articole

Standuri de mare altitudine - cât de bine le înțelegeți?

De căpitanul Shem Malmquist

Mulțumiri

Meritul pentru impulsul acestui articol trebuie acordat prietenului meu, aerodinamicianul Clive Leyman, care a inițiat o discuție pe aceste probleme. El a oferit fundamentele tehnice, inclusiv corectarea și clarificarea porțiunilor acestui articol. Porțiuni din acest articol se bazează pe o lucrare scrisă de Clive Leyman, care a fost revizuită după cum este necesar pentru un public pilot mai general.

Standuri și modele moderne de aripi

Au fost multe lucruri scrise în urma accidentului Air France 447 în ceea ce privește tarabele de aeronave, pregătirea piloților și aspecte similare. Într-un articol anterior am prezentat câteva dintre aspectele cognitive care au fost probabil implicate în accident. Mulți piloți s-au întrebat de ce echipajul Air France nu a recunoscut standul în sine. În acest articol voi explora unele dintre efectele aerodinamice implicate în tarabele de mare altitudine care pot face problema mult mai complexă decât ar putea realiza mulți piloți.

Aripile moderne ale avioanelor au fost proiectate pentru a minimiza rezistența la numărul Mach de croazieră proiectat. Designul aerodinamic al aripii se bazează pe necesitatea de a reduce rezistența la undă și ridicarea rezistenței induse și poate fi modificat pentru a reduce momentele de îndoire și greutatea aripii. Aceste compromisuri înseamnă că modul în care aerul începe să se separe pe măsură ce unghiul de atac se apropie de tarabă și ce forțe sunt generate în timp ce se întâmplă acest lucru, pot fi semnificativ diferite de ceea ce se așteaptă majoritatea piloților.

Așa cum este subliniat în figura de mai jos, pe o aripă tipică de avion, aerul va începe să se separe aproximativ 2/treimi din drum de la rădăcină la vârf. Începe pe porțiunea din spate, astfel încât secțiunea din față a aripii dezvoltă încă o ridicare normală. Acest lucru are ca rezultat un pitch blând.

Pe măsură ce unghiul de atac este mărit, separarea se va deplasa înainte și peste anvergura aripilor, dar aceste separări sunt încă la pupa CG, astfel încât aeronava va continua să aibă un pas ușor în sus. Abia după ce partea interioară a aripilor se oprește, va exista vreun pitch în jos, dar în realitate, acest lucru va apărea probabil ca o încetare a pitch-ului în sus.

Aripile moderne sunt concepute pentru a fi „supercritice”, ceea ce înseamnă că sunt proiectate astfel încât în ​​timpul croazierei normale pe o mare parte a suprafeței superioare a aripii, fluxul de aer să fie supersonic, decelerând printr-o undă de șoc situată între două treimi și trei sferturi de coardă de aripă. De-a lungul acestei unde de șoc va începe cel mai probabil separarea inițială a fluxului de aer, care se află aproape de marginea din spate a aripii. Acest lucru va fi perceptibil ca bufet. În plus, o parte din ascensor este produsă de o presiune pozitivă pe suprafața inferioară, lângă marginea din spate. Acest lucru are ca efect creșterea ridicării pe aripă cu unghiul de atac crescut pentru destul de mult timp după fluxul de aer pe suprafața superioară, după ce a început să se deterioreze.

Experiența pe care au avut-o majoritatea piloților în pregătirea primară este puțin diferită. În majoritatea avioanelor de antrenament în timpul staționării, separarea fluxului de aer are ca rezultat o pierdere a ridicării la începutul procesului. Pe măsură ce fluxul de aer continuă să se deterioreze, apare un punct în care există un pas destul de semnificativ în jos, cunoscut sub numele de „pauză de blocare”, care este cuplat cu o pierdere semnificativă simultană de ridicare. Bufetul este semnificativ și foarte evident.

