Штопор (пилотаж)

Што́пор в авиации — особый, критический режим полёта самолёта (планёра), заключающийся в его снижении по крутой нисходящей спирали малого радиуса с одновременным вращением относительно всех трёх его осей; неуправляемое движение самолёта на закритических углах атаки. При этом самолёт переходит на режим авторотации. Штопору предшествует потеря скорости и сваливание. В ряде случаев предштопорное состояние самолёта характеризуется предупредительной тряской.

Является фигурой высшего пилотажа, позволяющей быстро сбросить высоту, без угрозы превышения ограничения по скоростному напору. Пилотажные самолеты должны как просто вводиться в штопор, так и легко выходить из него (в том числе в плоский и перевернутый), а пассажирские и транспортные трудно входить в штопор и самостоятельно выходить из него. Ситуация, когда аэродинамика самолета, в случае сваливания, не позволяет вообще вывести его из штопора (как это бывает у некоторых пассажирских лайнеров) является крупным конструктивным дефектом.

Классификация штопора

Прямой штопор

Обратный штопор

Плоский штопор

Штопор подразделяется по виду:

• нормальный (прямой) — самолёт движется на положительных углах атаки.
• перевёрнутый (обратный) — самолёт движется на отрицательных углах атаки, то есть «пилот висит на ремнях».

По углу наклона продольной оси самолёта к горизонту:

• крутой (50—90°)
• пологий (30—50°)
• плоский (<30°)

По направлению движения самолёта:

• левый штопор — вращение против часовой стрелки,
• правый штопор — вращение по часовой стрелке.

По степени изменения средних параметров движения самолёта в штопоре от витка к витку:

• установившийся (устойчивый) — параметры практически неизменны,
• неустановившийся (неустойчивый) — параметры изменяются.

По характеру изменения параметров движения самолёта в процессе выполнения одного витка:

• равномерный — все параметры движения самолёта в режиме близки к своим средним значениям, изменение по времени угловых скоростей, углов атаки и скольжения небольшие.
• колебательный штопор — параметры движения самолёта изменяются значительно

Развитие штопора

Самолёт может войти в штопор непроизвольно из-за ошибки лётчика, или может быть введён преднамеренно для ознакомления лётчика с особенностями поведения самолёта на штопоре, обучения технике входа и выхода из штопора и как выполнение одной из фигур пилотажного комплекса.

Предпосылкой к попаданию самолёта в штопор является выход на закритические углы атаки или углы скольжения (аэродинамический подхват) и сваливание. Если происходит асимметричный срыв потока (например, вследствие скольжения или действия элеронов), то возникают моменты сил, придающие самолёту вращение вокруг осей. Если самолёт имеет хорошие противоштопорные характеристики, то вращение быстро затухает и происходит обычное сваливание, набор скорости и выход на нормальный режим полёта. В противном случае, самолёт попадает в режим устойчивого вращения, при котором асимметрия обтекания усугубляется и затягивает самолёт в установившийся штопор. В случае, если пилот попытается потянуть штурвал или РУС на себя, велика вероятность перехода в плоский штопор, с большими углами атаки и угловыми скоростями вращения. Выход из этого режима весьма затруднён.

Опасность штопора

Эффективность управляющих поверхностей при штопоре падает, а быстрое вращение может привести к дезориентации пилота, что затрудняет выход из штопора. Существенное падение подъёмной силы приводит к быстрой потере высоты, что представляет значительную опасность, особенно на малых высотах полёта. Всё это требует от пилота умения избегать сваливания (если только нет цели выполнить штопор преднамеренно), распознавать предвестники сваливания и штопора (тряска, сигнал АУАСП и т. п.) и при возникновении штопора выводить из него самолёт на безопасной высоте.

При плоском штопоре воздушно-реактивные двигатели не получают необходимого набегающего потока воздуха, что может привести к срыву стабильной работы двигателя (помпаж), что еще более затрудняет выход из штопора.

Штопор самолёта является одной из наиболее трудных фигур сложного пилотажа.

Выход из штопора

Существует несколько методов вывода самолёта из штопора, в зависимости от модели самолёта и от типа штопора. Общий принцип всех методов: остановить вращение, увеличить скорость, восстановить эффективность рулей, прекратить срыв потока на обеих консолях крыла, переведя аппарат в нормальный полёт со снижением и набором скорости.

В процессе лётных испытаний опытных самолётов, чьи штопорные характеристики ещё неизвестны, для обеспечения надёжного выхода из уже развившегося (устойчивого) штопора применяются противоштопорные парашюты или ракеты.

Уилфред Парк

Впервые случайный выход из штопора осуществил британский авиатор Уилфред Парк. В августе 1912 года из-за ошибки пилотирования его биплан Avro G вошёл в левый штопор на высоте 200 метров. Пытаясь погасить сильную продольную перегрузку, Парк полностью отклонил руль направления вправо (то есть в сторону, противоположную направлению вращения аэроплана). Самолёт вышел из штопора на высоте всего 15 м.

