flying_elk (flying_elk) wrote,
flying_elk
flying_elk

Category:

Современные самолёты - немного теории аэродинамики, системы управления. И жизни...

Новости о катастрофе в Эфиопии привели к большим дискуссиям в фейсбуке и жж, что бы не повторяться несколько раз, то сведу сюда что думаю:

Для начала ещё раз светлая память Экипажам и Пассажирам недолетевших рейсов...

Далее краткий экскурс в аэродинамику самолётов:
На любой самолёт «нормальной схемы» в полёте действует сила массы G вниз, крыло создаёт подъемную силу Yа вверх. При этом возникает пикирующий (опускающий нос самолёта) момент. Для того что бы самолёт летел «прямо» на хвосте у него установлен «стабилизатор» - «небольшое крыло», который создаёт «подъёмную силу вниз» Yго и соответсвенно момент на поднимание носа, который уравновешивает пикирующий момент крыла. Так устроены все «классические» самолёты.



И даже по этой простой схеме видно, что пока между векторами G и Yа есть «плечо» то ось самолёта держится на трёх точках то она стабильна - в аэродинамике это называется «устойчивостью самолёта».

Проблема тут в том, что если подъемная сила крыла Ya является «полезной» - она компенсирует массу самолёта, то сила Yго от стабилизатора является «бесполезной» - фактически она уменьшает подъёмную силу крыла, и на ее компенсацию приходится затратить часть подъемной силы крыла. Для увеличения же подъемной силы крыла Ya нам требуется либо увеличивать его площадь, что увеличивает сопротивление, либо же лететь быстрее вперёд - и то и другое требует больше энергии, а значит тяги двигателей вперёд, что собственно есть расход топлива. Понятно, что для повышения эффективности системы нам бы было выгодно минимизировать необходимость негативной силы стабилизатора. Достигается это тем, что конструктивно (взаимное положение фюзеляжа и крыла, его профили) точки приложения сил G и Yа сближаются - центр масс самолёта оказывается ближе к точке приложения подъемной силы.
Из той же картинки выше можно представить, что когда мы сводим G и Yа в одну точку, и уменьшаем «стабилизирующую силу» Yго на хвосте, то если на самолёт подействует ещё какая-то сила в стороне от этой точки, то теперь он будет гораздо легче «поворачиваться» вокруг центра приложения сил. Это в аэродинамике называется «уменьшением устойчивости».

Примечание: я знаю, что среди людей читающих этот пост есть и такие, кто очень хорошо знает Аэродинамику. Ребят, я помню и про «статическую и динамическую устойчивости» и про «управляемость» и многое другое, но переписывать сюда академический учебник аэродинамики я не вижу смысла....

Так вот, когда конструктора первых самолётов разобрались с аэродинамикой, то они всегда стремились обеспечить «запас устойчивости», то есть самолёты летали, силы Ya и Yго против друг друга упирались, и ещё и «руль высоты» самолёту приходилось делать «большим» что бы, когда этот «устойчивый» самолёт таки надо было повернуть, то было чем. Но потом время шло, конструктора изучали аэродинамику все лучше и лучше, и для того что-бы не тратить лишнюю энергию (топливо!!!) на борьбу сил Ya и Yго, да ещё и «не возить» большой (и тяжёлый!!!) стабилизатор и рули высоты, то запас устойчивости уменьшали. В итоге все современные гражданские самолёты обладают минимальной устойчивостью, либо даже «нейтральны».
Но конечно же даже не слишком углубленные во все эти «аэродинамические фокусы» люди могут догадаться, что «минимальная устойчивость» как то не очень вяжется с «безопасностью», что для авиации, особенно гражданской, тоже как бы важно. И они очень даже правы! Но ... конструктора самолётов люди тоже очень умные, и конечно они с этим разбирались и боролись, как могли.
И особенно успешно эта борьба пошла с появлением в авиации такой штуки как «автоматические системы» и «компьютеры». Упрощенно говоря сейчас самолёт себе летит будучи «нейтрально устойчивым», на него конечно же воздействуют всякие «раскачивающие» силы, но системы улучшения устойчивости следят, что бы он летел ровно-прямо, и даже без вмешательства пилота самолётом все время «подруливают». При чем стремятся к этому все создатели самолётов - и А, и Б, и ..., и...

