Авиация: новая система прогнозирует вихревые следы

"Впечатление такое, будто мчишься на машине со скоростью 130 километров в час по ровному шоссе и вдруг влетаешь в глубокую колдобину", - примерно так описывают свои ощущения пилоты самолета, попавшего в вихревой след, оставленный пролетевшим здесь ранее другим воздушным судном. При этом важно отметить, что речь тут идет не столько о комфортности полетов, сколько об их безопасности: механические нагрузки могут превысить критические значения и привести к разрушению самолета. Понятно, что летчики стараются во что бы то ни стало избегать вихревых следов - как водители сторонятся рытвин и ухабов.

Вихревой след - проблема нешуточная

Но если автомобиль может выбоину в дорожном покрытии просто объехать, то в авиации единственный эффективный способ не попасть в вихревой след - поддержание безопасной дистанции между самолетами. Скажем, при взлете и посадке величина этой дистанции - а значит, и пропускная способность аэропорта, - определяются именно ограничением по вихревому следу. Впрочем, та же проблема имеет место и при полете на эшелоне.

А действующие сегодня рекомендации Международной организации гражданской авиации ИКАО, содержащие таблицу безопасных дистанций в зависимости от классов предыдущего и последующего самолетов, являются, конечно, важным документом, но проблему решают все же не полностью. Во-первых, величина безопасной дистанции зависит не только от классов воздушных судов, но и от целого ряда других факторов - прежде всего, атмосферных условий. А во-вторых, поскольку интенсивность авиасообщений стремительно растет, в воздушном пространстве становится все теснее, особенно на направлениях, пользующихся повышенным спросом. По прогнозам, в Европе количество авиарейсов к 2035 году удвоится, а количество взлетно-посадочных полос останется практически неизменным.

Летные испытания системы-ассистента

Поэтому, хотя в рекомендациях ИКАО аккумулирован богатый практический опыт, ученые неустанно ищут новые технические решения, которые позволили бы уменьшить дистанции между самолетами, не снижая требований к безопасности полетов. Этой цели служат, например, различные математические модели, описывающие эволюцию вихревого следа. Такие модели дают пилотам и авиадиспетчерам возможность определять оптимальную дистанцию между воздушными судами.

Теперь специалисты Немецкого аэрокосмического центра DLR завершили первый этап испытаний разработанной ими системы-ассистента, предназначенной для прогнозирования опасных вихревых следов. Она была установлена на борту Airbus А320 ATRA (Advanced Technology Research Aircraft), специально оборудованного для разного рода экспериментов, а функцию самолета-генератора вихревого следа взял на себя вдвое меньший Dessault Falcon 20Е. Оба самолета базируются в Брауншвейге (Нижняя Саксония), испытания же проводились в закрытой зоне воздушного пространства земель Бранденбург и Мекленбург-Передняя Померания.

Сочетание стандартного оборудования с инновацией

Всего было выполнено три полета. Высота (более 10 тысяч метров) и погодные условия выбирались с таким расчетом, чтобы поспособствовать образованию конденсационных следов - ведь они визуализируют вихревые потоки.

Схема испытаний была крайне простой: Falcon раз за разом пересекал курс аэробуса в пяти километрах перед ним. "Да, именно сюда, в этот самый конденсационный след, мы теперь и хотим влететь", - поясняет руководитель проекта Фетхи Абдельмула (Fethi Abdelmoula), научный сотрудник Института авиационных систем при Немецком аэрокосмическом центре. Транспондер ADS-B, которым аэробусы оборудуются серийно, получает, как положено, информацию о скорости, высоте полета, GPS-координатах и бортовом номере летящего впереди самолета. На основе этих данных, а также информации о погодных условиях и состоянии атмосферы, компьютер моделирует в режиме реального времени поведение вихревых следов и изображает их графически на специальном дисплее.

Эксперимент подтвердил модельные расчеты

Насколько эти расчеты совпадают с реальным положением дел, и призваны были выяснить испытания. Сидя в кабине Airbus ATRA, ученые сравнивали картинку на дисплее с реальными вихревыми следами, видимыми благодаря конденсации.

Ключевой элемент системы - специальное программное обеспечение, разработанное учеными Института физики атмосферы при Немецком аэрокосмическом центре. На это ушло ни много ни мало десять лет, что, по словам Фетхи Абдельмулы, объясняется сложностью динамики вихревого следа и ее зависимостью от множества факторов: "Собственное вращение следа приводит к тому, что он постепенно опускается со скоростью около 80 футов в минуту - иногда быстрее, иногда медленнее. Порой эта скорость может достигать 300 или даже 400 футов в минуту. Плюс влияние ветра. Боковой ветер сносит вихревой след в сторону".

Осталось только убедить авиакомпании...

В ходе экспериментов скорость бокового ветра достигала 135 километров в час. Таким образом, вихревой след сразу уносило в сторону со скоростью более 2 километров в минуту. Но это не сбило с толку испытываемую систему: она прогнозировала вихревые следы на удивление точно, пурпурной линией на дисплее показывая пилоту ту границу, на которой его ждет встреча с турбулентным потоком от летящего впереди самолета. Тобиас Бауэр (Tobias Bauer), инженер Института авиационных систем, говорит: "Самолет, оборудованный такой системой, в ряде случаев мог бы без ущерба для безопасности несколько сократить при посадке дистанцию до идущего перед ним воздушного судна, а это даст ощутимую экономическую выгоду".

Теперь осталось только убедить в этом авиакомпании - ведь установка системы потребует от них дополнительных инвестиций. А вот окупятся ли они? Первая возможность прощупать на сей счет почву разработчикам системы представится уже в ближайшие дни: 20 мая в Берлине открывается традиционный авиасалон ILA-2014.