Закрылки? Рассмотрим эту легенду!

[yacc11]

С подачи Дениса Оканя denokan среди части СМИ и блогеров основной версией катастрофы Ту-154 RA-85572 под Сочи стала версия ошибочной уборки закрылков вместо шасси. Так уж повелось, что журналисты хватают простые версии - чтобы все объяснялось как можно проще и сразу. Причем эта версия даже затмила ходившую по интернету первую такую простую версию - сильно задняя центровка - которая «привела к чрезмерному подниманию носа и, как следствие, сваливанию после взлета». Версия закрылков гласит, что «в результате их ошибочной уборки вместо шасси, в последние 10 секунд и возникла нештатная ситуация, которую экипаж не смог исправить ввиду малой высоты». Именно эту версию я и рассмотрю в этом посте.



Но для начала рассмотрим, что же закрылки из себя представляют. Закрылки, как это следует из названия - «за крылом» - отклоняемая поверхность, расположенная на задней кромке крыла.


Закрылки увеличивают кривизну крыла, тем самым создавая бОльшую подъемную силу и применяются на взлетно-посадочных режимах, обеспечивая меньшие скорости и меньшие величины пробега/разбега.
Однако это не дается задаром - выпущенный закрылок увеличивает аэродинамическое сопротивление - т.е. потребуется бОльшая тяга двигателя. И второй эффект - он создает момент на пикирование. Наглядно это объяснит вот этот рисунок:


При выпуске закрылков точка приложения подъемной силы сдвигается - от зеленой ( для чистого крыла ) до желтой ( с выпущенными закрылками ). Это приводит к появлению пикирующего ( т.е. заставляющего опустить нос ) момента - оранжевая стрелка. Для компенсации этого момента надо либо рулем высоты, либо перекладкой стабилизатора, создать противоположный - кабрирующий ( т.е. поднимающий нос ) момент - синяя стрелка. Почему рулем высоты или стабилизатором? А потому что центр тяжести самолета - т.е. начало стрелочки G - может в зависимости от загрузки меняться. И от этого зависит плечо силы и, следовательно, величина момента. Для Ту-154 есть три основных диапазона центровки - передняя, средняя и задняя.


В случае передней центровки плечо наибольшее, в случае задней - наименьшее. Формально, можно для компенсации пикирующего момента использовать и руль высоты, но тогда при разных центровках его придется отклонять на разные углы что неудобно для пилотирования и что снижает его запас хода на кабрирование. Поэтому компенсацию пикирующего момента в этом случае выполняют перестановкой стабилизатора, чтобы обеспечить единообразие управления самолетом. В случае задней центровки стабилизатор для взлетного положения закрылков ( 28 градусов ) не переставляется, для средней - переставляется на 1.5 градуса на кабрирование и для передней - на 3 градуса на кабрирование. При выпуске/уборке закрылков перестановка стабилизатора обычно производится автоматически и синхронно, чтобы обеспечить плавность пилотирования. Однако даже для задней центровки руль высоты на кабрирование для компенсации пикирующего момента отклонять надо. Для того чтобы не уставать в этом случае применяется триммер или триммерный эффект - снятие усилия с ручки - тогда штурвал, и как следствие - руль высоты - остаются в отклоненном положении, но уже не нужно прикладывать усилий чтобы их удержать в этом положении. Этим же способом можно сбалансировать самолет и в других режимах - например, при наборе высоты - когда руль требуется отклонить больше.
При уборке закрылков все описанные выше эффекты для сбалансированного самолета срабатывают в обратном направлении:

1) уменьшается подъемная сила
2) уменьшается воздушное сопротивление
3) появляется момент на кабрирование ( самолет начинает задирать нос )

И такие эффекты, когда они происходят по ошибке пилота, действительно нежелательны на режиме взлета, поскольку могут привести, скажем, к потере высоты или потере скорости и как следствие - падению самолета. Однако эти три эффекта происходят одновременно и где-то даже могут компенсировать друг друга, например, уменьшение аэродинамического сопротивления способствует разгону самолета, а увеличение тангажа ( задирание носа ) приводит к увеличению подъемной силы. Качественная модель, описанная выше, никак не описывает эти тонкости, поэтому, чтобы посмотреть поведение конкретного самолета, с учетом взаимного влияния этих эффектов, есть три варианта:

- смоделировать аналогичный полет на самолете-лаборатории летчиками-испытателями ( разумеется, они не будут воспроизводить этот режим возле земли, а смоделируют его на безопасной высоте ).

