Грозы – частое явление весной во многих широтах. Иногда грозовой фронт может стать причиной временных ограничений вылетов и посадок в международных аэропортах, из-за чего рейсы “повисают” в зоне ожидания или перенаправляются в соседние города.

Но действительно ли гроза опасна для самолёта и стоит ли волноваться, если командир воздушного судна принял решение садиться в грозу?

Takeoffblog перевёл классическую статью о защите современных самолётов перед лицом молнии и электрических разрядов, которую написал физик-исследователь из США Кларенс Э. Раш. Эта статья была опубликована в журнале Aerosafety World агентства Flight Safety Foundation в июне 2010 года на английском языке.

Когда ударит молния. Системы защиты самолетов от прямых и косвенных повреждений

Понимание механизмов и последствий ударов молний по самолетам стало возможным благодаря многолетнему опыту расследования таких ситуаций.

Когда в 1929 году произошла первая известная авиакатастрофа, вызванная молнией, ученые и авиационные инженеры поначалу настаивали на том, что молния не сыграла никакой роли в катастрофе и что «не существует доказанного случая, когда самолет когда-либо подвергался удару молнии».

Эксперты 1920-х годов оказались неправы — удары молний в самолетах происходят часто, и намного реже они приводят с катастрофам.

Молния — это электрический разряд, который возникает в атмосфере. Его можно рассматривать как сильноточную — около 20 000 ампер — электрическую искру, причиной которой считается гроза.

Молния возникает, когда переохлажденные жидкости и частицы льда выше уровня замерзания сталкиваются и создают большие и обособленные области положительных и отрицательных электрических зарядов в облаке. После того как эти заряды становятся достаточно большими, между ними возникает гигантская «искра» или разряд, живущий менее десятой доли секунды. Искра — молния — может возникнуть между облаками, между участками одного облака, между облаком и воздухом, или между облаком и землей — или каким-то предметом на земле.

Наиболее распространенным типом грозового разряда считается облако-земля, или «отрицательная» молния, на долю которой приходится 90 процентов всех ударов. Разряд обычно начинается, когда возникает значительная разница между отрицательным зарядом в облаке и положительным зарядом на земле или в другом облаке. В этот момент отрицательный заряд начинает двигаться к земле, образуя невидимый проводящий путь, который известен как “лидерный разряд”. Этот лидерный разряд спускается по воздуху отдельными зигзагообразными шагами или прыжками, каждый длиной примерно 46 метров. Одновременно с этим из положительно заряженной земли или другого облака исходит положительно заряженный “стриммер”. При встрече лидера и стриммера вдоль стриммера вверх и в облако происходит электрический разряд — молния. Именно этот обратный удар является наиболее яркой частью разряда молнии, обычно единственной частью грозового процесса, которая действительно видна.

Другой тип молнии, известный как «положительная молния», поскольку происходит чистая передача положительного заряда от облака к земле, возникает в верхних частях грозы, где находится высокий положительный заряд. Этот тип молнии развивается почти так же, как и отрицательная молния, за исключением того, что нисходящий ступенчатый лидер несет положительный заряд, а последующий наземный стример имеет отрицательный заряд. Положительная молния составляет менее 5 процентов всех молний, но она гораздо мощнее, длится дольше и может разряжаться на большие расстояния.

Глобальное явление

Молния – глобальное явление. Вспышки молнии наблюдались при извержениях вулканов, интенсивных лесных пожарах, сильных снежных бурях и крупных ураганах. Однако чаще всего молния связана с грозами.

Несмотря на глобальную природу явления, молнии не распределены географически равномерно. Около 70 процентов всех вспышек молний происходят между 30 градусами северной и 30 градусами южной широты – то есть в тропиках, где происходит большинство гроз. Кроме того, молнии над сушей или над водой, находящейся вблизи суши, случаются в 10 раз чаще, чем молнии над океанами.

Каждые 1000 часов полета

Еще совсем недавно было невозможно получить большие статистические данные об ударах молний во время рейсов на гражданской авиации.

Однако, чрезвычайная частота молний соотносится с частотой полётов – в 2008 году было зафиксировано 77 миллионов рейсов по всему миру. Неудивительно, что удары молний в самолетах происходят относительно часто. Французское бюро национальных исследований и аэрокосмических исследований (Office National d’Etudes et Recherches Aérospatiales) подсчитало, что в самолет попадает молния в среднем каждые 1000 летных часов, а для коммерческих авиарейсов это эквивалентно одному удару на самолет в год.

