Как долго Россия будет глупо терять свои самолёты?

В своей прошлой статье «Как работает военная авиация» я затронул вопросы концептуального и технологического отставания России в некоторых вопросах обслуживания боевой авиации.

В настоящей статье речь пойдёт об ещё одной сфере, в которой нашей стране не помешало бы наверстать темпы роста. Поскольку отставание сопряжено уже не просто с потерей эффективности авиации, но и с небоевыми потерями дорогостоящей техники, а также с гибелью пилотов.

Актуальность проблемы

Как обычно, прежде чем приступать к обсуждению основной темы, немного «мат. части».

Итак, представим ситуацию. Самолёт штатно заходит на посадку. В момент касания задними стойками полосы он имеет кинетическую энергию, равную произведению массы на квадрат скорости, делённые пополам. И для того, чтобы остановиться, у него есть ограниченное расстояние – длина взлётно-посадочной полосы. Какими способами вообще можно это сделать?

Классически их существует три: аэродинамические, реверс тяги, торможение колёсами.

В случае с боевыми самолётами реверс тяги не применяется. Остаётся два.

Аэродинамические – тормозной парашют, тормозные щитки и механизация крыла. В этом случае кинетическая энергия тратится на преодоление силы сопротивления воздуха.


Посадка с выпущенным тормозным щитком. Фото: Dmitry A. Mottl, wikipedia.org
Торможение колёсами – знакомая всем схема, когда кинетическая энергия превращается в тепло в парах трения (диск/колодка, поверхность ВПП/шины).

Первое, что делает пилот для торможения – использует тормозной парашют. В самом начале торможения парашют намного эффективней и безопасней колёс. Почему так происходит?

Во-первых, сила торможения парашютной системы зависит от скорости движения, а в начале полосы она максимальна.

Во-вторых, сила торможения парашютом не зависит от коэффициента трения между колесом и покрытием. Коэффициент может изменяться в зависимости от качества полосы или наличия осадков.

В-третьих, парашют обеспечивает максимальную устойчивость на больших скоростях, так как вектор силы торможения направлен вдоль оси движения самолёта. Это значит, что при торможении таким способом невозможен занос или скольжение юзом. Что делает парашютные системы незаменимыми на ледовых аэродромах и/или площадках с плохим покрытием.

Такими образом, в самом начале пилот может рассчитывать главным образом на тормозной парашют.

Можно ли использовать тормоза в начале?

Делать это крайне нежелательно и вот по каким причинам:

1) Тормоза на начальном этапе малоэффективны, так как сила трения колёс о покрытие равна произведению коэффициента трения на силу реакции опоры. В начале полосы скорость самолёта максимальная, подъёмная сила продолжает действовать на крыло. А это значит, что сила, с которой самолёт действует на покрытие, возрастает постепенно по мере снижения скорости. Таким образом, на начальном участке очень легко заблокировать колёса и потерять способность управлять самолётом на высокой скорости.

2) Впереди нас ждет этап, когда парашют станет неэффективным и придётся уповать только на торможения колёсами. Будет плохо, если к этому моменту тормоза уже будут перегреты. Подобное чрезмерное использование тормозов может приводить к выходу их из строя.

Почему торможение колёсами не может быть эффективным?

Давайте разберёмся в физике процесса и поймём, что может стать лимитирующим звеном. Разберём пару трения колёса-поверхность. Здесь всё зависит от коэффициента трения, то есть от состояния поверхности покрытия. Если на ней вода или пыль, какими бы мощными ни были сами тормоза, «узким местом» тормозной системы, определяющим её общую эффективность, станет коэффициент трения. И если он низкий, то колёса просто будут скользить по поверхности.

Вторым ограничением являются сами тормоза.

И здесь есть нюанс. Когда происходит торможение, сила инерции тянет массу ЛА вперёд. И нагрузка смещается с задних осей на переднюю. Казалось бы, это плюс, так как возрастает сила давления колёс на поверхность, а значит улучшается сцепление. И мы можем тормозить результативнее. Причём эффект тем больше, чем выше центр тяжести, а у самолёта он высокий.

Но здесь возникает другая проблема. Дело в том, что в этом случае возрастает нагрузка на тормозную систему передней стойки шасси.

По этой же причине спереди на машинах ставятся более мощные тормоза, чем сзади. Но в отличие от машины у самолёта спереди 1 стойка, а не 2, а сами габариты колёс не позволяют увеличить размеры тормозов.

