С первых шагов развития авиации велась упорная борьба за высоту и скорость полета. Перспектива полета с большой скоростью, не достижимой в плотных слоях атмосферы, привела конструкторов и летчиков к необходимости .освоения стратосферы.
Малая плотность воздуха в стратосфере, отсутствие облачности и связанных с нею опасных явлений погоды, таких, как молнии, грозы, град, сулили большую, чем в тропосфере, безопасность полетов. И еще один фактор — незагруженность авиалиниями — воздушная целина — привлекают авиаторов.
Небольшая плотность воздуха в стратосфере дает возможность развить большую скорость. Так авиалайнеры, предназначенные для полетов в стратосфере, будут развивать там скорость, превышающую звуковую.
Чтобы иметь какое-либо представление об особенностях полета сверхзвуковых самолетов, обратимся к следующей схеме.
На рис. показан типичный профиль полета на скорости, в три раза превышающей скорость звука 1 (М = 3).
Полет состоит из трех фаз: 1) набор высоты до 11 — 12 км на дозвуковой скорости (М<1), переход от полета с дозвуковой скоростью к полету со сверхзвуковой скоростью (от М < 1 к М>1) на отрезке без значительного изменения высоты и дальнейший подъем до высоты 20—22 км, где достигается скорость, соответствующая М = 3. Эта фаза будет занимать около 15 мин на отрезке пути около 530 км; 2) крейсерская часть полета с небольшим подъемом при М = 3 примерно в течение 1 ч 15 мин; 3) быстрый спуск до высоты 13 км (19 мин); «площадка», на которой осуществляется переход от сверхзвуковой к дозвуковой скорости (от М = 2 до М = 0,9), и дальнейшее снижение в течение 10 мин с уменьшением скорости до посадочной.
В связи с растущей насыщенностью воздушного пространства, большой загруженностью аэропортов и влиянием погоды на сверхзвуковые самолеты возникает ряд сложных проблем, касающихся безопасности и экономики полетов, а также метеорологического обеспечения сверхзвукового транспорта. Все эти проблемы взаимосвязаны и очень важны. Здесь мы остановимся лишь на различных аспектах проблемы метеорологических условий полета в стратосфере.
Даже при самых надежных и блестящих технических характеристиках самолета важную роль в безопасности полета играет своевременное обеспечение метеорологической информацией.
Так в зоне набора высоты до крейсерского уровня полета сверхзвукового самолета на расстоянии 300— 700 км от аэропорта взлета и в зоне снижения на таком же расстоянии от аэропорта посадки будут необходимы информация и прогнозы о вертикальном распределении температуры и ветра от земной поверхности до 20 км и о таких метеорологических явлениях в тропосфере, как кучево-дождевые облака, сильные ливневые осадки, особенно град, грозы, турбулентность. Положение уровня минимальной температуры, струйных течений вблизи тропопаузы имеет важное значение для определения уровня перехода от дозвуковой к сверхзвуковой скорости полета в зоне набора высоты и обратного перехода, от сверхзвуковой к дозвуковой скорости в зоне снижения.
Вершины кучево-дождевых облаков и град в зоне набора высоты с околозвуковой скоростью представляют большую опасность для сверхзвукового самолета. Главная опасность заключается в наличии сильной турбулентности (перемешивания) внутри кучево-дождевых облаков и вблизи них. Мощные вертикальные потоки там часто сочетаются с резкими порывами ветра. Все это обусловливает штормовую болтанку самолетов, которая может привести к потере управляемости и даже разрушению самолета.
В кучево-дождевых облаках бывают два вида вертикальных потоков: упорядоченная конвекция и вертикальные порывы. При упорядоченной конвекции вертикальные потоки пронизывают по вертикали все облако или большую его часть. Скорость этих потоков нарастает медленно на большом участке пути. Самолет постепенно входит в такой поток и начинает вертикально перемещаться вместе с потоком, не испытывая при этом больших перегрузок.
При вертикальных порывах скорость воздуха нарастает мгновенно и может привести к потере управляемости самолета.
