AF447 – анализ в детайли. Част 1 – техническа теория.

  • Home
  • Авиация
  • AF447 – анализ в детайли. Част 1 – техническа теория.
ftr7

Полетът на Air France от Рио де Жанейро за Париж, на 1.06.2009 или още известен като AF447 е най-странната и донякъде загадъчна катастрофа в модерната история на авиацията. Първокласен самолет като Airbus A330 опериран от първокласна авиокомпания като Air France не би трябвало буквално да се изпари от небето над атлантика. Малко повече от 3 години по-късно пълният доклад на разследващите органи ще бъде публикуван на 05.07.2012, което ще затвори страницата на инцидента и да се надяваме, че изводите от него ще направят летенето още по-безопасно за в бъдеще.

Ще се опитам да направя, до колкото ми е възможно, анализ на катастрофата, който надявам се да предостави необходимата гледна точка на хората които наистина искат да разберат какво се е случило, без да са бомбардирани от сензационни заглавия, клюки и отчайващо непознаване на материята с каквито се характеризират повечето, особено български медии. Анализа ще е разделен на няколко части – първата ще запознае със малко фундаментални физически и технологични принципи, които имат директна връзка с инцидента. Ако ви изглежда разпокъсано и с липсваща взаимовръзка не се притеснявайте – всичко ще си дойде на мястото по-късно. Ще се опитам да го предам на нормален, човешки език.

Как самолетите генерират подемна сила и какво се крие зад феномена известен като аеродинамичен срив?

Всичко се основава на едно от уравненията на Бернули – когато скоростта на въздуха се увеличава пада налягането. Изключително лесно се визуализира ако вземете два листа A4, задържите ги успоредно за горният им край на малко разстояние един от друг и духнете между тях. По-високата скорост на въздуха причинена от вашето духване предизвиква по-ниско налягане, което причинява ефект на засмукване в края на листата.

Абсолютно същият е принципът и при самолетите – профилът на крилото е такъв, че скоростта на въздуха отгоре е по-висока от тази отдолу, от там се получава засмукване което всъщност върши по-голямата работа необходима да задържи машината във въздуха – в основата си наистина е толкова просто, никакви големи чудеса и магии няма тук. Малко по-деликатен е въпроса кое точно кара при извит профил въздуха отгоре да минава по-бързо, но отговора не е лесен и не му е тук мястото.

Единият от основните начини, по които може да се увеличи подемната сила е чрез промяна на ъгъла на крилото спрямо въздушният поток. При увеличаване на въпросният ъгъл, разликата между скоростта отгоре и отдолу става по-голяма, респективно се генерира повече подемна сила. Може да го установите ако си подадете дланта през отворен прозорец на кола. Дръжте я успоредно на движението и леко я завъртете нагоре. Силата, която изпитвате би трябвало да се увеличи с увеличаване на ъгъла.

Подемна сила спрямо ъгъл на атака. Изт: wikimedia commons

По-любопитните вече са забелязали че този процес не продължава до безкрай. Когато ъгъла на атака стане прекалено голям подемната сила спира да се увеличава и започва да пада. На графиката отгоре това започва да се случва при ъгъл около 15-16 градуса. Това е предизвикано от късането на въздушният поток – от прекалено острият ъгъл на крилото спрямо потока, въздухът отгоре вече не е прилепнал за повърхността. Представете си екстремният случай при който ръката, която подавате от колата е перпендикулярна на потока – въздухът вече не може да я заобиколи за да генерира подемна сила.

Срив. Изт: wikimedia commons

Това изчезване на подемната сила е известно като срив или по-опростено казано самолета почва да пада почти като тухла четворка. От гледна точка на пилота това е много лоша новина. Но пък възстановяването от срив е сравнително лесно, стига пилота да осъзнае, че е в срив. Сигурно е първият пилотски урок, който се дава въобще при малките самолети и е непрестанно повтарян из цялата пилотска кариера. Модерните аероплани пък имат всякакви предупреждения и аларми, когато се наближи срив – от раздрусване на контролния стик, до звукови сигнали. Просто няма как да ги пропуснеш. Думата, която се чува в следващото видео е stall, срив на английски.