Spre deosebire de aceasta, aripa modernă a avionului va vedea în continuare ascensiunea crescând oarecum după momentul în care s-a produs bufetul pre-stand. Acest lucru poate coincide sau nu cu AoA la care este declanșată avertizarea de blocare, cu o alegere a acelui punct lăsată în sarcina proiectantului. Dincolo de acel bufet pre-stand, ascensorul continuă să crească foarte încet (de la fluxul de suprafață inferior), dar tamponarea se înrăutățește constant. La un moment dat, există o schimbare a caracterului bufetului (amplitudine și frecvență) însoțită de o pierdere a ridicării. Luate împreună, acestea pot defini „stand”, dar este dificil de identificat punctul exact fără a recurge la instrumentație. Acest lucru este destul de diferit de orice s-a întâlnit în antrenament.

Un cuvânt despre bufet de mare viteză

În plus față de bufetul cu viteză redusă asociat cu taraba, mulți piloți au mai citit despre, sau au fost învățați că aeronava va experimenta un bufet „de mare viteză” dacă zboară peste viteza maximă a mach. Este posibil ca unii piloți să fie preocupați de coborârea nasului, deoarece ar putea crede că intră în „colțul sicriului” și ar pierde controlul aeronavei. În realitate, deși acest lucru a fost un factor în transporturile timpurii cu jet, nu mai este în general cazul proiectelor moderne datorită îmbunătățirilor aerodinamice. Din raportul de accident pentru Air France 447, pagina 42-43:

Piloții consideră că excesul de viteză în zbor constituie un risc serios. Această percepție a riscului are mai multe origini:

? Instruire teoretică a zborului (în special în timpul ATPL):

- pericolul unui „stand de șoc” este considerat la fel cu cel mai clasic stand de „viteză redusă”;

-pericolele asociate cu viteza mare (de exemplu, apariția flutterului sau efectul de coborâre (2)) sunt prezentate chiar dacă aeronavele moderne nu mai suferă în general de aceste caracteristici, care ar putea fi într-adevăr periculoase pe unele avioane cu design mai vechi;

? - VMO/MMO corespunde unei limite importante în curbele de performanță și limitare, pentru piloții de linii aeriene; deși standul „clasic” este perceput ca fiind destul de cunoscut și este experimentat de piloți (cel puțin în timpul antrenamentului inițial), excursiile mult deasupra VMO/MMO nu sunt demonstrate în antrenament.

Ar fi nevoie de o excursie foarte mare deasupra Mmo înainte de efecte adverse, iar cele mai multe astfel de efecte ar fi probleme cu momentele de flutter sau balamale cu intrări mari de control. Orice bufet cu experiență va fi cu siguranță datorat pre-standului sau bufetului de stand. De asemenea, bufetul de mare viteză se va simți diferit (vezi discuția de mai jos), probabil o frecvență mai mare și mai puțin probabil să incite frecvența naturală a aeronavei.

Identificarea standului

Regulile JAR (a se vedea anexa) și FAR specifică acest lucru; indicațiile acceptabile ale unei tarabe sunt -

  1. Un pas în jos, care nu poate fi ușor arestat și care poate fi însoțit de o mișcare de rulare care nu este controlabilă imediat (cu condiția ca mișcarea de rulare să fie conformă cu JAR 25.203 (b) sau (c) după caz; sau
  2. Împiedicarea severă de o amploare și severitate care să prevadă o descurajare puternică și eficientă pentru reducerea în continuare a vitezei; sau
  3. Numai în cazul tarabelor dinamice, o rulare semnificativă în sau în afara virajului care nu este controlabilă imediat.

Așa cum s-a descris anterior în multe modele moderne de aripi, separarea fluxului de aer se va răspândi încet spre exterior și înainte de la punctul inițial. Aceasta înseamnă că orice schimbări de pitch sau roll de la standul care se apropie pot avea loc pe o perioadă relativ lungă de timp (în funcție de rata AoA este crescută) și nu există indicații bruște. Acest lucru poate masca oarecum standul care se apropie, care poate fi identificat doar prin intermediul criteriilor severe de tamponare. O complicație suplimentară este că bătăile inițiale ar putea fi confundate cu turbulențe, așa cum părea să fie cazul în celelalte evenimente descrise în articolul meu despre prejudecată cognitivă. Este posibil ca acțiunea valului de munte sau turbulența să poată induce un avertisment de staționare și, eventual, chiar un bufet preinstalat la altitudine mare, deși este puțin probabil să provoace o staționare reală.

