ПРОГНОЗ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ И ГОЛОЛЕДА

К числу опасных для полетов метеорологических явлений относятся обледенение ВС и гололед.

Несмотря на то, что современные самолеты и вертолеты оборудованы противообледенительными системами, при обеспечении безопасности полетов постоянно приходится считаться с возможностью отложения льда на ВС в полете.

Для правильного применения средств борьбы с обледенением и рациональной эксплуатации противообледенительных систем необходимо знать особенности процесса обледенения ВС в разных метеорологических условиях и при различных режимах полета, а также иметь достоверную прогностическую информацию о возможности обледенения. Особое значение прогноз этого опасного метеорологического явления имеет для легкомоторных самолетов и для вертолетов, которые менее защищены от обледенения, чем крупные самолеты.

Взлет и посадка самолетов существенно осложняются при отложении льда на ВПП. Гололед уменьшает сцепление колес с поверхностью ВПП, из-за чего нарушается безопасность полетов. Прогноз гололеда имеет значение и для определения возможности обледенения ВС при их стоянке на земле, так как даже небольшое отложение льда на поверхности ВС может оказаться опасным при взлете и стимулировать быстрое обледенение ВС в облаках.

Условия обледенения воздушных судов

Обледенение возникает при столкновении переохлажденных водяных капель облака, дождя, мороси, а иногда смеси переохлажденных капель и мокрого снега, ледяных кристаллов с поверхностью ВС, имеющей отрицательную температуру. Процесс обле-денения ВС протекает под воздействием различных факторов, связанных с одной стороны, с отрицательной температурой воздуха на уровне полета, наличием переохлажденных капе или кристаллов льда и с возможностью оседания на поверхности ВС. С другой стороны, процесс отложения льда обусловлен динамикой теплового баланса на обленевающей поверхности. Таким образом, при анализе и прогнозе условий обледенения ВС должны учитываться не только состояние атмосферы, но и особенности конструкции воздушного судна, его скорость и продолжительность полета.

Степень опасности обледенения можно оценить по скорости нарастания льда. Характеристикой скорости нарастания является интенсивность обледенения I (мм/мин), т. е. толщина льда, откладывающегося на поверхности в единицу времени. По интенсивности различаются обледенение слабое (7=^0,5 мм/мин), умеренное ( I = 0,6... 1,0 мм/мин) и сильное ( I > 1,0 мм/мин).

Для теоретической оценки интенсивности обледенения самолетов применяется формула [1, 123]

/= 1,67 ' 10~2 УШ> (11.1)Рл

где V — скорость полета самолета, км/ч; б—водность облака, г/м 3; Ё — полный коэффициент захвата; р — коэффициент намерзания; рл — плотность льда, г/см3.

С увеличением водности б интенсивность обледенения возрастает. Но так как не вся оседающая в каплях вода успевает замерзнуть (часть ее сдувается воздушным потоком и испаряется), то вводится коэффициент намерзания Р, характеризующий отношение массы наросшего льда к массе воды, осевшей за то же время на ту же поверхность.

Скорость нарастания льда на разных участках поверхности са молета различна. В связи с этим в формулу вводится полный коэффициент захвата частиц Е, который отражает влияние многих факторов: профиля и размера крыла, скорости полета, размеров капель и их распределения в облаке [11].

При приближении к обтекаемому профилю капля подвергается воздействию силы инерции, стремящейся удержать ее на прямой линии невозмущенного потока, и силы сопротивления воздушной среды, которая препятствует отклонению капли от траектории воздушных частиц, огибающих профиль крыла. Чем крупнее капля, тем больше сила ее инерции и больше капель осаждается на поверхности. Наличие крупных капель и большие скорости обтекания приводят к возрастанию интенсивности обледенения. Очевидно, что профиль меньшей толщины вызывает меньшее искривление траекторий воздушных частиц, чем профиль большего сечения. Вследствие этого на тонких профилях создаются более -благоприятные условия для осаждения капель и более интенсивного обледенения; быстрее обледеневают концы крыльев, стойки, приемник воздушного давления и т. д.

Размер капель и полидисперсность их распределения в облаке важны для оценки термических условий обледенения. Чем меньше радиус капли, тем при более низкой температуре она может находиться в жидком состоянии. Этот фактор оказывается существенным, если учесть влияние скорости полета на температуру поверхности ВС. При скорости полета, не превышающей значений, соответствующих числу М=0,5, интенсивность обледенения тем больше, чем больше скорость. Однако при увеличении скорости полета наблюдается уменьшение оседания капель вследствие влияния сжимаемости воздуха. Условия замерзания капель также изменяются под влиянием кинетического нагрева поверхности за счет торможения и сжатия воздушного потока.

