Областное государственное образовательное учреждение

Среднего профессионального обучения

Ульяновский техникум железнодорожного транспорта

Историко-исследовательская работа

на тему: "Почему падают самолёты”

Выполнил:

Стожаров Александр

 г. Ульяновск

2010 год

План

1.     Введение.

2.     Версия 1.

3.     На полосе и вблизи её.

4.     Что делать? Для недопущения выбега за конец полосы.

5.     Версия 2.

6.     Что делать, чтобы не допустить катастрофу?

7.     Вопрос проверки версий 1 и 2.

8.     Обоснование случайностей.

9.     Заключение.

Введение.

         По сравнению с другими видами транспорта при падении самолёта обычно нет свидетелей, которые могли бы объяснить причину катастрофы, или   свидетели есть, но они не поняли, что произошло.

         Поэтому только подробнейший теоретический разбор ситуации может внести ясность в выяснение причины случившейся катастрофы.

         Реальная, а не надуманная причина позволит разработать мероприятия, позволяющие исключить повторения катастроф.

         Подробно разберёмся: 1- что необходимо, чтобы самолёт летал?  2- где находятся слабые места, из-за которых в определённых ситуациях нарушаются условия необходимые для полёта?

         Слабое место проявляется только в определённых ситуациях. Это подтверждается тем, что катастрофы носят, как нам кажется, случайный характер. При анализе катастрофы ссылка на ситуацию (например: грозовой фронт или человеческий фактор) только подтверждает то, что у самолёта или у системы аэрофлота имеется слабое место, которое необходимо исправить.

Версия 1.

           Чтобы самолёт взлетел, ему нужна подъёмная сила, которая обеспечивается формой и размерами крыла, а также определённым количеством воздушных масс обтекающих крыло в единицу времени. Последнее зависит от скорости обтекания крыла воздушными массами и плотности воздуха. С понижением плотности уменьшается сопротивление движению и увеличивается скорость полёта, поэтому количество воздушных масс обтекающих крыло в единицу времени почти не меняется. При этом сокращается время полёта и экономится топливо. Поэтому самолёты летают на максимально допустимых высотах.

             Плотность воздуха зависит от атмосферного давления и температуры, которые постоянно меняются. Мы это видим даже на барометре и термометре.

              На больших высотах процентное содержание кислорода в воздухе уменьшается быстрее, чем уменьшается плотность воздуха. В результате двигатели не могут обеспечить необходимой тяги, чтобы поддерживать обтекание крыла необходимым количеством воздуха в единицу времени. Этим, в основном, ограничивается высота полёта. Пилот может определить запас имеющийся у самолёта по высоте ориентировочно по плотности воздуха и скорости полёта и более точно по количеству неиспользованного кислорода на выходе из сопла двигателя. Однако, эти параметры могут быстро меняться, поэтому полёты на пределе высоты равносильны ходьбе по лезвию ножа.

На полосе и вблизи её.

              Подъёмная сила крыла в горизонтальном полёте равна весу самолёта. Если подъёмная сила будет больше веса самолёта, высота полёта будет увеличиваться, и наоборот. Пилот управляет подъёмной силой за счёт изменения тяги двигателей.

              Посмотрим,  какие опасности подстерегают пилота в зависимости от колебаний плотности воздуха?

              Пересечение самолётом границ атмосферных фронтов, т.е. резкий переход в зону с другой плотностью воздуха,  приводит к изменению подъёмной силы крыла и для сохранения стабильности требует такого же резкого изменения скорости полёта. А самолёт, несмотря на изменившееся сопротивление воздуха, из-за инерционных свойств, стремится сохранять свою скорость.

              При перемещении самолёта от меньшей плотности воздуха к большей плотности, резко увеличивается подъёмная сила крыла. Самолёт может подбросить на большую высоту.

               При перемещении самолёта от большей плотности воздуха к меньшей плотности, самолёт теряет подъёмную силу (проваливается в «воздушную яму»). Если такой перелёт происходит на малых высотах, то провал может достичь земли или водной поверхности и быть причиной катастрофы.

