Воздух представляет собой чрезвычайно подвижную среду, в которой движение частиц (скоплений молекул) обычно имеет беспорядочный или так называемый турбулентный характер.

Турбулентность (от латинского слова «турбо», — завихрения, водоворот) — состояние атмосферы, при котором наблюдаются неупорядоченные вихревые движения различных масштабов и различных скоростей. Оси турбулентных вихрей быстро меняют свое положение в пространстве и бывают ориентированы в самых различных направлениях.

С турбулентностью атмосферы связаны порывистость ветра, перенос по вертикали водяного пара, ядер конденсации и других материальных частиц; она способствует вертикальному переносу тепла из одних слоев в другие, обмену количества движений между различными слоями и т. п.

Турбулентный обмен оказывает существенное влияние на условия формирования, эволюцию и микрофизическое строение облаков, туманов и осадков, с которыми непосредственно связаны сложные метеорологические условия полетов. Турбулентность оказывает существенное влияние на распространение звуковых и электромагнитных волн (особенно влияет на распространение ультракоротких волн).

 

Но особенно велико влияние турбулентности на полет самолета. При пересечении вихрей самолет подвергается воздействию их вертикальных и горизонтальных составляющих, представляющих собой отдельные порывы, отчего нарушается равновесие аэродинамических сил, действующих на самолет, и возникают добавочные ускорения, вызывающие вредные перегрузки. Самолет, попавший в турбулентную зону, испытывает болтанку.

Болтанка самолетов наиболее часто проявляется в виде дрожания (вибрации), отдельных покачиваний, частных и мелких толчков и ударов, следующих один за другими, или в виде бросков самолета в разные стороны (особенно вверх и вниз) на десятки метров: иногда обе указанные разновидности сочетаются вместе.

Явление болтанки может также наблюдаться при полете самолета в зоне воздушных волн, возникающих на слоях инверсий (в том числе и тропопаузе), или на подветренной стороне гор. В этих случаях болтанка носит циклический характер.

Кроме турбулентных и волновых явлений, вызывающих болтанку, в атмосфере могут наблюдаться вертикальные потоки крупного масштаба, вызывающие большие, независящие от пилота вертикальные перемещения самолета, однако они не дают резких колебаний самолета и, следовательно, не создают больших перегрузок. Болтанка сильно ухудшает устойчивость и управляемость самолета, искажаются показания некоторых приборов (указателя скорости, высотомера, вариометра). Вследствие вызванных болтанкой перегрузок наблюдаются дополнительные напряжения па отдельные узлы и детали самолета, что ускоряет их изнашиваемость, а в случаях, когда величина перегрузки превышает допустимую, она может явиться причиной летного происшествия. Кроме указанного, болтанка даже несильная, по продолжительная по времени вызывает утомляемость и зачастую воздушную болезнь пассажиров, а иногда и экипажа.

Турбулентные зоны, вызывающие болтанку самолетов, имеют довольно резкие границы. Они могут наблюдаться как в облаках, так и в безоблачных пространствах. При этом вероятность болтанки в облаках значительно большая, чем при полете в безоблачном пространстве.

Наибольшую опасность для полета самолета в турбулентной атмосфере представляет сочетание мощных вертикальных потоков большой протяженности с частыми и большими вертикальными порывами (эти порывы обусловлены турбулентными завихрениями).

 

Такое сочетание вызывает штормовую болтанку, очень опасную для пассажирского самолета по условиям прочности и по условиям потерн управляемости. Действительно, если самолет под действием мощного восходящего потока (рис.1) перейдет с пикирование, разовьет недопустимую скорость и в этот момент пересечет восходящий порыв, то перегрузка может достигнуть разрушающей величины.

При мощном нисходящем потоке самолет может выйти на большие углы кабрирования (рис.2) с недопустимым снижением скорости. При встрече в этом положении с сильным вертикальным порывом самолет может быть выведен далеко за критические углы атаки, при которых произойдет сваливание на крыло или на нос.

Турбулентность воздуха вызывают следующие причины:

1. Трение двужущегося воздушного потока о поверхность земли. В этом случае вихреобразование наблюдается в нижнем, приземном, слое (рис.1а).

2. Неодинаковое нагревание различных участков земной по-верхности, приводящее к развитию восходящих и нисходящих кон-вективных воздушных потоков и, следовательно, вихрсобразованию (особенно иа границах этих потоков).

3. Взаимодействие воздушных масс на атмосферных фронтах.

4. Трение па внешних границах ветрового потока, наблюдаемого на больших высотах — струйного течения — о более спокойный окружающий воздух (рис.1б).

5. Волновые движения на инверсионных слоях, переходящие при определенных условиях в вихревые образования (рис. 1в).

6. Деформация воздушных течений горными препятствиями.

7. Процессы облакообразования.

Указанные атмосферные процессы иногда могут действовать одновременно, усиливая или ослабевая друг друга, а тем самым усиливая или ослабляя турбулентность воздушного потока.

