Отставить крушение: российские ученые смогут предотвращать авиакатастрофы в условиях обледенения

Пройти две тысячи испытаний и обеспечить безопасный полет

В 1903 году братья Орвилл и Уилбур Райт, американские изобретатели, впервые в истории смогли в полете управлять ими же созданным самолетом. Американцы подробно изучили проект первого в истории самолета русского офицера Александра Можайского, и оказалось, что его судно не могло летать из-за того, что банально не могло сохранить равновесие. Тогда братья разработали систему управления летательным аппаратом по трем осям с помощью тросов. Самолет братьев Райт пролетел 260 метров в течение 59 секунд.

Современные самолеты проводят в воздухе больше десяти часов и сталкиваются с различными погодными условиями, поэтому проверки отправляемых в эксплуатацию воздушных судов с 1903 года значительно ужесточились.

Читайте также из рубрики Наука: Детектор томских ученых поможет распознавать бомбы на расстоянии до 50 метров

Например, первый пассажирский самолет «Суперджет» (или SSJ-100), созданный в уже постсоветской России (2008 год), смог выйти на взлетные полосы не только России, но и стран Азии, Европы и Америки, получив два сертификата – отечественного Межгосударственного авиационного комитета и Европейского агентства по авиационной безопасности EASA. Чтобы получить официальное одобрение, пилоты испытывали самолет три года и три месяца, подтверждая две тысячи пунктов-требований. За это время четыре самолета SSJ-100 совершили 1100 полетов и, таким образом, провели в воздухе 2600 часов.

«Суперджет» испытывали всеми возможными способами: шквальным боковым ветром Исландии, невыносимой жарой Кувейта, высокогорьем Армении и морозами Якутии. В последнем случае задачей испытателей было получить разрешение на полеты при температуре до -54оC. В Калифорнии, например, подобные испытания проводятся в специальных холодильниках. Искусственно создавая нужные условия, в огромных морозильных камерах на устойчивость к морозам проверяют либо отдельные детали (двигатели, аккумуляторы), либо самолет полностью. Российским разработчикам повезло больше – здесь подходящие условия не нужно создавать специально.

SSJ-100. Фото: Ладислав Карпов / ТАСС

«Леденящие» зоны, где «ныряют» в облака

По данным Международной организации гражданской авиации, причиной 11% всех авиакатастроф становится обледенение воздушных судов. Обледенения – это второй после человеческого фактор, влияющий на безопасность самолетов.

«Боинги» и «Эйрбасы» имеют разрешение на полеты при температурах до -45оC, но, попадая в Якутск, сталкиваются с проблемами в области гидравлики и электроники. Однажды один из самолетов настолько замерз, что улететь смог только весной, когда температура повысилась, и самолет уже не испытывал трудностей в полете.

Во время взлета, полета и приземления самолеты часто поджидает и другая опасность: в условиях пониженных температур и повышенной влажности белые облака превращаются в настоящие ледяные ловушки. Не каждому самолету удается выбраться из них без потерь. Российский SSJ100 проверили в том числе на стойкость к обледенениям.

Самые опасные «леденящие» зоны в России – это области между Мурманском и Архангельском, а также побережье Белого моря, но встретить опасность можно везде. «Суперджет» отправили в Архангельск.

Читайте также: Российские ученые разработали сверхнадежный керамический протез коленного сустава. Он будет служить вдвое дольше существующих аналогов

За пять летных дней испытателям удалось пять раз найти в воздушном пространстве обледенение, которое бы соответствовало требованиям авиационных властей и обеспечило бы необходимый размер и плотность льда. Все это нужно было для того, чтобы самолет смог проявить себя в самых критических ситуациях. Он «нырял» в облака, ходил кругами и наращивал лед заданной требованиями толщины, руководствуясь визуальным индикаторам. Затем поднимался на несколько километров выше, где более низкие температуры, закреплял лед и выполнял испытательные режимы. Один такой полет составлял 4-5 часов. Все действия выполняются постепенно и строго в соответствии с инструкцией, чтобы обезопасить экипаж.