Константин Арцеулов

Впервые преднамеренный ввод самолёта в штопор на аэроплане «Ньюпор-XXI» осуществил 24 сентября 1916 российский военный лётчик Константин Константинович Арцеулов, внук художника-мариниста Ивана Айвазовского. На высоте 2000 м он два раза подряд вводил машину в штопор и благополучно выводил её.

Штопор на пассажирских самолётах

На транспортных (особенно пассажирских) самолётах, не предназначенных для высшего пилотажа, вывод из штопора не предусмотрен, а программы лётных испытаний таких самолетов не включают проверки штопорных характеристик. Причины этого следующие:

• При штопоре возникают значительные знакопеременные нагрузки на силовые элементы конструкции, допустимые только для пилотажных самолетов и истребителей, обладающих достаточным запасом прочности. Воздействие таких нагрузок на конструкцию большого и тяжёлого транспортного самолета, рассчитанную на экономичные режимы полета, приводит к деформации силовых элементов, а в отдельных случаях — к их разрушению, поэтому испытать такой самолет на штопор без его повреждения затруднительно.
• Надёжный вывод самолета из штопора требует от пилота как хороших навыков управления самолётом в нештатных (пилотажных) режимах, так и развитого «чувства самолёта» — как модели/серии, так и конкретного воздушного судна. У пилотов пассажирских самолетов отсутствует возможность для регулярных тренировок в таких условиях.
• Для любого самолёта, кроме пилотажного, а также сверхманевренных истребителей, сам факт попадания в штопор является аварийной ситуацией — как, например, для современного легкового автомобиля, предназначенного для движения по асфальту, аварийной ситуацией является съезд на большой скорости с асфальтовой дороги на влажную глинистую обочину. После того, как такой съезд произошел, автомобиль становится неуправляемым при отсутствии навыков контр-аварийного вождения. То же происходит с тяжёлым самолётом в штопоре. В то же время, соблюдение несложных правил безопасности снижает вероятность подобных ситуаций до очень малых величин.
• Расследование авиакатастроф, в которых штопор привёл к падению самолёта (список наиболее известных приведён ниже), показывает, что в большинстве случаев к возникновению штопора приводил ряд грубых пилотажных ошибок экипажа при штатных условиях полёта, а также грубые нарушения экипажем требований авиабезопасности. В такой ситуации нет оснований полагать, что наличие технической возможности вывода самолёта из штопора могло бы предотвратить катастрофу.
• В пассажирской авиации основные усилия направлены на предотвращение выхода самолёта из штатных эксплуатационных режимов, одним из следствий которого может быть развитие штопора. Для этого принимаются меры к расширению допустимого диапазона углов атаки, возникновению хорошо заметной предупредительной тряски при срыве потока, самопроизвольному уменьшению самолётом угла атаки за счёт аэродинамических особенностей крыла, достаточно совершенная компьютерная пилотажная система и т. п.

Разработка теории штопора

Проблемой штопора в 1918-1919 годах занимался английский учёный Г. Глауерт. Теоретическое обоснование штопора впервые разработано советским учёным В. С. Пышновым в работе «Самовращение и штопор самолётов» (1927).

А. Н. Журавченко продолжил исследование на приборе Ш-1 (1935 г.). Но аэродинамические характеристики, полученные на Ш-1, были недостаточно точными. Достаточно надежное разрешение проблемы штопора было получено в дальнейшем, на основе экспериментальных методов исследований динамически подобных моделей в вертикальной трубе ЦАГИ Т-105.

В исследование штопора большой вклад внесли учёные ЦАГИ, летчики-испытатели ЛИИ, а также инженеры различных ОКБ. В частности, большой вклад в исследование динамики штопора внёс летчик-испытатель А. А. Щербаков.

Известные авиакатастрофы, произошедшие в результате сваливания самолёта в штопор

• Авиакатастрофа Ту-104 17 октября 1958 года
• Катастрофа самолёта МиГ-15 УТИ, управлявшегося Юрием Гагариным и Владимиром Серёгиным, 27 марта 1968 года
• Катастрофа Canadair CL-600 Challenger во время испытательного полёта в 1980 году; один из пилотов погиб (другой спасся на парашюте)
• Катастрофа самолёта Ту-154Б под Учкудуком 10 июля 1985 года
• Катастрофа Canadair RJ100 в испытательном полёте, 1991 год
• Катастрофа Airbus A310 под Междуреченском в 1994
• Катастрофа Ту-154 под Иркутском (2001)
• Катастрофа MD-82 под Мачикесом, Венесуэла, 16 августа 2005 года
• Катастрофа Ту-154М рейса 612 под Донецком 22 августа 2006 года

Литература

• М.Г. Котик. Динамика штопора самолета. — М.: Машиностроение, 1976. — 328 с.
• Каталог фигур высшего пилотажа Арести ФАИ = FAI Aresti Aerobatic Catalogue. — Federation Aeronautique Internationale, 2002.

Ссылки

• Описание штопора на www.airhorse.narod.ru
• Пилот СУ-57 выполнил плоский штопор