               Много аварий и катастроф происходит при изменении скорости самолёта. Если неприятности появляются на самой взлётно-посадочной полосе пилотам тяжело сориентироваться в размерах оставшейся части полосы и соотнести её со скоростью самолёта. У пилота нет чётких параметров, указывающих на необходимость прекратить  торможение на полосе и начать взлетать для захода на второй круг. Нерешительность пилота на полосе приводит к выбегу самолёта за край полосы, что приводит к аварии или катастрофе.

                На полосе, в зависимости от скорости, вес самолёта распределяется между подъёмной силой крыльев и давлением на шасси. При посадке, в начале полосы, подъёмная сила крыльев удерживает 100% веса самолёта. По мере уменьшения скорости подъёмная сила падает, и вес переходит на шасси. У колёс появляется возможность торможения. Чем больше веса приходится на шасси, тем больше эффект торможения. Если полностью затормозить к середине полосы, то придётся за счёт двигателей и дополнительного расхода топлива дотянуть до стоянки. Лучше по инерции дотянуть до поворота на стоянку.

              Что происходит, если на полосе увеличивается плотность воздуха и возрастает подъёмная сила? Давление на шасси уменьшается и уменьшается возможность торможения. Хуже всего, что это происходит незаметно для пилота и появляется возможность выскочить за конец полосы.

Что делать? 1. Для недопущения выбега за конец полосы:

              1. Полоса должна быть оборудована набором электронных световых табло установленных вдоль полосы. Световые табло управляются диспетчером и указывают тип самолёта идущего на посадку или взлёт и необходимую скорость в месте установки каждого табло, гарантирующую успешную посадку и скорость, гарантирующую успешный взлёт. Данные на табло приводятся из расчёта максимальной загрузки самолёта. Пилот, сравнивая скорость самолёта с необходимой скоростью указанной на табло, может своевременно принять решение о прекращении торможения и начале взлёта для выхода на второй круг. На каждом табло указывается, какая часть, от общей длины, осталась до конца полосы. Скорость взлёта и скорость посадки могут быть указаны с разных сторон полосы. По мнению авторов, табло необходимо устанавливать через каждые 100 м полосы.

               Если самолёт загружен не полностью, то пилот должен видеть, какая часть веса самолёта удерживается подъёмной силой крыльев и, какая часть полосы осталась. Перед взлётом пилот устанавливает реальное давление на шасси - 100%. Эти данные позволят пилоту вовремя принять правильное решение.

              2. У самолёта должны быть тормозные парашюты.

              3. В конце взлётно–посадочной полосы должны стоять ловушки, например, в виде нескольких рядов сетей, или по типу ловушки на авианосцах.

              Траектория полёта на максимальных и минимальных высотах не должна пересекать постоянно перемещающиеся границы атмосферных фронтов. Пилот не видит границ атмосферных фронтов, поэтому метеослужбы должны его информировать о приближении фронтов, а диспетчер обеспечить обход фронтов или хотя бы увести самолёт с опасных высот.

               При изменении плотности воздуха необходимо менять скорость полёта. При резких изменениях плотности воздуха пилоты не успевают среагировать на изменение подъёмной силы крыла. Самолёт бросает по высоте. Корректировать скорость полёта в зависимости от плотности воздуха нужно при помощи системы автоматики. На пограничных высотах такие броски самолёта могут привести к катастрофе.

              Необходимо разработать и обеспечить самолёты системами автоматической коррекции скорости полёта в зависимости от изменения плотности воздуха. Для специалистов по автоматике это рядовая задача.

               Нужно также спроектировать и обеспечить пилотов ультразвуковым локатором, который узким лучом будет зондировать траекторию полёта, и показывать не плотность воздуха, а изменения плотности воздуха. Такой локатор будет предупреждать пилотов о возможных бросках самолёта. 

Версия 2.

               Подъёмная сила крыла обеспечивается только при соответствующей скорости полёта.