Причина, по которой воздух внутри облака поднимается вверх, состоит в том, что он несколько теплее и менее плотен, чем воздух снаружи облака. До тех пор пока это условие сохраняется, существует ускорение, направленное вверх. Однако с высотой воздух в облаке быстро становится холоднее и тяжелее наружного. Это охлаждение приводит к ослаблению восходящих движений и прекращению дальнейшего роста облака. Нижняя граница стратосферы, расположенная на высотах от 10 до 16 км, является обычно пределом развития грозовых облаков. Поэтому полет на крейсерской высоте сверхзвукового авиалайнера в этом плане представляется безопасным.
Однако существуют еще два фактора, представляющих опасность при полете в грозовой зоне. Это — удар молнии в самолет и град или осадки, которые могут встретиться на разных высотах. Такое бывает редко, но нельзя не считаться с возможностью таких случаев.
Самое эффективное средство против гроз — это избежать с ними встречи. Решающую роль в распознавании гроз во время полета играет самолетный радиолокатор. Транспортные самолеты гражданской авиации оборудованы такими радиолокаторами, которые успешно помогают вовремя определить местонахождение скопления кучево-дождевой облачности и обойти ее.
Успешное метеорологическое обеспечение пассажирских сверхзвуковых лайнеров, для которых вопросы безопасности полета и комфорта имеют первостепенное значение, возможно только при всестороннем и глубоком изучении таких явлений атмосферы, как турбулентность, струйные течения, озон, стратосферные потепления. Ниже мы кратко остановимся на влиянии этих факторов на полеты сверхзвуковых самолетов.
Атмосферная турбулентность, вызывающая болтанку самолетов во время полета, относится к числу опасных для авиации явлений погоды, особенно при ее возникновении при ясном небе, т. е. в отсутствии облачности. Это говорит о том, что турбулентность ясного неба может наблюдаться и в стратосфере. Действительно, сообщения военных летчиков и проведенные летно-экспериментальные исследования в стратосфере показали, что хотя повторяемость зон турбулентности там уменьшается по сравнению с верхней тропосферой, но она все-таки может встретиться и оказаться серьезным препятствием для выполнения полета.
Одной из основных причин возникновения турбулентности в атмосфере является вертикальный сдвиг вектора ветра, или, иначе, резкая смена скорости, а иногда и направления ветра по вертикали. В нижней стратосфере повышенные вертикальные сдвиги ветра наблюдаются над осью тропосферных струйных течений в слое резкого уменьшения скорости ветра с высотой.
Источником возникновения зон турбулентности в слоях от 16 до 20 км (в зависимости от широты места) может оказаться явление обращения ветра (смена западного направления ветра на восточное), наблюдаемое в средних слоях стратосферы при переходе от зимнего типа циркуляции к летнему. В этом слое стратосферы, возникающем в летний период и получившем название уровня обращения ветра, наблюдаются, как правило, слабые ветры неустойчивого направления. Однако, несмотря на небольшие скорости, за счет резких изменений направления ветра в слое обращения могут возникнуть значительные вертикальные сдвиги вектора ветра, что, в свою очередь, может вызвать болтанку.
Максимум повторяемости турбулентности в зимний период наблюдается на высотах около 15 и 18—19 км, В летний период повторяемость и интенсивность турбулентности в стратосфере существенно уменьшается. Повышенная же повторяемость турбулентности в стратосфере зимой объясняется более интенсивной атмосферной циркуляцией в этот период.
В настоящее время в связи с трудностями прогнозирования турбулентности при ясном небе возлагаются надежды на создание самолетного прибора, который бы позволил определять зоны турбулентности в полете к предупреждать летчика об их приближении.
Однако прибор пока еще не создан, а для современной и особенно будущей сверхзвуковой транспортной авиации крайне необходим метод прогнозирования струйных течений и зон турбулентности.
И в СССР, и за рубежом в последние годы этому вопросу уделяется много внимания; на исследования выделяются большие средства, ведутся наблюдения на рейсовых транспортных самолетах, выполняются специальные полеты.
Многочисленные исследования позволили установить ряд прогностических признаков появления турбулентности. Так, район к югу от струйного течения ближе к его антициклонической стороне, является благоприятной зоной для появления турбулентности в свободной атмосфере. Струйные течения всегда связаны с атмосферными фронтами. Они образуются во фронтальной зоне под тропопаузой. Проекция оси струйного течения на приземной синоптической карте располагается в 600—1000 км перед линией теплого фронта и в 300—660 км за линией холодного фронта.