Несмотря на то, что статистику явления еще необходимо изучить, имеющиеся данные указывают на то, что высота полета – это важный фактор ударов молний. Текущие данные показывают, что на промежуточных высотах (2430 – 4270 метров) ударов молний происходит больше, чем на крейсерских высотах. Другие ведущие факторы, влияющие на вероятность удара молнии – это нахождение внутри облака (90 процентов) и/или наличие дождя ( более 70 процентов).

Раньше удары молнии в самолете часто связывали с тем, что он «оказался не в том месте и не в то время» — другими словами, мешал грозовому разряду. Но по оценкам, на такой сценарий приходится только 10 процентов ударов молний в самолетах. На самом деле, почти 90 процентов ударов молний в самолетах возникают самостоятельно, например, когда самолет пролетает через сильно заряженную область облаков — и это факт, не известный до 1980-х годов.

Хотя удары молний в самолетах не редкость, случаются происшествия, в которых молния была определена как основная или способствующая причина.

Поиск в базах данных об авиационных происшествиях и исторических записях, поддерживаемых различными авиационными агентствами, историческими обществами и организациями по молниезащите, позволяет получить разнообразные списки и истории происшествий и происшествий, которые были отнесены к ударам молний.

По данным этих поисков, первая авиационная катастрофа, связанная непосредственно с ударом молнии, произошла 3 сентября 1915 год, когда немецкий дирижабль LZ40 (L10) был разрушен ударом молнии при выбросе водородного газа у острова Нойверк, Германия. С 1915 года по начало 1920-х годов ряд происшествий с дирижаблями приписывали ударам молний.

3 сентября 1929 года произошла катастрофа трехмоторного самолета Ford Transcontinental Air Transport, и это происшествие считается первой авиационной катастрофой с участием самолета тяжелее воздуха из-за воздействия молнии. Все восемь пассажиров погибли, когда самолет врезался в землю возле горы Тейлор в штате Нью-Мексико на участке маршрута Альбукерке-Лос-Анджелес.

В течение следующих нескольких десятилетий только около дюжины катастроф были связаны с ударами молний; однако во многих из этих случаев молния не была точно установлена как причина.

Самая ранняя катастрофа, связанная с молнией, для которой доступно подробное описание, произошла с самолетом Curtiss C-46D ВВС США, следовавшим из Далласа в Джексон, штат Миссисипи, 14 июня 1945 года. На высоте 3000 футов было поражено одно крыло. Не сумев удержать высоту, самолет врезался в землю на территории леса.

Почти два десятилетия спустя произошла катастрофа коммерческого рейса Boeing B707-121 компании Pan American World Airways из-за положительного разряда молнии. Самолёт разбился 8 декабря 1963 года после удара молнии во время полета в зоне ожидания. Рейс из Балтимора запрашивал посадку в Филадельфии. Следователи установили, что удар молнии вызвал возгорание паров топлива.

В результате расследования, проведенного Федеральным агентством авиации США (предшественником Федерального авиационного управления (FAA)), было установлено новое требование для коммерческих реактивных лайнеров: установка фитилей грозового разряда, которые препятствуют возгоранию топливных паров из-за вспышек или искр.

База данных о авиакатастрофах Национального совета по безопасности на транспорте США (NTSB) за период с 1 января 1962 г. по 30 апреля 2010 г. содержала записи о 58 событиях, в которых молния – но не обязательно удар молнии – была указана в качестве основного или способствующего причинного фактора. Все сообщения касались коммерческих или частных самолетов, за исключением одного происшествия с воздушным шаром.

В этих 58 отчетах роль молний классифицируется следующим образом:

• 41 случай был связан с ударами молнии в самолет во время полета.

• 2 события произошли с участием самолета на земле. В один самолет ударила молния, а другой попал в аварию на рулежной дорожке. К последней аварии привел сбой радиосвязи после удара молнии в районе аэропорта.

• 5 событий включали удары молний вблизи самолета, которые ухудшили зрение пилота либо его способность управлять самолетом.

• 3 события были связаны с выходом из строя наземного оборудования, вызванным молнией, что привело к несчастным случаям при приземлении. Два из них были связаны с потерей огней взлетно-посадочной полосы, а один – с потерей контроля над управлением воздушным движением.

• В семи отчетах об авариях/происшествиях молния упоминалась как погодный фактор, способствовавший аварии, но не описывалось ее фактическое влияние.

