Вероятность попадания молнии в самолет

Автор статьи: инженер бригады безопасности полёта, специалист по надёжности и безопасности техники, Ирина Борисовна Лепеева.

Обозначения и сокращения

БЛА – беспилотный летательный аппарат
ВС – воздушное судно
ЛА – летательный аппарат
УМ – удар молнии

Введение

Данная статья посвящена вопросу как оценить вероятность попадания молнии в самолет.

Авиация находится в большой зависимости от погодных условий, так как вся ее деятельность происходит в атмосфере. В полете на самолет оказывают влияние температура, давление воздуха, направление и скорость ветра, количество, характер и высота облаков, осадки. От условий погоды зависит безопасность полетов, под которой понимают состояние, при котором риски, связанные с авиационной деятельностью, относящейся к эксплуатации воздушных судов или непосредственно обеспечивающей такую эксплуатацию, снижены до приемлемого уровня и контролируются. Обеспечение безопасности полетов является важнейшей задачей, направленной на снижение числа авиационных происшествий и инцидентов.

Причины опасности попадания разряда молнии в ВС

Проблемы, связанные с взаимодействием атмосферного электрического разряда с движущимся летательным аппаратом, возникли с появлением авиации. Попадание молний в воздушные суда может привести к авиационным происшествиям и инцидентам. Но так как все современные модели пассажирских и военных самолетов имеют защиту от удара молнии в обшивку, то чаще имеют место инциденты, связанные с электрическими разрядами на воздушное судно в полете. На рис.1 показаны пути тока молниевого разряда при различных вариантах входа и выхода [1].

Рис. 1 Пути тока молниевого разряда при различных вариантах входа и выхода

По статистике, вероятность попадания молнии в самолет достаточно велика. Современный авиалайнер встречается с молнией в среднем каждые 2000–3000 часов полета [2]. К наиболее частым последствиям попадания электрических разрядов в воздушные суда относятся (рис. 2): повреждение обтекателя радиолокационной станции, обгорание электрических разрядников, повреждение двигателя, оплавление обшивки воздушного судна.

Рис. 2 Места повреждений воздушных судов в результате попадания электрических разрядов

Наиболее подвержены ударам молний концевые участки ЛА: носовая часть, законцовки консолей крыла, руля высоты и стабилизатора, антенны, гондолы двигателей и т. п. В связи с тем, что воздействие молнии на поверхности летательного аппарата неодинаково, всю поверхность планера условно подразделяют на три зоны. Зона А (зона прямых разрядов молнии) - это поверхности ЛА, для которых существует высокая вероятность первоначальных (прямых) разрядов молнии и на которые воздействуют токи с максимальными параметрами (I=200 кА, Q = 200 Кл); Зона В (зона смещающихся или скошенных разрядов) – это поверхности ЛА, для которых существует высокая вероятность перемещения разрядов из зоны 1. Интенсивность токов молнии в этой зоне несколько ниже, чем в зоне А (I=200 кА, Q = 20 Кл). Зона С - поверхности ЛА, не вошедшие в зоны А или В.

При поражении молнией металлических конструкций, повреждения носят, как правило, локальный характер и имеют вид кратеров или сквозных отверстий, образующихся в результате плавления или сублимации сплавов. Например, дюралевая обшивка толщиной 1 мм при прямом попадании молнии получает повреждения в виде сквозного отверстия диаметром 6 мм.

В отличие от металлов (рис. 3, 4), углепластик получает повреждения в виде сквозного пробоя (рис. 5), расщепления и растрескивания на десятки сантиметров от канала разряда, эрозии и расслоения материала и, как следствие, отрыв слоев в потоке воздуха при полете. Такой характер разрушения объясняется термической природой процесса, обусловливающей взрыв материала продуктами деструкции связующего [3].

