СДВИГИ ВЕТРА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ, ИХ ВЛИЯНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ ПОЛЕТОВ

Распределение ветра в приземном слое атмосферы (до высоты 100 м) оказывает большоевлитниенавыполнениевзлетаипосадкиВС. Особенноопаснымтвлтетстрезкое изменениеветровогорежимавдольтраектории движенитВС, котороеможетоказатьст совершеннонеожиданнымдлтэкипажа.

ВС пересекает самый нижний слой атмосферы в столь короткое времт, что ограниченныйзапас высоты, скорости, приемистость двигателей не позволтют пилоту своевременнопарироватьвлитниерезкогоизмененитветра. Изменениевзлетно-посадочных характеристикподвоздействием резкогоослабленитилиусиленитветратвилось, вртде случаев, однойизглавныхпричинлетныхпроисшествий.

Характеристикой пространственной изменчивости ветра является сдвиг ветра - разностьвекторовветравдвухточкахпространства, отнесенна красстониюмеждуэтими точками. Сдвигветра представляет собой векторную величину и отражает изменение скорости и направления ветра между рассматриваемыми точками. В зависимости от ориентации в пространстве двух точек, между которыми определяется сдвигветра, различают вертикальный и горизонтальный сдвиги ветра. Кроме того, выделяются вертикальныевосходящиеинисходящиепотоки, представляющиесобойдвижениевоздухав вертикальномнаправлениивнебольшихзонахссечениемпорядкасотенметров.

Дляоценкисдвигаветрапользуютсятерминамиичисленнымикритериями, которые рекомендованы ICAO (табл. 2.1).

Таблица2.1. Характеристикисдвиговветра

По статистическим данным WMO попадание ВС на посадке в сдвиг ветра, превышающий 4 м/сна 30 мвысоты, возможнонеменееодногоразавтечениевсегоегосреднегоресурса.

Проблемасдвигаветрававиацииприобрелаособенноактуальноезначениевпоследние 30...40 лет. Это связано с тем, что изменялись ВС, условия и интенсивность их эксплуатации. Благодаря значительной массе (50.200 т), ВС обладает большой инерцией, котораяпрепятствуетбыстромуизменению егопутевойскорости (т.е. скоростидвижения относительноповерхностиземли) прирезкомизменениихарактерадвижениявоздухавдоль траектории полета. Вектор путевой скорости W является суммой вектора воздушной скорости V ивектораскоростиветра u .

СохранениевследствиеинерциипутевойскоростиприпересеченииВСуровнейсразличным ветромприводиткизменению воздушнойскорости. Еслибы ВСподдействиемизменений ветрамогломгновенноускорятьилизамедлятьсвоедвижение, проблемы сдвигаветране существовалобы.

Влияние сдвига ветра на полет самолета можно оценить, рассмотрев формулу подъемнойсилыкрылаУприустановившемсядвижении:

где C_y - коэффициент подъемной силы;

р - плотность воздуха; s - площадькрыла;

V - воздушнаяскоростьсамолета.

Подъемнаясилакрыла У прямопропорциональнаквадратувоздушной скоростиполета. Значительноеизменениехарактерадвижений воздухавдольтраекторииполетавызывает резкоеизменениевоздушной скорости и, соответственно, подъемнойсилы. В результате этого возникаютэволюции ВС в вертикальной плоскости: при увеличении воздушной скорости произойдет подъем, а при уменьшении - опускание ВС по отношению к расчетной траектории полета. При наличии достаточных запасов по высоте и скорости полета современныеВС, дажебезвмешательствапилота, могутвосстанавливатьрежим полета, нарушенныйизменениемпараметровветра. Намалыхвысотахпривыполнениизаходана посадкуилипривзлетесущественныеотклоненияВСотпредполагаемойтраекторииполета представляютбольшую опасностьвсвязи сблизостью земли. Характеротклонений от заданнойтраекториидвижениязависитотвидасдвигаветра, наблюдающегосявданной зоне.

1. Скоростьветрасвысотойрезкоувеличивается(рис. 2.5)

Еслипосадкаиливзлетсамолетапроисходитстрогопривстречном ветре, топутевая

скорость будет равна разности воздушной скорости и скорости ветра W= V -—.

