Характер разрушений ВС при аварийной посадке зависит от ряда факторов:
- конструкции ВС;
- параметров полета ВС: горизонтальной и вертикальной скоростей, углов тангажа, рыскания и крена;
- характера поверхности, на которую выполняется посадка;
- перегрузок при торможении и нагрузок на отдельные части конструкции ВС;
- имеющихся неисправностей и повреждений ВС, полученных до посадки;
- запаса прочности элементов конструкции ВС.
На характер пожарной обстановки влияют:
- повреждения ВС, полученные при посадке,
- наличие источников поджига топлива (включая пожар, начавшийся в воздухе);
- вид, используемого топлива;
- расположение топливных и масляных баков, гидравлических аккумуляторов, силовых проводов электросети и т.п.
- свойств материалов конструкции ВС.
При посадке ВС теряет свою кинетическую энергию за счет торможения, аэродинамического сопротивления и реверса тяги двигателей. Инерционные нагрузки, возникающие при обычной посадке, не вызывают дискомфорта у пассажиров и не приводят к повреждению конструкции. По различным причинам нагрузка на шасси может превысить допустимую для её элементов. Наиболее часто встречается разрушение пневматиков. При этом могут повреждаться трубопроводы гидросистемы, что может привести к пожару шасси. Посадка с отрицательным тангажом, как правило, приводит к поломке носовой стойки и повреждениям носовой части фюзеляжа.
Элементы конструкции планера ВС рассчитываются по принципу равной прочности. Общий коэффициент запаса прочности транспортных ВС находится в пределах 5 – 7 единиц. Отдельные детали и узлы ВС имеют повышенный запас прочности. В первую очередь это относится к креслам экипажа и пассажиров. По ранее принятым FAA требованиям, кресла должны выдерживать инерционные перегрузки 9 g в продольном направлении, 2 g в направлении вертикально вверх, 4,5 g - вертикально вниз и по 1,5 g в любом боковом направлении [5]. САА также приняло в качестве нормативных указанные значения перегрузок отдельно для каждого направления при максимальном значении суммарного вектора, равном 9 g. Новые требования, принятые в Европе и США, включают в себя обеспечение статической прочности при максимальной инерционной боковой перегрузке, увеличенной с 1,5 до 4,5 g, при перегрузке, направленной вниз, с 4,5 до 6,5 g, а также требования о проведении динамических испытаний кресел и привязных устройств с соблюдением следующих условий комбинированного нагружения:
1) сочетание продольной и направленной вертикально вверх перегрузок, соответствующих суммарному вектору ускорения 14 g, и
2) сочетание продольной и боковой перегрузок с максимальным суммарным вектором, также равным 14 g.
На основании экспериментов, проведенных институтом авиационной медицины FАА США [6], было установлено, что перегрузки, равные 9 g при скорости встречи с препятствиями 7, 93 м/с обеспечат оптимальные условия динамического нагружения образцов. При перегрузках более 9 g возникали существенные остаточные деформации конструкции кресел. Были проведены дополнительные испытания образцов при перегрузках до 20 g и скорости встречи с препятствием до 15,86 м/с, целью которых было определение разрушающих нагрузок и местоположения относительно слабых участков конструкции.
По современным требованиям норм летной годности на самолетах пассажирские кресла должны выдерживать перегрузку вперед – 9g, вниз – 10g, на вертолетах, соответственно – 14g и 20g. Для шасси коэффициент запаса прочности составляет 8 – 10 единиц. Креслам придается повышенная прочность, чтобы они не могли разрушиться при грубой посадке и травмировать пассажиров.
Шасси предназначены для восприятия удара при приземлении и рассеивания кинетической энергии ВС. На поломку шасси при грубой посадке уходит около 30% кинетической энергии ВС. Тем самым уменьшаются повреждения планера ВС и пассажирского салона.
