Как взлетает и приземляется самолет

Служба в авиации дала ответ на эту загадку: участки автодорог, создаваемые по военным технологиям, служили взлетно-посадочными полосами на случай будущей вoйны, в которой мало кто сомневался. Всем было понятно, что главной целью первого удара станут аэродромы. А как взлетать и садиться без них? Усиленные автодороги и были одним из ответов на этот вопрос. При каждой авиадивизии были специальные инженерные и аэродромные мобильные службы, готовые в кратчайшие сроки развернуть мобильные аэродромы в самых неожиданных местах. Существовали и более фантастические решения, например разгонные реактивные тележки. Их собирался использовать для старта своих гигантских сверхзвуковых реактивных бомбардировщиков один из самых смелых отечественных авиаконструкторов – Владимир Мясищев.

Современный реактивный пассажирский лайнер предназначен для полетов на высотах примерно 9−12 тысяч метров. Именно там, в сильно разреженном воздухе, он может двигаться в наиболее экономичном режиме и демонстрировать свои оптимальные скоростные и аэродинамические характеристики. Промежуток от завершения набора высоты до начала снижения называется полетом на крейсерском эшелоне. Первым этапом подготовки к посадке будет снижение с эшелона, или, иными словами, следование по маршруту прибытия. Конечный пункт этого маршрута — так называемая контрольная точка начального этапа захода на посадку. По-английски она называется Initial Approach Fix (IAF).

С точки IAF начинается движение по схеме подхода к аэродрому и захода на посадку, которая разрабатывается отдельно для каждого аэропорта. Заход по схеме предполагает дальнейшее снижение, прохождение траектории, заданной рядом контрольных точек с определенными координатами, часто выполнение разворотов и, наконец, выход на посадочную прямую. В определенной точке посадочной прямой лайнер входит в глиссаду. Глиссада (от фр. glissade — скольжение) представляет собой воображаемую линию, соединяющую точку входа с началом взлетно-посадочной полосы. Проходя по глиссаде, самолет достигает точки MAPt (Missed Approach Point), или точки ухода на второй круг. Эта точка проходится на высоте принятия решений (ВПР), то есть высоте, на которой должен быть начат маневр ухода на второй круг, если до ее достижения командиром воздушного судна (КВС) не был установлен необходимый визуальный контакт с ориентирами для продолжения захода на посадку. До ВПР КВС уже должен оценить положение самолета относительно ВПП и дать команду «Садимся» или «Уходим».

Увидеть в действии эти уникальные системы нам не удалось. После успешных запусков королевской баллистической ракеты Р-7 с дальностью полета 12 000 км, которая к тому же была неуязвима для систем ПВО той эпохи, все работы по сверхзвуковым стратегическим бомбардировщикам свернули. Но в технической осуществимости подобного проекта сомневаться не приходится. В 1980 году идею на практике проверили американцы.

Для освобождения заложников в захваченном американском посольстве в Тегеране был придуман фантастический план с посадкой на футбольном поле в центре города 70-тонного транспортного самолета C-130. Поле, надо сказать, к тому же было огорожено 9-метровой бетонной стеной. Так что садиться и взлетать C-130 должен был практически вертикально. Для этого транспортный самолет, получивший обозначение YMC-130H, был буквально напичкан мощными ракетными двигателями: восемь двигателей от противолодочных ракет RUR-5 АSROС в носовой части для торможения, восемь от противорадиолокационных ракет AGM-45 Shrike в нижней части для подъема, восемь в хвостовой части от ракет средней дальности морского базирования RIM-66 Standard MR для ускорения взлета, еще две от АSROС для предотвращения удара хвоста о землю при резком взлете и еще четыре таких же двигателя на пилонах крыла для устранения поперечного рыскания! Были проведены испытательные полеты, которые сильно напоминали китайский фестиваль фейерверков, но самолет взлетал и садился почти с места.

Правда, в ставшем последним испытательном полете произошло рассогласование включения носовых тормозных и вертикальных подъемных двигателей, самолет остановился слишком высоко над полосой, потерял устойчивость и рухнул. Однако несколько взлетов-посадок прошли успешно. Впрочем, в дальнейшем работы по YMC-130H, как и по точечно взлетающим М-50, были свернуты. Тем не менее они остаются великолепным памятником дерзким, почти сумасшедшим идеям авиаконструкторов XX века.