Анализ факторов, влияющих на интенсивность обледенения, показывает, что возможность отложения льда на самолете определяется в первую очередь метеорологическими условиями и скоростью полета. Обледенение поршневых самолетов зависит в основном от метеорологических условий, так как кинетический нагрев таких самолетов незначителен. При скорости полета выше 600 км/ч обледенение отмечается редко, этому препятствует кинетический нагрев поверхности самолета. Сверхзвуковые самолеты наиболее подвержены обледенению при взлете, наборе высоты, снижении и заходе на посадку.

При оценке опасности полета в зонах обледенения необходимо учитывать протяженность зон, а следовательно, и продолжительность полета в.них. По данным [144], примерно в 70% случаев полет в зонах обледенения продолжается не более 10 мин, однако встречаются отдельные случаи, когда продолжительность полета в зоне обледенения составляет 50—60 мин. Без применения противообледенительных средств полет, даже в случае слабого обледенения, был бы невозможным.

Особую опасность обледенение представляет для вертолетов, так как на лопастях их винтов лед нарастает быстрее, чем на по верхности самолета. Обледенение вертолетов наблюдается как в облаках, так и в осадках (в переохлажденном дожде, мороси, мокром снеге). Наиболее интенсивным является

обледенение винтов вертолета. Интенсивность их обледенения зависит от скорости вращения лопастей, толщины их профиля, от водности облаков, размеров капель и от температуры воздуха. Отложение льда на винтах наиболее вероятно в диапазоне температур от 0 до —10 °С.

Прогноз обледенения воздушных судов

Прогноз обледенения ВС включает определение синоптических условий и использование расчетных методов.

Синоптические условия, благоприятные для обледенения, связаны в первую очередь с развитием фронтальной облачности. Во фронтальных облаках вероятность умеренного и сильного обледенения в несколько раз больше по сравнению с внутримассовыми облаками (соответственно 51 % в зоне фронта и 18 % в однород ной воздушной массе). Вероятность сильного обледенения в зонах фронтов составляет в среднем 18 %. Сильное обледенение обычно отмечается в относительно узкой полосе шириной 150— 200 км вблизи линии фронта у земной поверхности. В зоне активных теплых фронтов сильное обледенение наблюдается в 300— 350 км от линии фронта, повторяемость его составляет 19 .

Для внутримассовой облачности характерны более частые случаи слабого обледенения (82 %). Однако во внутримассовых облаках вертикального развития может отмечаться как умеренное, так и сильное обледенение.

Как показали исследования, повторяемость обледенения в осенне-зимний период более высокая, и на разных высотах она различна. Так, зимой при полетах на высотах до 3000 м обледенение наблюдалось более чем в половине всех случаев, а на высотах более 6000 м составило лишь 20 %. Летом до высот 3000 м обледенение, по данным [144], не отмечалось, а при полетах выше 6000 м повторяемость обледенения превышала 60 %. Подобные статистические данные могут учитываться при анализе возможности этого опасного для авиации атмосферного явления.

Кроме различия условий формирования облачности (фронтальная, внутримассовая), при прогнозе обледенения необходимо учитывать состояние и эволюцию облачности, а также характеристики' воздушной массы.

Возможность обледенения в облаках в первую очередь связана с температурой окружающего воздуха Т— одним из факторов, определяющих водность облака. Дополнительную информацию о возможности обледенения несут данные о дефиците точки росы Т— Та и характере адвекции в облаках. Вероятность отсутствия обледенения в зависимости от различных сочетаний температуры воздуха Т и дефицита точки росы Т — Т в можно оценить по следующим данным:

Т °С........................ 0. . . -7..-8. . . -15..-16. . . -29 <—25Т-Тd °C................... >2 ≥3 >4 Любое значениеВероятность отсутствияобледенения, % . . . 80 80 90 90

Если значения Т находятся в указанных пределах, а величина Т-Тd °C меньше соответствующих критических значений, то можно прогнозировать слабое обледенение в зонах нейтральной адвекции или слабой адвекции холода (вероятность 75 %); умеренное обледенение — в зонах адвекции холода (вероятность 80 %) и в зонах развивающихся кучевых облаков.

Водность облака зависит не только от температуры, но и от ха рактера вертикальных движений в облаках, что позволяет уточнить положение зон обледенения в облаках и его интенсивность [1, 123].Для прогноза обледенения после установления наличия облачности должен производиться анализ расположения изотерм 0, —10 и -20°С Анализ карт показал, что обледенение наиболее часто встречается в слоях облачности (или осадков) между этими изотермами. Вероятность обледенения при температуре воздуха ниже —20 °С невелика и составляет не более 10 %. Обледенение современных самолетов наиболее вероятно при температуре не ниже —12 °С . Однако следует отметить, что обледенение не исключается и при более низкой температуре. Повторяемость обледенения в холодный период в два раза выше, чем в теплый.

