НАСА изследва източника на ледени кристали на високи места

Екип от изследователи на НАСА отново използва въздушната лаборатория DC-8 на НАСА, за да изследва ледени кристали – и повече – в сърцето на големи гръмотевични бури в опит да подобри дизайна на реактивните двигатели и да повиши безопасността на полетите

Работата е част от изследователската дейност на НАСА с високо съдържание на ледена вода (HIWC), която преди това е провела две кампании за изследване на полети: първата от Флорида през 2015 г. , а втората от Флорида, Калифорния и Хавай през 2018 г, съобщават от НАСА.

Сега екипът отново се заема с него, провеждайки летателна кампания през юли край югоизточните брегове на Съединените щати и Мексиканския залив. Този път екипът, който включва Федералната авиационна администрация (FAA) и японски партньори – използва летище Сесил в Джаксънвил, Флорида, като своя база за операции.

„За тази кампания правим нещо малко по-различно. Нашият приоритет е да извършваме полети в региони с аерозоли, създадени от човека, за да разберем по-добре какъв ефект имат върху развитието на високи концентрации на ледени кристали“, каза Томас Ратваски, главен изследовател на HIWC от изследователския център Glenn на НАСА в Кливланд.

Аерозоли 101

Аерозолите са малки частици в атмосферата, които са резултат от различни естествени и създадени от човека източници. Изгарянето на изкопаеми горива, промишлените емисии и селскостопанската дейност са само няколко примера. Веднъж изпуснати във въздуха, тези замърсяващи аерозоли се движат през атмосферата и в крайна сметка могат да бъдат пренесени над океана. След като взаимодействат с конвективни системи, една теория предполага, че те могат да увеличат концентрациите на ледени кристали, присъстващи в гръмотевична буря – въпреки че точно как работи това сложно взаимодействие като цяло е неизвестно.

В тези бури, по-специално мезомащабни конвективни системи, се образуват високи концентрации на ледени кристали. Когато самолет лети през тях, мощността и производителността на реактивните му двигатели могат да намалеят. Ето защо изследователите на HIWC събират данни за ледените кристали, тяхното разпространение и ефекта им върху реактивните двигатели.

С тази допълнителна полетна кампания, която се опитва да проучи аерозоли, HIWC преодолява празнина в съществуващите данни, които регулаторните органи ще използват, за да обмислят нови стандарти за безопасност за смекчаване на ледените кристали.

„Искаме да сме сигурни, че средите с високо съдържание на аерозол са представени в този набор от данни. Много от днешните двигатели не трябваше да демонстрират способност да летят в тези условия на ледени кристали, но бъдещите ще го направят“, каза Ратваски.

Не охлаждайте джетовете си

През последните 30 години има повече от 170 докладвани инцидента със загуба на мощност и повреда на двигателя в реактивни самолети за търговски транспорт, като самолети, когато летят през конвективни системи.

Ето как се случва: струи летят през зона с висока концентрация на ледени кристали. Някои от ледените кристали влизат в сърцевината на двигателя – където се генерира неговата мощност. При някои условия ледените кристали образуват слой кишава вода вътре в критични компоненти като компресора. Предаването на топлина от двигателя в ледената киша води до натрупване на лед в компресора. Когато този лед се отдели, може да настъпи загуба на мощност на двигателя или повреда.

На други места в самолета инструментите, събиращи важна информация за пилотите, като скоростта на самолета, също могат да бъдат блокирани от ледени кристали, което води до грешни и неточни показания в пилотската кабина. За да научи ролята, която играят аерозолите в развитието на високи концентрации на ледени кристали, влияещи върху работата на самолета, HIWC използва самолета DC-8 на НАСА , базиран на Центъра за летателни изследвания на НАСА Армстронг в Калифорния, и лети през бури с голямо количество и от двете ледени кристали и аерозоли.

Летяща лаборатория

Екипът на HIWC усъвършенства DC-8 на НАСА с техните инструменти за събиране на данни и друга технология, което позволява на бордовите изследователи да изучават околната среда в реално време.

На лявото крило и носа на DC-8 има устройства за измерване на общото съдържание на вода в облаците, през които самолетът лети, както и сонда за измерване на по-малки капчици с размер на облак. Междувременно дясното крило е дом на инструменти за частици, способни да измерват размера и формата на по-големите ледени частици. Вътре в носа има модифициран метеорологичен радар, използван в сътрудничество с изследователи от изследователския център на НАСА в Лангли във Вирджиния, за откриване на условия на буря преди траекторията на полета на DC-8.

Нов инструмент, добавен към самолета за тази полетна кампания, е сондата за аерозолен спектрометър с пасивна кухина. Това подобно на кутия устройство измерва броя на аерозолите във въздуха. Университетът Нагоя в Япония притежава и управлява този и други аерозолни инструменти и си сътрудничи с HIWC в изследването. От десния борд на самолета има вход, който насочва въздуха в самия самолет, където той преминава през серия от инструменти, преди да бъде източен от самолета по-надолу по течението. Вътре в DC-8 има стелажи с монитори, дисплеи и други станции, където изследователите седят и преглеждат данните, докато летят. Всеки полет продължава приблизително седем часа и се изминават хиляди мили с различни скорости и височини.

В типичен профил на полета екипът лети на същата по-висока надморска височина като самолетите, за да лети през ледени кристали. След това те се спускат на много ниска надморска височина – дори под 1000 фута – за да преследват аерозоли, преди да са се издигнали в бурята и да са взаимодействали с облака и ледените кристали. Бъдете спокойни; безопасността е от първостепенно значение. Самолетът е в ръцете на експерти, които знаят какво да очакват и как да се справят с ледените кристали.

„Ние не летим никъде по-различно от полета на самолет, така че можем да получим данни, които са приложими за нормални операции. Нашите пилоти и целият екип са наясно с опасностите за работата на двигателя и системата за въздушни данни, причинени от HIWC, и ние използваме процедури за минимизиране на тези опасности“, каза Ратваски.Високо летящи партньорства. Тясното сътрудничество между няколко организации, които са допринесли както с опит, така и с финансиране на проекти, правят работата на HIWC възможна.

„Не бихме могли да направим това без цялото сътрудничество както вътрешно, така и външно за НАСА. Имаме научната група от Лангли, групата за обледеняване от Глен и самолета от Армстронг. FAA поддържа инструментите, а университетът в Нагоя и Японската метеорологична агенция предоставиха своя опит и аерозолни инструменти“, каза Ратваски.

След летателната кампания следващата стъпка е да се обработят данните, след което да се предадат на FAA и други органи, като Консултативния комитет за създаване на правила за авиация Ice Crystal Icing. След като бъдат проучени, сравнително новите стандарти за сертифициране на реактивни двигатели ще бъдат оценени и биха могли почти да премахнат инциденти със загуба на мощност поради ледени кристали в конвективни системи.

По публикацията работи: Силвана Димитрова