Турбулентность: почему самолет трясет и стоит ли этого бояться

Вы летите на отдых. За окном облака, стюардессы развозят еду. Вдруг чашка начинает дрожать на подлокотнике, живот ощущает провал, а самолет мелко вибрирует. Знакомо? Это турбулентность. О том, что это такое, «Моей Планете» рассказал доцент кафедры «Аэродинамика, динамика и управление летательных аппаратов» Московского авиационного института, кандидат технических наук Михаил Тяглик.

Что такое турбулентность

Английский механик, физик и инженер Рейнольдс в своих исследованиях обратил внимание на то, что при увеличении скорости потока в воздушной среде появляются хаотические образования волнового и вихревого характера. Такое поведение приводит к перемешиванию слоев воздуха. Это и называется турбулентностью. 

Проще говоря, это когда воздух вместо плавного обтекания начинает крутиться и толкать самолет в разные стороны.

Различают два вида турбулентности — мелкомасштабную и крупномасштабную.

Мелкомасштабная возникает, когда воздух обтекает препятствия, например само тело самолета, или при переходе от ламинарного (ровного) течения к вихревому.

Крупномасштабная связана с атмосферными явлениями: когда огромные массы воздуха движутся неравномерно друг относительно друга, это создает интенсивную «завихренность». Сюда входят вертикальные потоки от нагрева земли, зоны у атмосферных фронтов и так называемая турбулентность ясного неба.

Что такое турбулентность ясного неба

Это самый коварный вид. Небо чистое, нет ни гроз, ни облаков, но самолет внезапно начинает трясти. Главная особенность — такая турбулентность образуется в спокойном окружающем потоке, и у нее нет видимых признаков.

«Горизонтальные размеры такой зоны могут достигать от нескольких километров до нескольких сотен километров, — уточняет Михаил Тяглик, — а вертикальные размеры чаще всего не превышают одного километра».

Именно потому, что явление сложно прогнозировать и невозможно увидеть заранее, пилоты не успевают предупредить пассажиров. Непристегнутые люди получают травмы, ударяясь о потолок или сиденья. Яркий пример – рейс «Аэрофлота» SU270 Москва — Бангкок 1 мая 2017 года, когда пострадали 27 человек.

При проектировании самолетов закладывают прочность в полтора раза выше необходимой, но и этого иногда не хватает. 5 марта 1966 года у горы Фудзи разрушился Boeing 707 именно из-за сильной турбулентности ясного неба.

Почему возникает турбулентность

Воздух — живая среда. Его слои отличаются по температуре, скорости и направлению. Когда они сталкиваются, начинается турбулизация — это процесс, связанный с возникновением и развитием турбулентности в потоке жидкости или газа. 

Михаил Тяглик перечисляет главные причины:

1. Трение воздушных потоков о земную поверхность.
2. Неравномерный прогрев подстилающей поверхности, например поле и лес греются по-разному.
3. Процессы облакообразования: когда образуются облака, выделяется тепло конденсации и кристаллизации.
4. Взаимодействие воздушных масс с разными характеристиками вблизи атмосферных фронтов и высотных фронтальных зон.
5. Изменение воздушных течений, когда они встречают горные препятствия.

Отдельно стоит сказать о струйных течениях. Они расположены вблизи высоты тропопаузы — слоя, где температура резко понижается. В наших широтах течения проходят на высотах 8–10 км. Это западные ветры, которые дуют с запада на восток, а их скорость может достигать 300 км/ч.

«Если самолет пересекает такое течение в попутном направлении, — поясняет эксперт, — скорость самолета относительно воздуха уменьшается, что приводит к резкому уменьшению подъемной силы крыла и быстрой потере высоты. Это явление и называют "воздушными ямами"».

Где чаще всего возникает турбулентность

Чаще всего турбулентность ожидают в нескольких зонах: над высокогорьями, океанами, на экваторе и при попадании в струйные течения.

Многие пассажиры удивляются, почему над морем трясет особенно сильно. У этого есть несколько причин.