Pentru a detalia mai departe cum ar putea fi tamponarea pentru piloții dintr-un transport mare, luați în considerare următoarele diagrame derivate pentru accidentul Air France 447, observați cantitatea de bufet atât în ​​verticală, cât și în lateral, cu aproape plus sau minus 2 g pe verticală și jumătate de ag lateral și la un ciclu rapid de aproximativ 2-3 ori pe secundă! Frecvența naturală a fuselajului avionului va avea o mare influență aici. Piloții de testare Boeing au descris-o ca fiind asemănătoare cu conducerea laterală pe șinele de cale ferată - și nu mă refer la șinele încorporate în trotuar, gândiți-vă că conduceți lateral pe o curte de cale ferată la 20 mph, fără amortizoare! Dacă ați experimenta că ceea ce ați crede că se întâmplă (fără cunoștințe prealabile despre aceasta)? Cum se simte un avion când un motor cade sau un alt fel de daune structurale? Puneți-vă în situație fără cunoștințe prealabile zero (pe care le aveți acum).

Prima diagramă este laterală (Nyf) și a doua verticală (Nzf), iar acestea reprezintă valorile care au fost experimentate la locul punții de zbor:

Încă un punct. Dacă vă aflați în bufet, viteză mare sau mică, și chiar nu știți care este, probabil că este mai bine să „împingeți” în ambele sensuri. Acest lucru este evident dacă este cu viteză mică, dar de ce viteză mare? Pentru că vei coborî departe de limita bufetului.

Air France 447

AF 447 se afla în zbor de croazieră la FL 350. Căpitanul alesese să ia puiul „de mijloc”, ceea ce este tipic. Cu excepția cazului în care sunt obosiți neobișnuit, majoritatea căpitanilor vor lua o cotitură în mijlocul zborului, astfel încât să poată fi prezenți la procedurile mai complexe în prima și ultima porțiune a zborului. Acest lucru poate fi modificat, desigur, în funcție de momentul în care sunt obosiți, căpitanul ar putea alege și prima sau ultima perioadă. Zona meteo era încă cu aproximativ 80 de mile în fața lor, când căpitanul s-a întors să-și facă somnul. Furtunile sunt de obicei oarecum numeroase care traversează tropicele și este probabil ca radarul aeronavei să nu înfățișeze nimic semnificativ atât de departe. Mai mult, așa cum am subliniat în alte articole, furtunile din regiunea ITCZ ​​nu prezintă la fel ca furtunile la latitudini mai înalte, în special noaptea peste apă. Porțiunea reflectorizantă tinde să fie mult mai mică.

În timp ce unii au pus la îndoială decizia căpitanului de a se odihni în acel moment, nu este atât de surprinzător având în vedere informațiile prezente. Radarul nu înfățișa nimic prea mult (așa cum am descris în articolele anterioare aici și aici) toate păreau tipice. Mai mult, era probabil ca în următoarele câteva ore să apară mai multe furtuni pe măsură ce continuau peste tropice. Așteptarea era puțin probabil să îmbunătățească lucrurile. Personal, aș fi ales prima sau a treia perioadă de odihnă doar pentru că nu dorm bine în turbulență și am un pic mai mult antrenament cu utilizarea radarului decât mulți, dar este greu să ghicesc decizia acestui căpitan. Acest lucru l-a lăsat pe primul ofițer pe locul drept, ca pilot zburător, și pe primul ofițer în relief pe locul stâng, ca monitorizare a pilotului.

Pilotul s-a trezit zburând manual cu o aeronavă la altitudine. Datorită presiunii dinamice mai mici și a vitezei de aer reale mai mari pentru aceeași viteză de aer echivalentă (EAS), există o amortizare mai mică la acea altitudine, deci nu numai că sistemul de control al zborului aeronavei este într-o stare degradată care nu este văzută în mod normal în afara unei demonstrații în simulatorul în timpul antrenamentului inițial, dar se afla într-un regim de zbor, majoritatea piloților de astăzi nu au mai „zburat” manual o aeronavă din cauza regulilor RVSM.