Струйные течения в горизонтальной плоскости могут изгибаться. Сходимость и расходимость потока на изгибах является одной из причин турбулентности. Зоны турбулентности чаще всего встречаются в местах наибольших градиентов скорости ветра, т.е. слева от оси. Знание особенностей струйных течений и зон турбулентности приобретают наиболее важное значение при прогнозе струйных течений. Такой прогноз составляется на основе анализа карт барической топографии, высот тропопаузы и карт максимальных скоростей ветра. Большое значение при этом имеют прогностические высотные карты, по которым вычисляются карты будущего тюля давления, а соответственно и струйных течений. При оценке планетарной высотной фронтальной зоны учитываются сезонные изменения в расположении и интенсивности струйных течений, Иногда такие сезонные колебания бывают выражены очень резко.
В Гидрометцентре СССР уделяется большое внимание изучению условий возникновения турбулентности и разработке методики ее прогнозирования. Были выработаны рекомендации по прогнозированию болтанки на основе анализа приземных и высотных текущих и прогностических карт. А так как положение и интенсивность атмосферных явлений, связанных с турбулентностью в свободной атмосфере, колеблются в зависимости от синоптической ситуации, то хорошим подспорьем в прогнозировании этих явлений служат снимки облачности, полученные со спутников. По облачным снимкам можно судить о направлении и мощности струйного течения, 6 стадии развития той или иной синоптической ситуации или явления, с которым, как заведомо известно, бывает связана турбулентность.
Однако не только из-за угрозы попасть в зону турбулентности необходимо знать расположение областей струйных течений. Большие скорости ветра, наблюдающиеся в струйных течениях, имеют важное значение для авиации, особенно дозвуковой, в экономическом и пилотажном отношении.
При полетах на большие расстояния вопрос о расходе топлива имеет важное значение. Известно, что не всегда кратчайшее расстояние является наиболее выгодным в экономическом отношении. Опыт полетов на больших высотах позволил сделать вывод о возможности и целесообразности использования струйных течений для увеличения путевой скорости. Так, североатлантическое струйное течение используется летчиками при полете на трассе Нью-Йорк — Лондон. В обратном же направлении приходится лететь по более северному маршруту (через Исландию и юг Гренландии) с целью избежать встречной струи. Как показал опыт, полеты вблизи оси струйного течения проходят, как правило, спокойнее, чем на его периферии, где наблюдаются наибольшие сдвиги ветра как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях. При этом экипаж самолета, находящегося в зоне струйного течения, может осуществлять оценку положения самолета относительно его оси по показаниям бортового термометра, так как уровень максимального ветра совпадает с уровнем постоянства температуры при полете вдоль направления потока. Поэтому полет с попутным ветром в центральной части струйного течения может контролироваться показаниями бортового термометра. Если наблюдается повышение температуры, то это значит, что самолет уклоняется вправо от оси струйного течения, а если температура понижается, то влево.
Однако только очень сильное струйное течение может оказать заметное влияние на полет сверхзвукового самолета, в то время как его влияние на полет дозвукового самолета велико. Приведем несколько цифровых характеристик полета в струйном течении. При полете со сверхзвуковой скоростью, например, 3250 км/ч (при температуре —50°) в попутном струйном течении 360 км/ч самолет приобретает путевую скорость 3610 км/ч (3250 км/ч + 360 км/ч). В этом случае отрезок пути, соответствующий часовому полету в штилевых условиях, был бы пройден за 54 мин. Это означает, что (3250 км) на указанном отрезке было бы сэкономлено (по сравнению с полетом в штилевых условиях) 4 т топлива, при его расходе 40 т в час, т. е. 0,1 общего количества топлива.
При полете же с дозвуковой скоростью, например, 600 км/ч в том же попутном струйном течении (360 км/ч) путевая скорость самолета становится равной 960 км/ч. Путь в 600 км был бы пройден в этом случае за 36 мин вместо часа, а экономия топлива соответственно около 50% общего количества. Таким образом, преимущества попутного струйного течения для дозвуковых самолетов весьма существенны, и, следовательно, знание распределения и скоростей планетарных струйных течений и прогноз струй меньшего масштаба способствуют не только возможности предупреждения опасности для самолета, но и могут внести значительный экономический вклад в осуществление дальних полетов.