- выполнить натурное моделирование - скажем, взять модель и воспроизвести условия в аэродинамической трубе.

- выполнить математическое моделирование на компьютере.

И вот последний вариант вполне доступен практически любому - достаточно взять симулятор с моделью именно такого же самолета.
Именно последний вариант я и сделал, взяв бесплатный симулятор FlightGear с установленный на него моделью Ту-154Б от «Проект Туполев», которую добровольцы конвертировали из изначальной модели для Майкрософт Флайт Симулятор. FlightGear может использовать несколько модулей динамики полета, но для Ту используется JSBSim - модуль с шестью степенями свободы, написанный бывшим инженером НАСА и активно используемый университетами для моделирования полета и отладки алгоритмов автопилотов. Он распространяется, в том числе, и в исходных кодах с конца 90-х годов и поэтому хорошо отлажен. Другое достоинство JSBSim в том, что он позволяет делать журналирование почти всех используемых при расчетах параметров - т.е. например, я могу записать в файл динамику изменения подъемной силы или продольного момента, а также - параметры части систем и конкретной модели - например флаг срабатывания АУАСП ( сигнализации о превышении угла атаки для Ту-154 ). Это позволяет мне после полета построить графики и посмотреть динамику изменения.
Для тестовых полетов чтобы не возиться со стабилизатором я взял заднюю центровку, но самую переднюю среди задних - 32% САХ - чтобы иметь бОльшее плечо. Также вес я поставил максимальный - 98 тонн, чтобы посмотреть поведение именно тяжелого самолета. Поскольку при установке по умолчанию в симуляторе нет аэропорта Сочи, я не стал заморачиваться с его установкой, а проводил все эксперименты в аэропорту Сан-Франциско так как там тоже есть длинные полосы, тем более что с точки зрения таких параметров как высота/скорость/удаление это совершенно непринципиально. Для качественного рассмотрения поведения и упрощения пилотирования полеты производились днем в безветренную погоду - все равно после отрыва пилотирование идет по приборам.
И для начала рассмотрим то, как себя ведет самолет, сбалансированный на режим набора высоты, для скорости примерно 320 км/ч после уборки закрылков, если не управлять им по тангажу.

А будет вот так:

Click to view

Выполнялся полет так: после взлета и балансирования на требуемой скорости я просто произвел уборку закрылков не трогая шасси и управления по тангажу. После уборки закрылков самолет стал поднимать нос. Поскольку и сила сопротивления уменьшилась - он, тем не менее, разгонялся. За счет увеличения тангажа он компенсировал потерю подъемной силы и не просел по высоте, а наоборот стал ее набирать. В дальнейшем увеличение тангажа привело к уменьшению приборной скорости, но за счет инерции он еще набирал высоту. Набрав в максимальной точке порядка 663 метров, он начал оттуда уже сыпаться без приборной скорости - она упала до нуля. И после кувырка и опускания носа, в штопоре он упал на землю. Весь полет продолжался от точки начала разбега ( вывода двигателей на взлетный режим ) до места катастрофы - порядка 110 секунд. Удаление точки крушения от точки начала разбега - примерно 7600 метров.

Первые промежуточные выводы можно сделать уже из этого полета:
- примерно 40 секунд тратится на разбег, который составляет 2000-2100 метров
- после 70 секунд полета, если считать что они исчисляются после установки секундомера перед разбегом - самолет еще находился в воздухе. Следовательно, 70 секунд - а они заявлены МО - надо отсчитывать минимум от точки отрыва - т.е. то время, что самолет находился в воздухе.

