Вулканический пепел и авиационная безопасность - Volcanic ash and aviation safety

Вулканический пепел от извержения Эйяфьятлайёкюдль нарушил авиаперевозки в Европе в 2010 году.

Плюмы вулканический пепел почти активный вулканы площадь безопасность полета опасность, особенно для ночных полетов. Вулканический пепел твердый и абразивный, поэтому может быстро вызвать значительный износ пропеллеры и лопатки турбокомпрессора, и царапать окна кабины, что ухудшает обзор. Зола загрязняет топливную и водную системы, может заклинить шестерни и двигатели пламя. Его частицы имеют низкую температура плавления, поэтому они тают в двигателях ' камера сгорания затем керамика масса налипает на лопатки турбины, топливные форсунки и камеры сгорания - что может привести к полному отказу двигателя. Пепел также может загрязнить кабину и повредить авионика.[1][2]

В 1991 году авиационная промышленность решила создать Консультативные центры по вулканическому пеплу (VAAC) для связи между метеорологи, вулканологи, и авиационная промышленность.[3] До 2010 г. авиационный двигатель производители не определили конкретные уровни содержания частиц, выше которых они считают двигатели опасными. Регуляторы воздушного пространства придерживались общего подхода, согласно которому, если концентрация пепла поднималась выше нуля, они считали воздушное пространство небезопасным и, следовательно, закрывали его.[4]

Стоимость нарушение авиаперевозок в Европе после извержения вулкана в 2010 году производители самолетов вынудили производителей самолетов указать ограничения на количество пепла, которое они считают приемлемым для того, чтобы реактивный двигатель мог проглотить без повреждений. В апреле UK CAA совместно с производителями двигателей установили безопасный верхний предел плотности золы на уровне 2 мг на кубический метр воздушного пространства.[5] С мая 2010 года CAA увеличило безопасный предел до 4 мг на кубический метр воздушного пространства.[6]

Чтобы свести к минимуму дальнейшее нарушение, которое может вызвать это и другие извержения вулкана, CAA создало новую категорию ограниченного воздушного пространства, названную Ограниченная по времени зона.[7] Воздушное пространство, отнесенное к категории TLZ, аналогично воздушному пространству в суровых погодных условиях, поскольку ограничения должны быть кратковременными. Однако ключевое отличие воздушного пространства TLZ заключается в том, что авиакомпании должны предоставлять сертификаты соответствия для самолетов, которые они хотят войти в эти зоны. Любое воздушное пространство, в котором плотность золы превышает 4 мг на кубический метр, подлежит запрещенное воздушное пространство.[нужна цитата ]

Вулканический пепел в непосредственной близости от шлейфа извержения отличается по диапазону размеров и плотности частиц, чем в облаках, рассеивающихся по ветру, которые содержат только мельчайшие частицы пепла. Эксперты не установили количество золы, которое влияет на нормальную работу двигателя (кроме срока службы двигателя и затрат на техническое обслуживание). Сохраняется ли риск расплава кремнезема при гораздо более низкой плотности пепла, характерной для облаков пепла ниже по потоку, в настоящее время неясно.[нужна цитата ]

Эксперты признали, что возникла проблема после British Airways, рейс 9 в 1982 году, и поэтому ИКАО учредила Исследовательскую группу по предупреждению о вулканическом пепле. Из-за сложности прогнозирования точной информации на период до 12 часов и более ИКАО позже создала Консультативные центры по вулканическому пеплу (VAAC).[8][9]

Вулканические опасности для авиации

Вулканический пепел состоит из небольших тефра, которые представляют собой частицы измельченного камня и стекла диаметром менее 2 миллиметров (0,079 дюйма), созданные вулканический высыпания.[10] Пепел попадает в атмосферу под действием извержения и конвекционных потоков нагретого воздуха, а затем уносится ветрами от вулкана. Пепел наименьшего размера может оставаться в атмосфере в течение значительного периода времени и может уноситься прочь от точки извержения. Облако пепла может быть опасным для авиации, если оно достигает высот траектории полета самолета.

Облако пепла от извержения 2008 г. Вулкан Чайтен растягивая Патагония от Тихий океан к Атлантический океан

Ночью пилоты не видят облака пепла. Кроме того, частицы пепла слишком малы, чтобы отражать эхо на бортовых метеорологических радарах коммерческих авиалайнеров. Даже при полете при дневном свете пилоты могут интерпретировать видимое облако пепла как обычное облако пепла. водяной пар и не представляет опасности, особенно если пепел улетел далеко от места извержения.[8][11] На изображении из Вулкан Чайтен облако пепла распространилось на тысячи километров от места извержения, пересекло Южную Америку от побережья Тихого океана и распространилось по Атлантике.

Вулканический пепел имеет температуру плавления около 1100 ° C (2010 ° F), что ниже Рабочая Температура современных коммерческих реактивных двигателей, около 1400 ° C (2550 ° F). Вулканический пепел может повредить газовые турбины несколькими способами. Их можно разделить на те, которые представляют непосредственную опасность для двигателей, и те, которые представляют проблему при техническом обслуживании.

Непосредственная опасность для самолета

Вулканический пепел состоит из обломков горных пород, кристаллического материала и вулканического стекла. Стеклянный компонент имеет самую низкую температуру плавления - ниже, чем температуры внутри камера сгорания из газовая турбина двигатель. Пепел, попавший в камеру сгорания, может расплавиться. Компоненты камеры сгорания и турбины охлаждаются, поскольку металлы, из которых они сделаны, имеют более низкие температуры плавления, чем температура газа внутри активной зоны двигателя. Расплавленная зола, которая соприкасается с этими поверхностями, может замерзнуть и осесть на металлическую поверхность.