Отдельно в условиях обледенения испытали двигатель: по турбинам трижды выстрелили огромным куском льда. Дело в том, что лед, который образуется на лопастях воздушных винтов, набирает свой вес, пока центробежная сила не отрывает его, и тогда кусок льда становится подобен снаряду, который на бешеной скорости и с огромной силой врезается в борт самолета, оставляя глубокие вмятины. Лопатки реактивных двигателей тоже набирают лед, и так же в полном соответствии с законами физики этот лед срывается с быстро вращающихся лезвий, калеча детали двигателя. Во время такой проверки используется специальная установка-льдогенератор. Ее монтируют перед работающим двигателем, и установка последовательно вырабатывает и забрасывает в движок куски льда, от мелкого града до крупных льдин. Испытания считаются пройденными, если, получив повреждения вентилятора, двигатель показывает лишь незначительное снижение мощности. В советские времена именно такая ситуация в воздухе стала причиной нескольких катастроф. «Суперджет» испытания прошел успешно, но не все самолеты справляются с поставленной задачей.

SSJ-100. Фото: aeronautica.online

Авиакатастрофа около Белого дома

«Господи, посмотри на это. Так ведь не должно быть, верно? Точно, не должно», – кричал Роджер Алан Петтит, второй пилот «Боинга-737», который следил за приборами.

«Да все в порядке», – ответил капитан Ларри Витон.

«Нет, тут что-то не так. А может быть...», – продолжал второй пилот.

Самолет отрывается от взлетно-посадочной полосы.

«Давай, давай, набирай по чуть-чуть... Сваливание! Мы падаем!» – кричал капитан.

«Ларри, мы «сыпемся», Ларри», – кричал второй пилот.

«Знаю».

Звук удара.

Конец записи.

В этот день, 13 января 1982 года, крушение потерпел обледеневший «Боинг-737» компании Air Florida, летевший из Вашингтона в Форт-Лодердейл. Накануне в столице США прошел сильный снегопад, именно он стал одной из главных причин трагедии. Из-за погодных условий рейс был задержан на 1 час 45 минут, но это не помогло. Через 22 секунды после взлета «Боинг» начал стремительно падать. Катастрофа произошла в трех километрах от Белого дома, недалеко от Пентагона и мемориала Джефферсона.

«Я услышал рев реактивных двигателей... Похоже, пилот пытался набрать высоту, но самолет быстро снижался. Я видел, как хвост протянулся по крышам машин. Некоторые из них он полностью смял, некоторые сорвал. Как только хвостовая часть перемахнула через мост, самолет продолжил падать. Я видел, как кабина пилотов ушла под лед. Казалось, что самолет еще какое-то время скользил в воде прямо подо льдом», – рассказал в интервью Washington Post один из водителей, оказавшихся на Мосту Рошамбо через реку Потомак. Этот мост соединяет центр столицы с пригородами. Самолет врезался в загруженный автомобилями пролет моста Рошамбо и искорежил семь машин, четверо из находящихся в них людей, погибли.

В самом «Боинге» было 79 человек (74 пассажиров, включая троих младенцев, и пять членов экипажа). Спасательная операция продолжалась 15 минут, в течение которых были пятеро выживших – стюардесса Келли Данкан и пассажиры Берт Гамильтон, Джозеф Стайли, Патрисия Фелч и Присцилла Тирадо, потерявшая в этой катастрофе мужа и маленького сына. Через полгода после катастрофы выжившая стюардесса вернулась к работе.

Арланд Уильямс, один из пассажиров «Боинга» помогал другим людям выбраться из обреченного самолета, но сам спастись не смог, утонув в ледяной воде. Через несколько лет Мост через Потомак был назван «Мемориальным мостом имени Арланда Уильямса».

13 января 1982 года. Фото: Getty Images

Трагедия произошла в первую очередь из-за того, что экипаж не включил противообледенительную систему, а до этого принял решение взлетать даже при наличии снега и льда на корпусе самолета. Воздушные входные отверстия двигателей стали забиваться льдом. К тому же экипаж взлетал на уменьшенной тяге. В некоторых случаях, когда загрузка самолета и метеоусловия позволяет, пилоты сознательно идут на этот шаг, чтобы сохранить ресурс двигателей. Чем меньше нагрузка на двигатель, тем больше он прослужит. Однако поступление воздуха в двигатели «Бонга» было затруднено, приборы, измерявшие их тягу, показывали значительно большую мощность, чем она была на самом деле.

По данным оператора, удаление льда с колес, фюзеляжа, крыла, хвостового оперения, пилонов и передней части двигателей производилось горячим раствором. Никакого аэрозоля после такой обработки не применялось. Выбор раствора был основан на прогнозе погоды, полученном American Airlines. Очистка самолета ото льда и снега перед вылетом несколько раз прерывалась из-за изменения времени полета. Но никакие из предпринятых мер не помогли избежать катастрофы. После этой аварии борьба с обледенением самолетов приняла намного более интенсивный характер.

