По относительной аварийности (число жертв при перевозке 1млн. пассажиров на расстояние 100 000 км) воздушный транспорт гораздо безопаснее железнодорожного и автомобильно-автобусного, однако почти каждая авиационная катастрофа приобретает в обществе резонансный характер, поскольку в ней погибают одновременно большое число пассажиров. В качестве основных причин авиакатастроф специалисты выделяют отказы техники, нестандартное состояние воздушной стихии и т.н. человеческий фактор, связанный с нарушением пилотами правил полетов и дающий наибольший процент аварийности. Здесь мы рассмотрим, можно ли снизить число авиакатастроф, вызванных нестандартным состоянием воздушной среды. Для начала вспомним несколько резонансных авиакатастроф.
Прежде всего, вспомним авиакатастрофу 22 августа 2006 года под Донецком российского авиалайнера ТУ-154 авиакомпании «Пулковские авиалинии», выполнявшего регулярный рейс Анапа – Санкт-Петербург. На подлете к Донецку путь лайнеру преградил мощный грозовой фронт, увеличившаяся высота которого (13 000 метров) не была доведена до экипажа. Командир корабля был оповещен только о том, что высота грозового фронта составляет 11 000 метров (попадание в грозовой фронт может привести к самым непредсказуемым результатам, включая гибель самолета). У пилота было несколько вариантов продолжения полета, исключающих попадание тяжелой машины в грозовой фронт: возвращение в Анапу, посадка в Донецке, резкое изменение курса для обхода грозы и, наконец, набор высоты с целью пролета выше грозового фронта. Возвращение в Анапу и посадка в Донецке ломали расписание полета и снижали доходность авиакомпании, а отсюда и зарплату пилотов. Резкое изменение курса к востоку было заблокировано украинской службой радиолокационного сопровождения, для которой такой маневр сокращал зону сопровождения лайнера на 200 км (оплата за радиолокационное сопровождение пропорциональна длине маршрута лайнера над территорией суверенного государства).
В сложившейся ситуации командир корабля принял решение пройти выше грозового фронта, высота которого, по его данным, составляла 11 000 метров. С этой целью он заблаговременно занял эшелон 11 800 метров, что обеспечивало прохождение лайнера над грозой (максимальная разрешенная высота для этого типа самолетов составляет 10300м). Что же произошло дальше? По сообщениям СМИ, основанных на расшифровке черных ящиков, ТУ-154, шедший на эшелоне 11 800 метров, попал в аэродинамический подхват, который всего за 10 секунд подбросил лайнер до 12 794 метров с одновременным выходом на закритические углы атаки и последующим сваливанием в плоский штопор. Причина аэродинамического подхвата – попадание самолета в возбужденную атмосферу грозового фронта.
Говоря простым языком, находившийся на сверхпредельной высоте (11800 м) лайнер попал в воздушный вихрь грозового фронта, в результате действия которого машина была подброшена вверх почти на 1000 метров, при этом она самопроизвольно задрала нос выше допустимого предела, что привело к срыву потока воздуха с воздухозаборников двигателей, которые тут же заглохли. Лишенный тяги, лайнер стал проваливаться вниз, его траектория в процессе падения перешла в плоский штопор. Через 10 минут лайнер врезался в землю. На его борту находилось 160 пассажиров (из них 45 – дети) и 11 членов экипажа.
Далее мы вспомним гибель над Атлантическим океаном в ночь с первого на второе июня 2009 года авиалайнера А-330-203 компании Air France, выполнявшего регулярный рейс Рио-де-Жанейро – Париж. Этот самолет тоже попал в зону сильной турбулентности атмосферы, что в конечном счете привело к увеличению угла атаки (вертикальная составляющая между продольной осью корабля и вектором набегающего воздушного потока) до 40 градусов. Как следствие такого завышенного угла атаки произошло резкое падение подъемной силы самолета из-за срыва воздушного потока с крыла, и самолет перешел в режим сваливания. Падение самолета с высоты 11600 метров продолжалось 3,5 минуты, после удара о воду самолет развалился на фрагменты и затонул. На борту А-330-203 находилось 216 пассажиров и 12 членов экипажа.
Черные ящики, поднятые со дна океана через два года после катастрофы, подтвердили, что экипаж, действуя в условиях тропической ночи, не смог за имеющиеся у него 3, 5 минуты вывести лайнер из режима сваливания, т.е. он не смог уменьшить угол атаки и увеличить скорость самолета (двигатели А-330-203 продолжали работать с уменьшенной наполовину тягой до входа самолета в воду).
Наконец, вспомним о гибели в ночь на 28 декабря 2014 года над Яванским морем вблизи острова Борнео лайнера А-320-200 компании AirAsia, выполнявшего регулярный рейс Индонезия – Сингапур. Причина гибели этого самолета – тоже попадание в штормовое облако, где атмосферные вихри подбросили его вверх, после чего самолет попал в режим сваливания. Эта катастрофа унесла жизни 155 пассажиров и 7 членов экипажа.
