Может ли авиалайнер превысить 1 Мах в пикировании в невесомости и безопасно восстановиться?

На самом деле есть некоторые данные (хотя и ограниченные) по этому сценарию:

21 августа 1961 года это испытание было проведено на DC-8 . Когда проводился этот тест, они были сверхзвуковыми в течение примерно 16 секунд, что потребовало тщательного планирования. Сначала вам нужно подняться выше, чем обычно делает самолет, чтобы иметь достаточную высоту, чтобы осуществить это, а затем убедиться, что вы понимаете, как нагружаются поверхности управления в пикировании. Вы выходите сразу, планируя это и точно понимая , что происходит:

Мы подняли его на высоту 10 миль, 52 000 футов — это рекорд — и разогнали его до половины акселерометра. Билл выдерживал около 50 фунтов толчка. Он не подрезал его для погружения так, чтобы он хотел вырваться сам. Во время погружения на высоте около 45 000 футов скорость достигала 1,01 Маха примерно 16 секунд, после чего он пришел в себя. Но восстановление было немного пугающим. Когда он отъехал назад, лифт не работал; он ничего не делал, поэтому он сказал: «Хорошо, я буду использовать стабилизатор», а стабилизатор не работал. Заглох из-за нагрузки. То, что он сделал, потому что он был умен, это то, что не сделал бы ни один другой пилот: он больше уходил в пикирование, что уменьшало нагрузку на стабилизатор. Он смог запустить двигатель [стабилизатора] с разгруженной нагрузкой и восстановился на высоте около 35 000 футов.

Помните, что вы ныряете быстро, очень быстро, поэтому, скорее всего, вы не сможете двигаться намного быстрее, поскольку в конечном итоге у вас не хватит времени для ускорения:

Само число Маха не используется в пикировании в качестве цели, потому что гораздо точнее использовать воздушную скорость. Так что через каждую тысячу футов я считывал Биллу скорость полета, [которая ему была нужна] на следующей высоте. Пока мы спускались, я почти все время говорил, потому что при скорости снижения 500 футов в секунду каждые две секунды мы опускались на 1000 футов ниже. Глядя в окно — что я перестал делать — казалось, что оно было прямо вниз.

Хитрость заключается в том, чтобы не перенапрягать планер.

Катастрофа рейса 841 авиакомпании TWA в 1979 году с участием Боинга 727 очень близка к вашим условиям. Не погружение в невесомости, а непреднамеренное погружение по спирали, начинающееся на высоте 39 000 футов, достигающее скорости 0,96 Маха на высоте 31 800 футов, переходящее в пикирование носом вниз под углом 90 градусов на высоте 29 000 футов с полной потерей контроля над управлением. Поскольку скоростные тормоза неэффективны, пилот выпустил шасси, пытаясь замедлить самолет, и, наконец, восстановил управление на высоте около 5000 футов. Самолет благополучно приземлился. Восемь пассажиров получили легкие травмы, большинство из которых стояли и были вынуждены лечь на пол и удерживаться там силой ускорения 6-G. Самолет получил повреждения, но его отремонтировали и вернули в строй.

Википедия

Отчет NTSB (PDF)

После того, как вы преодолеете звуковой барьер, перед вашими основными и хвостовыми крыльями возникнет ударная волна. Хотя конструкция крыльев на современных самолетах может выдержать такую ​​ситуацию и по-прежнему может создавать некоторую подъемную силу (что невозможно для традиционных крыльев, что приводит к фатальному сваливанию), управляющие поверхности на основных и хвостовых крыльях почти потеряют свой эффект (т. ударная волна перед крылом ослабит энергию воздушного потока вблизи руля). Так что подтянуться с нормальными рулями будет крайне сложно.

Однако у вас есть и другие эффективные способы управления самолетом. Регулируя триммер по тангажу, вы можете изменить AOI ваших хвостовых крыльев, который по-прежнему эффективен в сверхзвуковой ситуации и будет для вас основным способом подтягивания самолета (вы увидите то же самое на сверхзвуковых истребителях).

Может ли авиалайнер превысить 1 Мах в пикировании в невесомости и безопасно восстановиться?

Здесь есть только один ответ, и это НЕТ, особенно для A320 в вашем примере (есть другие авиалайнеры, которые лучше подходят для более высоких околозвуковых скоростей).