Колкото до възстановяването опростената процедура е следната – натискате контролният стик напред с цел носа да падне надолу, респективно скоростта се увеличава, крилата започват отново да произвеждат подемна сила и пилота си отдъхва. Всичко това е малко неинтуитивно – ако е необходима повече подемна сила за да се изкачите трябва да дръпнете стика назад за да я увеличите, но в един момент подемната сила изчезва и инстинктивно ще поискате да я увеличавате като продължавате да дърпате назад, докато вярното решение е да натиснете напред.

Има два типа срив – нормален, типичен за повечето модерни самолети в днешно време и от който възстановяването е сравнително лесно както обясних. При самолетите с Т-образна опашка обаче има друг по-коварен метод на срив наречен дълбок срив и от който излизането е почти невъзможно.

Дълбок срив. Изт: wikimedia commons

Проблемът е че хоризонталният стабилизатор, който контролира самолета в посока нагоре-надолу при този тип самолети се оказва в сянката на разкъсаният от крилото въздушен поток. Съответно всякакви опити на пилота да възстанови контрол са безплодни – това е най-основната причина Т-образните опашки да не са популярни днес, въпреки че имат известни аеродинамични предимства спрямо нормалните. Т-образна опашка имат например самолетите на България Еър от модел BAE-146, както и руските ТУ-134, ТУ-154. Airbus А330 от полет AF447 е с нормална опашка, т.е. дълбокият срив при него е изключен.

Да резюмираме – аеродинамичният подем се основава на елементарни физични принципи, сривът пък е едно от най-коварните неща в авиацията, но се избягва сравнително лесно стига пилотът да е добре обучен, и да е наясно какво точно се случва около него.

Как самолетите измерват скоростта си?

Скорост на самолета е много относително понятие и всеки авиоинженер със склонност към самоизтъкване като му кажеш скорост веднага ще попита, ама коя точно скорост е това – калибрирана, приборна, истинска? Тук ще сме малко по-неглиже с детайлите. Скоростта на самолета се измерва със прибори наречени “тръба на Пито”, като в основата е същото това уравнение на Бернули, което споменах и по-горе.

Тук V е скоростта на самолета спрямо въздуха, т.е. това което търсим. Гръцката буквичка rho в знаменателя е символът за плътност, както знае всеки който не си е забравил физиката от осми клас – в случая плътността на въздуха, която зависи от височината на полета. pt и ps са съответно пълното и статичното налягане, които се измерват от тръбата на Пито.

Тръбата на Пито.

По същество принципът е много прост, тръбата има две отворчета  – едното разположено перпендикулярно на потока, което мери пълното налягане и друго което е разположено успоредно на потока и мери статичното нялагане. Не е задължително, даже е препоръчително това второто отворче да е разположено на съвсем отделно място от самата тръба, защото тя създава смущения в потока, които се отразяват на измерването. Налягането, което прониква през двете дупчици се отразява от една мембранка – колкото по-силно е натисната, толкова е по-голяма разликата. Имайки разликата в наляганията и знаейки височината вече не е трудно да измерим скоростта от горепосоченото уравнение.

Тръбата на Пито. Изт: David.Monniaux, Wikipedia

При следващият си полет се огледайте отвън под пилотската кабина, със сигурност ще видите тръбите на Пито и/или отворите за статичното налягане. Колкото и да е прост принципа им на работа, толкова пък по-прецизни трябва да са за да измерват скоростта с необходимата точност. В допълнение всичките тръби на Пито трябва да могат да издържат или да имат механизми за предотвратяване на навлизането на частици в отворите както и да не замръзват, като метода за справяне с последното е като се оборудват със нагреватели.

Повечето самолети имат 3 тръби на Пито, като измерванията на две от тях независимо една от друга се показват на дисплеите на капитана и на първият офицер.

Контрол и автопилот

Контролните системи на всички модерни големи самолети са fly-by-wire. Това означава, че сигналът подаден от пилота се трансформира в електронни импулси и се доставя по жица до контролните повърхности. Разликата със класическите механични системи, е че няма естествена обратна връзка между контролната повърхност и контролният стик – всички натоварвания са симулирани от техниката.