Рис. 3 Поражаемость молнией конструкции планера ВС в полете

Рис. 4 Соотношение материалов конструкции ВС на примере SSJ и МС21

Рис. 5 Поражение углепластика током молнии

В России подобные испытания на поражения конструкции молнией проводит ООО Элемком, Санкт-Петербург.

Воздействуя на металлические элементы конструкции, молния может быть причиной таких визуально наблюдаемых электротермических воздействий, как проплавление, эрозия в зоне воздействия разряда, прожоги, оплавление головок соединительных элементов, в первую очередь заклепок, с потерей ими служебных свойств [4, 5]. Также существует электромеханическое воздействие, в результате которого происходит образование вмятин на обшивке, загибов консольных элементов; перегрузка заклепок и других соединительных элементов в результате возникающих в обшивке волн напряжений. Если вовремя не выявить повреждения такого рода, это может привести к отказам авиационной техники. Попадание молнии в двигатель может стать причиной нарушения его работы. Проблема остаточной намагниченности элементов конструкции воздушного судна, возникающая в результате воздействия молнии, зачастую делает неработоспособными целые системы навигационного комплекса. Однако диагностировать и устранить такие повреждения достаточно трудно.

Поражение воздушного судна в полете электрическими разрядами связано с электрическими свойствами атмосферы: находящиеся в воздухе пылинки, капли сконденсированной влаги, частицы осадков, кристаллы льда и другие имеют электрический заряд, поэтому самолеты в полете электризуются. Электрические свойства облаков, осадков, а также характеристика самого самолета и режим полета способствуют электризации самолетов. Электрические свойства облаков и осадков связаны с их фазовым состоянием (капли, кристаллы), формой, размерами, концентрацией в единице объема, электрическим зарядом частичек и напряженностью электрического поля в окрестностях облаков. Также влияние оказывают особенности конструкции воздушного судна, материал покрытия, тип двигателей и параметры статических стекателей. На рис. 6 показано влияние свойств облаков на величину заряда, приобретаемого самолетом [1]. Каждый вид облаков характеризуется некоторой статистической кривой. В облаках конвективных форм – ливневых и мощных кучевых – создается наибольшая вероятность приобретения большого заряда, однако вероятность приобретения заряда существует также и в слоисто-дождевых и – в меньшей степени – в слоистых облаках.

Рис. 6. Кривая интегральной вероятности приобретения самолетом заряда больше указанной величины

На электризацию воздушного судна существенное влияние оказывает микроструктура облаков. Таким образом, чем больше в облаке кристаллов, а не жидкой воды, тем сильнее электрические токи, заряжающие самолет. Поэтому мощно-кучевые, кучево-дождевые и плотные слоисто-дождевые облака являются наиболее опасными видами облачности для авиации. Во время полета самолета в высокослоистых и перисто-слоистых облаках также может произойти сильная электризация самолета. В облаках большой вертикальной протяженности обычно наблюдается повышенная электризация самолетов.

Методы расчета вероятности поражения разрядом молнии ВС в полете

Электризация самолета – сложный и неоднородный процесс, так как в полете самолет одновременно приобретает электрический заряд и теряет его. Величина электрического заряда на самолете зависит от состояния токов, заряжающих и разряжающих самолет. Заряд Z на самолете появляется главным образом в результате взаимодействия частиц облаков и осадков с поверхностью самолета Zpov и взаимодействия частиц несгоревшего топлива с материалом выхлопной системы двигателя Zdv, однако данной причине не придают большого значения.

Стекание заряда с поверхности самолета C (разряд) происходит за счет проводимости горячих выхлопных газов Cvg, срыва частиц облака или осадков с поверхности самолета Cpov и коронного разряда Ckr.

Разница в скоростях заряда и разряда самолета обусловливает величину электрического заряда, оставшегося на самолете после его посадки.