Из всего хода событий понятно, что для решения этой задачи требуется точно работающая система управления самолётом. Конечно за годы существования авиации конструктора неплохо научились создавать и такие системы в «классическом» варианте - «механическая», где движения пилотом органов управления в кабине практически прямо передаются на рули управления самолётом. Но понятно, что для крупного самолёта, особенно летающего в большом диапазоне скоростей, такая система будет очень сложной, представьте себе: одинаковое движение штурвалом и соответственно рулем управления самолётом на малой скорости будет не достаточно для создания разворачивающей силы, на большой же скорости такое движение будет чрезмерным - это как-то надо компенсировать. И при этом все равно такая система будет иметь большой недостаток - «прямая взаимосвязь» между пилотом и рулями управления будет ограничивать возможности автоматики по улучшению стабильности. Грубо говоря в такой системе управления «компьютер улучшения устойчивости» работает параллельно со связью «штурвал у пилота - руль управления» и будет периодически бороться с ними обоими.
Другая картина получается в современных системах управления fly-by-wire, где между органами управления у пилота и рулями управления самолётом связь сразу обеспечивают «компьютеры». Во-первых задачу многорежимности полёта гораздо проще заложить в электронное решение - на разных скоростях пилот может двигать штурвалом одинаково, а там уже компьютер решает, как двигать рулями, что бы получить адекватную реакцию самолёта. И во-вторых обеспечение устойчивого полета - раз связь в системе управления все равно проходит «через» компьютер, то ему же можно добавить и задачу улучшения устойчивости - тут никто ни кому не мешает, это сама логика системы.

И ещё понятно, что конструкторам гораздо проще «сделать» самолёт новый «с нуля», сразу сделав его «нейтрально устойчивым» и тут же снабдив его всеми необходимыми системами для обеспечения его стабильности при этом. Путь «старый самолёт», который постепенно становится все менее и менее устойчивым, и которому приходится для обеспечения безопасности полёта «добавлять» новых стабилизирующих систем чреват тем, что либо этих систем там окажется не совсем достаточно либо все эти «срощенные» компоненты не смогут вместе правильно работать.

Есть ещё один момент в системах управления такими техническими объектами, как современный большой самолёт - сложность системы, как в плане «железа», то есть количества компонентов, так и в плане «закрученности» ее логики. С одной стороны конечно, чем минимальней система управления, тем она проще и должна быть надежней. Но для качественного решения всех задач по управлению самолётом во всем диапазоне полётов это сейчас не работает. Требований по управляемости и стабильности полёта получается слишком многого и в итоге попытки «остановиться на простом» заканчиваются тем, что система не может выполнить чего от неё требуют. И поэтому тут уже лучше пойти на осознанное усложнение системы, ввести туда больше датчиков, компонентов, связей между ними, но при этом получить действительно хорошо работающую систему.

К чему был весь этот «теоретический этюд»??? Сейчас наконец полетим:
Для начала, что бы не быть «однонаправленным», возьмём самолёт Аirbus-320. Да, его сразу делали в аэродинамическом плане «нейтральным». Но его сразу оснастили fly-by-wire системой управления, не стесняясь поставить «с запасом» всяких ее компонентов. Привело ли это к недостаткам? Да, конечно! Во-первых система получилось просто сложнее, там надо напрячься, что бы ее понять. Во-вторых по началу система оказывалась «умнее людей» - самолёт делал то, чего пилоты от него не ожидали - это та самая катастрофа А-320 например во время авиашоу, когда самолёт не захотел поднимать нос и улетел в лес... Ну и в-третьих такую «умную» систему люди стали часто переоценивать и несколько «Эйрбасиков» было потеряно именно когда пилоты рассчитывали, что система справиться, а она не помогала... Но вообщем десять тысяч самолётов семейства А-320 со сравнительно небольшими изменениями по сравнению с исходным, себе летают по Миру, тьфу-тьфу-тьфу, конечно.

С Boeing-737 получилось все совсем по другому. Его первые модификации 737-100 и -200 были очень даже классическими самолетами того времени - просты и устойчивы. Но потом конкуренция заставила конструкторов самолёт удлинять, увеличивать массы, увеличивать двигатели, летать быстрее. При этом коммерческий успех «брэнда» Boeing-737 позволял как бы не слишком напрягаться с кардинальными изменениями конструкции, хотя честно говоря, «запасы», изначально в неё заложенные, «выбирались» и «дожимались». «Размахивание флагом», что это все тот же «старый добрый Боинг» до поры до времени обходилось без проблем (почти...), но видимо сейчас «ослик все...».

