CC BY
223
УДК 629.735.33.551
ОБ ОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ В ГРОЗУ (ВЕРСИИ ДВУХ КАТАСТРОФ)
С.К. КАМЗОЛОВ, А.В. САМОХИН
В статье приведены версии двух авиакатастроф, которые связаны или могут быть связанными с поражением самолётов молнией. Рассмотрены основные поражающие факторы при ударе молнии в воздушное судно.
Ключевые слова: авиакатастрофа, молния, поражающие факторы.
Причины гибели над Атлантикой аэробуса А-330, летевшего рейсом 447 AirFrance Рио-де-Жанейро - Париж, до сих пор обсуждаются во всём мире, в первую очередь специалистами. Расшифровка самописцев при первом изучении не подтвердила главную первичную версию катастрофы - поражение самолета молнией, хотя самолет никак не мог миновать грозовой фронт, который растянулся тогда во всю ширину океана - от Южной Америки до Северной Африки. (Пока основной причиной назван отказ измерителей скорости из-за обледенения трубок Пито и вызванные этим неадекватные действия экипажа.) Однако даже сама версия участия молнии в трагедии вновь резко усилила в мире внимание к проблеме опасности полётов в зонах электрической активности атмосферы.
Все специалисты в один голос говорят, что любой современный лайнер защищен - "укус" молнии не мог стать смертельным. Например, незадолго до этого случая молния угодила прямо в Воет§-747 при взлете в аэропорту Гонконга. Но полет благополучно продолжился. Пассажиры и не догадываются, что практически в каждый самолет в течение года попадает молния. И это в подавляющем большинстве случаев не приводит к катастрофе. Тем не менее, таковые случаются.
При обсуждении «по горячим следам» упомянутой трагедии над Атлантикой в одной из передач «Вести недели» на телеканале «Россия» пилот 1-го класса Д. Барилов рассказал, что "лет 20 тому назад в Советском Союзе учебный самолет Ту-134 попал над Луганском в центр грозового облака. А облако было мощнейшее. И самолет оттуда вылетел по кусочкам, то есть развалился".
Попытаемся разобраться и сформулируем версии такого типа катастроф. А заодно покажем, что причиной отказа измерителей скорости борта 447 над Атлантикой мог стать и разряд молнии.
Рассмотрим в связи с этим основные поражающие факторы молнии.
Электротермическое воздействие молнии на металлические элементы конструкции вызывает такие визуально наблюдаемые повреждения, как проплавление, эрозию в зоне воздействия разряда, прожоги и т.п. Исследования показывают, что сильноточная (с амплитудой тока в десятки-сотни килоампер), но короткая (десятки микросекунд) составляющая тока молнии не вызывает сильной эрозии материала. Например, на обшивке воздушного судна (ВС) глубина эрозионного кратера не превышает 1 мм [2]. Воздействие постоянной составляющей тока молнии (сила тока - сотни ампер, длительность - до 1 секунды) приводит, главным образом, к структурным изменениям материала конструкции в зоне термического воздействия, которые существенно влияют на ее живучесть. В зоне кратера обнаруживается пористая структура с крайне низкими прочностными свойствами, а также сеть трещин, длина которых может достигать 5-6 мм. Измерение микротвердости материала Д16АТ вне зоны оплавления показывает, что на глубину до 1,5 мм от границы расплава прочность материала снижается на величину до 30% от исходной [4]. Здесь главная опасность - вероятность взрыва паров топлива при ударе в топливный бак [2].
Скрытые дефекты в зоне эрозионных кратеров являются основной причиной снижения остаточной прочности элементов конструкции. Остаточная статическая прочность образцов металлической обшивки ВС после воздействия разрядом, воспроизводящим импульсную компоненту тока молнии, составляет 80-85% от номинала, а после воздействия постоянной составляющей - всего 60-70%. Сеть трещин в зоне эрозионных кратеров существенно снижает цик-
лическую прочность и усталостную долговечность материала поврежденных молниеи элементов конструкции. Например, при повреждении разрядом стержневых элементов конструкции диаметром 8-10 мм запас усталостноИ прочности снижается в 1,5-1,7 раза, а ресурс - в 50-70 раз после воздействия импульсной компонентой молнии. У образцов обшивки обнаружено снижение ресурса в 4,5-5 раз при воздействии импульсной составляющей молнии и в 10-20 раз -при воздействии постоянной составляющей (в зависимости от величины протекшего заряда). Однако на практике измерение величины протекшего заряда трудно осуществимо. Но с этой величиной связан размер зоны оплавления. Остаточный ресурс (N - число циклов) после поражения постоянной составляющей для обшивки из материала Д16АТ толщиной 2 мм связан с размером зоны оплавления d (м) и максимальным напряжением отнулевого цикла om3X (Па) следующим соотношением [2]
N = 1,8 • 105 -s“3 85 • d_3’5.
ост ’ max
При поражении самолетов молнией практически всегда наблюдается оплавление головок заклепок с потерей ими служебных свойств. Кроме прямого воздействия молниевого разряда существует эффект перегрева в зоне контактных поверхностей заклепки и элемента конструкции.
