«Угол гроба»: где самолёт сваливается и разгоняется одновременно

Высота 38 000 футов над Атлантикой, ночь с 31 мая на 1 июня 2009 года. Рейс Air France 447, новенький Airbus A330-200, идёт из Рио-де-Жанейро в Париж. В кабине — спокойный гул, на эшелоне всё штатно. А потом трубки на носу самолёта, которые меряют скорость, забиваются ледяными кристаллами — на считанные минуты. Автопилот, лишившись данных, щёлкает и отключается. На приборах скорость пляшет и врёт. Второй пилот делает движение, которое кажется самым естественным на свете: тянет ручку на себя, поднимает нос. И этим жестом отправляет лайнер с 228 людьми на борту в сваливание, из которого тот будет падать почти четыре минуты — с задранным к звёздам носом.

Чтобы понять, почему опытный экипаж не распознал происходящее, нужно разобраться в одной из самых коварных областей авиационной физики. У неё мрачное прозвище — «угол гроба» (по-английски coffin corner). Это не место на карте. Это узкий-узкий коридор скоростей на большой высоте, где у самолёта почти не остаётся права на ошибку.

Две скорости, которые вечно путают

Начнём с вещи, которая ломает интуицию даже у людей, далёких от авиации. У самолёта есть не одна скорость, а минимум две, и они не совпадают.

Первая — приборная скорость (IAS, indicated airspeed). Её показывает указатель в кабине. Работает он примитивно и гениально: в набегающий поток выставлена трубка — приёмник воздушного давления, трубка Пито. Поток давит в неё, прибор сравнивает этот напор с давлением неподвижного воздуха вокруг и переводит разницу в цифру. По сути указатель меряет не скорость как таковую, а скоростной напор — то, насколько сильно воздух бьёт в крыло и фюзеляж.

Вторая — истинная скорость (TAS, true airspeed). Это реальная скорость самолёта относительно воздушной массы, та, с которой он действительно пронзает пространство.

У земли, где воздух плотный, эти две величины почти совпадают. Но чем выше, тем воздух разрежённее — молекул на кубометр всё меньше. И вот тут начинается фокус. На 11 километрах воздух примерно вчетверо реже приземного. Чтобы создать тот же скоростной напор (а значит, ту же приборную скорость), самолёт должен физически лететь намного быстрее. Грубо: приборные 250 узлов на высоте 35 000 футов соответствуют истинным примерно 430 узлам. Прибор честно показывает 250, а самолёт несётся под 800 км/ч.

Запомним этот разрыв — он лежит в основе всей драмы. Крыло «чувствует» именно приборную скорость, то есть напор. А вот пространство самолёт проходит с истинной. И эти две вещи на высоте расходятся всё сильнее.

Нижний край: почему наверху сваливаются быстрее

Крыло держит самолёт в воздухе, пока через него идёт достаточный поток — достаточный напор. Уберите напор, и подъёмная сила исчезнет: машина провалится. Это сваливание (stall).

Скорость сваливания по приборам — величина почти постоянная, она про напор, а напор крыло ощущает одинаково на любой высоте. Скажем, условные 140 узлов приборной. Но вот истинная скорость, на которой наступит этот напор, с высотой неумолимо растёт — ровно по той же причине, что и в прошлой главе: воздух реже, надо лететь быстрее, чтобы набрать те же 140 по прибору.

И получается контринтуитивная картина. У земли самолёт сваливается, скажем, на истинных 250 км/ч. А на 12 километрах та же приборная скорость сваливания — это уже истинные за 400 км/ч. Нижняя граница, ниже которой нельзя, по истинной скорости лезет вверх вместе с высотой. Пол поднимается.

Казалось бы — не беда, летим быстрее, благо двигатели тянут. Но сверху опускается потолок.

Верхний край: когда воздух начинает заикаться

Самолёт летит дозвуковым. Но «дозвуковой» — это про машину целиком. Над крылом всё хитрее.

Крыло создаёт подъёмную силу, разгоняя воздух над своей верхней, выпуклой стороной: там поток идёт быстрее, чем сам самолёт. И когда лайнер летит, допустим, на 0,82 числа Маха (82% скорости звука), над крылом местами воздух уже разогнан до самого Маха — до звука. Возникают локальные сверхзвуковые зоны.

А там, где сверхзвуковой поток вынужден резко затормозить обратно до дозвука — на спинке крыла, — рождается скачок уплотнения (shock wave). Это тонкая, в доли миллиметра, стенка, на которой давление, плотность и температура воздуха меняются скачком. И скачок этот — гадость: он срывает пограничный слой за собой, поток отрывается от крыла, и начинается тряска.

