Сваливание и штопор самолёта: почему крыло теряет подъёмную силу
Сваливание - это не падение от нехватки скорости, а срыв потока с крыла при слишком большом угле атаки. Оно стало причиной нескольких громких катастроф последних десятилетий, от рейса Air France 447 до Ту-154 под Донецком. Ниже разобрано, как развивается сваливание, когда оно переходит в штопор и что делают пилоты, чтобы его не допустить.
Содержание
Что такое сваливание самолёта
Крыло создаёт подъёмную силу, пока воздух плавно обтекает его верхнюю поверхность. Чем больше угол атаки (угол между крылом и встречным потоком), тем больше подъёмная сила, но только до определённого предела. У типичного крыла пассажирского самолёта без выпущенной механизации этот критический угол лежит в районе 15-18 градусов.
Если угол атаки превысить, поток отрывается от верхней поверхности крыла и начинает завихряться. Подъёмная сила резко падает, сопротивление растёт, самолёт теряет высоту и плохо слушается рулей. Это и есть сваливание. В английской терминологии его называют stall, отсюда звуковое предупреждение "STALL" в кабинах Boeing и Airbus.
Главное заблуждение: будто сваливание бывает только на малой скорости. На деле сваливание случается на любой скорости и в любом положении, если угол атаки стал выше критического. Просто на малой скорости, чтобы держать высоту, пилоту приходится задирать нос, и до критического угла остаётся совсем немного.
Почему самолёт сваливается
Расследования показывают, что сваливание почти никогда не возникает само по себе. Обычно это конец цепочки из нескольких событий, где техника и люди ошибаются одновременно.
- Потеря скорости на взлёте или заходе на посадку, когда экипаж отвлёкся или неверно выставил тягу.
- Обледенение крыла: лёд меняет профиль и снижает критический угол атаки, поэтому срыв начинается раньше, чем ожидает пилот.
- Отказ или обледенение датчиков скорости и угла атаки, из-за чего экипаж видит неверные показания.
- Резкие действия штурвалом, особенно взятие "на себя" в ответ на тревожную сигнализацию.
- Ошибки с механизацией крыла: уборка закрылков или предкрылков на слишком малой скорости.
- Сдвиг ветра и сильная турбулентность, при которых угол атаки скачком меняется за секунды.
Отдельная история касается самолётов с Т-образным хвостом и двигателями в хвостовой части. На больших углах атаки спутный след от крыла может затенить горизонтальное оперение, и самолёт входит в так называемое глубокое сваливание, из которого рули высоты вывести его уже не могут. Именно поэтому на таких машинах ставят толкатели штурвала, которые принудительно опускают нос.
Признаки сваливания и защита в кабине
Природа сама предупреждает о срыве потока: перед сваливанием самолёт начинает трясти, это называют аэродинамической тряской. Но на больших лайнерах её легко спутать с турбулентностью, поэтому сигнализацию дублирует техника.
Сигнализация и тряска штурвала
При приближении к критическому углу атаки срабатывает звуковое предупреждение, а на Boeing и многих других типах включается вибратор штурвала (stick shaker). Он трясёт колонку так, что игнорировать его трудно. Сигнал приходит заранее, с запасом в несколько градусов до реального срыва потока.
Защиты Airbus и что бывает при их отключении
На самолётах Airbus с электродистанционной системой управления в нормальном режиме работает защита по углу атаки: даже если пилот полностью возьмёт ручку на себя, компьютер не даст выйти за безопасный угол. Но при отказе датчиков система переходит в альтернативный режим, и эта защита отключается. Тогда самолёт ведёт себя как обычный, и сваливание снова зависит только от рук экипажа.
Чем штопор отличается от сваливания
Штопор начинается тогда, когда одно крыло сваливается сильнее другого. Самолёт кренится в сторону более "сорванного" крыла, начинает вращаться и одновременно снижается по спирали. Вращение поддерживает само себя: опускающееся крыло получает ещё больший угол атаки, поднимающееся меньший. Этот процесс называют авторотацией.
Самый опасный вариант называют плоским штопором. Самолёт вращается почти горизонтально, нос не опускается, рули теряют эффективность. Пассажирские лайнеры на штопор не сертифицируют и намеренно в него не вводят, поэтому опыта вывода тяжёлой машины из плоского штопора у пилотов гражданской авиации практически нет.
Как пилоты выводят самолёт из сваливания
После серии катастроф в начале 2010-х годов авиационные власти пересмотрели обучение. Раньше на тренажёрах учили выходить из сваливания с минимальной потерей высоты, и пилоты привыкали первым делом давать полный газ. Теперь приоритет другой: сначала уменьшить угол атаки, отдав штурвал от себя, даже если придётся потерять высоту.