Летно-технические характеристики сверхзвукового самолета позволяют уменьшить до безопасного предела или полностью исключить такое вредное и для дозвуковых самолетов явление, как обледенение.
Обледенение дозвуковых самолетов происходит обычно при полете в облаках, тумане или в зоне атмосферных осадков при отрицательной температуре окружающего воздуха (от —3° до —12°С). В некоторых случаях слабое обледенение может происходить и вне облаков при условии сильно увлажненного воздуха.
Явление обледенения состоит главным образом в замерзании переохлажденных капель на поверхности самолета. Переохлажденные капли, ударяясь о лобовые части самолета, сплющиваются, разбрызгиваются и, увлекаемые воздушным потоком, растекаются по поверхности самолета, при этом они быстро замерзают, покрывая самолет слоем льда. Отложение льда на выступающих частях самолета увеличивает полетный вес. В результате происходит уменьшение скорости самолета. Если, например, через 5—10 мин после входа в облака скорость уменьшится на 5—10 км/ч, это значит, что толщина льда на крыле достигает 5—10 мм и самолет находится в зоне интенсивного обледенения. Если такое же уменьшение скорости происходит в более длительный период полета, то это указывает на слабую или умеренную интенсивность отложения льда.
Один из видов борьбы с обледенением основан на выборе маршрута и профиля полета в таких метеорологических условиях, при которых обледенения не будет совсем или оно будет слабым и непродолжительным.
Появление самолетов со сверхзвуковыми скоростями поможет избавиться от обледенения во время крейсерского полета. С увеличением скорости полета происходит быстрое повышение температуры поверхности самолета вследствие сжатия и трения встречного воздушного потока. Это и помогает предохранить самолет от обледенения. Так, например, на сверхзвуковой скорости 1400 км/ч и более самолет совершенно не будет обледеневать, так как температура его поверхности будет положительной при температуре воздуха до —40° или ниже.
Сверхзвуковой самолет может подвергаться обледенению лишь на очень короткое время, преимущественно в зоне снижения и захода на посадку. Однако быстрому охлаждению поверхности самолета в этом случае будут препятствовать повышение температуры воздуха и давления с уменьшением высоты.
Таким образом, полеты на высотах стратосферы, где отсутствует облачность, обеспечивают более благоприятные условия для пассажирских авиалайнеров, чем полеты в верхней тропосфере.
И еще об одной полезной особенности сверхзвукового транспорта.
Всем известно, что при полетах на больших высотах, особенно в верхней тропосфере и в нижней части тропосферы, за самолетами и ракетами часто образуются конденсационные (облачные) следы. Эти следы демаскируют летящие самолеты и ракеты, облегчая их поиск. Несмотря на широкое применение радиотехнических средств обнаружения воздушных целей и наведения на них истребителей, с явлением конденсационных следов следует считаться.
Основной причиной образования устойчивых и хорошо видимых с земли конденсационных следов за летательными аппаратами является конденсация или сублимация водяного пара, попадающего в атмосферу с отработанными газами авиационных или ракетных двигателей.
Конденсационные следы образуются обычно на больших высотах и при очень низкой температуре. Уже при небольшом удалении от среза сопла в нескольких десятках метров от него облачный след по своей структуре напоминает перистые, перисто-слоистые или перисто-кучевые облака. Это подтверждается наличием гало, которое нередко образуется на облаках, развившихся из конденсационного следа.
Проведенные исследования показали, что верхняя граница устойчивого конденсационного следа редко бывает выше уровня поверхности тропопаузы, особенно при наличии в ней хорошо выраженной инверсии. Конденсационный след может наблюдаться несколько выше уровня тропопаузы только в том случае, если над уровнем минимальной температуры располагается слой изотермии или слабо выраженной инверсии. В нижней стратосфере конденсационные следы теряют устойчивость и быстро рассеиваются, так как влажность воздуха здесь очень мала. Исходя из этого, за верхнюю границу следа принимают высоту тропопаузы.
Сильные ветры, в том числе струйные течения, не препятствуют образованию конденсационных следов, если температура воздуха благоприятна для этого. Они оказывают влияние лишь на форму и устойчивость следа.