Эту тряску зовут маховский бафтинг (Mach buffet). Самолёт вибрирует, как телега на брусчатке, подъёмная сила гуляет, рули теряют эффективность. Управляемость деградирует. Разгонишься ещё — будет хуже.

Та скорость, на которой над крылом впервые появляется звук, называется критическим числом Маха крыла (Mкр). У хорошего магистрального крыла она в районе 0,7–0,8 Маха. И вот она — верхняя граница, потолок, выше которого по скорости лезть нельзя. С набором высоты этот потолок тоже сдвигается — навстречу полу.

Угол гроба: где пол встречает потолок

Сведём всё вместе.

С набором высоты нижняя граница (истинная скорость сваливания) ползёт вверх. Верхняя граница (истинная скорость, при которой ловишь маховский бафтинг) ползёт вниз — потому что чем выше и холоднее, тем ниже истинная скорость, отвечающая всё тому же опасному числу Маха.

Две линии сближаются. И на некоторой высоте между ними остаётся коридор шириной в смешные несколько узлов. Вот эта вершина, где «лететь медленнее — свалишься, лететь быстрее — бафтинг», и есть угол гроба.

Представьте дорогу, которая поднимается в гору и одновременно сужается. Внизу — широкая трасса в десять полос: гони как хочешь. Выше полос всё меньше. А на самой вершине — тропинка в ширину колеса, с обрывом слева (свалишься) и обрывом справа (разгонишься, поймаешь бафтинг). Стой ровно. Не дёргайся.

И добивает то, что в этой точке всё работает на пределе одновременно. Разрежённый воздух хуже держит крыло. Двигатели в тонкой атмосфере выдают минимум тяги — разогнаться, если что, почти нечем. А запас по обоим краям — те самые единицы узлов. Любой порыв ветра, любой крен, любое резкое движение ручкой — и ты за краем коридора.

Почему лайнеры не лезут на самый верх

Здесь живёт второе разрушающее заблуждение пассажира: «попали в грозу — пусть пилот заберётся повыше и перепрыгнет». Не выйдет. И вот почему.

У каждого самолёта есть абсолютный потолок — высота, где коридор скоростей схлопывается в одну точку: единственная скорость, на которой машина ещё держится, зажатая между сваливанием снизу и бафтингом сверху. Выше — уже никак: подняться нечем, и любой манёвр выбрасывает за рамки. Это математический предел, а не рабочая высота.

Поэтому существует практический потолок — он ниже абсолютного, и именно на нём (а точнее, заметно под ним) лайнеры и крейсируют. Запас нужен на обе стороны: чтобы оставались спокойные узлы и до сваливания, и до бафтинга, чтобы манёвр, турбулентность и разворот не выкинули за край.

Грозовые облака, кучево-дождевые, верхушками протыкают 15–18 километров, а матёрые тропические — и за 18. Крейсерский потолок магистрального лайнера — около 12–13 километров. Перепрыгнуть грозу физически нельзя: её макушка выше любого доступного эшелона. Грозу обходят стороной по радару — но не перелетают.

И ещё деталь про запас. Когда самолёт тяжёлый — полные баки, полный салон, начало дальнего рейса, — крылу нужна бо́льшая подъёмная сила, а значит, выше скорость сваливания, и коридор у́же. Поэтому в начале длинного перелёта эшелон берут пониже, а по мере выработки топлива, когда машина легчает, подрастают — это называют step climb, ступенчатый набор. Самолёт буквально всплывает вслед за тем, как расширяется его безопасный коридор.

Стреловидное крыло: как отодвинули потолок

Если верхний край — это число Маха, при котором над крылом появляется звук, то логичный вопрос: можно ли заставить крыло терпеть бо́льшие скорости, прежде чем оно «заговорит» скачками? Можно. И главный приём здесь — стреловидность.

Идея изящная. Скачки уплотнения рождает не вся скорость потока, а только та её составляющая, что идёт поперёк передней кромки крыла — перпендикулярно ему. Так разверни крыло углом назад — и для него «работает» лишь часть набегающего потока. Самолёт несётся на 0,85 Маха, а стреловидное крыло ощущает поток так, будто он много медленнее. Критическое число Маха крыла отодвигается вверх — бафтинг приходит на бо́льшей скорости.

Вот почему все скоростные магистральные лайнеры — от Boeing 707 шестидесятых до сегодняшних A330 и 787 — с косыми крыльями. Стреловидность раздвигает угол гроба: поднимает верхнюю границу и тем расширяет коридор. Без неё крейсер на 0,8+ Маха был бы попросту невозможен — крыло захлёбывалось бы скачками гораздо раньше.

У стреловидности есть и обратная сторона — на малых скоростях, на взлёте и посадке, такое крыло держит хуже, оттого приходится навешивать сложную механизацию, все эти выдвижные предкрылки и закрылки. Но ради скоростного крейсера на высоте инженеры на это идут.