Что такое «сваливание» современного лайнера? Сваливание в авиации – это резкое падение подъемной силы в результате нарушения нормальных условий обтекания крыла воздушным потоком (срыва потока с крыла). В результате для самолета нарушается равновесие между подъемной силой крыла и силой земного тяготения, в результате чего самолет начинает терять высоту. К сваливанию приводит превышение максимально допустимых углов атаки, что может произойти в результате падения скорости самолета, изменения плотности и направления потока воздуха и т.п. Самолет, режим полета которого из нормального переходит в сваливание, становится неуправляемым и с достаточно большой скоростью теряет высоту вплоть до жесткого столкновения с землей или океаном. Время падения тяжелого лайнера с высоты 10 000 метров – около трех с половиной минут. Сваливание с большой вероятностью может перейти в плоский штопор.
Что такое “плоский штопор” многотонного лайнера? При плоском штопоре (в отличие от нормального штопора, когда самолет неуправляемо снижается по спирали) самолет с выключившимися двигателями как бы боком съезжает с крутой горки. Носовая часть самолета ориентирована при плоском штопоре вверх (до 30о к горизонту). Такая диспозиция самолета относительно набегающего потока воздуха не позволяет пилотам запустить двигатели, без работы которых лайнер превращается в игрушку воздушной стихии. Время падения машины в режиме «плоского штопора» с высоты 10000 м – около 10 мин.
Поскольку сваливание и плоский штопор вызываются практически одними и теми же причинами, будем рассматривать спасение самолета только из плоского штопора.
Из практики авиации известно, что самостоятельно выйти из спирального штопора могут только некоторые классы самолетов – спортивные и военные истребители, для пилотов которых штопор является трудной, но обязательной фигурой высшего пилотажа. Известно, что при определенных аэродинамических условиях спиральный штопор может стать плоским. По сообщениям СМИ после катастрофы под Донецком, некоторые летчики-испытатели не исключают возможность того, что в принципе из плоского штопора можно вывести и тяжелую машину, у которой заглохли двигатели, но практической проверке это предположение до сих пор не подвергалось, поэтому его можно рассматривать только в качестве гипотезы. Пока что в действующих инструкциях по эксплуатации лайнеров отсутствует раздел, регламентирующий действия пилотов при попадании в штопор. В инструкциях приведены только такие ограничения по пилотированию (в частности, по высоте и углу атаки), выполнение которых гарантированно исключает сваливание самолета в штопор.
В начале ХХ века сваливание в спиральный штопор было бичом зарождающейся авиации, поскольку оно всегда кончалось гибелью пилота и самолета. Для выхода из преднамеренного штопора в конце осени 1916г русский военный летчик К.К. Арцеулов на истребителе «Ньюпор XXI» впервые использовал предложенную им оригинальную технику пилотирования: с помощью руля направления он поставил свой самолет «по потоку», а рулем высоты опустил нос самолета.
К сожалению, одними лишь приемами пилотирования, предложенными К.К. Арцеуловым, вывести из штопора современный многотонный лайнер, у которого заглохли двигатели, невозможно. Поэтому, начиная с 1950-х годов, наши летчики-испытатели тяжелых машин при проверке их на штопор стали подстраховываться с помощью вспомогательных средств – хвостовых парашютов или пороховых ракетных ускорителей, укрепленных на концах крыльев. Однако эти устройства, помогающие погасить неуправляемое вращение самолета в спиральном штопоре, не были введены в окончательную конструкцию воздушных судов, поскольку невозможно гарантировать 100-процентную надежность срабатывания этих устройств в процессе достаточно продолжительной эксплуатации гражданских авиалайнеров.
После того, как читатели ознакомились с тремя перечисленными выше резонансными авиакатастрофами, рассмотрим, чем же можно помочь пилотам, попавшим в критическую ситуацию.
Что касается вывода лайнера из плоского штопора - прежде всего, за время не более 60 секунд, самолет необходимо развернуть носом на набегающий поток воздуха, а угол атаки (вертикальная составляющая угла между продольной осью корабля и вектором набегающего воздушного потока) уменьшить до значений, рекомендуемых инструкциями. После этого пилоты смогут запустить двигатели, и лайнер снова становится управляемым.
Для разворачивания лайнера носом навстречу набегающему потоку воздуха и уменьшения угла атаки до нормы вместо пороховых ускорителей, работу которых практически невозможно регулировать, предлагается использовать шесть относительно малых ракетных двигателей с тягой 400 – 500 Н (40 – 50 кг), смонтированных по три двигателя в носовой и хвостовой частях лайнера. Сопло одного из носовых двигателей должно быть направлено вверх, сопло одного из хвостовых двигателей должно быть направлено вниз. Эта пара ракетных двигателей обеспечит коррекцию угла атаки лайнера. Сопла остальных четырех ракетных двигателей должны быть расположены в горизонтальной плоскости самолета перпендикулярно его продольной оси и направлены в противоположную друг от друга сторону (влево и вправо). Эти две пары ракетных двигателей обеспечат разворот лайнера носом на набегающий поток воздуха из левого или правого штопора.