Однако наряду с преимуществами сверхзвуковых самолетов, в сравнении с дозвуковыми, имеется и ряд отрицательных моментов. Один из них — звуковой хлопок.
Все мы когда-либо бывали очевидцами этого не очень приятного для слуха явления. Представьте. Ясный солнечный день, ничто не предвещает нарушения обычного хода жизни. И вдруг вас оглушает невероятной силы звук, подобный звуку мощного взрыва. Звенят стекла, посуда. Испуг от неожиданности этого явления постепенно проходит и вы возвращаетесь к своим занятиям. «Пролетел сверхзвуковой самолет»,— говорите вы.— «Это звуковой хлопок».
Действительно, теперь об этом явлении знает каждый. Знают, что при увеличении скорости самолета до сверхзвуковой возникает явление звукового хлопка.
Какова же физическая сущность этого явления? Обратимся за разъяснением к газовой динамике.
Самолет, движущийся с дозвуковой скоростью, возбуждает в воздухе слабые возмущения (упругие волны). Они распространяются со скоростью звука во всех направлениях. А так как скорость распространения возмущений больше скорости самолета, то они будут опережать летящий самолет. При этом давление впереди самолета не может существенно увеличиваться вследствие упругости воздуха, как бы убегающего от самолета со скоростью звука. Но если самолет движется со сверхзвуковой скоростью, то создаваемые им возмущения запаздывают и оказываются позади носовой части самолета. При этом возмущения сосредоточиваются в объеме воздуха, имеющем форму конуса, вершина которого совпадает с носовой частью самолета, а ось с направлением полета.
В этом случае давление вокруг самолета увеличивается и возрастает сопротивление воздуха его движению. В результате создается резкое повышение плотности воздуха или скачок уплотнения на поверхности конуса возмущения.
Боковая поверхность конуса возмущений представляет собой фронт ударной волны. Ударная волна направлена перпендикулярно фронту волны и распространяется в сторону несжатого воздуха. Скорость движения ударной волны относительно воздуха зависит от скорости самолета и от разности давления и температуры между окружающим воздухом и непосредственно за ударной волной. Вблизи очага возникновения (в вершине конуса) скорость ударной волны превышает скорость звука, однако по мере удаления от очага возникновения скорость ударной волны уменьшается и становится равной скорости звука. Таким образом происходит превращение ударной волны в акустическую, или звуковую волну.
Наблюдатель на земной поверхности услышит звуковой хлопок только тогда, когда окажется в пределах фронта звуковой волны, т. е. через некоторое время после того, как сверхзвуковой самолет пролетит над ним.
У сверхзвуковых самолетов образуются головная и хвостовая волны. Если эти волны достигают Земли с интервалом около 0,2 с, они воспринимаются как два последовательных хлопка.
Эффект на Земле от звуковых ударов определяется перепадом давления в скачке уплотнения. Если он менее 1,5 кГ/м2, то воспринимается как отдаленный взрыв, если меньше 5 кГ/м2 — как близкий удар или взрыв. При перепадах давления от 5 до 15 кГ/м2 выпадают оконные стекла, а при перепадах около 40 кГ/м2 разрушаются легкие строения.
Однако сила звукового хлопка на поверхности Земли ослабевает с увеличением высоты полета. Если разгон самолета до сверхзвуковой скорости производится в тропосфере, то в этом случае ударные волны могут вызвать даже разрушение наземных объектов. В стратосфере же ударные волны безопасны для земных объектов, так как инверсия и изотермия над тропопаузой ослабляют распространяющиеся книзу ударные волны, которые в этом случае могут вызвать у земного наблюдателя лишь неприятный звуковой эффект.
Субъективная реакция людей на хлопки зависит не только от перепада давления, но и от ряда других факторов— времени суток, числа случаев, продолжительности (два хлопка или объединенный хлопок), от возраста и физического состояния человека. Ученые изучают воздействие звуковых хлопков на человеческий организм.
Траектория распространения звукового луча находится в тесной зависимости от таких характеристик окружающей среды, как температура и ветер. Так теоретически и экспериментально было установлено, что скорость звука (а) зависит от температуры воздуха (Т): а = 72,2 Т. Вертикальное же распределение направления и скорости ветра, накладываясь на эффект вертикального распределения температуры, вызывает искривление звуковых лучей и фокусировку звуковых ударов.
