Расчет вероятности поражения молнией воздушных судов при полете в условиях грозовой облачности на территории Российской Федерации

Шуреков Владимир Васильевич кандидат биологических наук доцент, кафедра Поискового и аварийно-спасательного обеспечения полетов и техносферной безопасности, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ульяновский институт гражданской авиации имени Главного маршала авиации Б. П. Бугаева» 432071, Россия, Ульяновская область, г. Ульяновск, ул. Можайского, 8/8 Shurekov Vladimir Vasil'evich PhD in Biology Associate Professor of the Department of the Search and Emergency-Rescue Flight Support and Technosphere Safety at Ulyanovsk Institute of Civil Aviation 432071, Russia, Ul'yanovskaya oblast', g. Ul'yanovsk, ul. Mozhaiskogo, 8/8 nodes@list.ru Самохина Светлана Сергеевна кандидат педагогических наук доцент, кафедра Естественнонаучных дисциплин, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ульяновский институт гражданской авиации имени Главного маршала авиации Б. П. Бугаева» 432071, Россия, Ульяновская область, г. Ульяновск, ул. Можайского, 8/8 Samokhina Svetlana Sergeevna PhD in Pedagogy Associate Professor of the Department of Natural Science Disciplines at Ulyanovsk Institute of Civil Aviation 432071, Russia, Ul'yanovskaya oblast', g. Ul'yanovsk, ul. Mozhaiskogo, 8/8 sv_samohina@rambler.ru Мухунова Юлия Витальевна ассистент, кафедра Поискового и аварийно-спасательного обеспечения полетов и техносферной безопасности, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ульяновский институт гражданской авиации имени Главного маршала авиации Б. П. Бугаева» 432071, Россия, Ульяновская область, г. Ульяновск, ул. Можайского, 8/8 Mukhunova Yuliya Vital'evna Assistant at Ulyanovsk Institute of Civil Aviation 432071, Russia, Ul'yanovskaya oblast', g. Ul'yanovsk, ul. Mozhaiskogo, 8/8 melonkis@mail.ru

Аксенова Марина Юрьевна кандидат географических наук доцент, кафедра Географии и экологии, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ульяновский государственный педагогический университет имени И. Н. Ульянова» 432071, Россия, Ульяновская область, г. Ульяновск, ул. Площадь Ленина, 4/5 Aksenova Marina Yur'evna PhD in Geography Associate Professor of the Department of Geography and Environmental Studies at Ilya Ulyanov State Pedagogical University 432071, Russia, Ul'yanovskaya oblast', g. Ul'yanovsk, ul. Ploshchad' Lenina, 4/5 82axmarina@mail.ru

Введение. Предмет исследования – оценка вероятности поражения молнией ВС при полете в условиях грозовой облачности на территории России.

Методология исследования основана на сочетании теоретического и модельного (расчетного) подходов с применением методов анализа, моделирования, сравнения, обобщения, синтеза.

Цель работы – оценка вероятности поражения ВС грозовой молнией во время его эксплуатации в условиях повышенной электрической активности атмосферы.

Актуальность исследования обусловлена востребованностью авиационного транспорта в различных областях деятельности человека и необходимостью обеспечения авиационной безопасности полетов, в частности, в условиях повышенной электрической активности с вероятностью поражения воздушного судна молнией в процессе полета ВС.

В настоящее время для защиты ВС применяются современные методы молниезащиты, поэтому серьезные авиационные происшествия и инциденты, вызванные воздействием молний на летательный аппарат, достаточно редкие события ^{[1, 2, 3]}. При этом в среднем каждые 2000 – 3000 часов полета ВС встречается с молнией. Это происходит на разных этапах полета: при заходе на посадку в условиях облачности, при обходе грозовых очагов, в крейсерском полете. Так, в 2015 году произошел 31 авиационный инцидент и 6 повреждений ВС на земле, вызванных поражением ВС разрядом атмосферного электричества, при которых зафиксированы многочисленные повреждения конструкции ВС ^[4].

16 августа 2010 года при заходе на посадку ВС в аэропорту колумбийского острова Сан Андрес потерпел катастрофу пассажирский Боинг-737. Одна из возможных причин – удар молнии в ВС и отказ бортовых систем. Самолет упал с высоты 80 метров и раскололся на три части. Из 121 пассажиров и 6 членов экипажа ВС один человек погиб от инфаркта и 114 получили травмы ^[5]. 31 января 2019 года в пассажирское ВС Airbus A320, совершавший рейс из Рима в Москву, ударила молния. Зафиксировано повреждение на элементах механизации, не представляющее опасность для воздушного судна и пассажиров ^[5].

