Как устроить катастрофу
В прошлой статье мы разобрались с основными углами, определяющими положение самолёта. Теперь рассмотрим, как самолёт, с которым все хорошо, может не достичь аэродрома назначения. Представим:
Лето, разгар сезона отпусков. Из типичного курортного города на юге России вылетает типичный пассажирский самолёт, увозящий пассажиров на север, к их дому и рабочим местам. Погода хорошая: жара, лёгкий ветерок с моря. Единственное, влажность высокая, собирается дождь. Отдыхающих много, и самолёт нагружен под завязку, не перегруз конечно (тогда бы самолёт не взлетел), но масса близка к максимальной взлетной. Предполетная проверка пройдена, отказов и неполадок нет. Рулежка, разбег, взлет, набор высоты, полет по маршруту. Все как обычно.
Через час с небольшим от начала полета самолёт влетает в плотный слой кучевых облаков, и видимость падает до нескольких сотен метров. Капитан воздушного судна принимает решение сменить эшелон (высоту) полета на больший, чтобы лететь над облаками. Диспетчер дал добро, и второй пилот берет штурвал на себя, увеличивая угол тангажа (и вместе с ним угол атаки) для набора высоты. Только одного не знали пилоты: в данных условиях (большая взлетная масса + жара + влажность) двигатель не может выдать необходимую для набора высоты тягу. Не может и все тут. И из-за облаков они не видели, что, несмотря на внушительный тангаж, высоту они не набирают, зато теряют скорость. И тут произошло нечто. Возможно, при загрузке багаж был неправильно распределен, и центр тяжести самолета сместился, меняя его балансировочные характеристики. Или же второй пилот, опытный и уверенный в себе, не чувствуя набора высоты, слишком сильно взял штурвал на себя. А может быть, все дело было в порыве ветра, который возник будто из ниоткуда и резко подул снизу-вверх. Этого уже не понять, результат все равно был один ‒ был превышен критический угол атаки, и самолет начал терять высоту. Экипаж и пассажиры воздушного судна по-прежнему видели вокруг лишь сплошную стену из облаков.
Так, стоп. Вот тут возникает вопрос: а с чего это они начали высоту терять? Да, набрать высоту тяги не хватало, а терять-то почему начали? И что за критический угол? С самолетом и его экипажем сыграла злую шутку динамика полета. Дело в том, что подъемная сила крыла самолета прямо зависит от угла атаки (напоминаю, это угол, на который нос самолета задран относительно набегающего потока). Вот только прямо она зависит не всегда. Если посмотреть на график зависимости коэффициента подъемной силы от угла атаки (он будет прикреплен), то можно увидеть, что сначала подъемная сила зависит от угла атаки линейно: чем больше угол, тем больше подъемная сила. Но после какого-то значения зависимость уже нелинейная, а потом график достигает своей вершины, где подъемная сила максимальная. Угол атаки, на котором достигается максимальная подъемная сила, называется критическим или углом сваливания, на нем самолет еще летит. Но стоит превысить его буквально на пару градусов, как начинается очень опасная критическая форма движения. При превышении критического угла атаки возникает срыв потока с верхней поверхности крыла (крыло перестает нормально обтекаться) ‒> резко падает подъемная сила ‒> самолет теряет высоту ‒> поток воздуха из-за снижения дует снизу, в днище самолета ‒> угол атаки растет еще больше ‒> далее смотри пункт первый. Этот порочный круг называется сваливание (да, прям как угол), и является одной из критических форм движения. Именно на сваливание попал наш самолет. Вернемся и посмотрим, что же происходит с ним.
А ничего хорошего не происходит. Угол атаки увеличился еще больше из-за потери высоты. Из-за собственной несимметричности самолет сначала качнулся, потом еще раз, еще и начал вращаться вокруг вертикальной оси. Через пару витков вращение установилось и стало более-менее постоянным, курс (направление на аэродром назначения) циклически менялся. Капитан почуял неладное, и, посмотрев на высотомер, похолодел. Он заорал: «Какая скорость?!», но ответить никто уже не мог. Трубка ПВД, приемника воздушного давления, оказалась в аэродинамической тени от вращения, а без нее скорость уже не померить. Второй пилот, увидев показания высотомера, дернул штурвал на себя еще сильнее, но это ни к чему не привело. Авиагоризонт сходил с ума, запищали предупреждения о критической скорости вращения и «земля близко». Самолет вышел из слоя облаков под мат пилотов, пытавшихся его поднять или хотя бы выровнять, в 600 метрах над кронами местного смешанного леса.
Сваливание является неустановившимся режимом, и самолет выходит из него довольно быстро и сам. Вопрос лишь в том, в какую сторону он выходит. Если пилот вовремя заметил признаки сваливания и принял меры (как правило это штурвал от себя и тягу на максимум для увеличения скорости, а далее, когда самолет снова стал управляем, вывод его из опасного режима в нормальный крейсерский полет), то все заканчивается хорошо. Вот только в нашем случае все происходило в облаках, где теряются всякие ориентиры, а пилоты не смотрят на приборы каждую секунду, они все-таки люди. Самолет начал вращаться, и это ознаменовало начало другой критической формы движения ‒ штопора. Это самый распиаренный режим, о нем знают все, и не зря. Он является одним из самых опасных, в первую очередь потому, что это установившийся режим, и во вторую потому, что для выхода из него требуется нестандартные действия. Т.е. мало того, что самолет вращается, теряет управляемость (т.к. большая часть органов управления стала неэффективна еще на этапе сваливания) и теряет высоту с вертикальной скоростью до 150 м/с, так еще и находится в устойчивом состоянии и не хочет из этого состояния выходить. А чтобы его все-таки вывести, надо делать то, что неочевидно и что делать вообще не хочется. Давать штурвал от себя, направляя самолет в землю, тогда, когда ты и так несешься навстречу зеленой травке, вот вообще как-то неохота.
Наш типичный пассажирский самолет, везший пассажиров на север, к их дому и рабочим местам, разбился. От момента, когда диспетчер разрешил смену эшелона, до начала развития штопора прошло чуть более трех минут, до крушения прошло еще четыре. Выживших не было. Виновных тоже. Просто так сложились обстоятельства, что условия способствовали катастрофе, а люди не смогли ее вовремя распознать и предотвратить.
Но закончить хочется все-таки на хорошей ноте. Если вы летите на современном самолете, выпущенном в нулевые и моложе, то такое вам не грозит. На современных пассажирских самолетах стоят очень умные системы управления, которые просто не позволят даже приблизиться к критическим режимам, даже если пилот того захочет, так что такой сценарий не повторится. На современных транспортниках (к ним относятся и пассажирские суда) вообще ставят очень мощную защиту от дурака, и свалить их очень сложно даже профессионалам. Да и такое сочетание условий явление достаточно редкое. Но это все касается только гражданских дозвуковых самолетов, и в статье были упомянуты всего две формы критического движения. Их больше и у них есть разновидности, но остальные доступны (за редким исключением) только сверхзвуковым истребителям, если у читателей будет такое желание, расскажу.
Ну и последнее. В предыдущей статье в конце была дана задачка. Ответ на нее: происходит штопор.
Рисунки:
1. График зависимости коэффициента подъемной силы от угла атаки.
2. Примерная схема штопора
3. Примерная схема плоского штопора, более характерного для транспортных судов
4. Ил-86, кандидат на роль типичного пассажирского самолета
5. Примерная картина из конца истории