Проследим искривление звукового луча, идущего от образуемой сверхзвуковым самолетом ударной волны (рис. 6). Допустим, что самолет летит на высоте 20 км. Будем считать, что в нижней стратосфере имеется изотермия, в тропосфере (кроме приземного слоя)—нормальное распределение температуры с высотой, а в приземном слое наблюдается инверсия . Звуковой луч между самолетом и тропопаузой под влиянием температуры (изотермия) преломляться не будет . Далее, пересекая тропосферу, он будет переходить из холодного в более теплый воздух, следовательно, он будет преломляться. Если в тропосфере отклонение звукового луча значительно, то он не достигнет земли (см. рис. 6, поз. 4). Если же в приземном слое наблюдается инверсия, т. е. с высотой температура воздуха возрастает, то искривление луча происходит в обратную сторону и он достигает земли .
В рассмотренном примере не учитывалось распределение ветра. В действительности же ветер оказывает большое влияние на распространение идущей от сверхзвукового самолета звуковой волны.
Искривление звукового луча под влиянием ветра накладывается на искривление, вызванное вертикальным распределением температуры. Оба влияния (ветра и температуры) могут действовать в одном направлении, усиливая эффект, или в противоположных направлениях. В последнем случае влияние одного из факторов частично и полностью компенсирует влияние другого.
Зная вертикальное распределение температуры и ветра, можно в каждом отдельном случае рассчитать перемещение фронта ударной волны.
Расчеты фокусирования ударной волны при различном распределения ветра и при стандартном распределении температуры показали, что для уменьшения эффекта звуковых ударов важно, чтобы ветер на этапе набора высоты и на крейсерском этапе был либо попутным, либо встречным. В случае полета с боковым ветром, особенно .при пересечении сверхзвуковым самолетом струйного течения, наблюдается увеличение звукового эффекта. Изменение скачка давления в этом случае у поверхности Земли под влиянием ветра будет Значительно слабее, если на крейсерской высоте полета самолет находится гораздо выше уровня максимальной скорости ветра.
Таким образом, распределение температуры и ветра является важным фактором для обеспечения полетов в стратосфере. В целом степень влияния температуры и ветра на полет сверхзвукового самолета определяется сезонными и непериодическими изменениями циркуляции в стратосфере. К непериодическим изменениям относятся стратосферные потепления.
При больших положительных отклонениях температуры в стратосфере от стандартной атмосферы полет сверхзвукового самолета становится неэкономичным. Это обусловлено тем, что стратосферные потепления вызывают очень большие изменения плотности воздуха. Так, над Канадой плотность воздуха на высоте 30 км в период очень сильного потепления зимой 1963 г. была на 30% выше стандартной атмосферы. В связи с увеличением плотности воздуха уменьшается тяга двигателей, скорость и соответственно снижается высота крейсерского полета самолета. Например, при повышении температуры в стратосфере всего на 10—15° высота крейсерского полета сверхзвукового самолета при скорости 1900 км/ч уменьшается на 1 —1,5 км.
Понижение температуры относительно стандартной атмосферы вызывает обратный эффект: увеличение тяги двигателей, максимальной скорости и высоты полета.
Увеличение температуры в стратосфере приводит также к дополнительному расходу топлива в связи с уменьшением скорости полета. Приведем данные авиационно-технической службы Франции о полете самолета «Конкорд» по маршруту Париж — Нью-Йорк. Взлетный вес самолета — 171 т. Если полет будет происходить при встречном ветре 25 м/сек (90 км/ч) на протяжении всего пути, то это вызовет такое же увеличение общего расхода топлива, как и увеличение температуры на 10° по сравнению со стандартной. Дополнительный расход топлива в этом случае составит 2700 кг, или около 4% общего расхода топлива.
Следует избегать неожиданного попадания сверхзвукового самолета на предельной крейсерской скорости в область сильного потепления в стратосфере. Для этого летчики должны получать сведения о начале стратосферного потепления, обнаруженного в пунктах ракетного и радиозондирования на высоких уровнях (10 мб и выше). В ближайшие годы такую информацию о потеплениях в стратосфере и мезосфере будут передавать метеорологические спутники. Они же будут передавать оперативную информацию о повышении радиации в космосе в связи с протонными вспышками на Солнце.