Наибольшая вероятность попадания молнии в самолет чаще всего наблюдается в условиях грозовой деятельности, реже в условиях кучево-дождевой облачности без грозы, а также в условиях слоистой облачности. Таким образом, вероятность электрического разряда на воздушное судно в полете при различных атмосферных условиях будет определяться выражениями:

– в грозу:

– в кучево-дождевой облачности:

– в слоистой облачности:

Где:

Ppvg – вероятность попадания в область грозы;
Pumvg – вероятность электрического разряда (УМ) на ВС в грозу;
Ppvkdo – вероятность попадания в область с кучево-дождевой облачностью;
Pumvkdo – вероятность электрического разряда (УМ) на ВС в кучево-дождевой облачности;
Ppvso – вероятность попадания в область со слоистой облачностью;
Pumvso – вероятность электрического разряда (УМ) на ВС в слоистой облачности.

Вероятности попадания в область грозы или облачности рассчитываются как геометрические (площадные) вероятности.

Метод расчета вероятности удара молнии на ВС в области грозы или облачности представлен в работе [6]. В данном исследовании использовался теоретический расчетно-аналитический метод. Анализ проводился на примере ВС, совершающих полеты на территории России.

Территория России достаточно велика, вследствие чего на ней наблюдается значительная неоднородность климатических и геофизических условий (как естественных, так и обусловленных антропогенным воздействием). Поэтому факторы, определяющие образование и развитие конвективных облаков, значительно меняются по территории России [7]. Согласно статистическим показателям грозовой активности максимальное число гроз приходится на летние месяцы, а также на последний месяц весны и первые месяцы осени [7].

Если проанализировать время возникновения гроз в течение суток, то примерно 60 % от общего числа гроз фиксируется после полудня. Из анализа географии полетов видно, что большая доля проходит в границах основной полосы расселения России, которая находится в умеренных широтах. В умеренном климатическом поясе России во время сильной грозы за 1 час отмечается до 500 молний.

В Европейской части России и на территории Западно-Сибирской равнины образование гроз связано с циклонами и их фронтами, причем грозы развиваются преимущественно на холодных фронтах (70 %). Если проранжировать территорию России по среднему количеству дней с грозой, то лидерами являются территории Северно-Кавказского, Центрально-Черноземного районов (в среднем 30 дней). 26 – 27 дней с грозой – в Поволжье (преимущественно в Верхнем и Среднем), на юге Западно-Сибирской равнины, в Центральном экономическом районе, на Юге Уральского района. Наименьшее количество грозовых дней характерно для территории с резко континентальным типом климата, например, в Красноярском крае – 18 дней, республике Саха (Якутия) – 9 дней.

В настоящее время нет строгой теории грозы как феномена атмосферного электричества, поэтому проводятся только оценочные расчеты возможности возникновения разрядов молнии в цепочке облако-воздушное судно-земля. Для оценки опасности влияния разрядов атмосферного электричества в данной работе были проведены расчеты вероятности поражения молнией различных ВС при полете в условиях грозовой облачности. В качестве исходных данных использовались летно-технические характеристики ВС, представленные в таблице 1, и характеристики грозовых облаков (таблица 2). В качестве объектов выступали 8 самых распространенных ВС гражданской авиации (от региональных до дальнемагистральных) и «VeryLargeAircraft» (VLA).

В общем случае вероятность попадания молнии в самолет при полете в различных условиях грозовой облачности можно рассчитать по формуле:

где:

Lm – длина главного канала молний;
Ifk, Iff – эффективный характерный размер ВС(крыла и фюзеляжа);
d0 – длина облака в направлении движения ВС;
ω0 – объем облака;
v – скорость полета ВС;
T – интервал времени, через который повторяются в данном облаке молнии.

При полете ВС накапливает на себе значительный электрический заряд. Поэтому lfk и Iff. ≈ 10 lс , где lc – характерный размер ВС (длина, размах крыла).