Ещё одним фактором, ограничивающим тормозное усилие, является повышенная склонность самолёта к движению юзом, заносу и перевороту. Обусловлено это мультиплицирующим эффектом сочетания высокого центра масс, его распределения и геометрии (спереди только 1 колесо). В результате, если тормозить слишком активно, самолёт банально может как увести в сторону с полосы, так и развернуть.

Частичным решением данной проблемы является установка систем наподобие гражданских версий ABS и ESP. Электроника получает данные о скорости вращения колёс при обжатых стойках шасси и регулирует тормозные усилия таким образом, чтобы постараться удержать самолёт на прямой. Однако наличие данной системы не гарантирует благополучный исход, а лишь снижает вероятность заноса.


Датчик антиюзовой автоматики. Источник: airliners.net
Кроме того, наличие данного эффекта полностью лишает смысла идею увеличения результативности торможения за счёт размещения спереди более крупных колёс с массивными тормозами.

Промежуточные выводы

Изначально обывателю могло показаться, что вопрос торможения на полосе для авиации давно решён. И что система имеет большой запас надёжности за счёт того, что один вид торможения дублирует другой.

Но это далеко не так. В действительности парашютная и колёсная системы торможения вовсе не дублируют друг друга, а скорее дополняют. Таким образом, риски потенциально суммируются, а не вычитаются. Ввиду того, что для возникновения опасной ситуации достаточно выхода из строя всего одной из двух систем. Причём наибольшую опасность представляет отказ именно парашютной системы.

Теперь давайте рассмотрим ситуации, в которых что-то может пойти не так.

Сценарий 1

Посадка выполняется штатно после завершения полётного задания. Стойки касаются поверхности ВПП, пилот активирует тормозной парашют, но происходит отказ. Самолёт продолжает двигаться по полосе без возможности активировать парашютную тормозную систему. Дальнейшее развитие событий зависит от ряда факторов, но дабы излишне не усложнять статью, рассмотрим вариант, к которому ситуация сведётся в 9 случаях из 10: пилот будет пытаться тормозить колёсами на оставшемся участке. Получится остановиться или нет – зависит от длины конкретной ВПП, а также от расторопности пилота, то есть насколько быстро он смог сориентироваться в ситуации. И от того, насколько хорошо он зашёл на саму посадку (выдержал глиссаду, скорость).

Такая ситуация может закончиться вылетом с полосы в сторону либо выкатыванием за пределы ВПП с различными последствиями (начиная от относительно благополучной остановки за её пределами и заканчивая переворотом, разрушением самолёта и гибелью экипажа).

На видео ниже запечатлён момент, когда самолет «теряет» тормозной парашют прямо в воздухе. Садиться придётся без него.

Сценарий 2

Более драматический и опасный. Отказ двигателя происходит при разбеге. Пилот должен мгновенно среагировать и принять решение: продолжать взлёт либо же прервать. Выбор осложняется тем, что каждую секунду расстояние для торможения сокращается на 60-100 метров. При этом стоит сразу отметить, что если бы существовала гарантия того, что самолёт сможет остановиться, то пилоту не приходилось бы делать выбор. Ведь рациональное решение только одно – прерывать взлёт. Но именно невозможность остановиться в пределах оставшейся ВПП может вынудить пилота продолжить.

Увы, не существует способов защититься от отказов двигателя на взлёте. Причиной чаще всего является попадание посторонних предметов в двигатель. Например, птиц. Не исключено и попадание мусора. Либо банальная техническая неисправность.

Проблема отказов при взлёте актуальна для всех типов ЛА. Но чем больше и тяжелее самолёт, тем выше риски.

Теперь мы плавно подошли к основной теме – современные технические решения, которые существуют в мире для минимизации рисков лётных происшествий и снижения тяжести их последствий.

Решение 1 – EMAS

Самое очевидное – концевые полосы безопасности. Безусловно, предусмотрены и на наших аэродромах, только вот в имеющимся у нас виде они мало эффективны.

Решение проблемы было найдено давно и массово реализовано ещё в гонках серии Формула-1. Речь идёт о «ловушках безопасности». В опасных поворотах размещается зона, заполняемая вязким материалом. Потерявшая управление машина, вылетая с трассы, вязнет в таком покрытии и эффективно гасит свою скорость.

Эволюция этой идеи сводится к подбору материала с очень специфичными свойствами. Основой концевой полосы безопасности должна стать ровная и безопасная площадка. Сам материал укладывается поверх этой площадки слоями разной высоты. При наезде на него самолёта материал должен крошиться или упруго деформироваться. При этом на этапе проектирования все параметры должны быть рассчитаны таким образом, чтобы торможение осуществлялось эффективно, но в то же время безопасно.


Преимуществом также является то, что задние стойки шасси более массивны, а торможение за счёт деформации материала не связано с изменением центра тяжести ЛА. Благодаря чему, попадая в такую ловушку, задние стойки включаются в работу на порядок более эффективно, чем при стандартном торможении, что (вдобавок к значительному повышению результативности) полностью исключает занос.

К преимуществам относится и отсутствие технического обслуживания системы.

Фото ниже демонстрирует, как должна выглядеть современная концевая полоса безопасности «по фэншую».


Пример реальной работы такой системы можно увидеть на видео:


А вот как выглядит полоса безопасности у нас. И к чему это приводит.


Источник: igor113.livejournal.com
При посадке произошёл отказ парашюта. Самолёт выкатился за пределы ВПП. Но как мы видим, концевая полоса безопасности в том виде, в котором она есть, не смогла обеспечить безопасность. Повезло, что экипаж остался жив.

Решение 2 – аэродромные системы торможения

Ещё одним решением, которое в нашей стране развивалось, но не нашло массового применения, является торможение самолёта тросом по принципу устройств на авианосце. В западной терминологии это называется AS (Arresting System).

Может быть, не все знают, что многие самолёты в НАТО комплектуются облегчённой версией тормозного гака – крюком Шаффера.

Так как же натовцы дошли до такого, чтобы на непалубные истребители зачем-то устанавливать крюк?

Первоначально запрос со стороны военных ведомств США заключался в создании систем, которые бы позволяли лёгкой авиации базироваться на быстровозводимых площадках. Ведь для взлёта на форсаже самолётам достаточно до 500 метров (Миг-29 может взлететь с 300), а вот для посадки нужно уже под 1000.

Задача была поставлена, и промышленность представила несколько технических решений, отличающихся друг от друга по габаритам, массе, простоте монтажа и принципам поглощения энергии.

А всё, что происходило далее, можно описать фразой: «Дорогу осилит идущий».

Если шаг за шагом медленно двигаться в одном направлении – результаты могут оказаться удивительными.

На первый взгляд, решение использовать тормозной трос на стационарном аэродроме может показаться избыточно сложным.

Первая ожидаемая проблема – обслуживание. Вторая – подготовка пилотов. Но оказалось, что обе эти проблемы легко решаемы.
 

Решение первой проблемы

Испытывая прототипы, американцы убедились, что при наличии 500 метров полосы, перегрузки при торможении в 3 раза меньше, чем на авианосце, где самолёт должен остановиться на участке в 160 метров. Это позволяет значительно снизить нагрузки как на тормозной крюк, который в результате получил упрощённую конфигурацию, так и на все узлы наземного базирования – они не требовали столь частой замены, как на авианосце.
 

Решение второй проблемы

Оказалось, что самолёт может захватывать трос, проехав по нему колёсами. Это делало посадку аналогичной обычной со всеми вытекающими – позволяло применять её обычными лётчиками с минимальной доп. подготовкой.

Вот как это выглядит в итоге:


Чем такая посадка отличается от обычной? Да практически ничем.

Дело в том, что парашютная система имеет ещё один нюанс, о котором я не упомянул. Для безопасной посадки часть ВПП неизбежно «съедается» на выдерживание, опускание передней стойки, открытие контейнера и раскрытие парашютной системы (2-3 секунды только на раскрытие парашютов). За это время самолёт успевает пролететь-проехать значительное расстояние от 200 до 500 метров. В теории можно сесть и «быстрее», но безопасность операции при этом снижается, а сложность возрастает.

Примечание. В разное время тестировались и применялись разнообразные парашютные системы торможения: многокупольные и многосоставные. В частности, были варианты так называемого парашюта «подхода». Это парашют с малой площадью, который открывался ещё до касания стоек полосы.

В случае с тормозной системой – происходит всё то же самое. После того, как самолёт опустил стойку, пилоту лишь требуется проконтролировать факт зацепа – если его не произошло, активировать парашют.

Так что же в результате даёт нам такая система?

1) Самой главное, что даёт такая система – это безопасность. Добавляется ещё один способ торможения, причём такой, который в одиночку полностью остановит самолёт без активации тормозов и парашюта. Хотя не исключено и лёгкое подтормаживание колёсами в процессе.

2) Кроме того, это даёт также экономию времени на обслуживании самолётов, снижение издержек и увеличение темпа боевых вылетов.