Казалось бы - и точка падения чем-то похожа - значит версия про закрылки справедлива!
Однако ни точка падения, ни максимальная набранная высота, ни скорость во время столкновения не соответствует данным МО. И самое главное - я не управлял самолетом, а так не делается.
Следовательно, надо копать дальше. И тут для начала стоит рассмотреть, а как же производится взлет на Ту-154Б и как он при этом управляется на взлете.
Для этого рассмотрим методику взлета:


После перевода двигателей на взлетный режим самолет начинает разбег.
При достижении скорости отрыва ( VR ) штурвал энергично берут на себя и поднимают переднюю опору шасси до отрыва самолета от полосы. На первом этапе самолет разгоняют, чтобы к высоте 10.7 метров скорость достигла V2 и на высоте 5-10 метров убирают шасси. На втором этапе самолет еще разгоняют для достижения скорости в V2 + 40 км/ч. На третьем этапе на скорости V2+40 выполняется набор высоты 120 метров с выдерживанием этой скорости. После прохождения этой высоты штурвал немного берут от себя и разгоняют самолет до 330 км/ч - скорости начала уборки закрылков - после чего убирают закрылки. Уборка закрылков может проходить в два этапа - сначала до 15 градусов от 28 градусов и после набора скорости 350 км/ч - окончательная уборка до ноля градусов. Но для Ту-154Б допустима и уборка закрылков в один прием. По окончании уборки скорость должна достигнуть 380-400 км/ч, а высота - 400 метров. После уборки закрылков самолет еще разгоняют и переводят двигатели на номинальный режим после достижения высоты в 450 метров.

Скорости зависят от взлетного веса - при весе 98 тонн VR=260 км/ч, а V2 = 280 км/ч, т.е. на третьем этапе нужно выдерживать скорость в 320 км/ч. Кроме того, данная схема учитывает взлет по прямой, а при движении по схемам взлета уборку механизации могут и отложить - если необходимо выполнить поворот/разворот по схеме. И в аэропорту Сочи при следовании по схеме BINOL 2A ситуация именно такая:


Первые три отрезка выглядят так:

- cначала на прямой взлета надо дойти до точки в зеленом кружке, набрав высоту 150 метров или выше.
Удаление этой точки от места начала разбега - примерно 4 километра.

- потом надо повернуть примерно на 30 градусов вправо по курсу и следовать к точке в фиолетовом кружке. Удаление этой точки от зеленой - тоже примерно 4 километра.

- потом надо повернуть влево на курс 249 и следовать по трассе 23 до точки NIDEP набрав не менее 800 метров высоты.
Удаление точки NIDEP от точки начала разбега по прямой - примерно 28 километров.

На первых двух километрах полета необходимо набрать 150 метров высоты. За это время полностью убрать механизацию не получается - либо ее можно не убирать, либо убрать закрылки только до 15 градусов. А вот на прямой от зеленой до фиолетовой точки при скорости порядка 360 км/ч получаем длительность полета около 40 секунд - за это время можно как доубрать закрылки до ноля, либо убрать их как в один, так и в два приема с 28 градусов взлетных.
Для симуляции нормального режима взлета я прошел этот участок без уборки закрылков и не стал делать никаких поворотов - для качественной картины это не обязательно в первом приближении.
А вот теперь настала пора вернуться к уборке закрылков вместо шасси.

Если делать это с высоты 5-10 метров то за 2 километра закрылки вполне успевают убраться. Как было замечено при рассмотрении штатного взлета, после уборки закрылков вместо шасси будет пролетаться второй и третий этап. Согласно РЛЭ на этих участках надо выдерживать скорость - в частности, 320 км/ч на третьем этапе. Однако формально есть и другой способ - выдерживать тангаж - например, именно это мне советовал выдерживать инструктор на полнокабинном симуляторе Boeing 737NG при взлете. При наборе высоты на третьем этапе тангаж для Ту-154Б будет составлять примерно 9-10 градусов. Эти два варианта пилотирования я и рассмотрю:
- пролететь примерно 3 км после отрыва и уборки закрылков в ноль, выдерживая скорость 320 км/ч.
- пролететь примерно 3 км после отрыва и уборки закрылков в ноль, выдерживая тангаж 9-10 градусов.