13 января 1982 года. Фото: Getty Images

Лед-убийца

Все мы ни раз обращали внимание на снежные вершины гор, у подножия которых цветут цветы. Так происходит потому, что с каждым километром ввысь температура воздуха опускается на шесть градусов, то есть чем выше, тем холоднее. Во время весенних и осенних оттепелей, когда температура воздуха на земле немного выше нуля, самолет непременно пройдет через область смены плюсовой температуры на минусовую будь то взлет или посадка, самые опасные фазы полета. В областях с небольшим минусом водяной пар находится в переохлажденном состоянии и без внешнего воздействия эти микрокапли все еще могут сохранить жидкое состояние. Но стоит какому-либо воздушному судну попасть в эту область, жидкие капли осядут на его корпусе в виде тонкого льда. Все мы неоднократно наблюдали и этот процесс – инверсионный след самолета – те самые белые полосы на небе. Возникают они из кристалликов льда.

Во избежание серьезного обледенения и нарушения аэродинамики самолета (а нарушения могут вызвать даже незначительные отклонения в толщине крыла, например) авиакомпании обрабатывают поверхность самолета специальным реагентом.

Обработка точно необходима в случае наличия замерзших осадков на поверхности самолета. Различают три вида возможных отложений: иней, изморозь и лед. Возникновение того или иного зависит от режима и условий полета, температуры воздуха и состава облаков.

Иней – результат перехода водяного пара, минуя жидкое состояние, в твердое при температуре ниже 0оC, то есть налет мелкокристаллической структуры. Он плохо удерживается на поверхности и легко сдувается потоком воздуха. Изморозь образуется при температуре -10оC. Это образование крупнозернистое, которое тоже довольно легко сдувается набегающим потоком.

Читайте также из рубрики Наука: Российские ученые перенесут школьников в виртуальную реальность и отменят контурные карты

Лед бывает трех видов. Прозрачный – образуется при движении самолета через облака с переохлажденным дождем при температуре от 0оC до -10оC. Такой лед прочно держится на поверхности, никак не искажая поверхность самолета, ведь его слой очень тонкий. Но с ростом толщины растет и его опасность.

Самый опасный вид льда – матовый. Он образуется во время полета через смешанные облака при температуре от -6оC до -10оC. В единый ледяной слой срастаются все крупные растекшиеся и мелкие нерастекшиеся капли, а также снежинки и кристаллы. Структура такого «покрытия» бугристая, шероховатая и значительно ухудшающая аэродинамику поверхности воздушного судна.

Белый пористый лед образуется при температуре ниже -10оC в результате слияния мелких капель. Сначала он не очень плотно прилегает к поверхности, но по мере увеличения толщины становится не менее опасным, чем матовый лед.

Обрабатывать или не обрабатывать самолет реагентом решает командир корабля, а также наземные службы аэропорта. В случае расхождения мнений для выяснения обстоятельств приезжает инспекция, которая фотографирует корпус самолета и решает вопрос на более высоком уровне.

Пассажиры всегда поймут, прошел самолет обработку или нет. Во-первых, командир обязан предупредить о небольшой задержке. Во-вторых, обработка происходит уже после посадки пассажиров, поэтому всю процедуру вы сможете наблюдать через иллюминатор – сотрудники аэропорта в защитных костюмах поднимутся с помощью машин-подъемников на нужную высоту и направят шланг с раствором на корпус самолета, постепенно обрабатывая его по всему периметру. Длится процесс около 40 минут.

Фото: Alex Pereslavtsev / airliners.net

Обработка самолета – дорогое удовольствие

Существует четыре типа противообледенительных жидкостей. Это смесь воды и гликоля (класс органических, содержащих две гидроксильные группы – сладкая едкая жидкость, которая притягивает и связывает воду) с добавлением различных загустителей. В промышленности гликоль, например, используется как антифриз в системах водяного охлаждения и как тормозная жидкость. Он также был выявлен в крови бабочек, стрекоз и других насекомых, что помогает им пережить низкие температуры, предотвращая кровь от кристаллизации.

