Исследование фаз аварийного приводнения магистральных пассажирских самолетов

Казаченко Александр Владимирович,

аспирант Санкт-Петербургского университета гражданской авиации.

Аварийное приводнение самолета или контролируемая посадка на воду имеет существенное значение для разработки и сертификации транспортных самолетов. Исследования аварийного приводнения, как правило, основаны на модельных испытаниях или на численном моделировании. Анализ инцидентов аварийного приводнения является еще одним дополнительным ценным методом исследования. Авиационных происшествий, связанных со столкновением с водной поверхностью, достаточно мало. Несмотря на это, опасность данных происшествий существует. Поэтому все подтвержденные документально примеры обеспечивают основную картину сценариев приводнения.

Авиационные происшествия, связанные со столкновением с водной поверхностью, можно разделить на две группы: первая охватывает ситуации, в которых приводнение самолета осуществляется после взлета, вторая – ситуации выкатывания после контакта с землей во время взлета или посадки. Кроме того, термин «приводнение» исключает все несчастные случаи без выживших, когда самолеты также сталкиваются с поверхностью воды, но без шансов на выживание. Аварийные приводнения далее классифицированы следующим образом: как запланированные приводнения и как незапланированные приводнения. В авиации общего назначения понятие «аварийное приводнение» относится к аварийной посадке на воду и классифицируется как запланированный контакт с водой. В этом случае экипаж, полностью контролируя самолет, намеренно выполняет посадку на воду согласно рекомендованным процедурам, указанным в РЛЭ. Разрушение самолета допустимо при условии, что экипаж и пассажиры могут безопасно эвакуироваться и быть спасенными. В отличие от этого, незапланированные приводнения относятся к инцидентам с ударом об воду, когда экипаж не успел подготовиться к приводнению. Следовательно, в таком случае могут быть выполнены только некоторые (если таковые вообще имеют место быть) меры по процедурам рекомендуемого приводнения.

 Рис. 1. Фазы аварийного приводнения самолетов.

Первая фаза (рис. 1) (фаза подхода) охватывает условия подхода самолета, который еще находится в воздухе близко к поверхности воды, и включает в себя предпосадочное состояние, этапы выравнивания и выдерживания, которые затем являются начальными условиями для фазы касания. Условия подхода состоят из характеристик движения - таких, как угол наклона траектории самолета, тангажа и скорости самолета. Кроме того, характеристики массы самолета, касающиеся веса, центра тяжести и инерции, а также установка положения закрылок, положение шасси и тяга двигателей имеют важное значение. Условия окружающей среды включают в себя скорость и направление ветра и волнение моря. Решающим аспектом в фазе подхода является сокращение энергии, которая должна быть поглощена или преобразована во время фазы касания до минимума. Сокращение кинетической энергии в конце этапа подхода достигается за счет снижения веса самолета путем сброса топлива и, если это возможно, с помощью отклонения закрылок на максимальный угол - для снижения скорости. Прежде всего, продольную скорость следует свести к минимуму при сохранении низкой вертикальной скорости, поскольку именно скорость непосредственно определяет гидродинамическое давление.

При фазе касания происходят местные деформации вдоль фюзеляжа из-за гидродинамического давления. Этап посадки включает в себя траекторию движения самолета на поверхности воды, включая ускорения, действующие на пассажиров и структурные компоненты фюзеляжа самолета. Критическая ситуация возникает, когда самолет погружает нос в воду или прыгает на поверхности воды. Соответственно нагрузки и ускорения превышают допустимые пороговые значения. Наибольшего внимания здесь заслуживает реакция структуры фюзеляжа на глобальный динамический удар, а также возможный отрыв частей летательных аппаратов, таких, как двигатели и закрылки. Как только самолет останавливается, начинается фаза дрейфа, которая характеризуется постепенным затоплением фюзеляжа и, скорее всего, заканчивается погружением самолета под воду. В рамках данного этапа происходит эвакуация пассажиров и экипажа самолета.