                Скорость полёта обеспечивает двигатель. Рассмотрим, как он работает, и какие опасности для самолёта могут возникнуть из-за недостатков конструкции двигателя? Очень важно, при каких ситуациях возникают такие опасности для самолёта.

                Типовой турбокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель имеет камеру сгорания, в которую вбрызгивается топливо и поджигается. Для сгорания топлива необходим кислород, который берётся из воздуха. Воздух нагнетается турбокомпрессором, который при запуске двигателя раскручивается стартёром, а затем вращается от газовой турбины. Турбокомпрессор через воздухозаборник всасывает, сжимает и подаёт в камеру сгорания воздух. При сгорании жидкого топлива образуются газы значительно большего объёма, чем объём воздуха. Газы, пройдя через газовую турбину, истекают через сопло, создавая реактивную тягу. Истекающие газы одновременно приводят в движение лопасти газовой турбины, на одном валу с которой находится турбокомпрессор. Таким образом, меньшая часть энергии, получаемой от сгорания топлива, идёт на обеспечение камеры сгорания воздухом, а основная часть полученной энергии идёт на создание реактивной тяги.

              Турбокомпрессор рассчитывают таким образом, чтобы он постоянно подавал в камеру сгорания больше воздуха, чем это требуется для сгорания топлива. Увеличить подачу топлива можно на величину имеющегося в запасе воздуха. Если нет лишнего воздуха, то дополнительная порция топлива  выйдет, не сгорая и не увеличивая тяги и оборотов компрессора.

               Лишний воздух расходуется только в переходный период - для увеличения тяги двигателя и, соответственно, увеличения оборотов компрессора. После увеличения оборотов компрессора снова появляется лишний воздух. При постоянных оборотах и тяге лишний воздух не нужен, его создание вызывает   напрасную трату энергии, полученной от сгорания топлива. Тратится энергия на то, чтобы втянуть, сжать и вытолкнуть через камеру сгорания и сопло неиспользуемый воздух. Однако, чем больше неиспользуемого воздуха подаётся компрессором, тем интенсивнее можно увеличивать тягу двигателя, но это отражается на коэффициенте полезного действия двигателя.

              Теперь посмотрим, как двигатель может влиять на безопасность полёта.

              Расчёт двигателя проводят из постулата, что воздух содержит 21% кислорода. Воздух – это механическая смесь разных газов, среди которых имеется кислород, азот и немного инертных газов. Если в эту смесь подмешать  сторонние газы или пары воды, то процентное содержание кислорода в объёме воздуха уменьшится. Компрессор будет подавать нужное количество воздуха, а с кислородом для сжигания топлива будут проблемы.

             Хорошо, если уменьшится только избыток кислорода. При этом сократится возможность увеличить тягу двигателя.  При значительном уменьшении кислорода в объёме воздуха двигатель может заглохнуть. За счёт понижения высоты полёта на средних и больших высотах ситуацию можно исправить путём быстрого выведения самолёта из зоны с пониженным содержанием кислорода. На малых  высотах может произойти катастрофа. При этом некогда спрашивать согласия у диспетчера.

              Лишний воздух, подаваемый компрессором, уменьшает вероятность катастрофы, но не исключает её.

              На содержание кислорода в воздухе влияют выбросы из заводских труб, выхлопы транспортных средств, сгорание топлива в отопительных системах, пожары лесных массивов и т.д. Кислород воздуха используют как химический агент при выплавке металлов из руд, промышленного получения многих химических веществ. Чистый кислород выделяют из воздуха.

               Кислород воздуха необходим для жизнедеятельности большинства живых организмов.

               Газы выходят из подземных разработок при принудительной их вентиляции. Газы извергают торфяники.  Кроме того, естественные разломы земной коры постоянно извергают различные газы, особенно в горах. Газы выделяются над водными поверхностями. Опасен сероводород, выделяемый водами Чёрного моря, особенно во время донных землетрясений. В конечном счёте, газы извергают вулканы. В воздухе постоянно происходят окислительные процессы, которые связывают кислород и тем самым уменьшают его процентное содержание. Однако воздух пополняется кислородом над лесными массивами.