Данные, полученные в результате испытаний и авиационных происшествий [7 – 12], свидетельствуют, что наиболее частыми повреждениями ВС являются поломки стоек шасси и отрывы двигателей, расположенных на пилонах. Реже происходят отсоединения частей крыла и фюзеляжа. Однако, несмотря на значительные повреждения ВС, человеческих жертв может не быть [6 – 10]. Это объясняется тем, что на разрушение конструкции ВС расходуется его кинетическая энергия. Благодаря чему перегрузки, действующие на пассажиров, снижаются до безопасных.
Схема шасси ВС влияет на его устойчивость во время движения на пробеге. Опасность капотирования оценивается при принятии решения о выпуске шасси при вынужденной посадке вне аэродрома.
Если отношение длины фюзеляжа к клиренсу более 40, то такой самолет капотировать не может. Схемы сил и моментов, действующих на самолеты при посадке, представлены на рисунках 6.1 – 6.3. Самолеты с носовым колесом выполняют посадку с тангажом около 70 и экипаж старается как можно дольше совершать пробег на основных стойках (чтобы не подломать переднюю стойку шасси). Тогда опускание на переднюю опору происходит на меньшей скорости. В случае подлома передней стойки торможение носовой частью значительно увеличивается. Величина пикирующего момента недостаточна для преодоления кабрирующего, т. к. точка вращения самолета переносится в носовую часть (рис. 6.2) и кабрирующий момент возрастает скачкообразно. Капотирование возможно только при
Мп › Мк.
Самолеты с хвостовым колесом выполняют посадку на три точки (рис. 6.3). Угол между горизонтом и прямой соединяющей точку приложения сил торможения и центр тяжести более 450. При резком торможении он может увеличиться, что приводит к преобладанию пикирующего момента над кабрирующим и, как следствие, к капотированию.
Самолеты с носовым колесом более устойчивы на пробеге, чем с хвостовым. Это объясняется тем, что у самолетов с носовым колесом центр торможения находится сзади центра инерции (центра тяжести). У самолетов с хвостовым колесом центр торможения находится впереди центра тяжести. Поэтому, силы инерции стремятся развернуть самолет на 1800. Командир ВС парирует разворачивающий момент движением педалей, растормаживая одно из колес.
При опускании передней опоры самолета с носовым колесом важное значение имеет угол рыскания и сила торможения носового колеса. Если угол рыскания меньше угла поворота носового колеса, то КВС, как правило, удерживает самолет на полосе. В противном случае разворачивающий момент
Мр увеличивается до величины большей, чем восстанавливающий момент
Мв. Начинается прогрессирующий разворот ВС. Он опасен тем, что на пассажиров начинает действовать боковая перегрузка и крепления привязных ремней могут разрушиться. При движении самолета хвостом вперед возможно выскальзывание пассажиров из-под слабо затянутых привязных ремней из-за отрицательной перегрузки.
При движении юзом возрастают боковые нагрузки на шасси, и возникает кренящий момент. Это приводит к разрушению тележек шасси, разрушению гондол шасси с последующим разрушением консоли крыла. Это чревато переворачиванием самолета на спину второй полуплоскостью.
При посадке на фюзеляж разрушение крыла низкопланов закономерно. Разрушение крыла среднепланов и высокопланов происходит в процессе неуправляемого разворота или при столкновении даже с незначительными препятствиями. Пожар неизбежен.
Поэтому, современные транспортные самолеты посадку на сушу должны выполнять только с выпущенным шасси. Исключением является посадка на поверхности, на которых шасси сразу проваливается: на воду, болото, глубокий снег, лед неизвестной толщины и песок. Как показывает практика авиационных происшествий, посадку на лес безопасней выполнять с выпущенным шасси. Во время движения шасси ломает верхушки деревьев и тем самым смягчает посадку.