U-2: жить в углу гроба как профессия

Есть машина, для которой угол гроба — не аварийная экзотика, а штатное рабочее место. Разведчик Lockheed U-2, тот самый «дракон», что с пятидесятых ходит на запредельных высотах ради съёмки и разведки.

U-2 работает на высотах за 21 километр — там, где небо над головой уже почти чёрное, а внизу видна кривизна Земли. И на этой высоте его коридор скоростей сжат до предела: разница между сваливанием и маховским бафтингом — считанные узлы, по разным оценкам около десятка, а то и меньше. Пилоты прозвали этот зазор «уголком» и относятся к нему буквально как к краю пропасти.

Лететь там — постоянная балансировка на лезвии. Сбавил чуть — потянуло к сваливанию. Прибавил чуть — близок бафтинг. Несколько часов кряду, в скафандре, как у космонавта (на такой высоте без него кровь буквально вскипела бы), пилот вручную или на пределе возможностей автоматики удерживает машину в тончайшей полоске допустимого. Любая невнимательность, любой сильный порыв — и ты за краем. U-2 — живая иллюстрация того, что бывает, когда самолёт всю жизнь проводит в точке, которую обычный лайнер старательно обходит снизу с большим запасом.

Air France 447: сваливание, которое не узнали

Теперь вернёмся в ту ночь над Атлантикой — с пониманием физики на руках.

Высота около 38 000 футов, эшелон у верхней части рабочего диапазона A330. Самолёт входит в зону грозовой облачности на экваторе. Трубки Пито обледеневают — ледяные кристаллы забивают приёмники, и измерение скорости рушится: показания скачут, расходятся, врут. Автоматика устроена так, что без достоверной скорости она пилотировать отказывается — автопилот отключается, управление падает в руки экипажу, причём в деградированном режиме, где электроника уже не страхует от выхода на опасные углы.

И здесь срабатывает роковая интуиция. Пилотирующий лётчик тянет ручку на себя — поднимает нос. На малой высоте это безобидно: машина чуть полезет вверх. Но они — в углу гроба, у потолка, где запаса почти нет. Нос вверх — это рост угла атаки, угла между крылом и набегающим потоком. А угол атаки нельзя задирать бесконечно: за критическим углом поток с крыла срывается, подъёмная сила обрушивается. Самолёт сваливается.

Дальше — самое жуткое и самое поучительное. Сорвавшись, A330 не клюнул носом вниз, как сваливаются лёгкие самолёты в учебнике. Он провалился, сохраняя задранный нос, и пошёл к воде в режиме глубокого сваливания: нос смотрит вверх примерно на 15 градусов, а сам самолёт падает с колоссальным углом атаки — поток бьёт в крыло снизу почти под прямым углом, крыло не держит, машина проседает с вертикальной скоростью больше 10 000 футов в минуту.

Почему экипаж не понял? Сложилось всё против них разом. Скорость врала — главный прибор, по которому ловят сваливание, был недостоверен. Картинка обманывала: нос задран — а высотомер кричит, что падаем, мозг отказывается это сложить. Сигнализация сваливания вела себя предательски: на очень малых измеренных скоростях она по логике системы замолкала, а стоило пилоту чуть опустить нос — оживала, словно наказывая за правильное действие. И никто из троих в кабине так и не произнёс вслух простую вещь: мы свалились, надо отдать ручку от себя, разогнаться, вернуть поток на крыло. Они тянули на себя почти до конца.

Падение длилось около трёх с половиной минут. В 2:14 по Гринвичу A330 ударился о поверхность Атлантики, целым, на большой вертикальной скорости. 228 человек погибли. Бортовые самописцы достали со дна почти два года спустя, с глубины под четыре километра, — и они рассказали эту историю до секунды.

Что осталось

Угол гроба не делает авиацию опасной — наоборот, всё устроено так, чтобы в него не попадать. Лайнеры намеренно сидят ниже своего предела, всплывают ступеньками по мере того, как легчают, обходят грозы по радару вместо того, чтобы лезть выше. Стреловидное крыло раздвигает стенки коридора, автоматика держит самолёт в его середине. Запас, запас, запас — вся философия высотного полёта.

Трагедия 447 страшна именно тем, что показала: коридор сужается не только в физике, но и в голове. Стоило отказать одному датчику в неудачную минуту — и опытные пилоты не сложили картину, в которой задранный нос означал падение. После той ночи переписали тренировки: распознавание сваливания на большой высоте теперь вбивают отдельно и жёстко, а трубки Пито поменяли на менее охочие до льда. Угол гроба остался там же, где был, — высоко, узко и честно подчиняясь законам аэродинамики. Просто теперь к нему относятся ровно с тем уважением, которого он требует.