Один из примеров, как так получилось: Боинг объявил, что у 737МАХ на 14% выше топливная эффективность, по сравнению с прошлыми моделями. Надо понимать, что и «прошлые модели» были очень даже неплохими, но уже «очень доведёнными» самолетами. За счёт чего же, вроде как не много изменяя, но тут тут такой прорыв? Это достигнуто во многом за счёт установки других двигателей, с вентиляторами большего диаметра. Но тут же возникла проблема - новый двигатель банально не помещался «под крыло» у Б-737, там не такое уж большое расстояние от кромки крыла до поверхности земли. Так как Б-737 самолёт не новый, скомпонован плотно, то основные стойки шасси там удлинять особо не куда, они просто упрутся колёсами в друг друга при уборке. А «раздвинуть» их дальше потребовало бы радикально изменять всю конструкции центральной самолёта. И «Боинг» нашёл «простое» решение - чуть приподнял ось двигателя на пару градусов вверх. Вместе со всем остальным МАХ-у немного удлинили переднюю стойку шасси - можете себе представить какие они там сантиметры «выжимали» из конструкции, что-бы туда уместился новый двигатель?! Но «задирание оси двигателя» вылилось в то, что теперь вектор тяги имеет угол вверх и проходит дальше от центра тяжести самолёта, а это ещё понижает статическую его устойчивость.
Очень характерный момент - посмотрите любое видео работы пилота в кабине B-737 на каких-то динамичных этапах полёта. Обратите внимание, как там пилоты «шуруют» штурвалами и РУД-ами (мне эту привычку 737-ов часто приходится наблюдать в кабине уже 777 ;-). Знаете о чем это? Правильно, самолёт B-737 даже прошлых модификаций уже «аэродинамически нейтрален», но при этом система управления не очень с этим справляется. И поэтому приходится самим пилотам совершать действия, что бы сначала заставить самолёт что-то сделать, а потом ещё много действий, что-бы его просто «заставить лететь прямо»...
И к этому самолету ещё «дестабилизирующий» момент от двигателей... При чем физика этого момента очень неприятная: когда скорость у самолёта падает, то «правильный, устойчивый» самолёт сам стремиться опустить нос и набрать скорость. Пилот при этом будет конечно же увеличивать тягу двигателям, что-бы скорость «добавить». Но как сработает момент от двигателей у 737МАХ??? Уже и сам то самолет не очень устойчив, а тут ещё и двигатели подтолкнут самолёт задирать нос дальше и увеличивать угол атаки... Вот поэтому конструкторам Боинга пришлось не ограничиваться старой доброй системой предотвращений сваливания (она конечно же была уже и у гораздо более ранних модификаций 737), но ставить дополнительную систему «предотвращения срыва».
А так как и систему эту пришлось «навешивать» уже на готовую конструкцию, и ещё Боинговская любовь к минимуму компонентов и простой логике, то все это вылилась в итоге в такую неудачную ситуацию, когда отказ по одному из каналов «входящих» данных, сам по себе не самый серьёзный, но приводит к очень неприятным последствиям...

Далее тут уже много раз задавался вопрос: «А могут ли пилоты в принципе отключить эту систему и справиться с этим отказом???» Поразбиравшись в системе и посоветовавшись с коллегами именно с B-737MAX отвечу «Да, однозначно могут» И вообщем то в теории это не сложно даже.
Но проблема в том, что видимо там и эта система работает не удачно и другие элементы аэродинамики уже так «затянуты», что самолёт, когда переходит в пикирование, то его оттуда сложно вывести. К слову Боинг там ещё очень гордился новыми ламинарными аэродинамическими профилями у некоторых частей - как бы и в этом не было неприятных «сюрпризов». Ламинарный профиль - он опять таки хорош для экономии топлива, но для устойчивости и эффективности тех же рулей - ой, нет...

Ну и несколько завершающих вопросов:
- Как так в принципе могло получиться? Так же как и многое другое в нашем Мире. Человечество идёт вперёд, быстро, иногда очень. Извините за не очень к моменту юмор, но с того момента, когда человеку захотелось двигаться не на своих двоих, и он сел на лошадь, то он начал подвергать себя риску - лошадь брыкается и с неё можно упасть. И вообщем иногда случается платить такую тяжелую плату за прогресс.
- Что будет с Boeing-737MAX дальше??? Да все нормально будет! Разберутся, исправят, доработают. Boeing - очень опытная и серьёзно умеющая делать самолёты Фирма, так что я уверен, особенно после таких неприятностей решение они найдут.
- Доведут ли его до общественности результаты расследований? Да и нет. Результат расследований от Boeing обязательно будет, насколько это возможно точный и объективный. Самому Боингу важно понять что же случилось и «скрыть правду» не получится, потому что и слишком много людей будут причастны к расследованию и потому что в распространении результатов опять таки заинтересован в первую очередь сам Боинг - им надо что-то делать, что бы так больше не случалось. Но вот только во-первых даже в таких «экстремальных» случаях это все равно займёт время. И во-вторых не стоит ожидать от расследования «горячих фактов». В современном сложном Мире, а в авиации так особенно, это будет длинная и очень технически сложная история, интересная людям «глубоко в теме». Наверняка будут и какие-то доработки матчасти, но опять таки, не намётанному глазу очень малозаметные...

Вообщем вот такие сложно-лётные дела. Спокойных нам всем полётов!
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 77 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →