Что такое турбулентность самолета и почему она возникает

Значение слова «турбулентность»

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

• Турбуле́нтность, устар. турбуле́нция (от лат. turbulentus — бурный, беспорядочный), турбуле́нтное тече́ние — явление, заключающееся в том, что, обычно, при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные фрактальные волны и обычные, линейные различных размеров, без наличия внешних, случайных, возмущающих среду сил и/или при их присутствии. Для расчёта подобных течений были созданы различные модели турбулентности. Волны появляются случайно, и их амплитуда меняется хаотически в некотором интервале. Они возникают чаще всего либо на границе, у стенки, и/или при разрушении или опрокидывании волны. Они могут образоваться на струях. Экспериментально турбулентность можно наблюдать на конце струи пара из электрочайника. Количественные условия перехода к турбулентности были экспериментально открыты английским физиком и инженером О. Рейнольдсом в 1883 году при изучении течения воды в трубах.

Турбулентность в её обычном понимании возникает в пристеночных слоях слабовязких жидкостей или газов либо на некотором удаленном расстоянии за плохообтекаемыми телами. Скорее всего турбулентность описывается уравнением Больцмана, поскольку характерные масштабы этого уравнения намного меньше масштабов турбулентности. Но вопрос остается открытым, в настоящее время ведутся исследования о применимости этого уравнения для моделирования процесса возникновения турбулентности. Проблема заключается в том, что уравнения движения жидкости (уравнения Навье-Стокса) являются безмасштабными, то есть сами по себе не задают пределов прямого каскада (см. ниже) и таким образом не определяют характерного размера (масштаба) турбулентных вихрей. Тем не менее, на их основе разработано огромное множество математических моделей турбулентности (RANS, LES, DES и DNS модели). Эти модели, за исключением модели DNS, широко используются для инженерных расчетов. Однако до настоящего момента не получено ни одного точного аналитического решения этой системы уравнений для турбулентной области течения.

Обычно турбулентность наступает при превышении критической величины неким параметром, например числом Рейнольдса или Релея (в частном случае скорости потока при постоянной плотности и диаметре трубы и/или температуры на внешней границе среды).

При определённых параметрах турбулентность наблюдается в потоках жидкостей и газов, многофазных течениях, жидких кристаллах, квантовых бозе- и ферми- жидкостях, магнитных жидкостях, плазме и любых сплошных средах (например, в песке, земле, металлах). Турбулентность также наблюдается при взрывах звёзд, в сверхтекучем гелии, в нейтронных звёздах, в лёгких человека, движении крови в сердце, при турбулентном (т. н. вибрационном) горении.

Турбулентность возникает самопроизвольно, когда соседние области среды следуют рядом или проникают один в другой, при наличии перепада давления или при наличии силы тяжести, или когда области среды обтекают непроницаемые поверхности. Она может возникать при наличии вынуждающей случайной силы. Обычно внешняя случайная сила и сила тяжести действуют одновременно. Например, при землетрясении или порыве ветра падает лавина с горы, внутри которой течение снега турбулентно. Мгновенные параметры потока (скорость, температура, давление, концентрация примесей) при этом хаотично колеблются вокруг средних значений. Зависимость квадрата амплитуды от частоты колебаний (или спектр Фурье) является непрерывной функцией.

Турбулентность, например, можно создать:

увеличив число Рейнольдса (увеличить линейную скорость или угловую скорость вращения потока, размер обтекаемого тела, уменьшить первый или второй коэффициент молекулярной вязкости, увеличить плотность среды);

увеличив число Рэлея (нагреть среду);

увеличив число Прандтля (уменьшить вязкость);

увеличив угловую скорость вращения или радиальный градиент температуры (явление цикла индекса);

задав очень сложный вид внешней силы (примеры: хаотичная сила, удар). Течение может не иметь фрактальных свойств.

Что такое турбулентность самолета и почему она возникает?

Одина из самых неприятных и даже опасных ситуаций, с которой иногда сталкиваются пассажиры во время авиаперелета — это турбулентность. Самолет в такой ситуации начинает сильно трясти или он резко теряет высоту. Как правило, летный экипаж предупреждает о вхождении самолета в зону турбулентности заранее, но иногда это происходит внезапно. В результате напитки в салоне начинают расплескиваться, сами пассажиры нередко получают синяки, шишки, ссадины или даже более серьезные травмы. Многие люди в такой ситуации приходят в ужас и начинают паниковать, в чем нет ничего удивительного. Однако понимание того, что такое турбулентность, и по каким причинам она возникает, поможет успокоить вам нервы.

Турбулентность — одна из самых серьезных неприятностей, которая нередко случается во время авиаперелетов

Причины возникновения турбулентности

Наверняка многие наблюдали, как волны в море врезаются в скалы или любое другое препятствие, в результате чего воду подбрасывает вверх, и во все стороны разлетаются брызги. Собственно говоря, это и есть турбулентность, только в воде. В воздухе она, как правило, возникает по тем же причинам.

Когда воздушные потоки врезаются в препятствия, то есть в горы, они начинают перемешиваться в хаотичном порядке, в результате чего возникают так называемые нелинейные фрактальные волны, то есть вихревые нисходящие и восходящие потоки. Однако самолет может столкнуться с турбулентностью не только над горами, но и в любой другой местности, к примеру, из-за грозы.

Быстро возникающие грозовые облака могут стать таким же препятствием для воздушных потоков воздуха, как и горы, вызывая тем самым турбулентность на участке от сотен до тысяч километров. Но самой опасной считается “турбулентность ясного неба”, или ТЯН (CAT), вызванная сдвигом ветра высотных струйных течений.

Турбулентность при ясном небе считается самой опасной, так как ее невозможно спрогнозировать заранее

Высотными струйными течениями, по сути называется сильный ветер, который возникает из-за разницы температур между воздушными массами. Как правило, эти потоки движутся с запада на восток. На краях потоков могут происходить сдвиги ветра как горизонтально (влево-вправо), так и вертикально (вниз-вверх). То есть происходят мощные порывы ветра, которые увлекают за собой самолет.

Вертикальные сдвиги принято еще называть воздушной ямой, так как самолет проваливается вниз, словно он попал в яму. Потеря высоты за несколько секунд может составлять несколько сотен метров. Не пристегнутых пассажиров в таком случае буквально подбрасывает к потолку самолета.

Может ли самолет развалиться в воздухе?

Основной страх пассажиров во время пролета сквозь зону турбулентности связан с тем, что самолет не выдержит перегрузок и выйдет из строя или даже развалится. На самом деле волноваться по этому поводу не стоит. Самолеты проходят физические испытания в лабораториях, где подвергаются гораздо большим нагрузкам, чем те, с которыми им приходится сталкиваться в воздухе.

Современные самолеты гораздо прочнее и надежнее, чем их предшественники из 60-х годов

Кроме того, различные сценарии моделируются в цифровом виде. Также благодаря современным технологиям улучшилось техническое обслуживание самолетов. Бортовые датчики отслеживают многие компоненты, которые подвержены усталости, что позволяет своевременно их менять.

Разумеется, и пилоты предпринимают некоторые меры, чтобы уменьшить последствия турбулентности. Первое, что они делают — это снижают скорость самолета. Зачем это делается? Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно представить себе лодку на волнах. Чем меньше будет ее скорость, тем меньше она будет подвержена тряске. То есть снижение скорости самолета позволяет значительно снизить нагрузку на конструкцию.

При пролете зоны турбулентности, самое главное, своевременно пристегнуться ремнями безопасности

Опасна ли турбулентность?

Ежегодно основной причиной не смертельных воздушных происшествий становится турбулентность. Как сообщает Федеральное авиационное управление, в период с 2009 по 2021 год 146 пассажиров и членов экипажа пострадали от турбулентности, получив серьезные травмы. Однако, большинство травм связаны с тем, что пассажиры проигнорировали просьбу членов экипажа пристегнуть ремни, но не только из-за этого.