В результате 58 происшествий и несчастных случаев 202 человека погибли и 46 получили ранения, большинство из которых были связаны с двумя несчастными случаями:

• 2 августа 1985 г. произошла катастрофа самолета Lockheed L-1011-385 компании Delta Air Lines в Далласе/Форт-Уэрте, в результате которой 135 человек погибли и 30 пассажиров и членов экипажа получили ранения. Удар молнии при посадке был назван основной причиной катастрофы.

• 23 июля 1973 года произошла катастрофа самолета Fairchild FH227B авиакомпании Ozark Airlines в Сент-Луисе, в результате которой погибли 38 человек и были ранены шесть пассажиров и членов экипажа. В качестве вероятной причины был назван удар молнии на конечном этапе захода на посадку.

Кроме того, среди 202 погибших значится сотрудник службы наземного обслуживания, в которого ударила молния, когда он сопровождал самолет McDonnell Douglas DC-9-31 при буксировке и подготовке к вылету в международном аэропорту Орландо 7 октября 1989 года.

Из 41 сообщения о подтвержденном ударе молнии, приведшем к катастрофе или инциденту, 28 самолетов (68 процентов) приземлились благополучно. Все свидетели таких происшествий получили как минимум незначительные повреждения.

Эффекты молнии

Мощному воздействию удара молнии подвергаются как пассажиры воздушного судна, так и сам самолет. Конструктивные особенности фюзеляжа самолета обеспечивают почти полную защиту пассажиров, несмотря на воздействие огромного разряда тока. Эта защита основана на принципе, известном как клетка Фарадея, впервые разработанном физиком Майклом Фарадеем в 1836 году.

Клетка Фарадея — это цельная оболочка, сделанная из проводящего материала, например корпус самолета. При наличии сильного электрического поля любой электрический заряд будет вынужден перераспределиться по внешней оболочке, но пространство внутри клетки остается незаряженным. Таким образом, металлический корпус самолета действует как клетка Фарадея, защищая пассажиров от молний.

Некоторые самолеты изготовлены из современных композитных материалов, которые сами по себе обладают значительно меньшей проводимостью, чем металл. Чтобы обеспечить зону Фарадея, между слоями композитного материала помещают слой проводящих волокон или экранов для проведения тока молнии.

Независимо от того, из какого материала сделан корпус, прямое воздействие молнии на внешний вид также может включать в себя:

• Горение или плавление в местах удара молнии;

• Повышение температуры;

• Остаточный магнетизм;

• Акустические ударные воздействия;

• Искрение в петлях и стыках;

• Воспламенение паров топлива.

Большинство последствий от удара молнии не опасны для жизни или летных качеств самолета. Однако, по оценкам, от одной трети до половины ударов молний в самолетах приводят, по крайней мере, к незначительным повреждениям. Молния обычно попадает в самолет в одной конечной точке и покидает его в другом. Следы ожогов могут появляться в точках входа и выхода удара, даже когда точек выхода по сути нет. Например, когда энергия рассеивалась с помощью фитилей или молниеотводов — статических разрядников, основная цель которых — отводить в окружающий воздух накопленный статический заряд, который возникает во время обычного полета.

Поскольку во время разряда молнии многие самолеты пролетают расстояние, в несколько раз превышающее их собственную длину, местоположение точки входа может измениться, поскольку разряд присоединяется к дополнительным точкам позади начальной точки входа. Расположение точек выхода также может измениться. Следовательно, для любого одного удара может быть несколько точек входа или выхода. Иногда, во время более серьезных ударов, электрическое оборудование или авионика могут быть повреждены или выведены из строя.

В конструкциях современного самолета эта проблема решается путем создания избыточных функций. Так функционал большинства критически важных систем дублируется, поэтому удар молнии вряд ли поставит под угрозу безопасность полета. В большинстве случаев ударов молний пилоты могут наблюдать временные, длящиеся несколько секунд, перебои в работе электроприборов.

В случае возникновения положительных молний результат может отличаться. Положительные удары молнии из-за своей большей силы значительно более опасны, чем отрицательные. Лишь немногие самолеты способны выдержать такие удары без значительных повреждений.

Во многих международных аэропортах Европы приближающийся грозовой фронт – не повод закрывать взлет и посадку. Авиадиспетчеры, наземные службы, и летные экипажи работают сообща, чтобы безопасно посадить самолет. Фото Diana Vidstrom (Aerofuturist.com)

Методы защиты

Тщательное планирование полета и использование метеорологического радара помогают ограничить воздействие молнии на самолет. Хорошей практикой безопасности является избегать места любой грозовой активности на расстоянии как минимум 20 морских миль (37 км). Такая активность вызывает сильное радиолокационное эхо.