На аэрологическую диаграмму наносится кривая значений Ти. л, определенных с точностью до десятых долей градуса по формуле (11.5), и выделяются слои, в которых Т ^ Ти. л- В этих слоях прогнозируется возможность обледенения самолета. Интенсивность обледенения оценивается с помощью следующих правил [1]:1) при Т — Т (1 = 0 ° С обледенение в облаках Аз, N5 (в виде изморози) будет от слабого до умеренного; в 31, 5с и Си (в виде чистого льда) —умеренное и сильное;2) при Т — Та > О °С в чисто водяных облаках обледенение маловероятно, в смешанных — преимущественно слабое, в виде изморози.

Применение этого метода целесообразно при оценке условий обледенения в нижнем двухкилометровом слое атмосферы в случаях хорошо развитых облачных систем с малым дефицитом точки росы.

Интенсивность обледенения самолета при наличии аэрологических данных можно определить по номограмме, представленной на рис. 11.3. Здесь отражена зависимость условий обледенения от двух легко определяемых на практике параметров — высоты нижней границы облаков #нго и температуры Гнго на ней. Для скоростных самолетов при положительной температуре поверхности самолета вводится поправка на кинетический нагрев: по рис. 11.1 определяется та отрицательная температура окружающего воздуха, которая соответствует нулевой температуре поверхности; затем находится высота расположения этой изотермы. По-лученные данные используются вместо величин Г Нго и #нго-Применять график рис. 11.3 для прогноза обледенения целесообразно лишь при наличии фронтов или внутримассовой облачности большой вертикальной мощности (около 1000 м для 51, 5с и более 600 м для Ас). Умеренное и сильное обледенение указывается в зоне облачности шириной до 400 км перед теплым и за холодным фронтом у поверхности земли и шириной до 200 км за теплым и перед холодным фронтом.

Оправдываемость расчетов по этому графику составляет 80 % и может быть повышена путем учета излагаемых ниже признаков эволюции облачности [1, 4].

При прогнозе обледенения самолетов с реактивными двигателями также учитывается кинетический нагрев их поверхности по графику, представленному на рис. 11.1. Для прогноза обледенения необходимо по рис. 11.1 определить температуру окружающего воздуха Т , которой соответствует температура поверхности самолета 0°С при полете с заданной скоростью V . Возможность обледенения самолета, летящего со скоростью V , прогнозируется в слоях выше изотермы Т .

Наличие аэрологических данных позволяет в оперативной практике использовать для прогноза обледенения соотношение, предложенное Годске и связывающее дефицит точки росы с температу рой насыщения надо льдом Тв.л [70, 123]:

Т » . л = - 8 ( Т - Т а ) . (П.5)

Фронт обостряется, если он расположен в хорошо оформленной барической ложбине приземного давления; контраст температуры в зоне

состояния облачности с помощью номограммы рис. 11.4. Порядок проведения расчетов показан стрелками.Следует иметь в виду, что локальный прогноз эволюции обла ков позволяет оценить лишь изменения

интенсивности обледенения. Использованию этих данных должен предшествовать прогноз обледенения в слоистообразных фронтальных облаках с помощью графика, представленного на рис. 11.3, с учетом следующих уточнений:1. При развитии облаков (сохранении их в неизменном состоянии)— в случае попадания в область I (см. рис. 11.3) следует прогнозировать умеренное до сильного обледенение, при попада нии в область II — слабое до умеренного обледенение.2. При размывании облаков — в случае попадания в область I (см. рис. 11.3) прогнозируется слабое до умеренного обледенение, при попадании в область II — отсутствие обледенения или слабое отложение льда на самолете.

Для оценки эволюции фронтальных облаков целесообразно также использовать последовательные спутниковые снимки, которые могут служить для уточнения фронтального анализа на синоптической карте и для определения горизонтальной протяженности фронтальной облачной системы и ее изменения во времени.

О возможности умеренного или сильного обледенения для внутримассовых положений можно сделать вывод на основании прогноза формы облаков и учета водности и интенсивности обледенения при полете в них.

о также принимать во внимание сведения об интенсив ности обледенения, полученные с рейсовых самолетов.

Наличие аэрологических данных позволяет определить нижнюю границу зоны обледенения с помощью специальной линейки (или номограммы), представленной на рис. 11.5а [23]. По гори зонтальной оси в масштабе аэрологической диаграммы откладывается температура, а по вертикальной — в масштабе давления отмечается скорость полета самолета (км/ч). По данным

ЬУ/*г/см2