Европейский Совет по безопасности на транспорте на основании анализа АП с 1970 года утверждает [13]: «Примерно 90% АП может быть отнесено к категории АП «с выживанием» или АП «технически (потенциально) выживаемым». Установлено, что каждый год из 1500 человек погибших в авиационных катастрофах 900 погибают в АП «без возможности выживания»; остальные 600 погибают в АП, в которых имеется возможность выживания. Из указанных 600 человек 330 погибают в результате прямого (первого) удара, а 270 – в результате удушения дымом или токсичными газами, под воздействием тепла, а также в процессе эвакуации».
Следует отметить, что гибели людей при пожаре и эвакуации способствуют повреждения ВС, полученные в процессе посадки. Поэтому, посадка должна производиться с минимальной кинетической энергией и с конфигурацией ВС, обеспечивающей минимальные разрушения кабины и пассажирского салона.
Даже за счет разрушения шасси ВС.
NASA и FAA США провели анализ катастроф, которые произошли с 1958 по 1979 г. [14]. За это время имели место 993 катастрофы широкофюзеляжных реактивных транспортных самолетов, из которых 176 были хорошо документированы. Они были отобраны для детального анализа.
В результате проведенного анализа выяснилось, что 28% катастроф произошло на этапах взлета и набора высоты и 54,5% - на этапах снижения и посадки. Последние условно разделены на три группы:
А – приземление, жесткая посадка.
В – приземление, заход на посадку и снижение в плохих метеорологических условиях.
С – пробег, руление по земле.
Подавляющее большинство катастроф относилось к группе А, при которых самолет сталкивался с землей на большой вертикальной скорости при выпущенных или убранных шасси. При этом катастрофы относились к категории выживаемых. По условиям эксперимента самолет должен столкнуться с ВПП с поступательной скоростью 280 км/ч, вертикальной скоростью 5,2 м/с при угле глиссады 3,3 – 40 и угле тангажа 10. на участке ВПП были установлены ножевые элементы, чтобы при столкновении с ними крыло было подрублено с обеих сторон фюзеляжа и гарантировалась утечка топлива от 76 до 380 л/с. Для поджога топлива были переоборудованы посадочные огни, и в хвостовой части самолета установлены два форсуночных генератора пламени. На самолете установлены 305 акселерометров и 45 тензодатчиков. Вдоль ВПП установлены видеокамеры. Для эксперимента использовался самолет Boeing-720, управляемый с земли по радио. Во всех экспериментальных креслах располагались антропогенные манекены.
Обеспечить запланированное столкновение в полной мере не удалось. В момент первого удара о ВПП самолет имел левый крен около 130 и примерно такой же угол рыскания по курсу. Угол тангажа составлял около 00. горизонтальная скорость 280 км/ч, вертикальная – 5,2 м/с. Первый удар пришелся на левый внешний двигатель. После того, как левое крыло столкнулось с землей, фюзеляж ударился носовой кабиной о ВПП на 0,5 с позже с тангажом -2,50 и вертикальной скоростью центра тяжести 3,6 м/с. Крыло поглотило большую часть кинетической энергии и значительно ослабило динамические нагрузки при столкновении фюзеляжа.
Пиковое значение нагрузок от вертикального ускорения на уровне пола кабины экипажа имело место в районе ниши носовой стойки и составляло приблизительно 14 g. В остальной части кабины на уровне пола оно не превышало 7 g. Уровень перегрузок, полученных в кормовой части фюзеляжа, составил около 4 g.
Максимальное значение продольных уровней ускорения не превышало 7 g. На остальных уровнях были меньше 4 g. Последующие пики ускорений на уровне пола кабины экипажа и пассажирского салона колебались от 5 g в носовой части фюзеляжа до 1 g – в его кормовой части.