Большая разница температур. Вода нагревается и остывает медленнее, чем суша. В прибрежных зонах возникает резкий переход между теплым воздухом над сушей и прохладным над морем — это создает сдвиг ветра (скорость ветра меняется с высотой) и турбулентные потоки. Особенно заметно явление утром и вечером, когда разница температур максимальна.

Собственные атмосферные процессы. Над открытым морем формируются локальные грозы и термические аномалии из-за теплых течений, например Гольфстрима.

Струйные потоки. Многие трансатлантические и транстихоокеанские маршруты проходят над океанами именно в зонах сильных струйных течений. А они, как мы помним, часто вызывают турбулентность ясного неба.

Отсутствие подсказок. Над морем нет гор или крупных объектов, которые могли бы подсказать пилотам о возможных зонах турбулентности. Экипаж полагается только на метеорологические данные и бортовые радары, но радары не видят турбулентность ясного неба. 

Крупные атмосферные системы. Циклоны и тайфуны рождаются именно над океанами и создают обширные зоны турбулентности.

Насколько опасна турбулентность

Когда самолет попадает в турбулентную зону, с ним происходит несколько вещей: меняется скорость полета, углы атаки, крена и тангажа, возникают перегрузки — то самое ощущение, когда пассажиров подбрасывает вверх или прижимает к креслу.

Сильная турбулентность влияет на износ отдельных деталей и агрегатов. Однако, как подчеркивает Михаил Тяглик, при соблюдении пассажирами рекомендаций пристегнуть ремни, это не приводит к возникновению ситуаций, опасных для жизни и здоровья.

Особое внимание — взлету и посадке. На этих этапах от пилота требуется высокая квалификация и мастерство. Многие видели на видео, как самолет заходит на посадку «боком» и в последний момент перед касанием полосы разворачивается носом по курсу. Это происходит при боковом ветре: поток воздуха сносит самолет с линии посадки, и пилот компенсирует снос, поворачивая машину в сторону ветра. Перед самым приземлением он выравнивает курс, чтобы не повредить шасси и резину на пневматиках (так называют колеса) и не допустить пробега со скольжением.

Самый опасный случай — вертикальные нисходящие потоки. Вот как описывает эту ситуацию Михаил Тяглик:

«Такой поток "ударяется" о землю и расходится в разные стороны вдоль земной поверхности. Подлетая к такому явлению, самолет встречается со встречным ветром. Скорость самолета относительно воздуха возрастает, возрастает и подъемная сила крыла. Пилот для удержания самолета на заданной высоте переводит его на снижение и уменьшает тягу двигателя. После этого с отданным "от себя" на снижение штурвалом и уменьшенной тягой самолет попадает в сильный нисходящий поток, быстро теряет высоту, а преодолев поток, попадает в попутный ветер. Скорость относительно воздуха резко падает, крыло теряет подъемную силу, что вместе с уменьшенной до этого тягой может привести к критическому снижению высоты».

На крейсерских эшелонах правила разрешают пилотам управлять самолетом в ручном или совмещенном режиме не более 30 минут — и только для подтверждения квалификации. При попадании в сложную ветровую обстановку включают табло «Пристегните ремни» и ждут, пока самолет преодолеет зону турбулентности.

Отдельная тема — вихревой след впереди летящего самолета. Если на эшелоне ранее пролетел другой лайнер, на пути может встретиться его вихревой след. В центре следа наблюдается сильный нисходящий поток; при попадании в него можно потерять сотни метров высоты. На эшелоне пилоты не вмешиваются в управление без особой необходимости. А вот при заходе на посадку диспетчер предупредит о таком следе заранее. Тогда экипаж выполнит заход на повышенной скорости и с большим углом наклона траектории, чем обычно.

Современные самолеты проходят строгие испытания на прочность и устойчивость к нагрузкам. Их конструкция учитывает все возможные аэродинамические воздействия, включая турбулентность. Расчетная нагрузка на самолет (например, при жесткой посадке) значительно превышает нагрузки от обычной болтанки. Но когда горит табло «Пристегните ремни», надо пристегнуться.