Каждый, кто хоть раз летал на самолёте, наверняка сталкивался с турбулентностью или слышал о ней — это не самая приятная часть авиаперелётов, вызывающая беспокойство у всех пассажиров. Однако понимание причин турбулентности, мест её возникновения и принципа технологий, которыми пользуются пилоты для обеспечения безопасности в полёте, успокоит даже самых взволнованных пассажиров.
Что такое турбулентность?
Турбулентность — это хаотические и непредсказуемые вихри воздуха, которые возникают из-за различных сил. Турбулентные потоки могут возникать на любой высоте — от пары метров над землей до высоты полёта (то есть 10-11 км).
Наиболее частые причины турбулентности — это горы, струйные течения и штормы. Подобно тому, как морские волны разбиваются о берег, воздух «разбивается» при столкновении с горами: одна часть воздуха проходит гладко над ними, а другая собирается у подножия гор и поднимается вверх. Эти «горные волны» могут распространяться в атмосфере как широкие мягкие колебания, а могут превратиться в бурные потоки, которые мы и называем турбулентностью.
Исследователи недавно обнаружили, что штормы на воде могут вызывать бурные условия даже высоко в небе! Быстрый рост штормовых облаков выталкивает воздух, создавая волновые возмущения в атмосфере, а они, в свою очередь, могут превращаться в турбулентность на расстоянии в сотни и даже тысячи километров. Каждый из этих сценариев может вызвать «чистую воздушную турбулентность» или CAT — наименее предсказуемый и заметный вид возмущений. CAT часто становится причиной умеренных и тяжёлых травм, так как возникает настолько внезапно, что у экипажа не остаётся времени предупредить пассажиров пристегнуться.
По данным Федерального управления гражданской авиации США, с 2009 по 2021 год зарегистрировано 146 серьёзно травмированных пассажиров и членов экипажа из-за турбулентности.
Как предугадывать явление
Хотя прогнозы погоды и отчёты пилотов помогают избегать турбулентных зон, они не идеальны: погодные модели не могут предсказывать турбулентность в масштабах самолёта, а пилоты часто ошибаются в установлении местоположения вихрей на десятки километров.
С 2005 года американские ученые работают над созданием более точных инструментов прогнозирования. Вот как они должны работать: алгоритм, установленный на 1000 авиалайнеров, анализирует данные с бортовых датчиков, чтобы охарактеризовать движение каждого самолёта в конкретный момент. Используя данные о скорости, потоках ветра, давлении воздуха, угле крена и других факторах, алгоритм предполагает местный уровень турбулентности, который каждую минуту передаётся в национальную систему. В сочетании с национальными моделями этот инструмент дополняет статистику реальными условиями, что помогает улучшить прогнозы погоды.
Более 12 тысяч пилотов Delta Airlines используют планшеты с этим инструментом для проверки условий на своих маршрутах. К использованию этой системы присоединяются и международные авиакомпании, включая Qantas, Air France и Lufthansa, а компания «Боинг» начала предлагать этот алгоритм как опцию при покупке новых самолётов.
Сейчас ученые стали лучше понимать атмосферу, вычислительные мощности позволяют им эффективнее описывать турбулентность, однако из-за хаотичности вихрей синоптикам нужно больше данных, чтобы понять, что на самом деле происходит.
Как самолеты готовят к испытаниям
Основная причина, по которой никто не хочет попасть в зону турбулентности — это страх поломки самолёта. Это естественная реакция, особенно если пассажиры видят, как крыло самолёта гнётся под давлением воздуха! Однако крылья самолетов гибкие: если бы они были жёсткими, самолёт, вероятно, не смог бы летать из-за большой массы. Всё в самолёте протестировано десятки раз, чтобы избежать отказов оборудования.
Каждая модель самолета проходит физические испытания в лабораториях, где их подвергают нагрузкам, превышающим те, с чем они сталкиваются в воздухе. Кроме того, современные компьютеры способны моделировать широкий спектр гипотетических сценариев. Мониторинг технического состояния тоже улучшился: бортовые датчики отслеживают компоненты, которые стали хуже работать, и помечают их для осмотра или замены.
Как будут выглядеть самолеты будущего?
Можно ли изменить конструкцию самолета так, чтобы полностью исключить ощущение турбулентности? Эксперты считают, что в ближайшем будущем это маловероятно, однако проектировщики работают над решением этого вопроса каждый день. Одно из направлений их исследований — возможность мгновенной реакции на резкие порывы ветра: происходить это будет счёт изменения воздушного потока вокруг поверхности крыла. Однако это чрезвычайно сложная задача, которую необходимо решить, сохраняя самолёт лёгким, недорогим и энергоэффективным.
Фасси Кафеке, руководитель инноваций в Bombardier, рассматривает технологию электрической тяги как один из способов изменить формат самолетов будущего. Маленькие электродвигатели двигатели необязательно будет размещать под крылом — их можно установить почти в любом месте на корпусе самолёта вместе с несколькими вентиляторами для движения вперёд.
Хотя подобные изменения дизайна в основном касаются эффективности, турбулентность еще влияет на производительность и потребление энергии самолёта. Согласно статистике, американские авиакомпании ежегодно тратят 100 миллионов долларов на изменение маршрута и высоты полётов для уклонения от турбулентности. Чтобы не попасть в зону вихрей, самолеты тратят дополнительные 730 миллионов литров топлива каждый год.
Изменения климата могут ещё больше увеличить затраты авиакомпаний со всего мира. К 2050-2080 годам климатические изменения приведут к увеличению чистой воздушной турбулентности на 115% над Северной Америкой и на 180% над Северной Атлантикой.
При этом эксперты уверены, что самолёты, которые проектируются сегодня, будут летать в 2050-х, 60-х и 70-х годах, так что им придётся выдерживать те сложности, которые их ожидают.