Передача нагрузки через фюзеляжные секции на багажное отделение и манекены была значительно снижена за счет разрушения и поглощения энергии конструкцией фюзеляжа. Например, на днище средней части фюзеляжа экспериментально получен пик вертикальной перегрузки в 32 g продолжительностью 0,04 с, а на уровне багажного отделения за счет деформации фюзеляжа перегрузка была уменьшена до 6 - 7 g с продолжительностью 0,15 с. На уровне пола была приблизительно такой же, как в багажном отделении на этом сечении фюзеляжа.
Энергопоглощающие кресла NASA, которые были размещены в кормовой части фюзеляжа, получили очень низкие уровни нагрузки и не испытали на себе удара.
Полученная картина распространения огня и дыма в пассажирском салоне и основные нагрузки на кресла и пассажиров в значительной степени подтвердились при последующих столкновениях самолетов типа Boeing-747 и DC-6 [21].
Результаты, полученные в ходе выше приведенного натурного эксперимента NASA и FAA США, подтверждаются в ряде катастроф, произошедших с отечественными пассажирскими самолетами.
При грубой посадке с выпущенным шасси на твердый грунт сначала разрушаются пневматики, затем тележки шасси, затем «вырываются» стойки шасси. Стойки шасси могут оторваться вместе с тележками, но могут привести к отрыву крыла целиком (Ту-134А, Пенза, 1986 г.). При разрушении шасси могут быть повреждены трубопроводы гидросистемы с последующим возгоранием гидравлической жидкости. Как правило, пожар шасси не приводит к человеческим жертвам. Исключением могут быть случаи, когда одновременно повреждаются кессон-баки или трубопроводы топливной системы. Тогда пожар шасси перерастает в пожар разлитого топлива.
Посадка с одной выпущенной передней стойкой шасси крайне не желательна. Так как в момент касания о ВПП (землю) хвостовая часть самолета проседает, что приводит его к взмыванию в воздух и полету за пределы ВПП. При сильном проседании самолет может удариться о ВПП и получить дополнительные повреждения.
Масштаб повреждений зависит от силы удара и от конструкции самолета. При грубых посадках наблюдались различные повреждения. Самолеты с усиленной конструкцией гермокабины (Ту-134) получали разлом фюзеляжа за гермошпангоутом с отделением хвостовой части. Самолеты, имеющие две выраженные усиленные части (Ту-154) получают разломы на границе между ними. Ту-154 получал разломы по 49 шпангоуту. Фюзеляж многих типов транспортных самолетов разламывается на три части: носовую, среднюю (вместе с центропланом) и хвостовую. При деформации фюзеляжа происходит заклинивание основных и аварийных выходов.
При посадке с креном или скольжением при сильном боковом ветре возможно касание земли крылом из-за избыточного крена или подлома стойки шасси. Это приводит к разрушению полуплоскости и переворачиванию самолета на спину (Ту-134, Куйбышев, 1986 г.). Пассажиры повисают вниз головой на привязных ремнях. Это значительно затрудняет их эвакуацию.
При выкатывании за пределы ВПП самолеты могут столкнуться с препятствиями. Это может привести к разрушению шасси, винтов и других частей при столкновении с антеннами или фонарями. При столкновении со зданиями и сооружениями может произойти последовательный отрыв плоскостей и вращение ВС вокруг продольной оси (Як-40, Бердянск, 1987 г.) или разрушение носовой части фюзеляжа и крыла (А-310, Иркутск, 2006 г.). Такие столкновения всегда приводят к интенсивным пожарам.
В соответствии с требованиями норм летной годности каждое кресло (сиденье), узлы его крепления к самолету, средства фиксации в нем человека и узлы их крепления к креслу (сиденью, конструкции самолета) должны быть спроектированы с расчетной массой пассажира и бортпроводника равной 80 кг, а члена экипажа 90 кг. Приложение динамических нагрузок и моментов на пассажирское кресло показано на рисунке 6.4. При посадке на твердый грунт разрушение узлов крепления происходит при семикратной перегрузке (
Fср.к. = 7F).