Электромеханическое воздействие молнии, следствием которого является образование вмятин на обшивке, загибов консольных элементов (известны случаи загиба лопастей винтов ТВД) и т.п. деформаций, обусловлено действием пондеромоторных сил, рождаемых взаимодействием тока в канале молниевого разряда с токами, растекающимися по металлическим конструкциям ВС. Основную роль в механизме повреждения играет при этом импульсная компонента, и степень повреждения определяется амплитудой тока молнии 1о. Существует критерий стойкости элементов конструкции к образованию деформаций [1]
Iп
Ka = -f.
Ml
[s]
Ь\
где Ь - характерный размер элемента конструкции; /ло - магнитная постоянная; [а] - предельное напряжение (например, предел текучести материала). Расчетное критическое значение критерия для листовых элементов конструкции Какр ~ 3,3, что согласуется с экспериментом.
Механическое воздействие на элементы конструкции оказывает и ударная волна от молнии: на расстоянии 1 м перепад давления на фронте волны может достигать нескольких сот атмосфер [2].
Очень опасными как при электромеханическом воздействии, так и при воздействии ударной волны являются перегрузки заклёпок и их надрыв в результате возникающих в обшивке при ударе молнии волн механических напряжений. Невыявленные повреждения такого рода проявляются при последующей эксплуатации ВС в виде отказов вплоть до отрыва элементов обшивки [2].
Существенное усиление механического воздействия на обшивку происходит при наличии на ней влаги и особенно льда. Экспериментальные исследования показывают [2], что глубина вмятины к на образцах обшивки из материала Д16АТ толщиной 1,4 мм при воздействии разрядом с амплитудой тока 60 кА в зависимости от толщины льда 3 составляет величину
кв = 0,9д015 (мм).
При наличии воды глубина вмятины в 2-3 раза меньше, чем со льдом. С учетом упругой составляющей деформация обшивки может достигать величины, опасной не только для самой обшивки и элементов её крепления, но и для оборудования и коммуникаций, расположенных непосредственно под обшивкой.
К наиболее опасным последствиям воздействия молнии на ВС следует отнести нарушение работы их двигателей вплоть до отказа. По отечественным данным до 6% случаев поражения ВС молнией сопровождается нарушением газодинамической устойчивости двигателей, причем 11 из 12 таких случаев приходится на двигатели, расположенные в хвостовой части фюзеляжа. В четверти из этих случаев возникает опаснейшее явление - помпаж. Как указывалось выше, избы-
точное давление на фронте ударной волны может достигать сотни атмосфер при амплитуде тока молнии 200 кА, что опасно в сочетании с относительно большой длительностью импульса. Однако вероятность встречи ВС с такими молниями не превышает 10 %. Результаты сравнения согласуются с приведенной выше статистикой отказов двигателей при поражении ВС молнией [3].
Для насыщенного электроникой и вычислительной техникой ВС чрезвычайно опасны наводки перенапряжений. В незащищенных сетях уровень наводок от молниевого разряда может достигать нескольких киловольт [2].
Одним из серьезных поражающих факторов молнии является остаточная намагниченность элементов конструкции ВС, которая зачастую делает неработоспособными целые системы навигационного комплекса. Известны случаи, когда из-за невозможности устранить намагниченность ВС подлежало списанию.
Приведенный вариант классификации практически исчерпывает основные поражающие факторы молнии при поражении ею ВС (за исключением воздействия на экипаж и пассажиров).
Итак, сформулируем теперь нашу версию процесса разрушения самолета Ту-134 под Луганском при его попадании в мощную грозовую зону. Конечно, сам удар молнии не может развалить конструкцию самолета, только если не ударит в топливный бак (да и то, вероятность взрыва паров топлива при таком ударе невелика). Но грозовой очаг - это ещё и зона мощнейшей турбулентности. Она-то и играет основную роль непосредственно в процессе разрушения. Но без молнии самолет должен был выдержать перегрузки, связанные с сильнейшей болтанкой: он на такое рассчитан. А вот совместного воздействия ударов молнии и турбулентности самолет может не вынести. Плюс ещё возможность наличия воды на его поверхностях и большая вероятность обледенения.
Представим себе цепочку негативных событий в этой обстановке: силовой элемент под действием сильнейшего порыва тяжелого влажного воздуха испытывает колоссальную перегрузку, а в этот момент в эту же зону бьёт мощный разряд, создавая дополнительную импульсную нагрузку, связанную как с пондеромоторными силами в проводящих элементах конструкции, так и с ударной волной. Плюс вызванная разрядом волна изгибных напряжений, которая при достижении заклёпочного ряда запросто может его срезать. (Известен случай поражения под Ереваном самолета Ту-154, который после удара молнии с трудом сел без целой панели обшивки на крыле. Совершенно очевидно, что крепление панели было разрушено, а набегающий поток воздуха завершил её отрыв.) Наличие на поверхности планера воды, а ещё хуже - обледенения, как показано выше, может многократно усилить нагрузки непосредственно от удара молнии.