В штатном (нормальном) режиме полета эти двигатели должны находиться внутри фюзеляжа за створками лючков. При наступлении экстремальной ситуации (сваливание вниз при чрезмерном угле атаки; соскальзывание в плоский штопор после отключения маршевых двигателей) створки лючков ракетных двигателей по команде пилота должны открыться, после чего в зависимости от экстремальности ситуации запускаются два или четыре из шести ракетных двигателей.
Если лайнер перешел в режим сваливания, запускаются только вертикально ориентированные носовой и хвостовой ракетные двигатели. Работа этих двигателей обеспечивает воздействие на лайнер момента сил, уменьшающего чрезмерный угол атаки до номинального значения, после чего экипаж может выключить ракетные двигатели и взять управление лайнером в свои руки.
Что касается вывода лайнера из плоского штопора, представляется следующее. Прежде всего, за время не более 60 секунд самолет с помощью двух ракетных двигателей необходимо развернуть носом на набегающий поток воздуха, а угол атаки уменьшить до значений, рекомендуемых инструкциями. После этого пилоты смогут выключить ракетные двигатели и запустить маршевые двигатели, после чего лайнер снова станет управляемым.
Для выхода из плоского штопора используется такое сочетание носовых и хвостовых ракетных двигателей, которое обеспечит оптимальный разворот самолета носом на набегающий поток воздуха (правый носовой и левый хвостовой при сваливании левым бортом вперед, левый носовой и правый хвостовой при сваливании правым бортом вперед).
При совместной работе любой вышеназванной комбинации двигателей, ориентированных в горизонтальном направлении и разнесенных между собой на длину фюзеляжа, на самолет начинает действовать вращающий момент сил, придающий фюзеляжу самолета вращательное ускорение в горизонтальной плоскости. Величина этого вращательного ускорения прямо пропорциональна моменту сил (произведение силы тяги одного из ракетных двигателей на расстояние между носовым и хвостовым двигателями) и обратно пропорциональна моменту инерции самолета относительно вертикальной оси, проходящей через центр массы самолета.
Одновременно с двумя двигателями, ориентированными в горизонтальном направлении, запускается пара ракетных двигателей, ориентированных в вертикальном направлении. От вертикально ориентированной пары ракетных двигателей можно отказаться, если коррекцию угла атаки можно обеспечить с помощью рулей высоты и средств механизации несущего крыла.
Простые расчеты показывают, что пара ракетных двигателей с тягой по 45 кг каждый, расположенных на расстоянии 60 мдруг от друга и работающих в противоположном друг от друга направлении, разворачивают самолет массой 200 т примерно за 60 с.
В качестве топлива ракетных двигателей очень хорошо подойдет авиационный керосин, который используется для питания маршевых двигателей самолета, а в качестве окислителя – газообразный кислород из баллонов высокого давления (конечно, можно использовать и сжатый воздух, но применение кислорода вместо воздуха позволит получить более эффективную работу ракетных двигателей; применение в качестве окислителя четырехокиси азота неприемлемо из-за ее высокой токсичности). Понятно, что проблем с запасом керосина для питания ракетных двигателей не возникнет. Скорее всего, такая проблема может встать с запасом кислорода.
Сколько же нужно кислорода для работы ракетного двигателя тягой 45 кг в течение 60 с? Для полного сгорания 1 кгкеросина требуется 3,43 кгчистого кислорода. Продукты сгорания керосина в кислороде (пары воды и углекислый газ) имеют температуру около 3000°К (2700°С). Из теории ракетных двигателей следует, что двигатель тягой 45 кг с температурой газовой струи 3000°К должен расходовать рабочее тело (раскаленная смесь паров воды и СО2) с интенсивностью 0,3 кг/с. Для работы каждого ракетного двигателя в течение 60 с требуется 4 кг керосина и 14 кг кислорода (для справки: баллон емкостью 100 литров, наполненный до давления 200 атм., содержит 28,6 кг кислорода).
Перед включением ракетных двигателей в аварийной ситуации пилоту нужно четко представлять, каким боком (левым или правым) сваливается в плоский штопор его самолет. В условиях ограниченной видимости получение такой информации визуально представляется затруднительной, поэтому встает вопрос об оснащении каждого пассажирского лайнера датчиком боковой скорости, который давал бы информацию не только о величине боковой скорости, но и об ее направлении.
Во избежание заброса угла разворота самолета за требуемую величину (90°) желательно выключать ракетные двигатели при достижении угла разворота в 80 или даже 70 градусов. Отсюда следует, что ракетные двигатели должны работать не 60 с, а меньше, и соответственно расход кислорода каждым двигателем должен быть также меньше 14 кг. Расчеты показывают, что масса всего дополнительного оборудования, включая ракетные двигатели и баллоны с кислородом, не превысит 500кг. Эта дополнительная весовая нагрузка – цена предоставляемой экипажу возможности без паники вывести тяжелый лайнер из сваливания или плоского штопора, предотвратив гибель и пассажиров, и самолета.