Не обледенеть на взлете

Радиометр водяного пара и температурный профилемер, созданные учеными Института прикладной астрономии для решения задач координатно-временного обеспечения российской глобальной навигационной системы ГЛОНАСС, помогут решить проблему обледенения воздушных судов при взлете-посадке

Материалы рубрики читайте также в телеграм-канале «Техносфера, подъем!»

Проблему обледенения воздушных судов демонстрирует инверсионный след самолета, который каждый видел в небе бессчетное число раз. Как он образуется и как связан с обледенением? «Основная масса атмосферной воды находится в приземном слое высотой до пяти километров», — рассказал «Стимулу» Геннадий Ильин, инициатор разработки технологии, заведующий отделением радиоастрономических наблюдений Института прикладной астрономии РАН, заместитель председателя Технического совета института.

При этом чем выше над Землей, тем холоднее: температура падает со скоростью примерно шесть градусов на километр. В области с небольшими минусовыми температурами водяной пар находится в переохлажденном состоянии. Без внешнего воздействия микрокапли воды размером от 5 до 75 мкм сохраняют жидкую форму. Но стоит лишь воздушному судну туда залететь, как на его корпусе эти капли моментально оседают в виде льда. А в воздухе микрокапли превращаются в микрольдинки, и мы видим белый след, который тянется за самолетом.

 В межсезонье — осенью и весной, — а также во время оттепелей, когда температура воздуха на земле чуть выше нуля, самолет или вертолет проходит область перехода плюсовой температуры в минусовую в моменты взлета или посадки

В межсезонье — осенью и весной, — а также во время оттепелей, когда температура воздуха на земле чуть выше нуля, самолет или вертолет проходит область перехода плюсовой температуры в минусовую в моменты взлета или посадки — а это самые сложные этапы полета и без дополнительного усложнения в виде обледенения. А если факторы наслаиваются друг на друга, опасность для воздушного судна растет.

Александр Шелехов, сотрудник Института мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС) Сибирского отделения РАН, привел несколько примеров катастроф, произошедших из-за обледенения: «В 2009 году из-за обледенения датчиков скорости в Атлантику упал авиалайнер Airbus A-330 компании Air France (228 человек погибли); в 2010-м из-за обледенения разбился двухмоторный турбовинтовой самолет ATR 72-212 кубинской авиакомпании Aero Caribbean (68 человек погибли); в 2011-м обледенение фюзеляжа стало причиной катастрофы самолета Saab 340 в аргентинской провинции Рио-Негро; в 2016 году обледенение лопастей привело к крушению вертолета Ми-8 на Ямале; в феврале 2018-го под Москвой произошло крушение самолета Ан-148 “Саратовских авиалиний” (погибли 65 пассажиров и шесть членов экипажа), и, по заключению Росавиации, одной из причин стало обледенение лопастей».

Если сопоставить физику процесса перехода водяного пара в лед при температурах, близких к нулю, и при соприкосновении с поверхностью воздушного судна с этими случаями, а также со статистикой аварийности воздушных судов, подсчитанной Международной организацией гражданской авиации (ICAO), которая указывает, что по причине обледенения произошло 11% всех авиакатастроф, становится понятно, почему ученые обратили особое внимание на создание приборов, призванных обезопасить самолеты и вертолеты от обледенения.

Химия плюс физика

С обледенением борются с помощью специальных химических реагентов: поливают ими самолет, если наземные службы аэропорта полагают, что угроза обледенения есть. Но точного способа определить, когда это действительно необходимо, а когда избыточно, не было, пока специалисты из Института прикладной астрономии РАН вместе с коллегами из Института мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС) Сибирского отделения РАН (Томск) не разработали технологию прогноза обледенения, в основе которой лежит радиометр водяного пара — прибор, необходимый радиоастрономам, чтобы определять искажение атмосферой радиосигнала от космических источников. «Поведение водяного пара в реальном времени очень переменчиво, оно не моделируется никакими способами. Что будет через час, через два, никакой математической моделью описать нельзя. Такие изменения надо измерять», — говорит Геннадий Ильин.

Особенно остро проблема прогноза обледенения стоит в небольших аэропортах. В больших воздушных гаванях — Шереметьево, Домодедово, Пулково, Кольцово — самолеты взлетают каждые несколько минут и экипажи передают наземным службам информацию о фактах обледенения. В менее крупных аэропортах с низкой интенсивностью полетов подобную информацию собрать невозможно, а ситуация в атмосфере в промежутки между взлетами-посадками может кардинально поменяться. Поэтому технологию защиты от обледенения очень важно применять в подобных местах. Особенно актуальна проблема обледенения в Арктике, где аэропорты маленькие, движение судов не очень плотное, а низкие температуры наблюдаются круглый год.

Путь до прибора

Теоретические основы для создания радиометра водяного пара заложили ученые из Горьковского научно-исследовательского радиофизического института в 60-х годах прошлого века. Для того чтобы идея воплотилась в работающий прибор, требовалось время. По мере развития микроэлектроники, появления компактных, надежных малошумящих приемных СВЧ-устройств, вычислительных устройств — микроконтроллеров, высокоточных измерительных приборов идеи приближались к воплощению.

Центральный элемент технологии расчета возможного обледенения воздушных судов — радиометр водяного пара — был создан в Институте прикладной астрономии для собственных нужд. Такие приборы стоят в трех обсерваториях института — в поселке Светлое (Ленинградская область), в станице Зеленчукская (Карачаево-Черкесия) и в урочище Бадары (Бурятия), где работают радиотелескопы системы «Квазар-КВО», созданной для точного определения наземных координат относительно самых удаленных объектов Вселенной — квазаров. Чем точнее измерения радиоастрономов, тем выше точность российской навигационной системы ГЛОНАСС. Измерения ученых из Института прикладной астрономии позволяют построить виртуальную модель Земли, где сетка координат привязана к дальним астрономическим объектам, а спутниковая группировка ГЛОНАСС на орбите и сеть наземных станций позволяют определять координаты конкретного объекта.

 «Часто оказывается, что для решения научных задач нужны вещи, которых нет. Мы их создаем, а потом они находят применение в обыденной жизни. Технология определения условий обледенения самолетов — один из примеров»

«Часто оказывается, что для решения научных задач нужны вещи, которых нет. Мы их создаем, а потом они находят применение в обыденной жизни. Технология определения условий обледенения самолетов — один из примеров, — пояснил научный руководитель Института прикладной астрономии Александр Ипатов. — Мы передаем на большие расстояния большие потоки данных, для этого разработаны специальные протоколы. Они могут быть использованы в других областях. Для наблюдения космических источников мы используем очень малошумящие усилители, они уже используются для улучшения качества связи. Сейчас мы разрабатываем преобразователь аналогового сигнала в цифровой код, он может преобразовывать в цифровой код “полосу” в 10 гигагерц. Это может быть интересно во многих областях техники».

В результате многолетней работы в Институте прикладной астрономии создали надежно работающий радиометр водяного пара, имеющий перспективы применения в авиационной метеорологии и других областях, связанных с исследованием процессов в атмосфере. Прибор способен определять, как атмосфера искажает сигнал от квазаров, и используется для решения задач координатно-временного обеспечения системы ГЛОНАСС. Решив основную задачу, ученые занялись решением одним из возможных прикладных применений прибора.

«Мы провели эксперимент по отработке технологии оперативного прогноза обледенения в 2016‒2017 годах в Томске, создав комплекс из радиометра водяного пара и температурного профилемера (изготовлен в компании ATEX из города Долгопрудного), — рассказал Геннадий Ильин. — Наш радиометр позволяет определить общее количество содержащегося водяного пара и конденсированной воды в вертикальном столбе сечением один квадратный метр. Мы измеряем излучение от водяного пара в СВЧ-диапазоне частот. Чем больше воды — тем выше мощность излучения, которую мы принимаем антеннами в виде рупоров, а размер раскрыва рупора составляет порядка 20‒30 сантиметров и зависит от длины волны». Технология позволяет в режиме реального времени предупреждать о возможном обледенении самолета при взлете-посадке.

«Данные радиометра и температурного профилемера томские коллеги из ИМКЭС использовали для разработки прогнозных моделей, — рассказывает Геннадий Ильин. — Приборы установили в 12 километрах от аэропорта Богашево на площадке ИМКЭС. Объединили данные приборов, и получилась технология прогноза». За год ученые собрали массив данных радиометра водяного пара и температурного профилемера с пятиминутным интервалом следования отсчетов. Сравнили с реальными данными по обледенению воздушных судов, которые предоставили в томском аэропорту, и оказалось, что модель прогноза обледенения успешно работает. «Совпадение прогнозных и реальных данных превысило 99 процентов. Это говорит о том, что приборы, которые мы использовали, могут в автоматическом режиме делать ту работу, которую сейчас делают люди», — отмечает Александр Шелехов.

 «Совпадение прогнозных и реальных данных превысило 99 процентов. Это говорит о том, что приборы, которые мы использовали, могут в автоматическом режиме делать ту работу, которую сейчас делают люди»

Технологию запатентовали. Затем объединили два прибора — радиометр водяного пара и температурный профилемер —в одном корпусе, что гораздо привлекательнее для заказчика, и сместили фокус интереса на границу вода — суша, где предсказать поведение водяного пара в атмосфере еще труднее. Группа Геннадия Ильина провела наблюдения на набережной реки Ждановки в Петербурге, где находится одна из площадок Института прикладной астрономии. Эти исследования пригодятся при освоении Арктики, которая представляет собой сплошную границу вода — суша. Как рассказал «Стимулу» Геннадий Ильин, прибор планируется испытать в Центральной Арктике на ледостойкой самодвижущейся платформе «Северный полюс», которая с сентября дрейфует во льдах Северного Ледовитого океана. Он будет доставлен на борт платформы в ближайшее время. Результаты исследований откроют возможность широкого применения прибора в арктических аэропортах. Причем помимо достижения главной цели — увеличения безопасности полетов — использование технологии может дать и прямой экономический эффект в виде рационального использования составов, которыми обрабатывают самолеты для борьбы с обледенением.