В процессе полета статические заряды накапливаются на обшивке и корпусе ВС, создавая электрическое поле высокой напряженности на выступающих частях (законцовках крыла, киле, антеннах, передней части фюзеляжа и т.д.), что увеличивает вероятность поражения разрядом статического электричества и поражения разрядом молнии, так как ВС может стать проводящим звеном в этой разряде. Наибольшая опасность возникает при контакте канала молнии с диэлектрической обшивкой носового обтекателя локатора и антенных систем, остеклением кабины пилотов, так как при этом возможен пробой диэлектрика.

На сегодняшний день широкое применение в конструкции летательных аппаратов композитных материалов заставляет еще раз вернуться к вопросу о молниезащите ВС и оценке вероятности поражения их молнией в процессе эксплуатации, так как обеспечение безопасности пассажиров является приоритетной задачей.

При полете через грозовое облако скоростного авиалайнера возникает электризация вследствие интенсивного трения наэлектризованных частиц облака о поверхность самолета и мощной выхлопной струей реактивных двигателей. При этом возможно ускорение разряда молнии и направление этого разряда в сторону ВС ^[6]. Интенсивная электризация может возникать при входе в зону сильных осадков в переходный период от зимы к весне, в слоистообразных облаках.

Следует отметить, что корпус салона и кабины пилотов электрически не связаны с обшивкой, все устройства на борту экранированы. Электрическое сопротивление ВС мало. Статические заряды имеют возможность стекать с поверхности ВС через специальные устройства – разрядники и стекатели заряда. Вероятность возникновения разряда молнии облако-земля выше, чем разряда облако-воздушное судно, так как электрическая емкость ВС значительно меньше электроемкости земли. Статистика авиапроисшествий показывает, что чаще всего ВС поражается молнией на малых высотах (на взлете и посадке) ^[5].

Опасность термического воздействия молнии невелика, но возможны сбои в работе электронного оборудования, ударная волна представляет опасность для двигателя. Искровой пробой в топливных баках или перегрев их стенок может вызвать воспламенение топливовоздушной смеси (для предотвращения подобный явлений в топливные баки подается газ, который препятствует искрообразованию).

Воздействие молнии на металлические элементы конструкции ВС сводится к электроэррозии – разрушению поверхностного слоя металла в виде раковин и язв. Наблюдаются местные оплавления металла или даже прожоги тонкой обшивки. Удар молнии в ВС может привести к нарушению радиосвязи и средств радионавигации, отказу электрических устройств, разрушению электропроводки, особенно в местах плохих контактов. Тем не менее, попадание молнии в ВС опасно, так как приводит к повреждению бортового оборудования и, как следствие, создает опасность для жизни пассажиров.

Методы расчета. В соответствии с целью исследования использовался теоретический расчетно-аналитический метод. Анализ проводился на примере ВС, совершающих полеты на территории России.

Территория России достаточно велика, вследствие чего на ней наблюдается значительная неоднородность климатических и геофизических условий (как естественных, так и обусловленных антропогенным воздействием). Поэтому факторы, определяющие образование и развитие конвективных облаков, значительно меняются по территории России ^[7]. Согласно статистическим показателям грозовой активности максимальное число гроз приходится на летние месяцы, а также на последний месяц весны и первые месяцы осени ^[7]. Если проанализировать время возникновения гроз в течение суток, то примерно 60 % от общего числа гроз фиксируется после полудня. Из анализа географии полетов видно, что большая доля проходит в границах основной полосы расселения России, которая находится в умеренных широтах. В умеренном климатическом поясе России во время сильной грозы за 1 час отмечается до 500 молний. В Европейской части России и на территории Западно-Сибирской равнины образование гроз связано с циклонами и их фронтами, причем грозы развиваются преимущественно на холодных фронтах (70 %). Если проранжировать территорию России по среднему количеству дней с грозой, то лидерами являются территории Северно-Кавказского, Центрально-Черноземного районов (в среднем 30 дней). 26 – 27 дней с грозой – в Поволжье (преимущественно в Верхнем и Среднем), на юге Западно-Сибирской равнины, в Центральном экономическом районе, на Юге Уральского района. Наименьшее количество грозовых дней характерно для территории с резко континентальным типом климата, например, в Красноярском крае – 18 дней, республике Саха (Якутия) – 9 дней.

В настоящее время нет строгой теории грозы как феномена атмосферного электричества, поэтому проводятся только оценочные расчеты возможности возникновения разрядов молнии в цепочке облако-воздушное судно-земля.

Для оценки опасности влияния разрядов атмосферного электричества в данной работе были проведены расчеты вероятности поражения молнией различных ВС при полете в условиях грозовой облачности. В качестве исходных данных использовались летно-технические характеристики ВС, представленные в таблице 1, и характеристики грозовых облаков (табл. 2). В качестве объектов выступали 8 самых распространенных ВС гражданской авиации (от региональных до дальнемагистральных) и «VeryLargeAircraft» (VLA).