Турбулентность воздуха, вызываемую неровностями местности, называют орографической. Ее влияние на полеты бывает сильным в холмистой местности и особенно в горных районах. Воздушный поток при обтекании гориых препятствий деформируется. Степень и характер этой деформации зависит, во-первых, от характера набегающего потока — его скорости, направления и температурной стратификации, и, во-вторых, от формы и размеров горного хребта. При этом важную роль играет то обстоятельство, под каким углом встречается воздушный поток с хребтом. Экспериментальные исследования показали, что атмосферная турбулентность, вызывающая интенсивную болтанку самолетов, бывает в тех случаях, когда воздушный поток (ветер) направлен перпендикулярно к хребту и имеет скорость более 8—10 м/сек. Атмосферная турбулентность в горах возрастает при нагревании их склонов солнечными лучами или при близком расположении атмосферного фронта.

Влияние горного хребта иа воздушный поток начинает сказываться на значительном расстоянии. При высоте хребта 1000 м воздушный поток начинает восходящее движение на расстоянии 60—80 км от него.

На наветренных склонах гор в приземном слое воздушного потока возникает множество мелких вихрей диаметром порядка нескольких десятков метров.

Над горным хребтом вследствие вихреобразования при срыве потока с кромки хребта (рис.1) и сгущения линий токов опасная турбулентность может наблюдаться в слое 500 — 1000 м над вершинами гор. Здесь же могут наблюдаться и вертикальные градиенты ветра в 5 м/сек на 100 м и более.

За хребтом (подветренная сторона) воздушные завихрения в нисходящем потоке представляют небольшую опасность для полетов. Скорость нисходящего потока может достигать 5 м/сек и даже более.

При сильных ветрах, направленных приблизительно перпендикулярно к хребту, на подветренном склоне почти от самой поверхности хребта и до высоты 1 —1,5 км над вершиной (рис.2) образуется зона, в которой наблюдается интенсивная турбулентность, вызывающая сильную болтанку самолета. Горизонтальная протяженность этой турбулентной зоны может простираться до 10— 15 км от хребта. При убывании скорости ветра, направленного к хребту, до 4—6 м/сек турбулентность затухает и болтанка уменьшается.

Наряду с турбулентностью на условия полета в горных районах влияет также эффект общего подъема воздуха на наветренной и опускание его на подветренной стороне. Поэтому самолет на наверенной стороне хребта «тянет» кверху, а на подветренной «прижимает» к земле. Известны летные происшествия, связанные с указанным явлением.

При большой скорости ветра (более 8 м/сек), направленного перпендикулярно к горному хребту, за подветренным склоном могут возникать вихри, называемые роторами, или турникетами (рис. 3). Оси таких вихрей бывают горизонтальными и направленными параллельно горному хребту. Диаметр роторов может достигать нескольких сотен метров и более. Скорости вертикальных движений в отчетливо выраженных роторах колеблются от 5 до 10 м/сек. Вследствие этого в роторах наблюдается сильная турбулентность, аналогичная турбулентности в кучево-дождевых облаках. Иногда в верхней части роторного вихря образуются разорванно-кучевые облака с небольшим вертикальным развитием (напоминают шляпку гриба). Роторы часто располагаются в виде нескольких (чаще трех) параллельных хребту полос.

Если над хребтом в слое толщиной 4—5 км наблюдается усиливающийся с высотой ветер, перпендикулярный хребту, а термическая статификация атмосферы устойчивая (имеет место слой инверсии, изотермии или слабого падения температуры с высотой), то на подветренной стороне выше хребта образуются подветренные волны, называемые иногда стоячими или горными волнами (рис.4). Образованию таких воли также благоприятствует наличие у хребта крутых склонов.

Стоячими волны называются вследствие того, что их вершины и долины находятся на одном месте по отношению к хребту, а воздушные частицы как бы бегут сквозь них. Длина таких воли может быть от 5 до 50 км, амплитуда — 100—150 м. Распространяются они в атмосфере на высоту, в несколько раз (4—5 и более) превышающую высоту хребта и могут наблюдаться во всей толще тропосферы, а иногда и распространяться в нижнюю стратосферу. Обычно наблюдается несколько гребней стоячих волн.

При достаточной влажности воздуха в гребнях воли образуются малоподвижные гряды облаков, параллельно хребту, чаще это чечевицеобразные облака с характерной зализанной поверхностью. Такие облака могут наблюдаться в несколько ярусов — одни ярус над другим.

При полете в зоне стоячих волн возникает циклическая болтанка самолета (напоминает удары воли о быстро идущей катер), вызываемая чередующимися восходящими и нисходящими движениями воздуха в гребнях и долинах волн (вертикальные скорости в этом случае могут достигать 10—12 м/сек). Наиболее тяжелые условия полета наблюдаются в коротких волнах с большой амплитудой. В мировой авиационной практике известны случаи аварий скоростных самолетов, вызванные действием циклической болтанки в подветренных волнах.

В области образования подветренных волн наблюдаются резкие колебания атмосферного давления. Вследствие этого показания барометрического высотомера часто оказываются ненадежными. Так, при полетах отмечались ошибки в определении высоты до 300 м и даже 750 м.