В начале 1950-х годов КБ Мясищева приступило к проектированию уникального стратегического сверхзвукового бомбардировщика М-50. Конструкторам пришлось решить массу задач, ранее не встречавшихся в авиастроении, – до Ту-144 или Ту-160 было еще очень далеко. Про любую из них можно написать целую статью, но мы сосредоточимся только на проблеме взлета. Дело в том, что большой дальности на сверхзвуковых скоростях для бомбардировщика весом 265 т в те времена добивались за счет увеличения длины разбега. И даже при установлении взлетной дистанции 3 км для М-50 планировалось обязательное применение ракетных ускорителей. Расчеты показывали, что для взлета без ускорителей с полной бомбовой нагрузкой стратегическому бомбардировщику требовалась взлетная полоса 6 км! Для сравнения: ВПП для космического «Бурана» на Байконуре имеет длину 3,5 км. Но и трехкилометровых бетонных взлетных полос в СССР почти не было. Поэтому в КБ Мясищева одновременно с проектированием самолета приступили к разработке экзотических стартовых устройств: стартовой тележки с шинными колесами, тележки на рельсовом пути, гидротележки, «летающего шасси» и системы точечного старта.

Наибольший интерес ВВС вызвала система старта с гидротележки – гигантской 160-тонной отделяемой поплавковой глиссирующей системы с собственными разгонными двигателями, успешные модельные испытания которой были проведены в ЦАГИ. Никаких теоретических проблем с созданием полноразмерного образца не было найдено, и, кроме того, военных привлекала возможность расширить районы базирования сверхзвуковой стратегической авиации. Большим плюсом водного базирования было и то, что оно давало возможность подвозить топливо и боекомплект средствами флота, а только керосина для одного самолета нужны были сотни тонн. Однако у Мясищева не оказалось специалистов с опытом проектирования глиссирующих корпусов (в отличие, например, от КБ Туполева, разрабатывавшего и выпускавшего в годы войны глиссирующие торпедные катера). Идею с гидротележкой пришлось отложить в сторону.

Вторая идея базировалась на создании 35-тонной тележки, оснащенной двигателями с ускорителями. Плюсов у этой схемы было только два: возможность взлета с облегченных взлетно-посадочных полос с толщиной плит до 20 см и возможность маневрирования с установленным самолетом вплоть до мест рассредоточения. Недостатков было гораздо больше. Например, скорость отрыва М-50 должна была составлять около 450 км/ч. Сравните с максимальной скоростью болидов F1 – 372,6 км/ч. Трудно представить 35-тонный тягач с установленным 265-тонным самолетом, разогнанный до таких скоростей. Не меньшей проблемой была и дальнейшая остановка разогнанного сверхтяжелого тягача: тормозной путь значительно увеличивал длину ВПП вместо ее сокращения. К тому же возникали опасения по поводу способности пилота тягача удержать прямой курс на таких скоростях да еще с таким грузом сверху.

Некоторое решение этих проблем представлял третий вариант – 25-тонная разгонная тележка на рельсовом пути. Во-первых, сама собой решалась проблема курсовой устойчивости при взлете. Во-вторых, по идее, строительство нескольких километров рельсовых путей должно было обойтись гораздо дешевле полноценной взлетно-посадочной полосы. Сложность была в том, что не только в СССР, но и в мире не было технологий строительства столь скоростной железной дороги с такой точностью укладки полотна и с таким высоким удельным давлением на грунт. Последним оставался вариант так называемого точечного старта.

Любой авиапассажир с опытом полетов отечественными и иностранными авиакомпаниями наверняка успел заметить, что наши пилоты сажают самолеты «мягко», а иностранные — «жестко». Иными словами, во втором случае момент касания полосы ощущается в виде заметного толчка, тогда как в первом — самолет мягко «притирается» к полосе. Различие в стиле посадки объясняется не только традициями летных школ, но и объективными факторами.

Для начала внесем терминологическую ясность. Жесткой посадкой в авиационном обиходе называется посадка с перегрузкой, сильно превышающей нормативную. В результате такой посадки самолет в худшем случае получает повреждение в виде остаточной деформации, а в лучшем — требует специального технического обслуживания, нацеленного на дополнительный контроль состояния самолета. Как объяснил нам ведущий пилот-инструктор департамента летных стандартов авиакомпании «S7 Airlines» Игорь Кулик, сегодня пилот, допустивший настоящую жесткую посадку, отстраняется от полетов и направляется на дополнительную подготовку на тренажерах. Прежде чем снова выйти в рейс, провинившемуся также предстоит зачетно-тренировочный полет с инструктором.

Стиль посадки на современных западных самолетах нельзя называть жестким — речь просто идет о повышенной перегрузке (порядка 1,4−1,5 g) по сравнению с 1,2−1,3 g, характерных для «отечественной» традиции. Если говорить о методике пилотирования, то разница между посадками с относительно меньшей и относительно большей перегрузкой объясняется различием в процедуре выравнивания самолета.