               Человек не ощущает уменьшение кислорода в воздухе. Есть даже метод лечения некоторых заболеваний в барокамере с пониженным содержанием кислорода (до 15%). Возможно, поэтому проектируют самолётные двигатели без учёта возможности уменьшения кислорода в воздухе.

               Всё это говорит о том, что  кислород в воздухе распределён неравномерно, и этот факт должен учитываться при конструировании авиационных двигателей.

Что делать, чтобы не допустить катастрофу?

               Изменение объёма кислорода в воздухе происходит во время полёта так быстро, что пилот не в состоянии реагировать на эти изменения. Для компенсации этих изменений должна работать автоматическая система, которая стандартно состоит из датчика, управляющего звена и исполнительного механизма.  Датчик должен контролировать количество неиспользованного кислорода в сопле двигателя.

                Для этого малую часть газа отводят из сопла и пропускают через пульверизатор с керосином. Керосин распыляется в зоне раскалённой проволоки. При наличии кислорода в сопле двигателя распылённое топливо будет гореть. Керосина распыляют столько, что он не может весь сгореть при нормальном запасе кислорода в сопле. Размер пламени зависит от количества кислорода. Фотоэлементы фиксируют наличие и размер пламени. Сигнал с фотоэлементов преобразуется, усиливается и подаётся на исполнительный механизм. Последний, при пониженном пламени или его отсутствии, подаёт из баллона недостающий кислород в камеру сгорания двигателя самолёта. Когда свечение газового фитиля начинает превышать норму, т.е. объём кислорода в воздухе восстановился, кислородный баллон прикрывается.

             При открытии кислородного баллона включается сигнализация у пилота и счётчик расхода кислорода. Датчик свободного кислорода в сопле двигателя и исполнительный механизм могут быть и другой конструкции.

             Включение сигнализации об открытии кислородного баллона автоматически передаётся диспетчеру и должно стимулировать его к немедленному выводу самолёта из зоны пониженного содержания кислорода. Диспетчер не должен пускать в эту зону другие самолёты.

             Изложенные выше варианты – это первое, что пришло в голову авторам - не специалистам в области авиастроения и конструирования авиадвигателей.

              Узкие специалисты, наверняка, смогут предложить более подходящие варианты, позволяющие внести изменения в действующие модели самолётов.

               Всё это, конечно, если теоретические изыскания авторов не имеют ошибок.

               Авторы заранее благодарны специалистам - авиаторам за анализ этой публикации и высказанные замечания.

Вопрос проверки версий 1 и 2.

           Установить зависимости подъёмной силы крыла самолёта от плотности воздуха,  а тяговых возможностей двигателя от процентного содержания кислорода в воздухе нужно на земле в аэродинамической трубе, не поднимаясь в воздух и не рискуя людьми и самолётами.

            Так как самолёты даже одной марки отличаются друг от друга, то такие зависимости необходимо составлять для каждого борта после его изготовления или проведения ремонта. Если пилот усомнился в достоверности сведений, необходимо провести внеочередную проверку этих зависимостей. Такие зависимости позволят создать для пилотов инструкции граничных состояний по высоте полёта в зависимости от состояния окружающей среды. Можно будет установить допустимые изменения плотности воздуха на взлётной полосе, чтобы дополнить инструкцию для диспетчера по управлению взлётом и посадкой самолётов.

              Необходимо также установить прибор, записывающий в чёрный ящик изменения состояния окружающей среды в процессе полёта. Такой график позволит провести анализ происходящих в воздухе событий и установить истинную причину происшествий, тем самым исключить в большинстве случаев ссылку на «человеческий фактор».

Обоснование случайностей.

             1. Как было сказано в начале работы, катастрофы носят «случайный» характер. Действительно, совпадение двух факторов во времени и в пространстве, а именно прохождение атмосферного фронта через зону аэропорта и  взлёт или посадка самолёта, возможно, но носит случайный характер. Достоянием гласности становятся только те случаи, когда пилот не сумел справиться с ситуацией.