Таблица 1 – Летно-технические характеристики ВС ^[5]

Таблица 2 – Характеристики грозовых облаков ^{[6, 9]}

Расчет вероятности поражения молнией различных ВС при полете в различных условиях грозовой облачности производился по формуле ^{[6, 9]}:

PT = 10Lmπl2эф.d0 / 4 ω0 v τ,

где Lm – длина главного канала молний, lэф. – эффективный характерный размер ВС, d0 – длина облака в направлении движения ВС, ω0 – объем облака, v – скорость полета ВС, τ – интервал времени, через который повторяются в данном облаке молнии. При полете ВС накапливает на себе значительный электрический заряд. Поэтому lэф.≈ 10lс, где lc – характерный размер ВС (длина, размах крыльев).

Результаты расчета. Результаты расчетов вероятности поражения ВС молнией в условиях грозовой облачности представлены в таблице 3. Установлено, при проходе наиболее распространенных одноячейковых грозовых облаков вероятность поражения невелика, но пролет через данный вид грозовых облаков создает угрозу безопасности полета для широкофюзеляжных дальнемагистральных самолетов. Однако, доля эксплуатируемых ВС данного типа значительно меньше, чем ближне- и среднемагистральных.

Таблица 3 – Вероятность поражения ВС молнией в условиях грозовой облачности, %

Наиболее серьезную опасность представляет выполнение полетов ВС всех типов в условиях суперячейковых облаков. Самая большая вероятность поражения ВС молнией в условиях суперячейковой грозовой облачности приходится на ВС дальнемагистральных типов Airbus A-380-800 (5,12 %), далее следуют ВС типа Boeing 747-800i (4,60 %), Boeing 777-300ER (4,37 %).

Более 50 % повреждений и отказов вследствие воздействия разрядов, как показывает анализ авиационных происшествий, приходится на авиационное и радиоэлектронное оборудование (отказы УКВ-радиостанций, радиолокатора, радиокомпаса из-за пробоя кабелей антенно-фидерных систем, нарушения изоляции монтажных проводов, выгорания штепсельных разъемов и т.д.) ^{[2, 4]}. Вероятность поражения молнией зависит от геометрических размеров ВС, напряженности электрического поля и вида облачности.

Длительный перелет ВС не позволяет точно спрогнозировать наличие грозовых областей даже при наличии метеосводки перед полетом. При полете в условиях повышенной электрической активности атмосферы и ливневых осадков возможно ухудшения летных и аэродинамических характеристик ВС, меняется подъемная сила и углы атаки. При пересечении облаков с повышенной электрической активностью изменение высоты полета ВС выполняется с повышенной вертикальной и уменьшенной поступательной скоростями полета ^[5].

При поражении ВС разрядом молнии возможны шумовые эффекты, световые эффекты в виде искр и вспышек, которые наблюдаются сквозь иллюминаторы ВС. При полете в сложных метеоусловиях, особенно вблизи грозовых облаков, возможно возникновение участков турбулентности в атмосфере и, как следствие, незначительно ухудшается устойчивость и управляемость ВС, возникают случайные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскости («воздушные ямы») с перегрузками до 3g. Они не представляют опасности для благополучного завершения полета, но могут привести к психоэмоциональному дискомфорту и перенапряжению соответствующих функциональных систем (сердечно-сосусдистой, дыхательной, слуховой) организма ^[11]. Эти особенности полетов следует учитывать при организации коллективных туристических полетов, деловых полетов отдельных пассажиров в условиях повышенной грозовой активности, сезонности явлений и длительности перелетов на ВС.

Выводы. Результаты, полученные в ходе исследования, позволяют сделать следующие выводы:

1. Ближне- и среднемагистральные ВС меньше всего подвержены воздействию грозовой молнии. Вероятность поражения молнией ВС данных типов составляет от 0,04 % до 1,33 %.

2. ВС дальнемагистрального типа имеют наибольшую вероятность поражения ВС молнией в грозовую облачность. Для ВС типа Airbus A-380-800 такая вероятность составляет 5,12 %.

3. Суперячейковые облака являются наиболее опасными по вероятности грозового воздействия на ВС из всех видов грозовых облаков.

4. На территории России регионами с наибольшим средним количеством грозовых дней являются Северный Кавказ и Центрально-Черноземный регион. Наибольшая частота появления грозовых дней приходится на летний период года.

Таким образом, исходя из полученных результатов, при организации коллективных туристических полетов, деловых полетов отдельных пассажиров можно предложить следующие рекомендации:

1. В Северо-Кавказском и Центральном регионах России в летний период года в дневное время суток предпочтительно эксплуатировать ВС средне-магистрального типа, как наименее подверженные поражению молниями в условиях проявления грозовой облачности.

2. При планировании туристических и деловых поездок учитывать сезонные климатические факторы, связанные с повышенной электрической активностью атмосферы и возникновением интенсивных грозовых фронтов, которые осложняют полет ВС и приводят к повышенным психофизиологическим нагрузкам на пользователей авиационного транспорта.