На втором пункте остановимся более подробно.

Дело в том, что в случае срабатывания система не задействует ни парашют, ни тормоза в шасси. А это значит, что не нужно укладывать и повторно устанавливать парашют. В случае с Су-25 он небольшой. Но вот для Су-34 процедура становится значительно более трудозатратной. И это может стать проблемой для оперативного аэродрома в моменты максимальной интенсивности боевых вылетов.

Что касается тормозов, то можно подумать, что это незначительная деталь. Однако речь идёт о высокопроизводительных системах, которые стоят больших денег.

Аэродромная же система для рассеивания энергии может использовать обычную воду в качестве рабочего тела. И её обслуживание значительно менее трудоёмко – у того же Су-34 шесть колёс, в каждом из которых сложная тормозная система.


Современная тормозная система самолёта
Данные установки продолжают совершенствоваться и по сей день. На уровне концепции рассматривается идея создания компьютеризированной «умной» тормозной системы, которая сможет измерять скорость самолёта и выбирать тормозное усилие, необходимое для максимально эффективной работы именно с этим самолётом.

Постоянно совершенствуются и отдельные узлы – так, к примеру, для аэродромов совместного базирования предлагаются варианты, когда трос можно «прятать» в специальную технологическую борозду.


Источник: aviapanorama.ru
Также эти машины могут устанавливаться не только как элементы основного способа торможения, но и как страхующие «сети» перед концевой полосой безопасности, дополняя её и делая всю систему в целом ещё более безопасной.


Источник: atecharrestors.com
Ниже показано как организована стационарная система на авиабазе.


Отдельно хотелось бы упомянуть один из концептов.


Здесь изображена схема подключения установок для торможения более тяжёлых самолётов в два этапа: first и second stage brake – 1 и 2 ступень тормозных механизмов. Сначала срабатывает первая тормозная установка, затем к ней присоединяется вторая.

Но всё это пока только на уровне концепций.
 

Монтаж установок

Небольшая отсылка к предыдущей статье относительно технологического и концептуального отставания в обслуживании авиатехники.

Монтаж систем торможения подразумевает установку в землю специальных клиньев, к которым якорится сама установка. Данный этап в теории требует больших трудозатрат, но вот как этот вопрос решается в случае, когда вопросом обслуживания уделяется достаточное внимание:

Авиационное происшествие

Итак, вернёмся к происшествию, результат которого запечатлён на «обложке» данной статьи.

Вот как было дело:


Курсант не выполнил выравнивание, и посадочная скорость на торце полосы была значительно превышена. Посадочная скорость Су-27 – 240 км/ч. Даже если аналогичный показатель у Су-34 несколько выше (в районе 270 км/ч), то на видео скорость на торце полосы в какой-то момент составляла 360 км/ч.

Одного этого было достаточно, чтобы принять решение уходить на второй круг. Особенно для курсанта – дополнительная тренировка, он для этого там и находится.

Однако экипаж в этом плане не сделал ничего принципиально нового или выдающегося. По данным международной организации по безопасности авиаперевозок, 80 % инцидентов, происходящих во время посадки, могут быть решены своевременным уходом на второй круг. То есть данная «человеческая ошибка» не является непредвиденным фактором, а скорее закономерностью, обусловленной особенностью функционирования нашего мозга.

Первая причина – уход на второй круг воспринимается как признание своей слабости, неспособности совершить посадку с первого раза.

Вторая причина – человеку в стрессовой ситуации отчаянно хочется эту ситуацию разрешить, остаться на земле. Это приводит к игнорированию реальных рисков и приземлению «во что бы то ни стало».

Есть и другие аспекты, влияющие на нашу психику, но сейчас не об этом.

Важно, что такие ситуации нельзя «тупо» списать на отдельно взятых людей – они системны. И будут повторяться.

И задача инженеров сводится к разработке технических средств, которые максимально застрахуют лётчиков от собственных ошибок.

Все перечисленные в статье системы могли бы легко предотвратить данное (и подобные) происшествия.
 

Выводы

В то время, когда с помпой проходят военные парады и форумы «Армия», на которые гости из Турции (пилотажная группа «Турецкие звезды») приезжают со своими мобильными тормозными машинами БАК-12, чтобы в условиях показательных выступлений обеспечить себе безопасность, наши пилоты продолжают погибать в боевых условиях по причине выкатывания за пределы ВПП.

На фото ниже самолёты турецких «пилотажников» – отчётливо виден крюк Шеффера на брюхе.