- Отключить автопилот и автомат тяги, если они мешают.
- Отдать штурвал от себя до прекращения сигнализации и тряски.
- Вывести самолёт из крена, выровнять крылья.
- Плавно добавить тягу, следя за тем, чтобы нос не задрался снова.
- Убрать воздушные тормоза и аккуратно перевести самолёт в набор высоты.
Для вывода из штопора у лёгких самолётов есть классическая схема: двигатель на малый газ, элероны нейтрально, руль направления против вращения, затем штурвал от себя. Сначала останавливают вращение, и только потом выводят из пикирования.
Катастрофы, вызванные сваливанием
Самая известная из них произошла 1 июня 2009 года. Airbus A330 рейса Air France 447 летел из Рио-де-Жанейро в Париж, когда приёмники воздушного давления обледенели и скорость на приборах пропала. Автопилот отключился, второй пилот взял ручку на себя, и самолёт свалился с эшелона около 11 километров. Сваливание длилось около трёх с половиной минут, сигнализация звучала десятки раз, но экипаж так и не понял, что происходит. Погибли все 228 человек. Подробный разбор есть в выпуске "Air France 447: пропавший рейс".
22 августа 2006 года Ту-154М авиакомпании "Пулково", выполнявший рейс 612 из Анапы в Петербург, пытался обойти грозу сверху над Донецкой областью. На большой высоте самолёт вышел на критический угол атаки, свалился и вошёл в плоский штопор. Экипаж до последнего пытался его вывести, но не смог. Погибли 170 человек.
В феврале 2009 года под Буффало разбился Bombardier Q400 авиакомпании Colgan Air. При заходе на посадку скорость упала, сработал вибратор штурвала, а командир в ответ потянул штурвал на себя вместо того, чтобы отдать его. Погибли 49 человек на борту и один на земле. Сваливанием закончился и полёт Airbus A320 рейса Indonesia AirAsia 8501 в декабре 2014 года: после сбоев в системе управления рулём направления экипаж отключил часть компьютеров, самолёт ушёл в набор высоты и упал в Яванское море. Погибли 162 человека.
Общая черта этих случаев в том, что исправный самолёт сваливается из-за реакции экипажа на необычную ситуацию. Поэтому сваливание часто рассматривают вместе с человеческим фактором. Больше историй о том, как цепочка мелких ошибок заканчивается трагедией, собрано в разделе "Почему разбиваются самолёты".
Может ли сваливание случиться на обычном рейсе
Для пассажира риск ничтожно мал. Современные лайнеры имеют несколько независимых систем предупреждения, а на Airbus в нормальном режиме сваливание практически исключено технически. Пилоты ежегодно отрабатывают выход из сваливания и сложных пространственных положений на тренажёрах, после катастрофы рейса 447 эти упражнения стали обязательными в программах подготовки по всему миру.
Ощущения во время турбулентности, когда самолёт "проваливается" на несколько метров, к сваливанию отношения не имеют. Это вертикальные порывы воздуха, крыло при этом продолжает нормально работать. Настоящее сваливание на коммерческом рейсе случается крайне редко, и почти каждый такой случай становится предметом подробного расследования, как в сериале "Секунды до катастрофы".
Вопросы и ответы
Может ли самолёт свалиться при нормальной скорости?
Да. Сваливание зависит не от скорости, а от угла атаки: если он превысит критический, срыв потока произойдёт даже на высокой скорости, например при резком взятии штурвала на себя.
Что такое плоский штопор?
Это штопор, при котором самолёт вращается почти горизонтально и почти не опускает нос. Рули в таком положении теряют эффективность, поэтому вывести из него тяжёлый самолёт очень трудно.
Почему погиб рейс Air France 447?
Из-за обледенения датчиков пропали показания скорости, автопилот отключился, а пилот перевёл самолёт в набор высоты и вывел его на сваливание. Экипаж не распознал ситуацию, и A330 упал в океан.
Как пилот понимает, что самолёт сваливается?
Звучит звуковая сигнализация, трясётся штурвал, самолёт начинает вибрировать и проседать, а нос опускается сам. Сигнал срабатывает заранее, до реального срыва потока.
Опасна ли турбулентность так же, как сваливание?
Нет. При турбулентности крыло продолжает создавать подъёмную силу, а самолёт лишь кратковременно смещается порывами воздуха. Сваливание же связано со срывом потока и требует активных действий экипажа.
Еще по теме