Fly-by-wire системите налагат известни ограничения на пилотите. Тук Boeing и Airbus малко се различават във философиите си. Докато при американците пилотите могат да нарушават границите зададени от компютъра, ако са много настоятелни, то при Airbus при нормален режим на работа това е невъзможно. Например при горепосочения срив при напълно работещи системи Airbus просто няма да позволи на пилота да увеличи ъгъла на атака толкова, че самолета да се срине. При Boeing системата ще го позволи, но след много мърморене и упорито напомняне на пилота какво всъщност прави.

Друга основна разлика при двата производителя идва и от начина, по който е дублиран контрола между капитана и първият офицер. Airbus използват нещо като джойстик и двата джойстика на пилотите не са свързани един с друг, т.е. движенията с джойстика които извършва капитана не се дублират при колегата му.

A380 със джойстик. Източник: Naddsy, flickr.com

При Boeing не е така, при тях вместо джойстик се използва традиционният щурвал – там контролите са дублирани и всяко движение на единия пилот се усеща и от другия – малко като педалите на учебните коли.

777 Cockpit by Blyzz, on Flickr
Creative Commons Attribution-No Derivative Works 2.0 Generic License  by  Blyzz

Автопилотите управляват самолетите на базата на входяща информация, която постъпва от инструментите – например тръбата на Пито. Ако всичко е наред автопилота може кажи речи тотално да замени човека, проблем настава в случаите когато не всичко е наред. Ако автопилотът засече разлика в измерванията между различните тръби на Пито казва на пилотите “Пичове, аз бях до тук, не мога да се оправя, вие сте”. В този случай падат и някои от вградените протекции в софтуера, самолетът преминава от “normal” режим на управление в “аlternative”. Този вторият позволява повече свобода и например пилотът на Airbus вече може да вкара самолета в срив, нещо което при “normal” режим е невъзможно…

С това последно изречение леко намеквам за какво ще говорим в следващите части на анализа. Мисля, че основната част от теорията, която е необходима за да се разбере инцидента я покрих. Стига ви толкова за днес.

Анализът продължава в част 2.

[social_share\]

Tags:

About

Благодаря за интереса към блога. В днешно време се подвизавам предимно и доста активно в другото ми отроче - magelanci.com. Ако имате въпроси, проблеми или просто искате да споделите нещо свързано с пътуване, заповядайте там!

View all posts by

4 Responses

  1. carstar says

    Това дето си написал е…физика от 8-ми клас. Поне по програмите от едно време. Сега учат…Азис. Много се смях за “деликатния въпрос” защо отгоре на профила на Жуковски скоростта е по-голяма…ами то е очевидно – пътят е по-дълъг, а двете молекули въздух пак трябва да са заедно на задния ръб на крилото – нормално е горната да “дава газ”. Термина “подемна сила” също е много спорен – аз лично харесвам повече “засмукваща сила”. Имам предвид вакуума над крилото. Но проблема на новите самолети и новите пилоти е в компютрите. Ще дам пример. Синът ми вече няколко години седеше на компа, когато почна да учи азбуката. По-късно, когато за първи път го качих да се пробва на картинг и беше гола вода, ми каза…ако имаше една клавиатура – щях да се оправя. Това е и проблема на новите пилоти…спре ли им “клавиатурата” и се наложи да хванат щурвала – пиши ги паднали…

    • Георги says

      Ами отговорът ти на “деликатният въпрос” съвсем не е правилен :) Доста често се случва да се обясняват нещата по този начин, но това не само е твърде опростено, но си е направо грешно. Частичките от горната страна всъщност пътуват доста по-бързо от частичките от долната и хич не е задължително да се срещат накрая. Елементарно обяснение наистина няма без да се заровиш до ушите в уравнения. Иначе да, може би термина не е крайно коректен – по-голяма част от подема се генерира от засмукване, което е малко противоположно на името…но това е термина който се е наложил.

      Факт е, че опростените контроли в днешно време карат определени пилоти малко да “свалят гарда”, от което пък реагират неадекватно при проблем. От друга страна е доста обширна тема колко инцидента всъщност са предотвратени да не се случат благодарение на компютрите…

  2. Драгомир says

    Много интересно! Давай нататък!

  3. Георги Георгиев says

    По темата се оказа, че е излязла доста информация в последните месеци. Разбира се, тя не е на български, за което благодаря, както и за подорбните обяснения.
    Както се оказва, някои неща в “пъвокласните” компании не са съвсем наред…
    Очаквам с интерес следващите части.