В период максимальной солнечной активности мощный протуберанец может выделить поток протонов обладающих энергией в десятки, сотни и даже тысячи килоэлектро-вольт (кэВ). Такого количества энергии достаточно, чтобы при столкновении с атомами и молекулами верхней атмосферы вызвать поток вторичных частиц, обладающих высокой энергией. Эти частицы могут проникать в нижние слои атмосферы и даже в приземный слой.
В период вспышек может наблюдаться повышение интенсивности космической радиации, которая значительнее при удалении от поверхности Земли. А так как полярные районы Земли являются зонами, через которые осуществляется проникновение космической радиации в земную атмосферу, то в этих районах на высоте 18—21 км в период увеличения солнечной активности могут наблюдаться вторичные протоны в количестве, опасном для жизни человека. Такие мощные вспышки могут наблюдаться всего 2—3 раза за весь одиннадцатилетний цикл солнечной активности. По направлению к экватору интенсивность протонной радиации уменьшается.
Полет на высоте 12 км безопасен даже в период самых крупных вспышек. Увеличение радиации на высоте крейсерского полета сверхзвукового самолета может произойти лишь через 20—30 мин после вспышки на Солнце. Поэтому необходимо, сразу же после обнаружения начала такой вспышки, передавать по радио сведения пилоту для снижения самолета на безопасную высоту. Для предупреждения же возможного нарушения радиосвязи предполагается устанавливать на сверхзвуковых самолетах прибор для регистрации протонного излучения, который будет подавать экипажу сигнал в случае превышения допустимого предела опасной радиации. Такой регистратор, например, устанавливается на англо-французском сверхзвуковом самолете «Конкорд».
Для обеспечения безопасности полетов в стратосфере должна быть всесторонне изучена и проблема содержания озона на высотах средней стратосферы.
По средним данным для Северного полушария, концентрация озона в атмосфере (рис. 7) на крейсерских высотах существующих дозвуковых реактивных самолетов в несколько раз больше, чем у поверхности Земли, и приближается к максимально допустимой величине. На крейсерских же высотах сверхзвуковых самолетов концентрация озона в 5—10 раз превышает эту норму.
В годовом ходе максимум озона в среднем приходится на весну в высоких широтах Северного полушария, а минимум на осень в умеренных широтах.
Исследователи отмечают разрушающее действие озона на различные авиационные материалы, на работу двигателей. Учитывая токсичность озона, необходимо учитывать возможное влияние на здоровье экипажа и пассажиров. Особенно экипажа, так как существует мнение, что при нахождении экипажа в «озонном поясе», расположенном в слое 18—30 км, более 100 ч в месяц, озон будет оказывать вредное влияние на жизнедеятельность экипажа в полете.
Влияние озона на авиационные материалы и техническое оборудование связано с тем, что озон является сильным окислителем, при вступлении в реакцию с некоторыми авиационными материалами время разрушения озона увеличивается, что, в свою очередь, приводит к увеличению времени его пребывания в кабине.
Так как полеты сверхзвуковых транспортных самолетов будут выполняться в области максимального содержания озона, то вопрос о вариациях высоты этой области чрезвычайно важен при оценке метеорологических условий полетов в стратосфере.
С июня 1964 г. в Гидрометцентре СССР производится составление карт общего содержания озона для Северного полушария. Ежедневные карты общего содержания озона дают возможность не только следить за перемещением очагов высокого и низкого содержания озона, но и на основе связи между общим содержанием озона и его парциальным давлением на разных высотах прогнозировать озонную обстановку для сверхзвуковых самолетов. Для повышения надежности таких прогнозов наряду с указанной корреляционной связью необходимо принимать во внимание особенности стратосферной циркуляции и другие синоптические характеристики. В частности надо помнить, что зоны струйных течений являются не только зонами повышенной турбулентности, но и повышенного содержания озона, что также важно принимать во внимание при оценке полетов в стратосфере.
