по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > О журнале > Требования к статьям > Редсовет > Порядок рецензирования статей > Рецензирование за 24 часа – как это возможно? > Политика издания > Ретракция статей > Этические принципы > Политика открытого доступа > Оплата за публикации в открытом доступе > Публикация за 72 часа: что это? > Политика авторских прав и лицензий > Политика цифрового хранения публикации > Политика идентификации статей > Политика проверки на плагиат
Журналы индексируются
Реквизиты журнала

Публикация за 72 часа - теперь это реальность!
При необходимости издательство предоставляет авторам услугу сверхсрочной полноценной публикации. Уже через 72 часа статья появляется в числе опубликованных на сайте издательства с DOI и номерами страниц.
По первому требованию предоставляем все подтверждающие публикацию документы!
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Вопросы безопасности
Правильная ссылка на статью:

Расчет вероятности поражения молнией воздушных судов при полете в условиях грозовой облачности на территории Российской Федерации
Шуреков Владимир Васильевич

кандидат биологических наук

доцент, кафедра Поискового и аварийно-спасательного обеспечения полетов и техносферной безопасности, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ульяновский институт гражданской авиации имени Главного маршала авиации Б. П. Бугаева»

432071, Россия, Ульяновская область, г. Ульяновск, ул. Можайского, 8/8

Shurekov Vladimir Vasil'evich

PhD in Biology

Associate Professor of the Department of the Search and Emergency-Rescue Flight Support and Technosphere Safety at Ulyanovsk Institute of Civil Aviation

432071, Russia, Ul'yanovskaya oblast', g. Ul'yanovsk, ul. Mozhaiskogo, 8/8

nodes@list.ru
Самохина Светлана Сергеевна

кандидат педагогических наук

доцент, кафедра Естественнонаучных дисциплин, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ульяновский институт гражданской авиации имени Главного маршала авиации Б. П. Бугаева»

432071, Россия, Ульяновская область, г. Ульяновск, ул. Можайского, 8/8

Samokhina Svetlana Sergeevna

PhD in Pedagogy

Associate Professor of the Department of Natural Science Disciplines at Ulyanovsk Institute of Civil Aviation

432071, Russia, Ul'yanovskaya oblast', g. Ul'yanovsk, ul. Mozhaiskogo, 8/8

sv_samohina@rambler.ru
Мухунова Юлия Витальевна

ассистент, кафедра Поискового и аварийно-спасательного обеспечения полетов и техносферной безопасности, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ульяновский институт гражданской авиации имени Главного маршала авиации Б. П. Бугаева»

432071, Россия, Ульяновская область, г. Ульяновск, ул. Можайского, 8/8

Mukhunova Yuliya Vital'evna

Assistant at Ulyanovsk Institute of Civil Aviation

432071, Russia, Ul'yanovskaya oblast', g. Ul'yanovsk, ul. Mozhaiskogo, 8/8

melonkis@mail.ru
Аксенова Марина Юрьевна

кандидат географических наук

доцент, кафедра Географии и экологии, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ульяновский государственный педагогический университет имени И. Н. Ульянова»

432071, Россия, Ульяновская область, г. Ульяновск, ул. Площадь Ленина, 4/5

Aksenova Marina Yur'evna

PhD in Geography

Associate Professor of the Department of Geography and Environmental Studies at Ilya Ulyanov State Pedagogical University

432071, Russia, Ul'yanovskaya oblast', g. Ul'yanovsk, ul. Ploshchad' Lenina, 4/5

82axmarina@mail.ru

Аннотация.

Предмет исследования – оценка вероятности поражения молнией воздушных судов (ВС) при полете в условиях грозовой облачности на территории России. Выявлено, что меньше всего подвержены воздействию грозовой молнии ближне- и среднемагистральные ВС. Наибольшую вероятность поражения молнией в грозовую облачность имеют ВС дальнемагистрального типа. Наиболее опасными по вероятности грозового воздействия на ВС из всех видов грозовых облаков являются суперячейковые облака. Установлено, что ближне- и среднемагистральные ВС меньше всего подвержены воздействию грозовой молнии. ВС дальнемагистрального типа имеют наибольшую вероятность поражения ВС молнией в грозовую облачность. Суперячейковые облака наиболее опасны по вероятности грозового воздействия на ВС из всех видов грозовых облаков. Методология исследования основана на сочетании теоретического и модельного (расчетного) подходов. Исходными данными для расчетов явились летно-технические характеристики распространенных ВС и характеристики грозовых облаков. Новизна исследования состоит в том, что получены расчетные оценочные данные, которые дают возможность прогнозировать вероятность поражения ВС грозовой молнией во время его эксплуатации в условиях повышенной электрической активности атмосферы. Предложены рекомендации для лиц, часто использующих авиационный вид транспорта в сфере своей жизнедеятельности при планировании полетов в условиях повышенной электрической активности атмосферы.

Ключевые слова: Российская Федерация, пассажир, безопасность жизнедеятельности, безопасность полетов, электрическая активность атмосферы, молния, грозовое облако, статическое электричество, воздушное судно, авиация

DOI:

10.25136/2409-7543.2019.1.28952

Дата направления в редакцию:

13-02-2019


Дата рецензирования:

14-02-2019


Дата публикации:

27-02-2019


Abstract.

The subject of the research is the calculation of the change of aircraft being hit with lightning during flight in thunderstorm above the territory of Russia. It has been discovered that short- and midrange aircrafts are less susceptible for thunderstorm attack while long-range aircrafts have more changes to be hit with lightnin. The most dangerous thunder clouds for aircraft are super-cellular clouds. The methodological basis of the research is the combination of theoretical and model (estimation) approaches. The initial data for calculations are flight characteristics of the most popular aircrafts and characteristics of thunder clouds. The novelty of the research is caused by the fact that the calculations obtained as a result of the research can be used to predict the change of aircraft being hit with lightning during flying under the conditions of increased electrical activity of the atmosphere. The authors also give recommendations for individuals who often use aircraft as part of their life activity regarding how to plan flights under the conditions of increased electrical activity of the atmosphere. 
 

Keywords:

Russian Federation, life safety, passenger cabin, flight safety, electrical activity of the atmosphere, lightning, thundercloud, static electricity, aircraft, aviation

Введение. Предмет исследования – оценка вероятности поражения молнией ВС при полете в условиях грозовой облачности на территории России.

Методология исследования основана на сочетании теоретического и модельного (расчетного) подходов с применением методов анализа, моделирования, сравнения, обобщения, синтеза.

Цель работы – оценка вероятности поражения ВС грозовой молнией во время его эксплуатации в условиях повышенной электрической активности атмосферы.

Актуальность исследования обусловлена востребованностью авиационного транспорта в различных областях деятельности человека и необходимостью обеспечения авиационной безопасности полетов, в частности, в условиях повышенной электрической активности с вероятностью поражения воздушного судна молнией в процессе полета ВС.

В настоящее время для защиты ВС применяются современные методы молниезащиты, поэтому серьезные авиационные происшествия и инциденты, вызванные воздействием молний на летательный аппарат, достаточно редкие события [1, 2, 3]. При этом в среднем каждые 2000 – 3000 часов полета ВС встречается с молнией. Это происходит на разных этапах полета: при заходе на посадку в условиях облачности, при обходе грозовых очагов, в крейсерском полете. Так, в 2015 году произошел 31 авиационный инцидент и 6 повреждений ВС на земле, вызванных поражением ВС разрядом атмосферного электричества, при которых зафиксированы многочисленные повреждения конструкции ВС [4].

16 августа 2010 года при заходе на посадку ВС в аэропорту колумбийского острова Сан Андрес потерпел катастрофу пассажирский Боинг-737. Одна из возможных причин – удар молнии в ВС и отказ бортовых систем. Самолет упал с высоты 80 метров и раскололся на три части. Из 121 пассажиров и 6 членов экипажа ВС один человек погиб от инфаркта и 114 получили травмы [5]. 31 января 2019 года в пассажирское ВС Airbus A320, совершавший рейс из Рима в Москву, ударила молния. Зафиксировано повреждение на элементах механизации, не представляющее опасность для воздушного судна и пассажиров [5].

В процессе полета статические заряды накапливаются на обшивке и корпусе ВС, создавая электрическое поле высокой напряженности на выступающих частях (законцовках крыла, киле, антеннах, передней части фюзеляжа и т.д.), что увеличивает вероятность поражения разрядом статического электричества и поражения разрядом молнии, так как ВС может стать проводящим звеном в этой разряде. Наибольшая опасность возникает при контакте канала молнии с диэлектрической обшивкой носового обтекателя локатора и антенных систем, остеклением кабины пилотов, так как при этом возможен пробой диэлектрика.

На сегодняшний день широкое применение в конструкции летательных аппаратов композитных материалов заставляет еще раз вернуться к вопросу о молниезащите ВС и оценке вероятности поражения их молнией в процессе эксплуатации, так как обеспечение безопасности пассажиров является приоритетной задачей.

При полете через грозовое облако скоростного авиалайнера возникает электризация вследствие интенсивного трения наэлектризованных частиц облака о поверхность самолета и мощной выхлопной струей реактивных двигателей. При этом возможно ускорение разряда молнии и направление этого разряда в сторону ВС [6]. Интенсивная электризация может возникать при входе в зону сильных осадков в переходный период от зимы к весне, в слоистообразных облаках.

Следует отметить, что корпус салона и кабины пилотов электрически не связаны с обшивкой, все устройства на борту экранированы. Электрическое сопротивление ВС мало. Статические заряды имеют возможность стекать с поверхности ВС через специальные устройства – разрядники и стекатели заряда. Вероятность возникновения разряда молнии облако-земля выше, чем разряда облако-воздушное судно, так как электрическая емкость ВС значительно меньше электроемкости земли. Статистика авиапроисшествий показывает, что чаще всего ВС поражается молнией на малых высотах (на взлете и посадке) [5].

Опасность термического воздействия молнии невелика, но возможны сбои в работе электронного оборудования, ударная волна представляет опасность для двигателя. Искровой пробой в топливных баках или перегрев их стенок может вызвать воспламенение топливовоздушной смеси (для предотвращения подобный явлений в топливные баки подается газ, который препятствует искрообразованию).

Воздействие молнии на металлические элементы конструкции ВС сводится к электроэррозии – разрушению поверхностного слоя металла в виде раковин и язв. Наблюдаются местные оплавления металла или даже прожоги тонкой обшивки. Удар молнии в ВС может привести к нарушению радиосвязи и средств радионавигации, отказу электрических устройств, разрушению электропроводки, особенно в местах плохих контактов. Тем не менее, попадание молнии в ВС опасно, так как приводит к повреждению бортового оборудования и, как следствие, создает опасность для жизни пассажиров.

Методы расчета. В соответствии с целью исследования 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 (табл. 2). В качестве объектов выступали 8 самых распространенных ВС гражданской авиации (от региональных до дальнемагистральных) и «VeryLargeAircraft» (VLA).

Таблица 1 – Летно-технические характеристики ВС [5]

Типы ВС

Характеристики ВС

Длина ВС, м

Размах крыльев, м

Крейсерская скорость ВС, км/ч

Ближне-

магистральные

SSJ 100-95LR

29,94

27,8

828

Средне-

магистральные

Boeing 737-800

39,47

34,32

850

Airbus A-320-100

37,57

34,10

840

Дальне-

магистральные

и VLA

Boeing 777-300ER

73,90

64,80

905

Airbus A-340-500

67,93

63,45

881

Boeing 747-800i

76,25

68,45

917

Airbus A-380-800

73,00

79,75

900

Таблица 2 – Характеристики грозовых облаков [6, 9]

Типы грозовых облаков

Средний

объем облака, км3

Средняя

длина

облака, км

Средняя

частота

молний в мин

Длина

главного канала

молнии, км

Одноячейковые

5500

13

3

10

Многоячейковые кластерные

12500

20

5

Многоячейковые линейные

10000

18

5

Суперячейковые

65000

50

20

Расчет вероятности поражения молнией различных ВС при полете в различных условиях грозовой облачности производился по формуле [6, 9]:

PT = 10 Lmπl2эф. d0 / 4 ω0 v τ,

где Lm – длина главного канала молний, l эф. – эффективный характерный размер ВС, d0 – длина облака в направлении движения ВС, ω0 – объем облака, v – скорость полета ВС, τ – интервал времени, через который повторяются в данном облаке молнии. При полете ВС накапливает на себе значительный электрический заряд. Поэтому l эф. ≈ 10 l с , где lc – характерный размер ВС (длина, размах крыльев).

Результаты расчета. Результаты расчетов вероятности поражения ВС молнией в условиях грозовой облачности представлены в таблице 3. Установлено, при проходе наиболее распространенных одноячейковых грозовых облаков вероятность поражения невелика, но пролет через данный вид грозовых облаков создает угрозу безопасности полета для широкофюзеляжных дальнемагистральных самолетов. Однако, доля эксплуатируемых ВС данного типа значительно меньше, чем ближне- и среднемагистральных.

Таблица 3 – Вероятность поражения ВС молнией в условиях грозовой облачности, %

Тип ВС

Типы грозовых облаков

Одноячейковые

Многоячейковые

кластерные

Многоячейковые

линейные

Суперячейковые

Ближне-магистральные:

- SSJ 100-95LR

0,04

0,41

0,46

0,78

Средне-магистральные:

- Boeing 737-800

0,06

0,69

0,78

1,33

- Airbus A-320-100

0,06

0,65

0,71

1,22

Дальнемагистральные:

- Boeing 777-300ER

0,27

2,27

2,56

4,37

- Airbus A-340-500

0,17

1,97

2,22

3,80

- Boeing 747-800i

0,21

2,39

2,69

4,60

- Airbus A-380-800

0,24

2,66

3,00

5,12

Наиболее серьезную опасность представляет выполнение полетов ВС всех типов в условиях суперячейковых облаков. Самая большая вероятность поражения ВС молнией в условиях суперячейковой грозовой облачности приходится на ВС дальнемагистральных типов Airbus A-380-800 (5,12 %), далее следуют ВС типа Boeing 747-800i (4,60 %), Boeing 777-300ER (4,37 %).

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.) [2, 4]. Вероятность поражения молнией зависит от геометрических размеров ВС, напряженности электрического поля и вида облачности.

Длительный перелет ВС не позволяет точно спрогнозировать наличие грозовых областей даже при наличии метеосводки перед полетом. При полете в условиях повышенной электрической активности атмосферы и ливневых осадков возможно ухудшения летных и аэродинамических характеристик ВС, меняется подъемная сила и углы атаки. При пересечении облаков с повышенной электрической активностью изменение высоты полета ВС выполняется с повышенной вертикальной и уменьшенной поступательной скоростями полета [5].

При поражении ВС разрядом молнии возможны шумовые эффекты, световые эффекты в виде искр и вспышек, которые наблюдаются сквозь иллюминаторы ВС. При полете в сложных метеоусловиях, особенно вблизи грозовых облаков, возможно возникновение участков турбулентности в атмосфере и, как следствие, незначительно ухудшается устойчивость и управляемость ВС, возникают случайные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскости («воздушные ямы») с перегрузками до 3g. Они не представляют опасности для благополучного завершения полета, но могут привести к психоэмоциональному дискомфорту и перенапряжению соответствующих функциональных систем (сердечно-сосусдистой, дыхательной, слуховой) организма [11]. Эти особенности полетов следует учитывать при организации коллективных туристических полетов, деловых полетов отдельных пассажиров в условиях повышенной грозовой активности, сезонности явлений и длительности перелетов на ВС.

Выводы. Результаты, полученные в ходе исследования, позволяют сделать следующие выводы:

1. Ближне- и среднемагистральные ВС меньше всего подвержены воздействию грозовой молнии. Вероятность поражения молнией ВС данных типов составляет от 0,04 % до 1,33 %.

2. ВС дальнемагистрального типа имеют наибольшую вероятность поражения ВС молнией в грозовую облачность. Для ВС типа Airbus A-380-800 такая вероятность составляет 5,12 %.

3. Суперячейковые облака являются наиболее опасными по вероятности грозового воздействия на ВС из всех видов грозовых облаков.

4. На территории России регионами с наибольшим средним количеством грозовых дней являются Северный Кавказ и Центрально-Черноземный регион. Наибольшая частота появления грозовых дней приходится на летний период года.

Таким образом, исходя из полученных результатов, при организации коллективных туристических полетов, деловых полетов отдельных пассажиров можно предложить следующие рекомендации:

1. В Северо-Кавказском и Центральном регионах России в летний период года в дневное время суток предпочтительно эксплуатировать ВС средне-магистрального типа, как наименее подверженные поражению молниями в условиях проявления грозовой облачности.

2. При планировании туристических и деловых поездок учитывать сезонные климатические факторы, связанные с повышенной электрической активностью атмосферы и возникновением интенсивных грозовых фронтов, которые осложняют полет ВС и приводят к повышенным психофизиологическим нагрузкам на пользователей авиационного транспорта.

Библиография
1.
Базелян, Э. М. Электромагнитная совместимость с молнией / Э. М. Базелян. – М.: ИМАГ, 2018. – 152 c.
2.
Межгосударственный авиационный комитет. Расследования. – URL: https://mak-iac.org/rassledovaniya/ (дата обращения: 02.02.2019).
3.
Еремин, А. М. Устройство для защиты летательного аппарата от поражения молнией. Патентный поиск / А. М. Еремин – URL: http://www.freepatent.ru/patents/2395434 (дата обращения: 02.02.2019).
4.
Информация по безопасности полетов № 12 от 19.07.2016 № 4.02-285. Министерства транспорта Российской Федерации. Федеральное агентство Воздушного транспорта. – URL: https://www.dvmtu-favt.ru/upload/medialibrary/774/77428506dd4c585f001082ca56bc0890.pdf (дата обращения: 02.02.2019).
5.
АвиаПро. – URL: http://avia.pro/ (дата обращения: 02.02.2019).
6.
Имянитов, И. М. Электризация самолетов в облаках и осадках / И. М. Имянитов – Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 212 с.
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.
Грозы в России / География – география России – URL: http://geographyofrussia.com/grozy-v-rossii (дата обращения: 02.02.2019).
9.
Хромов, С. П. Метеорология и климатология / С. П. Хромов, М. А. Петросянц. – М.: Наука, 2006. – 582 с.
10.
Резинкина, М. М. Расчетное определение вероятности поражения молнией наземных объектов / М. М. Резинкина, В. В. Князев, В. И. Кравченко // Журнал технической физики. – 2007. – Т. 77. – Вып. 1. – С. 63–68.
11.
Физиология человека: в 3 т. / пер. с англ.; под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. – М.: Мир, 2005. – Т. 3. – 198 с.
References (transliterated)
1.
Bazelyan, E. M. Elektromagnitnaya sovmestimost' s molniei / E. M. Bazelyan. – M.: IMAG, 2018. – 152 c.
2.
Mezhgosudarstvennyi aviatsionnyi komitet. Rassledovaniya. – URL: https://mak-iac.org/rassledovaniya/ (data obrashcheniya: 02.02.2019).
3.
Eremin, A. M. Ustroistvo dlya zashchity letatel'nogo apparata ot porazheniya molniei. Patentnyi poisk / A. M. Eremin – URL: http://www.freepatent.ru/patents/2395434 (data obrashcheniya: 02.02.2019).
4.
Informatsiya po bezopasnosti poletov № 12 ot 19.07.2016 № 4.02-285. Ministerstva transporta Rossiiskoi Federatsii. Federal'noe agentstvo Vozdushnogo transporta. – URL: https://www.dvmtu-favt.ru/upload/medialibrary/774/77428506dd4c585f001082ca56bc0890.pdf (data obrashcheniya: 02.02.2019).
5.
AviaPro. – URL: http://avia.pro/ (data obrashcheniya: 02.02.2019).
6.
Imyanitov, I. M. Elektrizatsiya samoletov v oblakakh i osadkakh / I. M. Imyanitov – L.: Gidrometeoizdat, 1970. – 212 s.
7.
Veremei, N. E. Issledovanie livnevoi i grozovoi aktivnosti na territorii Rossii s ispol'zovaniem chislennoi modeli konvektivnogo oblaka i dannykh reanaliza / N. E. Veremei, Yu. A. Dovgalyuk, S. V. Efimov, A. M. Nosova, A. A. Pechenkin // Meteorologiya i gidrologiya. – 2013. – № 1. – C. 32–43.
8.
Grozy v Rossii / Geografiya – geografiya Rossii – URL: http://geographyofrussia.com/grozy-v-rossii (data obrashcheniya: 02.02.2019).
9.
Khromov, S. P. Meteorologiya i klimatologiya / S. P. Khromov, M. A. Petrosyants. – M.: Nauka, 2006. – 582 s.
10.
Rezinkina, M. M. Raschetnoe opredelenie veroyatnosti porazheniya molniei nazemnykh ob''ektov / M. M. Rezinkina, V. V. Knyazev, V. I. Kravchenko // Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. – 2007. – T. 77. – Vyp. 1. – S. 63–68.
11.
Fiziologiya cheloveka: v 3 t. / per. s angl.; pod red. R. Shmidta, G. Tevsa. – M.: Mir, 2005. – T. 3. – 198 s.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.
Сайт исторического журнала "History Illustrated"