Регулирующие институты гражданской авиации во всем мире установили стандарты сертификации, которые требуют, чтобы самолет мог выдержать удар молнии и продолжать полет и безопасно приземлиться в ближайшем аэропорту. Кроме того, современные авиаконструкторы используют ряд эффективных систем молниезащиты, устраняющих возможный прямой и косвенный ущерб от ударов молнии.

Эти системы создают контролируемые пути прохождения электрического тока, связанного с грозовым разрядом, для входа и выхода из самолета без причинения ущерба воздушному судну или травмированию его пассажиров. Эти системы можно разделить на три основные категории защиты: защита самолета и его конструкции; защита топливной системы и защита электрических и электронных систем (авионики).

Основная цель защиты корпуса и конструкции — свести к минимуму и контролировать точки входа и выхода молний. Первым шагом является определение мест (или зон) наибольшей уязвимости к ударам молний. Для большинства самолетов такими зонами по мере снижения уязвимости считаются: обтекатель и законцовки крыла, нижняя часть фюзеляжа и область под крыльями.

Второй шаг – убедиться, что обеспечены максимально безопасные пути сброса электромагнитного разряда. В значительной степени это достигается за счет электропроводящего корпуса самолета. При проектировании внешнего корпуса важно, чтобы проводящие соединительные полосы электрически перекрывали любые зазоры между секциями, тем самым уменьшая вероятность искрения.

Предпочтительными точки выхода считаются: законцовки крыльев, стабилизаторов и килей. Они должны быть оборудованы разрядниками статического электричества — фитилями или стержнями. При этом эти статические разрядники не представляют собой молниеотводы – то есть не снижают вероятность поражения самолета молнией. Тем не менее, если молния все-таки ударит, есть вероятность, что электричество пройдет через разрядник, а не через самолет.

Топливная система

Основная цель защиты топливной системы – предотвращение возгорания паров топлива. Топливные баки и связанные с ними системы не должны иметь потенциальных источников воспламенения, таких как электрические дуги и искры. Все конструктивные соединения, петли и крепежные детали должны быть спроектированы таким образом, чтобы предотвратить возникновение искр при протекании тока от грозового разряда из одной секции в другую. Обшивка самолета вблизи топливных баков также должна быть достаточно прочной, чтобы предотвратить прогорание от удара молнии.

Второй аспект защиты топливной системы касается самого топлива. Развитие авиационного топлива достигло той точки, когда топливо выделяет меньше взрывоопасных паров. Также доступны топливные присадки, снижающие образование паров.

Авионика

Сегодняшние самолеты оснащены километрами проводов и множеством компьютеров и электронных систем, поэтому большинство методов молниезащиты нацелены на чувствительную к разрядам тока авионику. Критически важное для полета оборудование должно функционировать после прямых и косвенных последствий ударов молнии.

Поскольку ток от удара молнии распространяется по внешней части самолета, он может вызвать переходные процессы — временные колебания тока — в соседние провода и электронное оборудование. Экранирование, заземление и подавление перенапряжений являются наиболее распространенными методами, используемыми для предотвращения этой проблемы. Экранированные кабели представляют собой провода, окруженные общим проводящим слоем (экраном), который действует как клетка Фарадея. Экранированные кабели в самолетах могут иметь два экрана — внешний экран для молниезащиты и внутренний экран, устраняющий нежелательные электромагнитные помехи.

Подавление перенапряжения помогает ограничить резкие скачки напряжения. Быстрое увеличение напряжения может привести к возникновению электрической искры, которая может расплавить один или несколько компонентов, разрушив цепь. Самолет защищен от такого воздействия при помощи перенаправления мощности на линию заземления.

Каждая цепь и часть оборудования, необходимые для безопасного полета, должны быть защищены от молнии во время полета в соответствии с правилами, установленными органами гражданской авиации.

Исследования показали, что самолёты, оснащенные защитой от молний и электромагнитных помех, имеют значительно меньший процент электрических сбоев и помех, вызванных ударами молний.

Критически важно внимательно осмотреть самолет после воздействия молнии. Самым важным шагом – выявить выгоревшие места и ямки, которые потенциально определяют точки входа и выхода молнии. Необходимо проверить наличие искрения, особенно вблизи петель и соединительных полос. Должна быть проведена тщательная проверка всей критически важной авионики. Техническое обслуживание далее следует руководству конкретной модели самолета.

Кларенс Э. Раш — физик-исследователь с 30-летним опытом исследований и разработок в области военной авиации. Он автор более 200 статей по авиационной инженерии, человеческому фактору при инцидентах и теме защиты самолетов от внешнего воздействия.