Источник: aerobaticteams.net
Инцидент с гибелью российских лётчиков в Сирии освещался в СМИ максимально скромно. Никаких фото- или видеоматериалов.

Сухая констатация фактов:

10 октября (2017) при совершении разгона на взлёт с аэродрома Хмеймим (Сирия) для выполнения боевой задачи выкатился за пределы взлётно-посадочной полосы и разрушился самолёт Су-24. Экипаж самолёта не успел катапультироваться и погиб.
Повторюсь, подобные происшествия всегда происходили и всегда будут происходить. Вопрос лишь в том, что наша страна «приготовила для войны».

И точно так же, как и в прошлой статье, речь не идет о каких-то «сверхнаукоёмких» технических решениях наподобие систем спутниковой разведки или гидроакустических станций для подводных лодок. Сами по себе некоторые решения весьма примитивны.

Да и «списать» есть у кого – всю работу уже проделали за океаном и выбрали наиболее рациональные решения.

В чём проблема – непонятно.

В России по вышеописанным сценариям регулярно «бьются» самолёты.

В Комсомольске-на-Амуре неудачей закончились испытания одного из прототипов перспективного российского истребителя Су-35. В воскресенье, 26 апреля, самолёт выкатился за пределы взлётной полосы и столкнулся с препятствием. В результате аварии истребитель разрушился и сгорел. Лётчик-испытатель Евгений Фролов в последний момент успел катапультироваться.
Тем самым угробили прототип. Это привело к тому, что весь процесс застопорился на год. Так ещё и по их вине чуть не погиб лётчик-испытатель.

Неоднократно бились и новые Су-34 с практически «полным» ресурсом.

Свою историю «выкатывания» имеют и более крупные машины – Ту-22.

16 июня 2016 года. Остров. Псковская область.


Источник: (с) forums.airforce.ru
12 сентября 2017 года. Ту-22М3 (бортовой номер «20 красный», регистрационный номер RF-94233). Шайковка. Калужская область.


Источник: Фото (с) Военный Осведомитель, vk.com/milinfolive
Однако есть в составе наших ВКС ещё более крупные самолёты Ту-160, военно-транспортные самолёты, топливозаправщики и ДРЛО.

Возникает вопрос: «Что сделано для предотвращения происшествий, например, с Ту-160 на их главной базе?»


Общая длина полосы 3,5 км вместе с 2 участками безопасности составляет 3,65 км, то есть участок с каждый стороны имеет длину – фантастические 70 метров.

В то же время в США. Майнот. Северная Дакота.


Бросается в глаза масштаб полос безопасности относительно самой «взлётки» – каждая по 300 метров.

И здесь мне интересно задаться вопросом. В комментариях к прошлой теме упомянули о существовании формальных правил в нашей авиации.

Вот эта длина в 75 метров для самолёта длиной 50 метров... Она выбрана по каким соображениям? По минимальному соответствию правилам в отрыве от реальности?

При том что общая длина полосы в США составляет 4,6 км.

А вот так выглядит модернизированная полоса безопасности в Нортхолт (UK):


Источник: twitter.com/rafnortholt
Хотя справедливости ради стоит отметить, что и этих мер не всегда оказывается достаточно. Так, например, в 2017 году, подвергшись атаке голубя-смертника, Б-52 прервал взлёт и выкатился за пределы ВПП. Экипаж эвакуировался, но пожарные не сумели подъехать достаточно быстро, и самолёт сгорел.
 

PS

Раз уж в статье зашла речь об аварии Су-34, хотелось бы обсудить точки зрения относительно степени вины в случившемся всех фигурантов – курсанта, инструктора, руководителя полётов.

Как по мне, руководитель ошибочно не дал указания сделать ещё один заход.

Инструктор же явно нервировал курсанта и по сути своими комментариями вынудил его садиться. То есть инструктор получает сразу два «неуда»: за отсутствие командной работы с курсантом и за неверное решение («малый газ», вместо «взлётный»).

Одно из преимуществ двойной кабины (по крайней мере из тех, что заявлялись) – возможность чувствовать «плечо» товарища, а не слушать «матюки».

На мой взгляд, действия этого инструктора намного более профессиональны:


Курсант доверяет ему и имеет возможность посмеяться над собой, а смех – это очень хороший способ снять психологическое напряжение в стрессовой ситуации. Интонация и жесты в какой-то мере успокаивают.

Но может я не прав?

Интересно послушать летавших.

Автор: Воронцов Александр