ПрипосадкеВС, двжущеесяпротвветра, попадаетвн жележащийслойсболее слабымвстречнымветром. Приэтомпоинерциионосохраняетсвою путевую скорость, воздушнаяже скорость уменьшается, следовательно, уменьшается и подъемнаясила. В результате фактическаятраектория движения проходит ниже заданной глиссады, ВС “проваливается” и, несмотрянаувеличениепилотомсилытягидвигателей, посадкаможет бытьсовершенаснедолетом. Аналогичнаяситуациянаблюдаетсяприпосадкеспопутным ветром, которыйсвысотойослабевает.

ПривзлетевусловияхусилениявстречноговетрасвысотойнаВС, попадающеев слойсболеесильнымветром, действуетбольшаяподъемнаясила, чем нанижележащих уровнях, и его фактическаятраекториянабора высоты располагается выше заданной (ВС “подбрасывает”). Этоможетпривести кпереходуназакритическиеуглы атакиик сваливаниюВС.

Рис. 2.5. СхемапосадкиВСприослабевающемвстречномветре

2. Скоростьветрасвысотойрезкоуменьшается(рис. 2.6)

ПрипосадкеВС, движущеесяпротивветра, попадаетвнижележащийслойсболее сильнымвстречнымветром. Воздушнаяскоростьиподъемнаясилаувеличиваются. Посадка втакихусловияхсопровождается“подбрасыванием”, перелетомзаданнойточкикасанияВПП ивыкатываниемзапределыдальнейконцевойполосыбезопасностиилизадальнийконец

ВПП.

Рис. 2.6. СхемапосадкиВСприусиливающемсявстречномветре

Осложненияпривзлетевслучаеослаблениявстречноговетрасвысотойвозникаютиз-за уменьшенияподъемнойсилы и“проваливания” ВС, вследствиечегоономожетвыйтиза нижнийпределсекторабезопасногонаборавысоты. Таккакпривзлетепрактическинет возможности дополнительного резкогоувеличениясилы тяги, то возникает опасность столкновения ВС с окружающими аэродром препятствиями (высокие искуственные сооружения, возвышенности).

Таким образом, наиболеопаснымидляполетовявляютсясдвиги ветра, которые вызываютпотерю высоты, таккакприпосадкеонимогутвызыватькасаниеВС землидо

торца ВПП, а при взлете - выход ВС за нижний предел сектора безопасного набора высоты покурсувзлет.

3. Горизонтальный сдвиг ветра

Влияние горизонтального сдвига ветра зависит от характера изменения ветра по горизонтали. Например, прирезкомувеличениискоростивстречногопотокавнаправлении полета (или при ослаблении попутного ветра) наблюдается “подбрасывание” ВС; при значительномуменьшенииветра(приусилениипопутного) ВС “проваливается”.

Дляопределениявеличины сдвигаветра, впервомприближении, навсехаэродромах производятсяшаропилотныеизмеренияскоростиинаправленияветранавысоте 100 ми высотекруга. Знаяветеруземлиинавысоте 100 м, можноопределитьсреднюювеличинуи характерсдвигаветра(попутный, встречныйилибоковой) ипринятьнеобходимоерешение.

ОсобоезначениепридаетсясообщениямэкипажейВС, выполняющихполетынамалых высотахилинауровнекругаврайонеаэродрома, атакжепроизводящихвзлетипосадку. Всведениях, полученныхотэкипажейВС, сообщаетсяместоположениезонысдвиговветра (поместнымориентирам), границаслоя(слоев), скоростьинаправлениеветранаразличных высотах.

Необходимопомнить, чтовертикальныйсдвигветранелинейнозависитоттолщины слоя, длякоторогопроводитсяегооценка. Поэтомупереход отзначений сдвигаветра, определенныхдляслоеводнойтолщиныкслоямдругойтолщины, долженосуществлятьсяс учетом статистических закономерностей распределения сдвига ветра при помощи специальныхграфиков.

Экспериментальныеиследованияпоказывают, чтораспределениеветрасвысотой, в среднем, характеризуетсябыстрымростомскоростидовысоты 100 м, болеезамедленным- в слое 100. ..500 м и незначительным - выше 500 м. Таким образом, наиболее сильные вертикалныесдвигиветранаблюдаютсяотземлидовысоты 100 м.

Опасные сдвиги ветра в нижних слоях атмосферы могут сочетатсяс силными вертикалнымидвижениямивоздухаитурбулентнымипорывами, которыетакжеспособны вызват перемещениеилиброскиВСввертикалнойплоскости.