К выравниванию, то есть к подготовке к касанию с землей, пилот приступает сразу после пролета торца полосы. В это время летчик берет штурвал на себя, увеличивая тангаж и переводя воздушное судно в кабрирующее положение. Попросту говоря, самолет «задирает нос», чем достигается увеличение угла атаки, а значит, небольшой рост подъемной силы и падение вертикальной скорости.

Двигатели при этом переводятся в режим «малый газ». Через некоторое время задние стойки шасси касаются полосы. Затем, уменьшая тангаж, пилот опускает на полосу переднюю стойку. В момент касания задействуются интерцепторы (спойлеры, они же воздушные тормоза). Затем, уменьшая тангаж, пилот опускает на полосу переднюю стойку и включает реверсивное устройство, то есть дополнительно тормозит двигателями. Торможение колесами применяется, как правило, во второй половине пробега. Реверс конструктивно представляет из себя щитки, которые ставятся на пути реактивной струи, отклоняя часть газов под углом 45 градусов к курсу движения самолета — почти в обратную сторону. Следует отметить, что на воздушных судах старых отечественных типов использование реверса при пробеге обязательно.

Отечественные летчики, особенно эксплуатирующие лайнеры советских типов (Ту-154, Ил-86), часто завершают выравнивание процедурой выдерживания, то есть какое-то время продолжают полет над полосой на высоте около метра, добиваясь мягкого касания. Конечно, посадки с выдерживанием нравятся пассажирам больше, да и многие пилоты, особенно с большим опытом работы в отечественной авиации, считают именно такой стиль признаком высокого мастерства.

Однако сегодняшние мировые тенденции авиаконструирования и пилотирования отдают предпочтение посадке с перегрузкой 1,4−1,5 g. Во-первых, такие посадки безопаснее, так как приземление с выдерживанием содержит в себе угрозу выкатывания за пределы полосы. В этом случае практически неизбежно применение реверса, что создает дополнительный шум и увеличивает расход топлива. Во-вторых, сама конструкция современных пассажирских самолетов предусматривает касание с повышенной перегрузкой, так как от определенного значения физического воздействия на стойки шасси (обжатие) зависит срабатывание автоматики, например задействование спойлеров и колесных тормозов. В воздушных судах старых типов этого не требуется, так как спойлеры включаются там автоматически после включения реверса. А реверс включается экипажем.

Есть еще одна причина различия стиля посадки, скажем, на близких по классу Ту-154 и А 320. Взлетные полосы в СССР зачастую отличались невысокой грузонапряженностью, а потому в советской авиации старались избегать слишком сильного давления на покрытие. На тележках задних стоек Ту-154 по шесть колес — такая конструкция способствовала распределению веса машины на большую площадь при посадке. А вот у А 320 на стойках всего по два колеса, и он изначально рассчитан на посадку с большей перегрузкой на более прочные полосы.

В информационных сводках нередко можно услышать подобную фразу: «В связи с ухудшением метеоусловий в районе аэропорта N экипажи принимают решения о взлете и посадке по фактической погоде». Этот распространенный штамп вызывает у отечественных авиаторов одновременно смех и возмущение. Разумеется, никакого произвола в летном деле нет. Когда самолет проходит точку принятия решения, командир воздушного судна (и только он) окончательно объявляет, станет ли экипаж сажать лайнер или посадка будет прервана уходом на второй круг. Даже при наилучших погодных условиях и отсутствии препятствий на полосе КВС имеет право отменить посадку, если он, как гласят Федеральные авиационные правила, «не уверен в благополучном исходе посадки». «Уход на второй круг сегодня не считается просчетом в работе пилота, а наоборот, приветствуется во всех допускающих сомнения ситуациях. Лучше проявить бдительность и даже пожертвовать каким-то количеством сожженного топлива, чем подвергнуть даже малейшему риску жизнь пассажиров и экипажа», — объяснил нам Игорь Бочаров, начальник штаба летной эксплуатации авиакомпании «S7 Airlines».

С другой стороны, в принятии решений КВС жестко ограничен существующим регламентом процедуры посадки, и в пределах этого регламента (кроме экстренных ситуаций вроде пожара на борту) у экипажа нет никакой свободы принятия решений. Существует жесткая классификация типов захода на посадку. Для каждого из них прописаны отдельные параметры, определяющие возможность или невозможность такой посадки в данных условиях.

Например, для аэропорта «Внуково» инструментальный заход на посадку по неточному типу (по приводным радиостанциям) требует прохождения точки принятия решений на высоте 115 м при горизонтальной видимости 1700 м (определяется метеослужбой). Для совершения посадки до ВПР (в данном случае 115 м) должен быть установлен визуальный контакт с ориентирами. Для автоматической посадки по II категории ИКАО эти значения значительно меньше — они составляют 30 м и 350 м. Категория IIIс допускает полностью автоматическую посадку при нулевой горизонтальной и вертикальной видимости — например, в полном тумане.

И все-таки по-настоящему жесткие посадки, а также прочие неприятности на финальном отрезке полета случаются. Как правило, к авиапроисшествиям приводит не один, а несколько факторов, среди которых и ошибки пилотирования, и отказ техники, и, конечно же, стихия.

Большую опасность представляет так называемый сдвиг ветра, то есть резкое изменение силы ветра с высотой, особенно когда это происходит в пределах 100 м над землей. Предположим, самолет приближается к полосе с приборной скоростью 250 км/ч при нулевом ветре. Но, спустившись чуть ниже, самолет вдруг наталкивается на попутный ветер, имеющий скорость 50 км/ч. Давление набегающего воздуха упадет, и скорость самолета составит 200 км/ч. Подъемная сила также резко снизится, зато вырастет вертикальная скорость. Чтобы компенсировать потерю подъемной силы, экипажу потребуется добавить режим двигателя и увеличить скорость. Однако самолет обладает огромной инертной массой, и мгновенно набрать достаточную скорость он просто не успеет. Если нет запаса по высоте, жесткой посадки избежать не удастся. Если же лайнер натолкнется на резкий порыв встречного ветра, подъемная сила, наоборот, увеличится, и тогда появится опасность позднего приземления и выкатывания за пределы полосы. К выкатываниям также приводит посадка на мокрую и обледеневшую полосу.

Другой бич авиации — боковой ветер. Когда при подходе к торцу полосы самолет летит с углом сноса, у пилота часто появляется желание «подвернуть» штурвалом, поставить самолет на точный курс. При довороте возникает крен, и самолет подставляет ветру большую площадь. Лайнер сдувает еще дальше в сторону, и в этом случае единственно правильным решением становится уход на второй круг.

При боковом ветре экипаж часто стремится не потерять контроль за направлением, но в итоге теряет контроль за высотой. Это стало одной из причин катастрофы Ту-134 в Самаре 17 марта 2007 года. Сочетание «человеческого фактора» с плохой погодой стоило жизни шести людям.

Иногда к жесткой посадке с катастрофическими последствиями приводит неправильное вертикальное маневрирование на заключительном отрезке полета. Порой самолет не успевает снизиться на требуемую высоту и оказывается выше глиссады. Пилот начинает «отдавать штурвал», пытаясь выйти на траекторию глиссады. При этом резко возрастает вертикальная скорость. Однако при возросшей вертикальной скорости требуется и большая высота, на которой надо начинать выравнивание перед касанием, причем эта зависимость квадратичная. Летчик же приступает к выравниванию на психологически привычной ему высоте. В результате воздушное судно касается земли с огромной перегрузкой и разбивается. Таких случаев история гражданской авиации знает немало.

Авиалайнеры последних поколений можно вполне назвать летающими роботами. Сегодня через 20−30 секунд после взлета экипаж в принципе может включить автопилот и дальше машина все сделает сама. Если не случится чрезвычайных обстоятельств, если в базу данных бортовых компьютеров будет введен точный план полета, включающий траекторию захода на посадку, если аэропорт прибытия обладает соответствующим современным оборудованием, лайнер сможет выполнить полет и совершить посадку без участия человека. К сожалению, в реальности даже самая совершенная техника иногда подводит, в эксплуатации все еще находятся воздушные суда устаревших конструкций, а оборудование российских аэропортов продолжает желать лучшего. Именно поэтому, поднимаясь в небо, а затем спускаясь на землю, мы еще во многом зависим от мастерства тех, кто работает в пилотской кабине.

Благодарим за помощь представителей авиакомпании «S7 Airlines» —  пилота-инструктора Ил-86, начальника штаба летной эксплуатации Игоря Бочарова, главного штурмана Вячеслава Феденко, пилота-инструктора директората департамента летных стандартов Игоря Кулика

Идее старта с места почти столько же лет, сколько и авиации – первые прототипы еще нелетающих самолетов в конце XIX века стартовали при помощи катапульт. Уже в 1916 году 30-метровые катапульты для гидросамолетов были установлены на трех американских крейсерах. Вторую жизнь в идею безаэродромного старта вдохнули крылатые ракеты, или, как их называли в 1950-е годы, самолеты-снаряды. Собственно, первые крылатые ракеты самолетами и являлись, только беспилотными. И первоначально они запускались не из вертикальных контейнеров, как сейчас, а с пологих направляющих. Успех запусков первых крылатых ракет и натолкнул авиаконструкторов на мысль запускать таким же образом реактивные самолеты-перехватчики. В СССР такую систему разрабатывало КБ Микояна на базе усиленного истребителя-перехватчика МиГ-19С с твердотопливным ракетным ускорителем. Испытания в 1957 году прошли успешно, было выполнено восемь стартов, но проект закрыли: как раз в это время подоспели зенитно-ракетные комплексы, которые гораздо эффективнее решали эти задачи.

Но одно дело запустить в воздух 8-тонный МиГ-19С, другое – 200-тонный бомбардировщик. Поэтому была выбрана другая схема точечного старта – без рельсовой направляющей. По сути, самолет поднимался в воздух как ракета, на жидкостных ракетных двигателях. Стартовая позиция же состояла из маятниковой конструкции, отводящей самолет от земли в самом начале движения, подъемников для установки М-50 на маятник, ямы и отражательных устройств для факелов ракетных двигателей. Две основные опоры маятника воспринимали 98% нагрузки, остальная приходилась на хвостовую опору.

Точно так же устанавливались и ракетные ускорители: два основных под крыльями и один в хвостовой части фюзеляжа. Два подкрыльевых ускорителя с восемью соплами тягой 136 т каждый, ставившиеся под углом 55 градусов, создавали вертикальную силу, превосходящую взлетную массу самолета, а горизонтальная составляющая тяги помогала турбореактивным двигателям разгонять самолет. Хвостовой ускоритель убирал вертикальное рыскание, а поперечное регулировалось газовыми элеронами, установленными в струях основных двигателей. Взлет должен был выполняться следующим образом. Первыми запускались основные турбореактивные двигатели, и самолет стабилизировался автопилотом. Взлетные ускорения были настолько велики, что весь процесс взлета был полностью автоматизирован, пилот в состоянии, близком к обмороку, вряд ли мог чем-то помочь. После чего запускались хвостовой ракетный двигатель и основные подкрыльевые ракетные ускорители, снимались стопоры и самолет поднимался на маятнике на высоту 20 м, где и происходило рассоединение. После достижения расчетной скорости 450 км/ч самолет переходил в штатный режим взлета, а отработанные ускорители сбрасывались на парашютах.

К подоплеке этого авиапроисшествия имеет отношение экономика. Подход к аэродрому и заход на посадку связаны с постепенным уменьшением скорости воздушного судна. Поскольку величина подъемной силы крыла находится в прямой зависимости и от скорости, и от площади крыла, для поддержания подъемной силы, достаточной для удержания машины от сваливания в штопор, требуется площадь крыла увеличить. С этой целью используются элементы механизации — закрылки и предкрылки. Закрылки и предкрылки выполняют ту же роль, что и перья, которые веером распускают птицы, перед тем как опуститься на землю. При достижении скорости начала выпуска механизации КВС дает команду на выпуск закрылков и практически одновременно — на увеличение режима работы двигателей для предотвращения критической потери скорости из-за роста лобового сопротивления. Чем на больший угол отклонены закрылки/предкрылки, тем больший режим необходим двигателям. Поэтому чем ближе к полосе происходит окончательный выпуск механизации (закрылки/предкрылки и шасси), тем меньше будет сожжено топлива.

На отечественных воздушных судах старых типов была принята такая последовательность выпуска механизации. Сначала (за 20−25 км до полосы) выпускалось шасси. Затем за 18−20 км — закрылки на 280. И уже на посадочной прямой закрылки выдвигались полностью, в посадочное положение. Однако в наши дни принята иная методика. В целях экономии летчики стремятся пролететь максимальное расстояние «на чистом крыле», а затем, перед глиссадой, погасить скорость промежуточным выпуском закрылков, потом выпустить шасси, довести угол закрылков до посадочного положения и совершить посадку.

Экипаж злополучного Ил-86 тоже воспользовался новой методикой и выпустил закрылки до шасси. Ничего не знавшая о новых веяниях в пилотировании автоматика Ил-86 тут же включила речевую и световую сигнализацию, которая требовала от экипажа выпустить шасси. Чтобы сигнализация не нервировала пилотов, ее просто отключили, как выключают спросонья надоевший будильник. Теперь напомнить экипажу, что шасси все-таки надо выпустить, было некому. Сегодня, правда, уже появились экземпляры самолетов Ту-154 и Ил-86 с доработанной сигнализацией, которые летают по методике захода на посадку с поздним выпуском механизации.