В природе все разумно, все взаимосвязано и подчинено закону равновесия. Нарушение этого равновесия может привести к нежелательным эффектам. Поэтому вопрос о регулярных сверхзвуковых полетах всесторонне изучается. Необходимо уточнить и взвесить все мельчайшие детали. Речь идет не только о выборе наилучших маршрутов и времени полетов, не только о наиболее эффективном обеспечении экипажей сверхзвуковых самолетов метеорологической информацией, прогнозировании многих важных для этих полетов метеорологических параметров и явлений атмосферы и в целом безопасности полетов. Важно и другое. Как сам самолет влияет на окружающую среду? Да, именно так. И с этой точки зрения рассматриваются полеты сверхзвуковых самолетов. Особенно теперь, когда с трагической необходимостью встал вопрос о загрязнении среды наземными объектами.
Учеными было высказано мнение, что при больших сверхзвуковых скоростях полета (более 4—5 М) постоянство химического состава воздуха в обтекающем самолет потоке нарушается. Это может происходить вследствие того, что при полете сверхзвукового самолета выбрасываются в воздух отработанные двигателем газы — такие, как окись и двуокись азота (NO и NO2) и сернистый газ.
Теоретическим путем было показано, что вследствие взаимодействия этих химических элементов с атомарным кислородом и озоном, которые в большом количестве содержатся на высотах 22—27 км, происходит выделение молекулярного кислорода, а следовательно, нарушается фотохимическое равновесие концентрации озона. На современном этапе развития знаний о сверхзвуковых полетах очень трудно сделать какие-либо конкретные выводы о влиянии выбросов сверхзвуковых самолетов на озонный слой. Однако предварительные исследования метеорологических и химических факторов показали, что очень важно изучить возможность уменьшения концентрации озона вследствие полетов сверхзвуковой авиации, особенно в летний период, когда содержание озона приближается к минимуму, и атмосфера наиболее прозрачна для опасной ультрафиолетовой радиации.
Как мы видим, проблем у сверхзвуковой авиации много. Но никакие трудности и не до конца решенные задачи не в состоянии остановить победного шествия достижений человеческой мысли.
Уже несколько лет совершаются пробные полеты сверхзвуковых авиалайнеров. И не далек день, когда начнется серийное производство этих самолетов и их регулярные полеты. Преимущества сверхзвуковой транспортной авиации очевидны: скорость, высота, простор, экономичность, надежность. Помимо этого, сверхзвуковые самолеты будут являться важным источником получения и потребления метеорологической информации. Полеты сверхзвуковых транспортных самолетов на высотах 17—22 км — реальность сегодняшнего дня. Однако специалисты многих стран рассматривают возможности полета крылатых летательных аппаратов на любых высотах в пределах атмосферы, включая стратосферу и мезосферу. Овладению атмосферой, естественно, должно предшествовать детальное изучение основных ее параметров. В этом плане исследование стратосферы, как одного из последовательных этапов к познанию воздушного океана, в настоящее время представляется наиболее актуальным.
В университетах, специальных метеорологических институтах и техникумах нашей страны ежегодно подготавливаются сотни квалифицированных кадров для работы в научно-исследовательских учреждениях Гидрометслужбы СССР. Для осуществления исследовательских работ в области физики атмосферы государство выделяет большие средства.
Усилия ученых-метеорологов направлены на построение стройной теории атмосферной циркуляции и создание надежного расчетного метода прогноза погоды на длительные сроки.
Для получения комплексных данных об атмосфере в период июнь — сентябрь 1974 г. в тропической зоне Атлантического океана, на территории Африки и Центральной Америки был осуществлен уникальный международный тропический эксперимент — «Тропэкс-74». Ученые многих стран, принявшие участие в этом эксперименте, располагали 36 исследовательскими судами, наземными метеорологическими станциями, спутниками (СССР и США). В результате этого крупного международного научного мероприятия программы исследования глобальных атмосферных процессов (ПИГАП) было .получено большое количество ценных материалов, которые стали основой для глубокого анализа и всестороннего изучения атмосферной циркуляции в тропосфере и стратосфере тропической зоны, как важной части глобальной циркуляции.
В настоящее время обычным стал прогноз метеоэлементов в нижней и средней стратосфере, на очереди прогнозирование метеорологических процессов в верхней стратосфере и мезосфере.
Совместные усилия конструкторов-авиаторов и метеорологов обеспечат в недалеком будущем высокие скорости и безопасность полетов на новых сверхвысоких трассах.