Анализлетныхпроисшествий, обусловленныхсдвигамиветра, показывает, чтосложность иопасност ситуацииопределяетсяееполнойнеожиданностюдляэкипажа.

Характерными условиями, при которых могутнаблюдатсясилныесдвиги ветра,

являются:

- развитиемощныхкучево-дождевыхоблаков (особенногрозо-градовых);

- прохождениеатмосферныхфронтов;

- образованиезадерживающихслоев;

- особенностиорографииилизастройкирайонааэродрома.

Мощныегрозовыеочагивызываютзначительныевозмущениявоздушныхпотокови

создаютвнижнихслояхатмосферычрезвычайносложнуюструктуруветра:

- сильные восходящие потоки воздуха (30. ..40 м/с);

- интенсивные нисходящие потоки в зоне выпадения ливневых осадков (10.15 м/с и более);

- фронтпорывистостипередоблаками (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Структурафронтапорывистости

Фронт порывистостипредставляет собой узкую зону резких горизонтальных и вертикальныхсдвиговветраисильнойтурбулентностивнижнихслояхатмосферы вблизи кучево-дождевыхоблаков. Возникновениеэтогофронтаявляетсяследствиеминтенсивного опусканияхолодноговоздухаподоблакомидальнейшегорастеканияеговнижнихслоях атмосферы. Сильныйнисходящийпотокхолодноговоздухаобразуетсявзоневыпадения интенсивных ливневых осадков. Этот нисходящий поток, встречая поверхность земли, расходитсявстороныотгрозовогооблака. Врезультатесложенияскоростиобщегопереноса сгоризонтальнойсоставляющейоттекающеговоздухасуммарнаяскоростьветрауземли передкучево-дождевым облаком можетрезкоувеличиваться, достигаяприэтом больших значений(шквал). Слойоттекающегохолодноговоздухатолщинойвнесколькосотенметров (до 2 км) представляетсобойбыстродвижущийсямелкомасштабныйхолодныйфронт.

ПересечениефронтапорывистостиВСвполетепредставляетбольшую опасность. Припересеченииэтогофронтамогутпроисходитьрезкиеизменениявстречноговетра. Были отмечены случаи, когдавоздушнаяскоростьВС изменяласьна 25 км/чза 2,5 сек, на 77 км/ч за 8 сек и даже на 109 км/ч за несколько секунд - при изменении ветра от встречного 64 км/чдопопутного - 45 км/ч. Наиболееопаснойявляетсяситуация, когдаснижениепо глиссадебудетосуществлятьсянавстречугрозовомуочагу, дажеесли очагудален на 10 км иболее. Вэтихусловияхкромеданныхинструментальныхизмеренийбольшое значениеприобретаетопытпилотаповизуальнойоценкескладывающейсяситуациипри выполнении посадки, атакжеегоумениеоцениватьизменениеветравпереди ВС по косвенным признакам (характер волнения на водных объектах вблизи аэродрома, “волны”, перекатывающиесяпопосевам, травяномупокровуидеревьям, полосы пыли ит.п.). Косвенным признаком наличияфронтапорывистоститакжеявляется “вирга” - видимыенафонегрозовогооблакаполосывыпадающихвпереднейчастиоблакаосадков, недостигающихповерхностиземли.

Сдвигиветраприпрохожденииуземлиатмосферныхфронтов

В пределах нижнего слоя тр°^п°сферы фронтальная зона имеет ширину 40...50 км (реже - до 100 км). В этой зоне наблюдается увеличение горизонтальных градиентов всех метеорологическихвеличин. Приэтом, чембольшеконтрастметеорологическихэлементовпо разныестороныотфронтальнойзоны, темярчевыраженаэтафронтальнаязона.

При приближении фронтальной зоны усиливается горизонтальная адвекция температуры, в пограничном слое атмосферы существенно увеличиваются средние вертикальныесдвигиветраиимеютместосогласованныевременныеизмененияскорости ветра и других метеорологических величин, которые могут продолжаться в пункте наблюдений в течение нескольких часов подряд при приближении фронта. Наиболее существенноеусилениеветравблизиповерхностиземлинаблюдаетсяв 40.50 километровой зонефронтаиможетбытьдовольнозначительным, нонепродолжительным, приэтоммогут резкоувеличиватьсятурбулентность, атакжевертикальныеигоризонтальныесдвигиветра.