Наиболее чувствительной поверхностью являются направляющие лопатки сопла турбины высокого давления (NGV), расположенные сразу после камеры сгорания. Газовый поток перекрывается через газомоторный транспорт, поэтому площадь потока газа через газомоторный двигатель является контролируемой областью для двигателя. Если эта площадь уменьшается из-за нарастания золы, меньший массовый расход газа проходит через сердечник двигателя. Уменьшение массового расхода приводит к турбина делать меньше работы. Турбина приводит в движение компрессор, который, соответственно, также выполняет меньше работы по сжатию воздуха. Если компрессор больше не может удерживать газ под высоким давлением в сердечнике двигателя, поток газа может повернуться вспять и вытечь из передней части двигателя. Это известно как помпаж двигателя или помпаж компрессора и часто сопровождается выбросом пламени из передней части двигателя. Этот всплеск, вероятно, погасит пламя в камере сгорания двигателя, известное как «погасание пламени». Как только высокое давление в активной зоне спадет, двигатель можно будет беспрепятственно перезапустить. Повторный запуск двигателя на высоте может быть затруднен из-за более низких температур и давления окружающего газа, но обычно это не проблема. Уменьшение проходного сечения газомоторного автомобиля может затруднить перезапуск двигателя.

Вулканический пепел несет значительный электростатический заряд. Мелкая зола, попадающая в электронные компоненты двигателя или корпуса, может вызвать сбой в электросети, что создает непосредственную опасность для самолета.

[12]

Проблемы, вызванные золой, требующие повышенного обслуживания

  1. Вулканический пепел, как твердое вещество, повреждает компрессоры газовых турбин. Это разъедает ударяя по лопаткам и лопаткам компрессора и удаляя материал - и истирает к три тела взаимодействие между вращающейся лопаткой, частицами золы и кольцевым пространством компрессора. Изменение формы лопастей и лопаток, а также увеличение зазоров между лопатками и кольцами помогают снизить топливную эффективность двигателя и его работоспособность.
  2. Расплавленная зола, прилипшая к охлажденным поверхностям, может заблокировать отверстия для охлаждения. Это останавливает охлаждающий воздушный поток и нагревает окружающий металл, что приводит к ускоренному термическая усталость. Этот процесс влияет на компоненты камеры сгорания и турбины.
  3. Зола может накапливаться и частично блокировать топливо форсунки, ухудшающие поля воздушных и топливных потоков и смеси стехиометрия в камере сгорания. Такие неблагоприятные условия снижают производительность двигателя и могут создавать локальные горячие точки, которые увеличивают мощность камеры сгорания. термическая усталость ставка.[12]

Другие вулканические опасности для авиации

Диоксид серы - еще один продукт вулканов, который после извержения уносится облаками пепла - вызывает коррозию самолетов, пролетающих через него.[8]

Контрмеры

Была предпринята попытка доказать, что диоксид серы, обычно сопровождающий извержение вулкана, действительно является хорошим показателем наличия облаков пепла, что облегчает предотвращение образования облаков пепла в авиации.

Однако было обнаружено, что два вида облаков имеют тенденцию разделяться из-за сдвига ветра. Кроме того, методы обнаружения имеют ограничения, так как оба вида могут быть замаскированы другими типами аэрозолей, такими как вода или лед; это способствует большой вариативности данных.

Следовательно, поскольку между SO2 и зола, ТАК2 не является надежным индикатором облаков пепла.[13]

Несчастные случаи и происшествия

В 1982 г. British Airways, рейс 9 пролетел через облако пепла, потерял мощность всех четырех двигателей и снизился с высоты 37 000 футов (11 000 м) до всего 13 500 футов (4100 м), прежде чем экипажу удалось запустить двигатели. Похожий инцидент произошел в 1989 г. KLM, рейс 867.

Рекомендации

  1. ^ «Геологическая служба США: Программа по борьбе с вулканическими опасностями». вулканы.usgs.gov.
  2. ^ «Вулканический пепел - безопасность полетов SKYbrary». www.skybrary.aero.
  3. ^ «Вулканический пепел - опасность для самолетов в северной части Тихого океана, Информационный бюллетень USGS 030-97». pubs.usgs.gov.
  4. ^ "Можем ли мы безопасно летать через вулканический пепел?".
  5. ^ Маркс, Пол (21 апреля 2010 г.). «Разборка двигателей позволяет установить безопасный уровень вулканического пепла». Новый ученый. Получено 2019-11-12.
  6. ^ «Ограничения на облако пепла в Великобритании сняты». Новости BBC. 17 мая 2010 г.
  7. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2010-05-22. Получено 2010-05-18.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  8. ^ а б c «Обзор семинара VAAC SACS, октябрь 2006 г.».
  9. ^ "Программа наблюдения за вулканами на международных авиалиниях".
  10. ^ «Геологическая служба США: программа по предотвращению опасности вулканов». вулканы.usgs.gov.
  11. ^ Видео об опасностях вулканического пепла от Международной федерации ассоциаций пилотов авиакомпаний
  12. ^ а б Симпозиум Института инженеров-механиков: Авиационная безопасность в облаках вулканического пепла: прогресс с E15. Ноя 2013
  13. ^ Sears, T. M .; Thomas, G.E .; Carboni, E .; Smith, A. J. A .; Грейнджер, Р. Г. (2013). "ТАК2 в качестве возможного заменителя вулканического пепла при предотвращении авиационных опасностей ". Журнал геофизических исследований: атмосферы. 18 (11): 5698–5709. Дои:10.1002 / jgrd.50505.

внешняя ссылка