Первый тип противообледенительной жидкости применяют для удаления льда. Его часто разбавляют водой, поэтому от новых обледенений он не защитит. В состав второго типа входят загустители. Они защищают поверхность самолета от обледенения, но только в течение небольшого срока. Третий тип содержит небольшое количество загустителей и используется в обслуживании турбовинтовых самолетов, который медленно отрываются от земли во время взлета. И только четвертый тип имеет высокую концентрацию загустителей и сохраняет длительный защитный эффект.

Чтобы отличить жидкости друг от друга, их окрашивают в разные цвета: первый тип имеет красноватый оттенок, второй – жемчужный, третий тип желтого цвета, а четвертый – зеленого.

Перед обработкой самолета проводится тщательный осмотр и анализ состояния его поверхности, потому что обрабатывать каждый самолет реагентом затратно не только в плане временных и физических ресурсов, но и в плане экономических. Цены на все эти жидкости устанавливает каждый конкретный аэропорт. Например, аэропорт в Казани оценивает реагент приблизительно в 200 рублей за литр (цена варьируется в зависимости от типа и концентрации жидкости). Для обработки одного самолета потребуется около 200-300 литров. То есть одна такая обработка обойдется тысяч в шестьдесят – при этом взлетают самолеты с интервалами в несколько минут. Для авиалайнеров объем необходимой жидкости составит не меньше двух тысяч литров. Обработка одного лайнера может достичь миллиона рублей.

Некоторые жидкости изготавливаются на основе пропиленгликоля, производство которого в России ограничено. Все это затрудняет не только производство реагентов, но и снижает частоту их использования, что приводит к непоправимым последствия. При этом точного способа определения необходимости обработки не существует.

Фото: quantum.livejournal.com

Спрогнозировать опасность все же возможно

Разработчики Института прикладной астрономии РАН и Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (ИМКЭС СО РАН) разработали и уже запатентовали абсолютно новую технологию, которая поможет с высокой точностью рассчитать опасность обледенения самолетов при взлете и посадке. Аналога этой технологии не существует в мире.

Метод диагностики задействует работу двух специальных устройств – температурного профилемера и радиометра водяного пара.

Температурный профилемер измеряет температуру на разных высотах и в целом представляет собой простой прибор. Это необслуживаемая автономная всепогодная система измерений, которая работает по технологии дистанционного зондирования атмосферы. При этом радиометр водяного пара изначально был создан для астрономов. Его основная функция заключалась в определении атмосферных искажений от квазаров, наиболее удаленных объектов Вселенной. Прибор также применяется для координатно-временного обеспечения системы ГЛОНАСС, российской глобальной навигационной системы. В данном случае он измеряет плотность водяного пара в воздухе.

Сложность прогнозирования заключается в том, что поведение водяного пара никак не моделируется в реальном времени, так как оно очень переменчиво. Не существует ни одной математической модели, которая смогла бы описать, что произойдет через час или через два.

Фото: quantum.livejournal.com

Самые большие трудности с прогнозированием обледенений испытывают небольшие аэропорты. Самолеты Шереметьево, Домодедово и Пулково взлетают с минутными интервалами и годовым пассажирооборотом в несколько десятков миллионов человек, поэтому экипаж в состоянии передавать наземным службам актуальную информацию о фактах обледенения. При этом в небольших аэропортах, таких, как, например, Аян в Хабаровском крае с годовым пассажирооборотом чуть больше двух тысяч человек, ситуация между взлетами и посадками отдельных самолетов существо отличается. Здесь новую технологию применять особенно актуально.

В ходе разработок исследователи провели масштабный годичный эксперимент по отработке оперативного прогноза обледенения в 2016-2017 годах. Приборы были установлены на расстоянии 12 км от томского аэропорта Богашево на площадке ИМКЭС СО РАН, профилемер - на крыше института, а радиометр водяного пара – во дворе. То есть два отдельных аппарата передавали информацию на компьютер. В результате сведения данных обоих приборов воедино получилась технология прогноза.

За год экспериментальной работы исследователи зафиксировали целый массив данных (результаты считывались каждые пять минут). Эти данные сравнили с реальными данными томского аэропорта. В результате показатели совпали более чем на 99%. Таким образом, задействованные в эксперименте приборы могут автоматически выполнять работу, которая сейчас находится в зоне ответственности людей. Для одного аэропорта достаточно одного комплекта приборов. Ученые ИПА РАН намерены объединить оба прибора в одном корпусе, который будет размещаться на необходимой высоте, что будет гораздо удобнее для заказчиков.