Сдвигиветра, оказывающиеопасноевлияниенаполетывоздушныхсудов, образуются, как правило, в зоне активных, быстродвижущихся атмосферных фронтов, которые наблюдаютсянафонебольшихгоризонтальныхградиентовтемпературыидавления.

Исследования показали, что при прохождении холодных фронтов сильные вертикальныесдвигиветра (5 м/сиболее) внижнейчастиприземногослояатмосферы (до высоты 30 м) возникаютвосновном засчетизмененияскоростиветра, направлениеветра приэтомменяетсямало. Крометого, взонеэтихфронтовнаблюдаютсяявления, связанныес образованием кучево-дождевых облаков: горизонтальные и вертикальные сдвиги ветра, сильныевертикальныепотоки, турбулентность, фронтыпорывистости. Какправило, взоне холодных фронтов наблюдаются значительные скорости ветра, что дополнительно увеличиваетинтенсивностьсдвиговветраитурбулентности.

Взонетеплыхфронтовсильныевертикальныесдвигиветраформируютсязасчет изменениякакскорости, такинаправленияветра. Причем, всамойнижнейчастиприземного слоя (довысоты 30 м) сильныесдвигиветра (5 м/сиболее) возникают, главнымобразом, за счетрезкогоизменениянаправленияветрасвысотойвэтомслое. Сильныегоризонтальные сдвигиветра, вертикальныепотокиитурбулентностьвзонеэтихфронтов, какправило, не наблюдаются. Этообъясняетсятем, чтовзонетеплыхфронтовчастонаблюдаютсямощные инверсиитемпературы, охватывающиевесьнижнийслойтропосферы, которыеивызывают резкиеизмененияскоростиинаправленияветрасвысотойвэтомслое.

В зонефронтовокклюзиивозможны каксильныевертикальныеигоризонтальные сдвиги ветра, так и интенсивные вертикальные потоки на общем повышенном фоне турбулентностивнижнихслояхатмосферы. Резкоеусилениетурбулентности впределах нижнегослоятропосферывзонеокклюдированияпроисходитприсближениифронтальных зонхолодногоитеплогофронтов. Сдвигиветравзонефронтовокклюзииобразуютсякакза счетизменениянаправления, такизасчетизмененияскоростиветра.

Сдвигиветраприинверсияхтемпературы(рис. 2.8)

При устойчивой стратификации температуры турбулентный обмен количеством движенияповертикалиослаблен (слои “скользят” одинподругому), поэтомуслоиинверсии иизотермии, какправило, приводятксущественномурасслоению потоковповертикалии образованиюзначительныхвертикальныхсдвиговветра.

Приинверсияхуземлиможетнаблюдатьсяслабыйветер, идажештиль, втовремякак наверхнейграницеэтихслоевонможетдостигатьсущественныхзначений (10 м/сиболее) и резкоменятьсяпонаправлению. Таким образом, призаходеВС напосадкувинверсии (против ветра) обычно следует ожидать уменьшения скорости встречного ветра и “проваливание” самолетаотглиссады.

Рис. 2.8. СхемавзлетаВСприинверсияхтемпературы

Сдвигиветразасчетособенностейорографии

Вгорнойместностисильныевертикальныеигоризонтальныесдвигиветраобразуются над вершинами вследствиерезкого сгущениялиний токапри обтекании неровностей рельефаисподветреннойсторонызасчетдеформациивоздушногопотока. Наподветренных склонахимеютместотакжесильныенисходящиепотокииинтенсивнаятурбулентность.

Приоднихитехжеметеорологическихусловияхобразованиесильныхвертикальных игоризонтальныхсдвиговветравгорнойместностипроисходитчаще, чем надравниной. Приэтом чем большескоростьвоздушногопотока, обтекающегогорныепрепятствия, тем большеэффектвлияниянанегонеровностейрельефа. Даженаравнинныхаэродромахпри значительныхскоростях ветра уземли (15 м/си более) могутвозникатьсущественные сдвигиветраитурбулентностьвприземномслоеатмосферы. Этиявленияобуславливаются мелкими неровностями рельефа(овраги, склоны, небольшиехолмы), атакжекрупными строениямивблизиВПП(ангары, высокиездания, мачты, трубыит.д.). Крометого, сильные сдвигиветрачастообразуютсяпринекоторыхвидахместныхветров, вызванныхсочетанием особенностейрельефаихарактерасиноптическойситуации (бризы, бора, горно-долинные ветры).

2.6.1.