Независимо источника, будь-то завихрения от взлетающих самолетов или атмосферные явления, возникающая от них турбулентность, создает проблемы для проведения нормального полета.
Эти “горизонтальные торнадо” не только могут вызвать дискомфорт у пассажиров и экипажа, но и создать опасную ситуацию, а обход зон их возникновения может потребовать дополнительного расхода топлива.
Ученые НАСА разработали технологию для поиска зон турбулентности, которая способна произвести революцию как в планировании полетов, так и в исследованиях атмосферы.
Нетипичный микрофон
Все в атмосфере может издавать звук. Рев вулканов, грохот водопадов и порывы ветра, но в каждом звуке есть нечто большее, чем то, что воспринимают наши уши. Подобно тому, как инфракрасный свет состоит из составляющих, невидимых невооруженным глазом, существует низкочастотный звуковой сигнал, называемый инфразвуком. Инфразвук имеет слишком низкую частоту, чтобы их могло слышать человеческое ухо – она составляет от 0,001 до 20 Гц.
Внезапная турбулентность, которую мы иногда испытываем во время полета, называется безоблачной турбулентностью воздуха, потому что нет видимых облаков или атмосферных элементов, предупреждающих о возмущении. Грозовой невидимый воздух может, как кажется из ниоткуда, и посеять панику в салоне самолета. Хотя турбулентность в чистом воздухе трудно обнаружить визуально, она имеет отчетливую инфразвуковую сигнатуру. Исследователи Камар Шамс и Аллан Цукервар из Исследовательского центра НАСА в Лэнгли в Хэмптоне, штат Вирджиния, сделали вывод, что если авиадиспетчеры или пилоты смогут услышать эти кружащиеся вихри до того, как у них на пути встретится самолет, можно будет выбрать альтернативный маршрут.
Их эксперименты начались в 2007 году. Предварительные испытания показали, что они не могут использовать какой-либо стандартный микрофон и ожидать от него обнаружения инфразвука.
“Мы обнаружили, что обычные микрофоны не работают должным образом”, – сказал Шамс. – “Мы подумали: мы объединили опыт работы с инструментами, так почему бы нам не спроектировать микрофон самим?”.
Шамс и Цукервар начали создание прибора, который мог бы улавливать сверхнизкие частоты с высокой точностью. Обычные микрофоны используют движущуюся диафрагму для улавливания звука, при этом звуковые волны заставляют ее поверхность вибрировать и в затеи преобразовать звук в электрический сигнал.
Ученые использовали диафрагму с низкой резонансной частотой в сочетании с большой герметичной воздушной камерой позади нее, чтобы микрофон мог слышать эти сверхлегкие звуковые волны, распространяющиеся на большие расстояния. Инфразвуковые микрофоны производятся компанией PCB Piezotronics из Депью, штат Нью-Йорк, по контракту с Ленгли. После завершения работы началось тестирование. Микрофоны были расположены на равном расстоянии в виде треугольника вокруг взлетно-посадочной полосы в Лэнгли, они смогли обнаружить и определить местонахождение атмосферной турбулентности на расстоянии более 300 миль в небе над Пенсильванией.
В голубое небо
К 2017 году технология Шамса и Цукервара была удостоена награды НАСА “Коммерческое изобретение года”, была протестирована Министерством обороны и в Национальных лабораториях Сандиа, чтобы подтвердить ее работоспособность, но до сих не использовалась ни на одном из воздушных судов. Интерес к обнаружению турбулентности проявила компания Stratodynamics Inc. из Льюиса, штат Делавэр.
Основатели компании приняли участие в Space Race Challenge 2016, проводимом Центром продвижения инноваций в сотрудничестве с НАСА. Space Race – глобальное соревнование, которое предлагает финансирование группам, способных продемонстрировать приложения и бизнес-кейсы для различных технологий. Stratodynamics ведет деятельность во многих областях, включая систему управления беспилотным летательным аппаратом (БПЛА). После того как компания выиграла свой первый приз в конкурсе БПЛА, команду пригласили посетить Лэнгли и встретиться с исследователями патентов.
Исследователи из Stratodynamics пришли выводу вывод, что микрофонная система имеет значительный потенциал в качестве датчика для определения турбулентности в полете, и компания решила проверить эту технологию. После лицензирования патентов НАСА и при поддержке Шамса компания установила датчик на стратосферном планере, известном как HiDRON, разработанным ее канадским филиалом Stratodynamics Aviation Inc.
Stratodynamics запустила планер HiDRON на высоту более 100 тысяч футов, откуда он медленно вернется на Землю. С помощью инфразвукового микрофона и датчика ветра БПЛА будет измерять интенсивность турбулентности на своем пути полета и обнаруживать тепловые столбы, чтобы поддерживать более длительное планирование. Продолжается работа по разработке алгоритмов, необходимых для понимания интенсивности и степени турбулентной сигнатуры.
Недавно проведенные предварительные тесты показали, что микрофонная система на планере волне работоспособна. Команда смогла изолировать низкие частоты от окружающей среды даже во время сильного ветра, обдувающего БПЛА. Stratodynamics проведет дополнительные летные испытания для дальнейшего развития технологии. Компания не только оценит микрофон, разработанный НАСА, но и станет поставщиком дополнительных технологий обнаружения турбулентности из Университета Кентукки, получившего поддержку программы НАСА. В ожидании результатов этих испытаний инфразвуковой микрофон станет стандартной технологической опцией для клиентов Stratodynamics.
Stratodynamics Aviation в сотрудничестве с Канадским космическим агентством и Университетом Ватерлоо в Онтарио в настоящее время работает над новой версией планера. Суборбитальное воздушное судно HiDRON будет иметь более высокую полезную нагрузку и будет специально разработано для достижения оптимальных характеристик в стратосфере.
Команда надеется, что данные, предоставляемые инфразвуковым микрофоном, станут повсеместным средством при обнаружении и прогнозировании турбулентности, принятии решений в управлении воздушным движением и планировании воздушных маршрутов. Помогая избежать турбулентности на всех этапах полета, позволит меньше расходовать топлива на движение в турбулентном воздухе и выбрасывать меньше углекислого газа в атмосферу.
“Поскольку использование инфразвука продолжает доказывать свою ценность в качестве технологии уменьшения турбулентности, его потенциал по изменению авиационного ландшафта растет с каждым полетом”, – сказал Крейн.
Андрей Бочкарев