Как мы сказали выше, наиболее опасной является турбулентность ясного неба. Причина в том, что она может возникнуть внезапно, в результате чего пилоты самолета могут не успеть предупредить пассажиров об опасности. К примеру, в 2017 году Boeing 777 “Аэрофлота” внезапно попал в зону ТЯН, в результате чего за медицинской помощью обратились 27 человек. Иногда этот вид турбулентности становится причиной даже смертельных случаев.

К сожалению, были случаи, когда из-за турбулентности самолеты терпели крушение. К примеру, Боинг 707 потерпел крушение в Японии из-за того, что попал в турбулентность над горой Фудзи в Японии, но это случилось в 1966 году. Турбулентность возле горы оказалось настолько сильной, что перегрузки превысили прочность самолета. Также из-за ТЯН в 60-х годах потерпели крушение несколько других самолетов.

В 2001 году из-за турбулентности потерпел крушение авиалайнер Airbus A300

В 2001 году потерпел крушение самолет Airbus A300, однако причиной стала турбулентность, возникшая из-за вихря, образованного другим самолетом, который летел в попутном направлении. В остальных случаях происшествия были не смертельными. Но, теоретически, даже сейчас, несмотря на все современные технологии и прочность самолетов, любой авиалайнер может потерпеть крушение из-за ТЯН.

Это может случиться в том случае, если самолет попадет в воздушную яму невысоко над землей, то есть в момент посадки или взлета, однако подобная ситуация крайне маловероятна. К примеру, если вы ознакомитесь с самыми крупными авиакатастрофами с участием Boeing 737, то увидите, что ни в одном из них не фигурирует турбулентность.

Турбулентность влияет на летно-технические характеристики самолета и потребление энергии. По оценкам авиакомпаний США, изменение траектории полета и высоты для предотвращения турбулентности обходится им в 100 миллионов долларов в год.

Что касается остальных видов турбулентности, пилоты обычно их облетают, так как знают где они находится благодаря прогнозам погоды и информации от других пилотов. Если же избежать турбулентности невозможно, пилоты узнают о ней заранее при помощи бортового оборудования, такого как лазерные дальномеры. Это позволяет предупредить пассажиров заранее.

Специалисты рекомендуют занимать места в передней части самолета, так как здесь гораздо меньше чувствуется турбулентность

Как обезопасить себя во время полета

Опытные пилоты и стюардессы рекомендуют совершать перелеты рано утром, так как в этом случае риск попасть в турбулентность меньше. Кроме того, садиться следует как можно ближе к передней части самолета, так как сзади турбулентность ощущается гораздо сильнее. Как пишет Хизер Пул, стюардесса с 21-летним стажем и автор книги “Круизное отношение”, бывали случаи, когда пассажиры в задней части самолета держались изо всех сил, словно на родео, и ей об этом приходилось сообщать пилотам, которые не испытывали сильных перегрузок.

Переходите по этой ссылке прямо сейчас, чтобы подписаться на наш ЯНДЕКС.ДЗЕН КАНАЛ. Здесь вас ждет масса интересных материалов, подготовленных для вас нашей редакцией.

Кроме того, в течение всего полета следует оставаться пристегнутым. Это позволит избежать травмы, если самолет внезапно попадет в воздушную яму. По этой причине пилоты всегда остаются пристегнутыми. А самое главное — нужно не “накручивать” себя, а думать позитивно. Если вы пристегнуты и самолет вошел в зону турбулентности, значит самое опасное уже позади, так как вы не получили травму из-за внезапной ТЯН. Авиакатастрофы же бояться не стоит, так как вероятность, как мы сказали выше, крайне мала. Обычно они случаются совсем по другим причинам, с которыми можно ознакомиться по этой ссылке.

Алина Меняйло

Добро пожаловать на Тревел Форум!
Я Алина - автор этого блога, заядлая путешественница и любительница активного отдыха.
На сайте вы найдете лучшие фотографии со всего мира - интересные природные достопримечательности, популярные курорты и пляжи, а также множество туристических советов.
Присоединятесь к нам, если вы любите новые впечатления!