Вынужденное приводнение самолета может быть исследовано путем анализа случаев приводнения, путем модельных испытаний и численного моделирования. Каждый из этих трех методов самостоятельно способствует оценке аварийного приводнения самолета, и кроме того, все они связаны друг с другом. Анализ случаев аварийного приводнения является техническим исследованием актуальных авиационных происшествий с касанием воды и включает в себя их причины, обстоятельства и последствия. Физические испытания на приводнение можно осуществить с помощью подготовленных натурных испытаний самолета или масштабированной модели. Модельные испытания являются традиционным способом анализа характеристик аварийного приводнения конструкций летательных аппаратов. Уровень сложности численного моделирования приводнения варьируется от простого анализа математической модели влияния воды до численного моделирования, принимая во внимание деформацию самолета и поле окружающих жидкостей вблизи самолета. В то время, как анализ авиационных происшествий приводнения ограничен несколькими воздушными судами в особых условиях, модельные испытания и численное моделирование аварийного приводнения позволяют исследовать характеристики приводнения еще на этапе проектирования летательных аппаратов, позволяя рассматривать влияние различных параметров.

 В то время, как анализ случаев аварийного приводнения в рамках официальных происшествий определяет причины авиационных происшествий, наше внимание направлено непосредственно на сам процесс аварийного приводнения. Поскольку ключевым вопросом при аварийном приводнении самолета является удар об воду, настоящая работа фокусируется на гидродинамике аварийного приводнения и включает его аэродинамические и механические аспекты.

Существует ряд ограничений в анализе случаев приводнения самолета:

• Приводнения являются довольно редкими авиационными происшествиями, поэтому каждый случай по-своему уникален для разных летательных аппаратов и при различных ­обстоятельствах. Именно поэтому никакой значимой статистической оценки провести невозможно. Кроме того, анализ случаев приводнения должен проводиться для отдельных несчастных случаев или по группам выбранных случаев.

• В случаях приводнения данные с бортовых самописцев об ударе об воду не всегда могут быть доступны. Кроме того, надежные наблюдения первых этапов аварийного приводнения и их документация являются редкими. Таким образом, состояние самолета во время подхода и последовательность событий во время касания и посадки должны быть правильно проанализированы и оценены. Неточность этой оценки приводит к неопределенности в отношении фактических условий первых трех этапов аварийного приводнения.

• Обычно эксперты. расследующие авиационные происшествия, могут исследовать только заключительную или пост-финальную ситуацию на месте авиационных происшествий. Рядом с документацией о состоянии самолета после аварии особый интерес для них представляет документация о состоянии самолета до аварии. В некоторых случаях видео и фото самого авиационного происшествия или хотя бы некоторых из четырех фаз аварийного приводнения оказываются доступными. В дополнение к инструментально измеренным погодным данным визуальный материал помогает установить условия окружающей среды.

• Не все материалы, собранные в ходе официального расследования авиационного происшествия, доступны широкой публике. Необходимо осознавать, что основное внимание в расследовании обычно уделяется причине авиационного происшествия. Кроме того, расследование происшествий и опубликованный доклад отражают взгляд только группы экспертов на событие. Это представление зависит от научных факторов (например, аналитической, технической точки зрения на событие и возможности его моделирования), а также ненаучных факторов (например, от общественной значимости события, опытности экспертов, политического климата, отношений с государственными органами). Настоящее исследование, как и другие, вынуждено полагаться на открытые данные имеющейся информации. Они в основном состоят из официальных докладов о происшествии и дополнительных визуальных материалов.

• В отличие от численного моделирования и модельных испытаний анализ авиационных происшествий не предлагает прямое понимание физики аварийного приводнения и, таким образом, не претендует на реконструирование причинно-следственных связей. Поскольку такого рода данные доступны только для существующих самолетов, они могут использоваться для будущих самолетов на стадии проектирования.

Несмотря на вышеупомянутые трудности, анализ случаев приводнения дает неопровержимые доказательства того, что происходит во время аварийного приводнения самолетов. Таким образом, он показывает, что именно, что конкретно следует рассматривать во время численных и экспериментальных исследований приводнения на этапе проектирования самолета. Анализ авиационных происшествий также показывает, насколько законы, а также методы экспериментального и численного исследования соответствуют фактическому аварийному сценарию. Модельные испытания и численное моделирование аварийного приводнения может служить для изучения связи между условиями удара и фактических результатов авиационного происшествия с точки зрения движений, нагрузок и ущерба. Таким образом, модельные испытания и численное моделирование может улучшить понимание и облегчить анализ подобных происшествий.

Литература

1.                   Авиационные правила. Часть 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории. Межгосударственный авиационный комитет, 1994.

2.                   Гудков А.И., Лешаков П.С. Методы и техника летных испытаний самолетов на прочность. М., «Машиностроение», 1972.

3.                   Дербенев М .В. Расследование летных происшествий. М., 1970.

4.                   Косоуров К.Ф. Теоретические основы гидроавиации. М.,1961.

Поступила в редакцию 14.11.2016 г.