Тема: Прогноз обледенения в районе аэродрома Пулково с помощью модели WRF-ARW

Процесс образования обледенения на корпусе авиационных средств происходит при полете в атмосферных условиях, где присутствуют переохлажденные капли и низкая температура окружающей среды. Это явление наблюдается как на самолетах и вертолетах, так и на силовых установках и других внешних деталях специального оборудования [1]. Информация о образовании ледяных отложений, а также их прогноз в настоящее время востребованы в метеорологическом обеспечении авиации. «Для авиационных подразделений опасно то, что происходит снижение подъёмной силы, увеличивается вес самолета, уменьшается тяга силовой установки, снижается вертикальная скороподъемность, снижается потолок и максимальная скорость полета, увеличивается расход топлива» [2]. В случае даже незначительного ухудшения условий, приводящих к обледенению, это может привести к авиакатастрофе. Оно опасно не только в воздухе, но и на земле. В подобных условиях обеспечение эксплуатационной пригодности аэродромов и дорог требует роста расходов на материалы и трудовые ресурсы. В целом, такая ситуация может негативно сказаться на регулярности, эффективности и безопасности полетов воздушных судов. Уровень вреда будет снижена, если метеорологическое управление своевременно предоставит информацию потребителям. Предупреждения об авиационной опасности содержат информацию, в том числе об обледенении (среднем и сильном), где передаётся с помощью авиационных кодов такие как AIRMET, SIGMET и предупреждения аэропортов. Такие отложения льда могут привести к неисправности двигателя воздушного судна, приёмника давления атмосферного воздуха, стабилизатора и т.д. При обледенении крыльев самолёта возникает значительное снижение его подъемной силы и увеличение сопротивления. Ледяной налёт изменяет профиль крыла, что приводит к нарушению ламинарного течения и возникновению турбулентных потоков на его поверхности. Это явление может значительно повысить коэффициент лобового сопротивления и снизить аэродинамическое качество крыла, что особенно критично на этапах взлёта и посадки, когда аэродинамическая эффективность максимально важна.
Но опасности обледенения не ограничиваются только крылами. На передней кромке стабилизаторов также может накапливаться лед, что значительно ухудшает стабильность самолета в полёте. Наледь изменяет аэродинамическую форму стабилизатора и может привести к так называемому "эффекту потери устойчивости", когда самолёт становится чувствительным к малейшим возмущениям воздушной среды. Это может вызвать непредсказуемые изменения в траектории полета и потребовать от пилота постоянной корректировки управления, что увеличивает нагрузку на экипаж и риск возникновения опасных ситуаций.
В предполётный период планирования очень важно принимать во внимание прогноз погоды и наличие антиобледенительных систем, которые помогут предотвратить образование наледи на ключевых поверхностях самолета. При недостаточной оценке риска обледенения и непринятии соответствующих мер, самолёт может столкнуться с критическими аэродинамическими проблемами, что повлияет на безопасность полёта. Регулярные проверки состояния антиобледенительных систем и подготовка пилотов к действиям в условиях обледенения являются ключевыми факторами минимизации рисков и обеспечения безопасного выполнения полётов. Из-за образования льда на антеннах возникают проблемы с радиосвязью. Образование льда на окнах кабины самолета или вертолета представляет серьёзную угрозу для безопасности полетов. Это явление, известное как обледенение, происходит, когда водяной пар в атмосфере конденсируется и замерзает на поверхности стекол кабины. В результате этого видимость для экипажа значительно ухудшается, что затрудняет визуальную ориентацию во время захода на посадку и непосредственно саму посадку. Это особенно опасно в условиях плохой видимости, таких как туман, дождь или ночь, когда визуальные ориентиры особо важны.
Современные самолеты и вертолеты оснащены различными системами для борьбы с обледенением стекол. Одним из наиболее распространенных методов является использование системы подогрева стекол. Такие системы включают в себя нагревательные элементы, встроенные в стекло, которые нагревают его поверхность и тем самым предотвращают образование льда. Эти системы управляются автоматически или вручную, в зависимости от конкретных условий полета и типа воздушного судна. Дополнительно могут использоваться специальные антизамерзающие жидкости, которые распыляются на стекла и предотвращают налипание.
Кроме технических средств, важную роль играет подготовка экипажа к действиям в условиях обледенения. Пилоты проходят регулярные тренировки, включающие моделирование ситуаций с обледенением и отработку необходимых процедур. Они должны быть готовы принять быстрое и эффективное решение — от включения систем подогрева до возможного изменения курса для поиска более благоприятных метеоусловий. Важно понимать, что игнорирование или недооценка опасности обледенения может привести к катастрофическим последствиям.
Очевидно, что управление рисками, связанными с обледенением окон кабины, требует комплексного подхода, включающего технологическое оснащение, правильное планирование полетов и высокий уровень профессиональной подготовки экипажа. Эффективное применение всех этих мер в совокупности позволяет существенно снизить вероятность аварийных ситуаций и обеспечивает высокий уровень безопасности полетов в различных метеоусловиях. При образовании льда на воздухозаборниках, существует вероятность ущерба деталям двигателя. Лёд, попадая в компрессор определённых видов газотурбинных двигателей, может вызвать их непреднамеренное отключение. В связи с этим необходимо повысить точность прогнозирования обледенения, поскольку авиакомпаниям необходимо как можно сильнее улучшить безопасность пассажирских рейсов и продлить время предварительного прогноза, чтобы как можно скорее выявить опасное для авиации явление [2]. К появлению обледенения приводит ряд физических и синоптических факторов: сублимация водяного пара на поверхности самолета; замерзание переохлаждённых капель воды, сталкивающихся с поверхностью самолета во время полета в облаках, осадках, тумане; в зоне атмосферных фронтов, особенно на теплом фронте зимой, холодном фронте второго рода, и фронте окклюзии вблизи её точки...
Купить

В ходе научных исследований, проводимых в рамках подготовки магистерской выпускной работы, детальная гидродинамическая модель WRF- ARW была адаптирована для использования на аэродроме "Пулково". С целью моделирования были определены основные параметры этой модели, такие как: шаги по горизонтальным переменным, количество уровней по вертикали, шаг по времени и набор параметризаций физических процессов.
Наличие обледенения во время непредсказуемых атмосферных явлений возникает серьезная опасность для многих областей, связанных с деятельностью человека. В ходе выполнения задачи были успешно достигнуты все запланированные цели.
В результате проделанной работы было выявлено:
1. Схема Stony-Brook University выдаёт лучше прогноз на территории выбранного исследования;
2. для дней с наличием обледенения модель с использованием схемы Stony - Brook University в 66% случаев прогнозирует данное наличие;
3. основной синоптической обстановкой, при которой происходило обледенение за выбранный период, в 54% случаев наблюдались прохождение фронтов (окклюзии, тёплого, холодного). 13% случаев - тыловая часть циклона. 10% случаев - центральная часть антициклона.

Купить