             2. Попадание самолёта в зону с пониженным содержанием кислорода тоже носит случайный характер. Наиболее опасна такая ситуация на взлётной полосе или малых высотах в момент увеличения тяги двигателей. Иногда может привести к катастрофе такая ситуация на максимальных высотах. В большинстве случаев самолёт проскакивает такую зону и ситуация не отражается в документации, т.е. остаётся незамеченной.

              Зоны с пониженным содержанием кислорода должны фиксироваться диспетчерами и службой безопасности полётов, а траектория полётов должна составляться в обход этих зон, если они носят стабильный характер.

              По данным Межгосударственного  Авиационного Комитета за период с 2004 по август 2006 года произошло 17 катастроф самолётов.

              Вот некоторые из катастроф, которые попадают под описанные выше ситуации:

               Из всех катастроф одна не расследовалась или расследование не доведено до конца. Во всяком случае, информации о причинах катастрофы и условиях, в которых она произошла,- нет.  Это катастрофа Ту-154 01.09.2006;

                Для 8-ми катастроф доказано, что они произошли по вине пилотов и техники: 13.01.2005 Ан-2 RА-62597; 16.03.2005 Ан-24 RА-46489;    19.11.2005 Цессна С-208В № P4-OIN;  04.03.04 Ил-76ТД UR-ZVA; 24.03.04 Ан-2СХ RA-33596; 27.04.04 Боинг-737-500 UR-VVB; 09.07.04 Ан-2 RА-02230; 11.12.04 Ил-76Т ER-IBW.

                Для оставшихся 8-ми катастроф чётких доказательств не представлено, но был приведён человеческий фактор.

Заключение.

Слабые места в конструкции самолётов.

                  1. Нет приборов оповещающих об изменениях в окружающей среде – плотности воздуха и содержания кислорода и др.

                 2.    Нет автоматики, реагирующей на эти изменения.

                  3.  Нет приборов записывающих изменения окружающей среды в течение всего полёта.

                  4.  Ничего не предусмотрено для выведения самолёта из плоского штопора.

                  5. Ничего в самолёте не предусмотрено для спасения людей при катастрофе.

                  6. Нет ультразвукового локатора, показывающего пилоту изменения в плотности воздуха на траектории полёта. 

Слабые места в оборудовании аэропорта.

                     1. Отсутствуют приборы, сигнализирующие и записывающие изменения окружающей среды в зоне аэропорта и прилегающей области.

                     2. Отсутствуют электронные светящиеся знаки скорости вдоль ВПП с указанием типа самолёта, находящегося на полосе. Такие знаки покажут пилоту, может ли он, под воздействием обстоятельств, отказаться от посадки и пойти на второй круг или отказаться от взлёта.

Ситуации, при которых слабые места могут привести к катастрофе.

                       1. Изменение плотности воздуха, в основном, на границе атмосферных фронтов, совпадающее с моментами взлёта, приземления и полётов в районе потолка подъёмной силы.

                       2.  Уменьшение кислорода в воздухе, совпадающее с  моментами взлёта, приземления и у верхней границы полётов.

Слабые места административного управления.

                       1. Совремённая компьютерная техника позволяет записать на диск всё, что видит пилот во время всего полёта и действия экипажа в полёте. После каждого полёта диск снимается, устанавливается на тренажёр и проверяется самым опытным пилотом. При обнаружении неточностей в действиях экипажа, с ним проводятся тренировочные занятия.

                       2. После катастрофы, независимо от причины, авиакомпания должна расформировываться, и её имущество продаваться с аукциона в пользу государства.

  Источники информации

А. Подольский;  Г. Агатьев Почему падают самолёты. Москва 2005г.

Д. Атбашьян Теории падения самолётов Казань 2003г.

Роман ПОПОВ статья "Почему падают самолёты” 2009г.

Журнал «Власть