Cu o schimbare atât de bruscă a dinamicii aeronavelor, combinată cu amortizarea scăzută la altitudine, nu este surprinzător, așadar, că pilotul s-a concentrat pe încercarea de a menține aripile la nivel, ceea ce îi ocupa o mare parte din abilitățile sale. De asemenea, nu ar fi neobișnuit ca un pilot să tragă puțin inconștient cu fiecare intrare de control lateral. Mai mult, directorii de zbor, care aveau părtinire în interiorul și în afara vederii, comandau un pitch în sus, ca urmare a altimetrelor care arătau acum că aveau o înălțime de 400 de picioare, cu pierderea intrării de pitot. Exacerbând acest lucru, piloții de astăzi văd adesea mult accent pe a rămâne pe directorul de zbor. Chiar și presupunând că indicațiile sunt corecte, încercarea de a rămâne chiar pe barele directorului de zbor la altitudine devine ceea ce comunitatea de testare numește o „sarcină de urmărire strânsă”. Sarcinile de urmărire strânse sunt utilizate în testul de zbor pentru a obține PIO. Nu ideal.

Pilotul a tras comenzile suficient de înapoi pentru a crește forța g momentan. Acest lucru a dus la o creștere a unghiului de atac față de pragul de avertizare a standului. Avertismentul de stand a răspuns cu un „Stall, Stall” momentan, dar sa întrerupt înainte de a se genera tonul „cricket”. Pilotul de monitorizare din scaunul din stânga a întrebat „Ce a fost asta?”, Dar dincolo de asta, echipajul Air France nu a discutat această indicație momentană. Au atribuit-o doar turbulenței? Pe baza lipsei oricăror indicații secundare, este foarte posibil ca aceștia să presupună că avertismentul momentan a fost legat de lipsa indicației de viteză aeriană. Aceasta este o problemă de antrenament, întrucât sistemele moderne de avertizare a standurilor de pe avioanele de transport utilizează unghiul de atac. Cu toate acestea, aeronava a continuat să zboare normal.

Deși nu au fost discutate de echipaj sau menționate în raportul BEA, testele de zbor care reproduc AF 447 au arătat în mod clar un bufet. Se presupune că percepția pilotului despre bufet poate fi puternic legată de flexibilitatea fuselajului, astfel încât forțele g generate de bufet ar putea să nu reprezinte ceea ce experimentează de fapt piloții. Acestea ar putea duce la un buget confundat cu pilotul pentru turbulențe în etapele inițiale. De asemenea, este posibil ca, în timp ce se află în turbulență, bufetul să fie oarecum mascat sau poate nu la fel de important ca turbulența în sine. Pe măsură ce bufetul a devenit sever, este posibil să pară un fel de eșec structural necunoscut, așa cum am discutat mai sus. Ar fi absolut în afara oricărui lucru pe care îl avuseseră cei mai mulți piloți în acel moment.

Mulți s-au întrebat de ce ar fi putut echipajul să ignore în primul rând avertismentul de stand. Este probabil că l-au văzut ca pe un avertisment fals sau fals. Poate că au presupus că a fost o altă defecțiune a sistemului asociată cu pierderea vitezei de aer, deoarece mulți piloți cred în mod greșit că avertismentul de stand ar putea fi afectat de pierderea indicațiilor de viteză de aer. Mai multe echipaje au raportat că, în evenimentele anterioare de sondare, au avut un singur sunet de avertizare de stand, dar l-au ignorat ca fiind „un blip”. Indiferent, acest lucru a avut probabil un efect asupra avertismentelor de stand ulterioare, deoarece cercetările au arătat că atunci când un avertisment de sistem este perceput a fi fals o dată (cu precizie sau nu), oamenii vor ignora avertismentele ulterioare. În timp ce continuau să încetinească, aeronava a intrat din nou într-o tarabă. Din nou, se pare că avertismentul nu a fost încă însoțit de indicații secundare evidente sau, cel puțin, așa cum s-a descris anterior, nu indicațiile secundare pe care majoritatea piloților au fost instruiți să le aștepte.

În orice caz, este clar că avertismentul a fost în esență ignorat începând cu acel moment. Nici o altă discuție sau mențiune nu a avut loc, chiar și atunci când se chema în mod repetat „Stall, Stall.cricket” Avertismentul era doar zgomot în acel moment. Dacă ar exista un bufet în acest moment, acesta ar fi ușor mascat de turbulență în timp ce ar zbura prin vârfurile furtunilor. Aeronava se confruntă cu un pas ușor din cauza factorilor aerodinamici discutați mai devreme, dar sistemul A330 FBW tocmai ar fi menținut pasul constant. Mai mult, sistemul a tăiat stabilizatorul în poziția completă.