Установлено, что при проходе наиболее распространенных одноячейковых грозовых облаков вероятность поражения молнией невелика, но пролет через данный вид грозовых облаков создает угрозу безопасности полёта для широкофюзеляжных дальнемагистральных самолетов. Однако, доля эксплуатируемых ВС данного типа значительно меньше, чем ближне- и среднемагистральных.

Наиболее серьезную опасность представляет выполнение полетов ВС всех типов в условиях суперячейковых облаков. Более 50 % повреждений и отказов вследствие воздействия разрядов, как показывает анализ авиационных происшествий, приходится на авиационное и радиоэлектронное оборудование (отказы УКВ-радиостанций, радиолокатора, радиокомпаса из-за пробоя кабелей антенно-фидерных систем, нарушения изоляции монтажных проводов, выгорания штепсельных разъемов и т.д.) [8]. Вероятность поражения молнией зависит от геометрических размеров ВС, напряженности электрического поля и вида облачности.

Чтобы уменьшить вероятность попадания молнии в самолет, а соответственно, уменьшить вероятности возникновения авиационных происшествий и инцидентов, необходимо располагать точными данными о метеорологический обстановке в районе аэродрома вылета и посадки. При анализе и оценке метеорологической обстановки в районе полетов и для обеспечения безопасности полета экипажу самолета или наземным операторам БЛА необходимо использовать данные метеорадиолокационных наблюдений.

Кроме того, мы совместно разработали математическую модель в Excel для расчёта вероятности попадания молнии в воздушное судно (будь то самолёт, вертолёт, беспилотник, квадрокоптер) в зависимости от его размеров, параметров движения и метеорологической обстановки.

Модель запускается на любом компьютере, где установлен Excel. Математическая модель снабжена поясняющими комментариями и примерами расчётов, всё что от вас требуется, это ввести свои исходные данные, дальше Excel сделает всё за вас.

Стоимость математической модели: 200000 рублей. По вопросам приобретения обращаться по официальным контактам.

Список используемой литературы и информационных источников

1. Зосимов В.М. Средства и методы противомолниевой защиты самолетов / Б.В. Зубков, С.К. Камзолов, М.Г. Голубева, С.А. Тепнадзе. Тбилиси: Профиздат, 1999.
2. Молниезащита самолетов [Электронный ресурс]. URL: http://www.bezpeka-plus.com.ua/news/molniezashhita-samoletov
3. Молниезащита и встроенный контрлль для конструкций из ПКМ, ВИАМ/2013-ТР-04-11св
4. Камзолов С.К. Основные поражающие факторы при воздействии молнии на воздушное судно. Обеспечение безопасности полетов в сложных метеоусловиях: межвузовский сборник научных трудов. М.: МГТУ ГА, 1996. С. 3-8
5. Камзолов С.К. Учет неоднородности канала молнии в модели ее электромеханического воздействия при ударе в обшивку воздушного судна // Научный вестник МГТУ ГА. 2009. № 140. С. 66-73
6. Шуреков В.В., Самохина С.С., Мухунова Ю.В., Аксенова М.Ю. — Расчет вероятности поражения молнией воздушных судов при полете в условиях грозовой облачности на территории Российской Федерации // Вопросы безопасности. – 2019. – № 1. – С. 51 – 58
7. Веремей, Н. Е. Исследование ливневой и грозовой активности на территории России с использованием численной модели конвективного облака и данных реанализа / Н. Е. Веремей, Ю. А. Довгалюк, С. В. Ефимов, А. М. Носова, А. А. Печенкин // Метеорология и гидрология. – 2013. – № 1. – C. 32–43.
8. Информация по безопасности полетов № 12 от 19.07.2016 № 4.02-285. Министерства транспорта Российской Федерации. Федеральное агентство Воздушного транспорта.
9. А.Л. Рыбалкина, А.С. Спирин, Е.И. Трусова - Уменьшение влияния неблагоприятных внешних условий в аэропортах местного значения. Научный вестник МГТУ ГА, Том 21, №03, 2018