Все результаты я свел к двум графикам - зависимость высоты от удаления от точки разбега и зависимость скорости от удаления от точки разбега. Причем интервал между отсчетами для журналирования - одна секунда - т.е. посчитав точки можно понять и время между ними.
Вот они:




Итак:
при нормальном взлете ( синие кривые «Нормальный» ) я набрал нужную скорость в 320 км/ч ( V2+40 ) примерно на 30 метрах и удержать ее точно не смог - она варьировалась от 320 до 329 км/ч. Тем не менее к контрольной точке 150 метров на побережье я пришел даже с небольшим запасом - на высоте 155 метров.

при неконтролируемом по тангажу управлении ( фиолетовые кривые «Срыв») к побережью самолет набрал максимальную скорость в 342 км/ч - из-за большого тангажа более разогнаться он и не успел. При этом он набрал высоту примерно 100 метров и, по инерции, еще продолжает ее набирать. Впрочем, лететь ему остается недолго.
Но самое интересное происходит при ошибочной уборке закрылков и выдерживании параметров.

Выдерживание тангажа.
Если выдерживать тангаж ( красные кривые «Тангаж» ), то самолет очень медленно набирает высоту - не более 3 м/с и на побережье он выходит на высоте чуть более 50 метров. Зато он хорошо набирает скорость, выходя на побережье со скоростью более 370 км/ч. Причем если взять тангаж меньше - скажем 8 градусов, то он наберет еще меньше высоты и у него есть все возможности задеть точечные препятствия после аэродрома и рухнуть еще до подлета к морю - на побережье высота будет 30 метров. Такое поведение не мог не заметить штурман, который проговаривает высоты и скорости, причем заметил бы он его достаточно быстро - в первые пятнадцать секунд после отрыва. Непосредственно сам самолет Ту-154Б не выдает никаких сигналов в этом случае - угол атаки не выходит за 12 градусов, но если бы он был бы оборудован системой раннего предупреждения о приближении к земле ( TAWS ), то тут бы сработал третий взлетный режим с сигналом «Не снижайся» ( DON’T SINK ). Имея запас скорости, при уборке шасси ( это порядка пяти секунд ) самолет можно было вернуть к устойчивому набору - и произошло бы это вовсе не в последние 10 секунд полета того рейса.

Выдерживание скорости.
Если же выдерживать скорость ( зеленые кривые «Скорость»), то самолет наоборот набирает высоту. Причем к побережью он набирает аж 180 метров. Но тут возникает другой эффект - примерно после уборки закрылков до 15 градусов загорится табло АУАСП и появится звуковой сигнал. Причем с этого момента они будут сигнализировать непрерывно - все десять секунд следования до точки побережья. И это понятно почему - потому что выдерживание скорости в 317-325 км/ч недостаточно на чистом крыле - приходится идти на повышенных углах атаки. И хотя есть запас по сравнению со скоростью сваливания в 295 км/ч ( для веса 98 тонн на чистом крыле ), он менее требуемых 15%.
В этом случае, имея запас высоты, также можно было убрать шасси и небольшим снижением выйти на безопасный режим. Согласно схемы BINOL 2A, никакой необходимости еще более набирать высоту не было - наоборот был солидный запас по набору 800 метров, требуемых через 28 километров полета. Кроме того, чтобы выдерживать самолет на этом режиме требуется удерживать тангаж аж порядка 20-23 градусов! Угол атаки при этом доходит до 14-15 градусов ( красная часть шкалы на указателе УАП-12), которые, тем не менее, меньше критического значения 21 градус для чистого крыла по полярам.

Вывод.
Рассматривая динамику поведения самолета в модельном случае ошибочной уборки закрылков вместо шасси при заданной схеме вылета можно, без всякого сомнения, утверждать, что гипотеза о том, что экипаж убрал вместо шасси закрылки и узнал об этом на последних 10 секундах полета, уже не имея возможности повлиять на катастрофу - заведомо ложная - экипаж был об этом осведомлен уже после первых 10-15 секунд полета.


P.S. Чуть позже отдельным постом я опишу как установить модель Ту-154Б, настроить и получить параметры, чтобы любой желающий смог воспроизвести мои тесты и либо подтвердить, либо опровергнуть, либо скорректировать полученные мною данные и результаты.