Срезание цапф крепления стоек шасси происходит при пятикратной перегрузке. При отношении высоты стоек к расстоянию между цапфами равном 4, сила срезания цапфы
Fср.ц. = 20F. Стойки шасси разрушаются, тем самым предохраняют разрушение креплений кресел.
| | | |
|
| | |
| |
| F – расчетная нагрузка. Fср.к. = 7F – сила срезания крепления кресла. Fcр.ц. - сила срезания цапфы крепления шасси. При h:l = 4 и kш = 5, Fcр.ц. = 20F |
| |
| | | |
1. Посадка на твердый грунт.
| | | | | |
|
| | | | |
| | | | | |
| |
| F – расчетная нагрузка. Fср.к. = 7F – сила срезания крепления кресла. Fц. – фактическая нагрузка на цапфу крепления шасси. При h:l = 1 и kш = 5, Fcр.ц. = 5F ‹ 20F Крепление кресел срезается раньше, чем может срезаться цапфа крепления шасси. |
| | | |
| |
| | | |
| | | | | |
2. Посадка на болото, воду, песок и глубокий снег.
Рис. 6.4. Динамические нагрузки на шасси и пассажирские кресла при посадке ВС
на поверхности различной прочности.
Если шасси проваливается, то точка приложения силы торможения смещается вверх. При уменьшении отношения высоты приложения равнодействующей сил торможения к расстоянию между цапфами до единицы, для их разрушения потребуется двадцатикратная перегрузка. Значит, раньше разрушатся крепления кресел. Стоит одному креслу сорваться с креплений и оно будет сбивать с креплений все впереди стоящие кресла (эффект домино). В некоторых Инструкциях по безопасности для пассажиров, имеющихся в каждом кресле, дается непродуманная рекомендация упереться руками в спинку переднего кресла. Таким образом, пассажир переносит нагрузку со своего кресла на впереди стоящее. Это приведет к разрушению его крепления при перегрузке в два раза меньшей расчетной. Последствия известны.
Опасность разрушения крепления пассажирских кресел заключается в том, что у пассажиров происходят переломы ног и травмирование мягких тканей с возникновением сильных кровотечений. Пассажиры зажимаются между креслами, баррикадируются проходы и аварийные выходы.
Разрушение пассажирского салона относится к наиболее опасному виду, так как кроме поражения пассажиров во время торможения, значительно затрудняется их эвакуация.
При повреждении крыла и трубопроводов, расположенных в фюзеляже, происходит разлив топлива, которое возгорается, если есть источник поджига (искрение, нагретые до температуры воспламенения части двигателей и фюзеляжа).
Пожары на ВС можно разделить на следующие основные группы:
- пожар шасси;
- пожар в гондоле и внутри двигателя;
- пожар разлитого топлива (односторонний, двусторонний);
- внутрифюзеляжные пожары (в пассажирском салоне, в багажных отсеках, в технических отсеках).
В зависимости от особенностей возникновения и протекания данных видов пожаров и их влияния на безопасность полетов, предусматривается различная противопожарная защита [15].
Пожар шасси обнаруживается визуально. Кок правило, в первую очередь воспламеняется пролившаяся из разрушенных трубопроводов гидрожидкость. От нее воспламеняется резина. Дым при их горении черный, густой. Если начавшийся пожар не погасить, то через 6-8 минут могут воспламениться магниевые сплавы деталей шасси. Их температура возгорания составляет 600С (алюминиевых – 800С), что в 1,5-2 раза меньше, чем температура горения резины или гидрожидкости. Горение магниевых сплавов характеризуется высокой температурой (около 3000°С) и сопровождается ярким свечением с выделением густого белого дыма.
В полевых условиях для тушения горящей резины и гидрожидкости экипаж может применить переносные огнетушители (пенные, углекислотные, хладоновые) или забрасывать пламя снегом или землей.
Магниевые сплавы тушить углекислотой нельзя, это только усилит горение. При тушении водой возможно разбрызгивание расплавленного металла и микровзрывы гремучей смеси, так как вода при высоких температурах разлагается на кислород и водород.