Avertismentul de stand a continuat pentru următoarele două minute și jumătate. În mod clar, ar fi auzit-o, de ce nu au reacționat? Din nou, cea mai probabilă explicație este că au considerat că este un avertisment fals. Aeronava AoA a continuat să crească și atunci tremurarea ar fi ajuns să fie severă. Acest lucru, împreună cu sunetul cristalelor de gheață, poate fi motivul pentru care și-au exprimat îngrijorarea cu privire la viteza excesivă. Avionul a intrat într-un „stand adânc”. Viteza aerului devine atât de scăzută și unghiul de atac atât de ridicat încât sistemul de avertizare de blocare s-a oprit pe baza presupunerii că combinația ar fi o indicație falsă. În acel moment, ar fi trebuit să se recupereze o înălțime relativ dramatică în jos, iar cu o înălțime completă în sus, chiar și un buton de control complet înainte ar avea ca rezultat doar o înălțime foarte lentă. Avioanele de transport rareori văd înălțimile cu nasul în jos de câteva grade în operațiuni normale, dar după ce au ajuns în acest punct, aeronava ar fi cerut ceva în apropiere de 15 grade în jos pentru a începe o recuperare serioasă. Împreună cu acest lucru, totuși, a fost că odată ce aeronava s-a oprit complet, a început să coboare. Rapid.

Rata de coborâre a avut ca rezultat că forța g măsurată scade la aproximativ 0,6 g, vacilând între aceasta și 0,75 g. Apăsarea comenzilor în condiții normale pentru a ajunge la 15 grade în jos ar fi în afara experienței majorității piloților. Câți piloți ar recunoaște în continuare nevoia atunci când ar fi supuși forțelor g unde au simțit că deja cad? Piloții sunt învățați să „descarce” pentru a sparge taraba, dar dacă sunt deja „descărcați”? În circumstanțe normale, un stand la această altitudine ar putea necesita mai mult de 5.000 de picioare pentru a se recupera. În acest caz, ar fi luat mult mai mult. Aceasta înseamnă să împingeți înainte până la zero-g, probabil, jumătate de minut, noaptea, pe timp de furtună, când nu sunteți sigur ce se întâmplă, în timp ce aeronava tremură ca și cum ar fi condus lateral pe căile ferate!

Din momentul în care avionul s-a oprit efectiv până când a lovit apa a fost de aproximativ 3 minute. Nu prea mult timp pentru a rezolva ce se întâmpla.

În plus față de confuzia pe care o experimenta echipajul cu privire la ceea ce se întâmpla, a existat și o cantitate bună de oscilație în rol. Acest lucru se datorează probabil aerodinamicii unor unghiuri foarte mari de atac, unde fluxul poate avea efecte foarte dificil de previzionat. Pilotul care zbura a avut tot ce a putut face pentru a încerca să mențină aripile la nivel. Din păcate, permiterea aeronavelor să „se rostogolească” ar fi putut să împingă aeronava din stand, dar nu știau asta.

Din nou, dacă întâlniți bufet, o metodă care ar trebui să funcționeze pentru orice avion este să coborâți nasul și să mențineți un număr Mach constant prin reducerea tracțiunii. Indiferent dacă vă aflați în bufet de viteză mare sau mică, acest lucru vă va îndepărta de limitele bufetului.

În concluzie, ar trebui să fie clar că aspectele care înconjoară tarabele de mare altitudine sunt complexe. Așa cum s-a subliniat în articolele anterioare, tendința de așteptare și de confirmare joacă rolul lor. Într-adevăr, nu a existat prea mult timp pentru a rezolva totul, iar simulatoarele nu sunt capabile să replice situația în mod adecvat. Se speră că acest articol va oferi o oarecare înțelegere și „hrană pentru gândire” pentru piloții care se confruntă cu o astfel de situație. Pentru cei interesați de mai multe despre acest subiect, îmi recomand cartea scrisă împreună cu Roger Rapoport, „Angle of Attack”. Explorăm acest aspect și multe alte aspecte în detalii mult mai mari acolo.