Но даже если самолет выдержал такое однократное совместное воздействие молнии и турбулентности, он вышел из такой атаки явно ослабленным: как было сказано выше, в результате механического и особенно термического воздействия остаточный ресурс повреждённых элементов конструкции существенно снижается.
Для подтверждения этого теоретически очевидного факта одним из авторов в своё время было проанализировано несколько тысяч карточек всех зафиксированных отказов элементов конструкции планера самолета Ту-154 по всему парку Аэрофлота за один год [5]. Выяснилось, что частота отказов элементов конструкции планера самолетов, ранее поражавшихся молнией, устойчиво выше частоты отказов непоражавшихся самолетов (весь планер - на 24%, фюзеляж + оперение - на 43%, крыло - на 15%). Тот факт, что относительная частота отказов для крыла ниже относительной частоты отказов для остальной части конструкции, согласуется с известными данными ГосНИИ ГА, по которым крыло вдвое реже поражается молнией, чем остальная часть планера.
И хорошо, если атака молнии в условиях мощной турбулентности единственная, самолет выходит из опасной зоны и может благополучно завершить полет. А если самолет «ослеп» в грозовом очаге и полез в самое его ядро? Он, ослабленный, с большой вероятностью будет атакован ещё и ещё...
Мы думаем, читатель, Вы сами теперь представили себе, что могло случиться с Ту-134 под Луганском. Поэтому Наставление по производству полетов требует от пилота обхода грозовой зоны на расстоянии не менее 15 километров от очага. А когда идут два очага, он может пройти
в «окно» между ними, если расстояние между очагами не менее 50 километров. В противном случае - на запасной аэродром. У А-330, летевшего рейсом 447, похоже, «окно» было, ведь за 15 минут до него фронт вполне благополучно миновал другой лайнер - Lufthansa. Но, судя по всему, прямо перед 447-м «окно захлопнулось».
Почему же у А-330 отказали измерители скорости? Официальная версия, как уже было сказано - обледенение трубок Пито. Но имеет право на жизнь и наша версия: всё-таки самолёт не избежал удара молнии, и либо из-за наводок от неё была повреждена электронная часть измерителя, либо из-за остаточной намагниченности ферромагнитных деталей, находящихся около электроцепей измерителя, он стал «врать», как у Жюля Верна судовой компас при наличии под ним топора. О том, что электроника аэробуса могла выйти из строя, говорят автоматические сигналы, которые перед гибелью отправил самолет. В любом случае пилоты не имели достоверной информации о скорости самолета. А как поступать в такой ситуации, их не научили.
Наш вывод: в вопросах обеспечения безопасности полетов в условиях грозовой активности атмосферы нельзя расслабляться, хотя частота тяжелых последствий последнее время несколько снизилась (в прошлом веке с неотвратимой четкостью раз в 5 лет в мире происходила одна доказанная катастрофа по этой причине). Ведь рейс 447 унес в Атлантику жизни 228 пассажиров и членов экипажа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Камзолов С.К. Критерий стойкости конструкций к электромеханическому воздействию сильноточных разрядов // Электричество. - 1992. - № 9. - С. 24-26.
2. Камзолов С.К. Основные поражающие факторы при воздействии молнии на воздушное судно // Обеспечение безопасности полетов в сложных метеоусловиях: межвуз. сб. науч. трудов. - М.: МГТУ ГА. - 1996.
3. Камзолов С.К. Развитие помпажа авиадвигателей при воздействии ударной волны от молнии // Обеспечение безопасности полетов в сложных метеоусловиях: межвуз. сб. науч. трудов. - М.: МГТУ ГА. - 1996.
4. Камзолов С.К., Курочкин В.А., Новиков С.М., Разумовский А.Н. Исследование микротвёрдости авиационных материалов после воздействия сильноточных электрических разрядов // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС. - 2004. - № 73(2).
5. Камзолов С.К. Скрытые дефекты, связанные с поражением самолета молнией и их развитие при последующей эксплуатации // Инженерно-физические проблемы авиации и космической техники: тезисы докладов меж-дунар. науч.-техн. конф. - Егорьевск, 1995. - Ч.1.
ON DANGER OF FLIGHTS IN THUNDERSTORM (VERSIONS OF TWO DISASTERS)
S.K. Kamzolov, A.V. Samokhin
The article discusses a version of the two aircraft crashes that are (possibly) related to a lightning strike. The lightning main destructive effects when hitting an aircraft are considered.
Key words: air crash, lightning, damage effects.
Сведения об авторах
Камзолов Сергей Константинович, 1941 г.р., окончил МАИ (1964), доктор технических наук, профессор кафедры физики МГТУ ГА, автор более 140 научных работ, область научных интересов -взаимодействие летательных аппаратов с атмосферным электричеством и их молниезащита.
Самохин Алексей Васильевич, 1947 г.р., окончил МГУ им. М.В. Ломоносова (1971), доктор технических наук, профессор кафедры высшей математики МГТУ ГА, автор 39 научных работ, область научных интересов - уравнения математической физики, симметрии, законы сохранения.
