воздушного движения в подобных ситуациях следующую команду диспетчера: «Всем бортам! Полет выполнять одну милю правее оси трассы». При этом основное требование гражданской авиации – безопасность полетов – будет выполняться.

Литература

  1. Васильев А.А. Анализ случаев сильной турбулентности в атмосфере. Тр. Гидрометцентра СССР 1972 г. Вып. 95.
  2. Glover K.M. Simultaneous radar, aircraft and meteorological investigation of clear air turbulence. Jorn. Appl. Meteor # 4 1969.
  3. Булдовский Г.С. Объективный метод прогноза зон интенсивной турбулентности в верхней тропосфере. Гидрометиздат, Москва, 1977.
  4. Haubolt J.C. Dynamic response of airplaines to atmospheric turbulence including flight data on imput and response. NASA technical report. 1964.
  5. Пинус Н.З. Результаты исследований атмосферной турбулентности в Центральной аэрологической обсерватории. ТР. ЦАО, вып. 26, 1959.
  6. Hislop G.S. Gusts from a clear sky Aircraft Melbourne.
  7. Hislop G.S. Clear air turbulence over Europe. J.Roy Aeron.
  8. The thunderstorm U.S. Weather Burean Washington, 1949.
  9. Дубов А.С. Определение вертикальных порывов ветра по записям акселерографа на управляемом самолете. Тр. Г.Г.О., вып. 98.
  10. Матвеев Ю.И. Траекторные задачи динамики полета.
  11. Заварина М.В., Юдин М.И. Уточнение и использование числа Ричардсона для выявления зон болтанки. Метеорология и гидрология №2, 1960.
  12. Петренко Н.В., Васильев А.А. Условия образования и прогноза важных для авиации метеорологических явлений. Тр. Гидрометцентра СССР, вып.79, 1973.
  13. Zbrozek J.K. Atmospheric gusts. J. Roy Aeronaut Soc. 1965.
  14. Бочаров П.П., Печинкин А.В. Теория вероятностей. Математическая статистика. Гардарика, М., 1998.
  15. Документ ИКАО DOC 9574 AN/934. Руководство по применению минимума вертикального эшелонирования 300м.
  16. Фрик П.Г. Турбулентность: подходы и модели. – Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. – 292 с.
  17. Безопасность полета в условиях опасных внешних воздействий: Сб. научных трудов / Под ред. В.А. Касьянова; Киевский институт инженеров гражданской авиации. – Киев: КИИГА, 1982. – 112 с.
  18. ИКАО. Сдвиг ветра / Циркуляр 186-АN/122. – 2001. – 168 с.
  19. Информация Интернет.
  20. ИКАО. Аэронавигационное обеспечение полетов / DOC 8168. – 2008.- Т. 1 – 2.
  21. ИКАО. Руководство по обеспечению безопасности / DOC 9859. – 2008. – 240 с.

Ваш комментарий будет первым

Написать ответ

Выш Mail не будет опубликован


*


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика