от tkostov » 14 Яну 2007 05:33
Както бях обещал, днес разрових литературата, свързана с метеорологичните радари и бях много учуден че успях да намеря само оскъдна информация за този изключително важен за безопасността на полетите инструмент. Flight Crew Operaations Manual (FCOM) дава само кратко описание на органите за управление и индикация без каквито и да е обяснения за принцип и особености на работа. Затова отговорът ми ще се базира на личен опит и информация, получена по време на периодичните наземни курсове и няколко Интернет страници. (Желаещите могат да опитат airborne weather radar в Google)
И така: краткият отговор на въпроса как се изобразява wake turbulence на радара е: тя не се изобразява!
Wake turbulence е така наречената спътна следа на самолета, която се образува, най-общо казано като смущение на атмосферата в резултат от преминаването на твърдо тяло през нея. Един от главните и компоненти са вихровите шнурове, образувани в края на крилото в резултат на протичането на въздух с повишено налягане от долната към горната му повърхност. При подходящи условия тези шнурове стават видими, когато атмосферната влага, подгрята от струята на двигателите кондензира около твърдите частици изхвърляни в резултат на горенето. Така образуваните микроскопични водни капки замръзват незабавно и остават да се въртят във вихровите шнурове без да падат към земята, тъй като пределната им скорост на падане, определена от силата на съпротивлението им като функция на сложната форма на ледените кристалчета, е многократно по-малка от мощните възходящи и низходящи потоци във вихровия шнур. Това е на кратко механизмът на образуване на кондензационните следи, които виждаме да кръстосват небето понякога. Спътната следа, разбира се следва самолета независимо от това дали има няма кондензационна следа. Тя обикновено е отклонена надолу и "пада" към земята с отдалечаването на самолета, тъй като се образува като реакция на подемната сила на крилото. Силата на турбуленцията в спътната следа и нейната трайност изразена като дистанция зад самолета, на която тя се усеща е в пряка зависимост от теглото на самолета. ICAO установява три нива на спътна следа в зависимост от теглото на самолета: H (Heavy) над 136 000кг, M (Medium) 136 000 - 7000кг и L (light) под 7000кг. Влизането в спътната следа на тежък самолет може да доведе до загуба на контрол върху самолета, който се възстановява едва след излизането от следата. Наскоро попаднах с нашия В767 в следата на В777 по време на набор на височина на 18км зад и 2000 фута (600м) под него. Разтресе ни доста, самолетът получи повече от 15 градуса ляв наклон (явно бяхме влезли в десния вихров шнур), който автопилотът не успя да компенсира. Наложи да го изключа и в ръчен режим да изправя наклона (автопилотът има по-големи ограничения за работа с елероните от мен) и да прекратя набора на височина за да изляза под спътната следа. След това, с разрешение на РВД се отклонихме на 20км в страни от маршрута за да продължим набора.
За да отговоря на въпроса защо спътната следа не се вижда на радара трябва на кратко да разгледам принципа на работата му. Антената на метеорологичния радар, която се намира под носовия обтекател на самолета, излъчва мощен и много тесен (само 3 градуса ) конусовиден сигнал от електромагнитна енергия. Този сигнал се отразява от водните капки, намиращи се в облаците пред самолета и се приема от същата антена. Компютър изчислява времето, за което сигналът отива до облака и се връща до антената и по този начин определя дистанцията до него. Тази информация се изобразява на екрана пред пилота. Не всичко, обаче е толкова просто. За да може сигналът да се отрази е необходимо достатъчно количество водна капки с някакъв минимален размер. Ако водните капки не са достатъчно големи или са замръзнали под формата на сняг или лед (градушка) радарът просто не ги вижда. Сигналът или не се отразява с достатъчна интензивност, когато капките са малки или са замръзнали на снежинки, или се отразява от ледените топчета на градушката във всички посоки и не достига антената на радара. И за да станат нещата още по-сложни, има случаи на “мокър” сняг и “мокра” градушка когато те вече се виждат, макар и не толкова интензивни като силен дъжд. Силата на отразения от дъжда сигнал зависи от големината и броя на водните капки върху които той попада. В мощните буреносни облаци кумулонимбус (cumulonimbus или накратко CB) водните капки, които кондензират на средни височини от 5-10 000м се увличат от силните възходящи течения със скорост по-голяма от пределната скорост на падане на капките и достигат най-голяма плътност, тъй като не успяват да паднат на земята. “Ехото” отразено от тази част на CB-то е с най-голяма интензивност и се изобразява на екрана с червен цвят. Това е и най-опасното място в облака – екстремната турбуленция е в състояние да превиши разрушаващото претоварване на самолета, а повишената плътност на атмосферата в резултат на голямото количество водни капки увеличава аеродинамичното натоварване върху лопатките на двигателите и може да доведе до тяхното разрушаване. Големите ледени топки на градушката, която също се формира на тези височини, деформират обшивката на самолета и лопатките на двигателите и са в състояние да разрушат стъклата на пилотската кабина. Това е и зоната където се натрупват електрически заряди поради триенето между водните капки и въздуха, които се изпразват под формата на светкавици и могат да повредят електрическото и радио-електронното оборудване на самолета. Точно затова тези зони се изобразяват в червено и задължително се заобикалят на не по-малко от 25 морски мили, след съгласуване с РВД. Зоните с по-ниска интензивност на отразения сигнал се изобразяват с оранжев (amber) цвят и също могат да бъдат опасни. В зависимост от конкретните условия и според преценката на екипажа те или се заобикалят или се прелитат с повишено внимание: скоростта се намалява до тази, препоръчана от производителя на самолета за прелитане на турбулентни зони, включва се противообледенителна система, а системата за запалване на двигателите се поставя в положение “непрекъснато” за избягване на откъсване на пламъка в горивните камери. Зоните с най-ниска интензивност на ехото са зелени, но в повечето случаи се прелитат като се вземат същите предпазни мерки, както и за оранжевите, а на голяма височина е препоръчително да се заобикалят за избягване на неприятната за пътниците турбуленция и поради опасност от статични разряди или дори удари от светкавица.
Много от съвременните радари освен режим МТО (WX) имат и режим “турбуленция”. Този режим работи само в мащаби на дисплея под 40 морски мили (около 72км) и винаги заедно с МТО режима (WX/TURB). Този режим разчита на доплеровия принцип според който честотата на отразения сигнал се променя в зависимост от скоростта с която обектът, отразил сигнала се приближава или отдалечава от антената. Казано по-просто в този режим радарът “вижда” движението на атмосферата. До тук добре, но за да “види” това движение сигналът трябва най-напред да се отрази от нещо. А това нещо са същите водни капки, за които говорихме по-горе. Използвайки доплеровия принцип радарът може, поне на теория, да “види” турбуленция дори когато “ехото” е с ниска интензивност (зелен цвят на дисплея). Това би могло да се случи например в условия на планински вълни, когато лещовидни облаци се формират на средни височини под “гребена” на вълната близо до билото на планината, където турбуленцията е най-силна или в подножието и, от зад ветрената страна на хребета в така наречените “ротори”. Тогава при висока влажност на въздуха радарът трябва да покаже зоната на силно движение на водните капки в облака като турбуленция в лилаво (magenta), макар и самият облак да не е опасен. На теория по същия начин би трябвало да е възможно да се “вижда” и спътната следа на летящ в облак самолет. На практика обаче зоната на вихровия шнур, макар и с доста интензивно движение е твърде малка за да може радарът да я “види”. И накрая режим “турбуленция” не работи изобщо в ясно небе поради липсата на водни капки, които да отразят сигнала. В интерес на истината, за 11 години на B767 съм виждал индикация за турбуленция извън CB едва няколко пъти и то на места където на практика такава нямаше. За сметка на това в големите CB-та, на мащаби под 40NM ядрата се открояват много добре в магента (лилаво), но пък те и без друго са вече са оцветени в червено, така че трябва да се заобикалят от далеч. Точно заради това в друг мой коментар споменах, че индикацията за турболенция не върши много работа, въпреки че предпочитам да ползвам радара в режим WX/TURB вместоWX … за всеки случай!