Вчені створили найточнішу модель турбулентності для авіації

Бйорн Бірнір, один із провідних світових експертів з турбулентності, не любить відповідати на запитання попутників у літаку про свою роботу. Адже доктор Бірнір досліджує хаотичний рух рідин, зокрема води або повітря, під час збурень. Неминуче співрозмовник запитає його про те, наскільки небезпечною є турбулентність під час польоту.

Сьогодні це питання ставлять дедалі частіше три мільйони людей, які щодня літають через американські аеропорти. Колись сильна турбулентність здавалася лише фоновою неприємністю комерційної авіації, як погана їжа чи недостатньо місця для ніг. Проте тепер ситуація лише погіршується. У 2023 році британські дослідники використали метеорологічні дані, зібрані протягом кількох десятиліть, щоб дійти висновку про збільшення сильної турбулентності над Північною Атлантикою на 55 відсотків між 1979 та 2020 роками. Дослідження розглядало лише турбулентність чистого повітря, яка виникає, коли літак не летить крізь шторм або над гірським хребтом. Такий тип турбулентності особливо важко передбачити.

Доктор Бірнір керує Центром складних і нелінійних наук Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі та очолює там кафедру математики. Він зазначає, що багато разів думав про те, як було б чудово зробити авіаперевезення трохи приємнішими. Його останній внесок у цю справу — нещодавня стаття в науковому журналі Physical Review Research, яка, за його словами, представляє найбільш передову модель турбулентного руху. Ця модель може допомогти інженерам, які прагнуть зробити польоти безпечнішими та менш стресовими.

Томас Карні, професор авіаційних технологій Університету Пердью у відставці, який налітав понад 11 тисяч годин як пілот, пояснює важливість точних моделей. Чим краща модель, тим більше вона відображає особливості конкретного турбулентного поля, а отже, кращим буде прогноз, яким користуватиметься пілот.

Польоти американськими авіакомпаніями залишаються надзвичайно безпечними, але нещодавні інциденти почали підривати довіру до комерційної авіації. Цього місяця Національна рада з безпеки транспорту оприлюднила проміжний звіт про рейс Delta Air Lines, під час якого кілька людей отримали травми наприкінці липня через несподівано сильну турбулентність над Вайомінгом. Пілоти намагалися уникнути поганої погоди, але несподівано потрапили в турбулентні потоки. Зміна клімату також може впливати на ситуацію, оскільки потепління атмосфери впливає на тиск повітря та швидкість вітру.

Турбулентність давно становить виклик для науковців, хоча дослідники в останні роки досягли значних успіхів у розумінні її механізмів. Річард Фейнман, фізик-лауреат Нобелівської премії, колись назвав її найважливішою нерозв'язаною проблемою класичної фізики. Однією з причин є те, що турбулентність базується на багатьох рухомих частинах — температурі, тиску, вітрі тощо, пояснює Патрік Сміт, який пише про авіацію на своєму веб-сайті Ask the Pilot. Фактори та умови, що спричиняють неспокійне повітря, можуть змінюватися дуже швидко.

Система за своєю суттю хаотична і відмовляється розвиватися передбачуваним шляхом. Частинки під час турбулентного руху починають розходитися в різних напрямках, каже Таннер Хармс, який вивчав турбулентність як докторант Каліфорнійського технологічного інституту. Ці напрямки надзвичайно важко точно моделювати. Визначення хаосу майже вплетене в саму турбулентність.

Це відбувається тому, що ці два підходи розглядають принципово різні аспекти турбулентної системи. У лагранжевій механіці дослідники спостерігають за простою частинкою, тоді як в ейлерівському підході вони дивляться на одну точку в просторі. Простіше кажучи, лагранжева механіка схожа на спостереження за листям, що пливе річкою, підкоряючись примхам вирів у воді. З іншого боку, ейлерівська механіка схожа на спостереження за каменем, що виступає з поверхні річки, та вивчення того, як турбулентність води рухається навколо цієї нерухомої точки.

Лагранжеву турбулентність складніше моделювати, оскільки вона вимагає розуміння того, як поводитиметься окрема частинка. Ця окрема частинка виконуватиме найскладніший рух, який тільки можна уявити, каже доктор Бірнір.

Розуміння того, як кожен тип турбулентності вписується в загальну картину, схоже на вибір відповідної лінзи для мікроскопа, оскільки обидва сильно залежать від перспективи. Одна турбулентність, різні історії, каже Томек Ярославський, постдокторант Центру досліджень турбулентності Стенфорда. Жоден погляд не є неправильним — це просто різні способи поставити запитання природі.

Він і доктор Ангелута-Бауер використовували як теоретичні, так і статистичні підходи. Раніше фізикам не вдавалося створити таку всеосяжну модель турбулентного руху. Результат безсумнівно новаторський, визнає Катепаллі Срінівасан, колишній декан Інженерної школи Тандон Нью-Йоркського університету, хоча зауважує, що деякі експерти не погоджуються з його оцінкою.

Повністю розвинута турбулентність — це місце, де все просто божевільне, каже Дойн Фармер, професор складних і хаотичних систем Оксфордського університету. Ці вири поводяться дуже хаотично, і існує багато ступенів свободи.

Доктор Бірнір вважає, що рейс Delta над Вайомінгом схожий на типовий приклад сильної переривчастості в ейлерівській турбулентності, хоча зазначає, що не може зробити остаточний аналіз без доступу до необроблених даних. Він каже, що більш нюансована модель турбулентності могла б дозволити пілотам вжити превентивних заходів, таких як зменшення потужності двигуна, щоб протидіяти ейлерівській нерегулярності, крізь яку вони летіли.

Доктор Карні з Університету Пердью зізнається, що частина роботи, яку виконали доктор Бірнір і доктор Ангелута-Бауер, виходить за межі його розуміння і, ймовірно, буде недоступною для будь-якого пілота без експертизи в обчислювальній гідродинаміці. Але це не применшує її потенційної корисності. Він впевнений, що вони додають до стану знань.