Так как шасси большинства, самолетов расположены под крылом, то их пожар опасен возможным нагревом и взрывом топливных баков.
Пожар внутри двигателей и в отсеках силовых установок обнаруживается в первую очередь с помощью датчиков пожарной сигнализации, а также визуально. Пожаротушение производится с помощью бортовой системы, имеющей несколько очередей срабатывания.
К особенности развития пожара во внутренних полостях двигателей относится то, что сами нагретые детали внутри них могут длительное время являться источником воспламенения горючих паров даже после ликвидации пожара.
Применение в конструкции двигателя титановых сплавов повышает пожароопасность. Титан плавится при температуре 1704°С, расплавленный титан, взаимодействуя с кислородом, дает температуру горения 3093°С. При этом возможен прожог корпуса двигателя и выброс расплавленного титана в мотогондолу, что приведет к прогоранию масло- и топливопроводов.
Экипаж обязан провести пожаротушение двигателей и отсеков СУ в соответствии с РЛЭ ВС.
Пожар разлитого топлива характеризуется большой площадью горения и для его ликвидации требуется большое количество огнегасящего вещества. Количество горючей жидкости при наличии течи топливных баков постоянно растет и это способствует распространению пожара.
Если топливо горит только с одной стороны фюзеляжа (односторонний пожар), то эвакуация пассажиров и экипажа производится с противоположного борта, При двустороннем пожаре эвакуацию предпочтительней производить с наветренной стороны, чтобы не задымлялась кабина. В то же время, фюзеляж охвачен огнем. Это приводит к интенсивному росту температуры внутри салона [16, 17]. За первые 2-2,5 минуты температура под потолком кабины достигает до 300°С, у пола она составляет 60-80°С.
Через 4 минуты прогорает обшивка фюзеляжа и пламя проникает внутрь. От резкого скачка температура и выделения большого количества токсичных газов условия в кабине становятся несовместимыми с жизнью. Тушение разлитого топлива силами экипажа практически невозможно.
В кабинах экипажа, буфетах и кухнях причиной пожара могут стать неисправности в электросистемах; в гардеробах, туалетах, впассажирских салонах - нарушения пассажирами правил авиаперевозок (курение, перевозка огнеопасных веществ). В перечисленных отсеках пожар обнаруживается пассажирами или членами экипажей по появлению дыма. Аналогично обнаруживается пожар, возникший в техническом отсеке под полом пассажирского салона. Изначально интенсивность таких пожаров не высокая. Они могут быть ликвидированы с помощью ручных огнетушителей, имеющихся в салоне. Но пожары в пассажирском салоне и под его полом являются интенсивными стрессогенными факторами, что в совокупности с запоздалым вмешательством экипажа может привести к катастрофе (L - 1011, Эр-Рияд, 1980г.).
При несвоевременном начале пожаротушения емкости огнетушителей может не хватить. Ручной огнетушитель рассчитан на тушение пожара площадью один квадратный метр. При сгорании интерьера салона выделяются токсичные вещества (синильная кислота, окись углерода и т. п.) Они являются более опасными, чем пламя и высокая температура воздуха, так как приводят к быстрому отравлению людей и, из-за удушающего воздействия, вызывают «активную панику».
Для обнаружения пожара в багажно-грузовых отсеках устанавливаются сигнализаторы дыма. Для ликвидации пожара применяются углекислотные или хладоновые ручные огнетушители.
Для предотвращения распространения пламени в отсеках применяются трудносгораемые или самозатухающие декоративно-отделочные и конструктивные материалы.
Тушение пожаров в технических отсеках, как в герметичной части, так и в негерметичной, как правило, объемное. Огнетушащее вещество подается через специальные люки и штуцера.
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство воздушного транспорта
ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет
гражданской авиации»
Чугунов В. И.