Да, вылечиться от такого состояния можно, но ничто в этом не будет безопасным. Выход из этого состояния был бы ситуацией, в которой вы бы считали себя счастливчиком , потому что самолет просто не предназначен для эксплуатации в таких условиях, и серьезной возможностью становится катастрофическая механическая поломка. Успешный побег всегда будет зависеть от некоторой доли удачи (т. е.: вещи, которые вы не планировали, не думали планировать или не могли спланировать, но которые прошли нормально и сговорились, чтобы спасти вашу беду). Самолет, скорее всего, получит повреждения — если повезет , это не критические повреждения.

Кто может сказать, что будет слабым звеном, но это может быть что угодно — один-единственный механический компонент может означать разницу между жизнью и смертью. Есть ли у вашего самолета критическая опора, которая находится на слабой стороне кривой нормального распределения? Может быть, родственный корабль, сделанный на следующий день, выдержит погружение, которого нет у вас. Каждая плоскость выйдет из строя по-разному, в зависимости от того, какой компонент выйдет из строя первым. Когда вы находитесь за пределами конверта, нет никаких гарантий — вам может повезти, а может и нет.

Как мне выбраться из этого одним куском?

Важно понимать, что исход в таких ситуациях становится крайне непредсказуемым. Незначительные изменения условий испытаний, погоды, окружающей среды и т. д. могут быстро перерасти в неконтролируемую ситуацию, независимо от навыков пилота. Несмотря на все ваши усилия, результат все равно может быть смертельным.

То, что кому-то удалось сделать это успешно один раз, не является показателем того, что можно было бы безопасно попытаться снова.

насколько быстрее я могу двигаться, прежде чем мне нужно будет начать этот процесс выхода целым и невредимым?

Сейчас уже поздно. Чем быстрее вы идете, тем выше шанс, что вы не успеете.

Сверхзвуковые самолеты специально разработаны для минимизации разрушительного действия волн давления, которые они генерируют, и иным образом повышают жесткость планера от возникающих в результате остаточных напряжений.

Авиалайнеры, напротив, полностью оптимизированы для дозвуковой/околозвуковой крейсерской скорости и, что особенно важно, эффективности. У них нет таких конструктивных особенностей, и на самом деле они имеют элементы конструкции, ориентированные на эффективность, которые делают их особенно плохо подходящими для сверхзвуковых полетов. Таким образом, они имеют тенденцию генерировать более разрушительные и разрушительные волны давления, чем сверхзвуковые самолеты, во время трансзвукового полета.

Поскольку сверхзвуковые нагрузки возникают в значительной степени в других областях самолета, чем дозвуковые нагрузки, авиалайнеры также имеют гораздо меньшую конструктивную способность противостоять им. В наши дни это вдвойне, потому что все самолеты имеют различные системы защиты от превышения скорости, которые позволяют разработчикам сертифицировать самолет ближе к опасной зоне зоны полета.

От: IATA -- Предотвращение потери управления в полете (LOC-I): вне контроля пилотов

4.8.4 Преимущества систем защиты от превышения скорости

Автоматизированные системы защиты от превышения скорости можно рассматривать как нечто, предназначенное для того, чтобы помочь избежать опасного состояния на высокой скорости. По крайней мере, так считают многие пилоты — зачем еще конструктору прилагать усилия для разработки и сертификации системы, если не для защиты самолета? Ну, есть один большой коммерческий аспект, который не так хорошо известен, и это значительная экономия веса самолета. Установив систему защиты от превышения скорости, конструктор может по стандартам значительно приблизить скорость VMO/MMO к проектной скорости пикирования .] и, следовательно, скорость, с которой планер в конечном итоге начнет трепетать и разрушаться. Другими словами, пределы структурной целостности между максимальными нормальными рабочими скоростями, используемыми пилотом, и скоростью, при которой происходит повреждение, могут быть уже, а это означает, что конструкция воздушного судна не должна быть такой прочной. Структурная прочность обычно приравнивается к весу в конструкции самолета, поэтому в конечном итоге система защиты от превышения скорости позволяет облегчить общую конструкцию самолета.

Авиаперелеты — это такой крупный бизнес, что правила изгибаются, позволяя им снижать эффективность до предела.

Для относительно недавнего реального примера того, что это не закончилось хорошо: Adam Air 574 : 737-400

В конце записи самолет достиг скорости 490 узлов (910 км / ч), что превышает максимальную рабочую скорость самолета (400 узлов (740 км / ч; 460 миль / ч)). Скорость снижения менялась во время рокового погружения с максимальным зарегистрированным значением 53 760 футов в минуту, примерно (531 узел (983 км / ч; 611 миль в час)). В хвостовом оперении произошел структурный отказ за двадцать секунд до окончания записи, [11]: 52, когда следователи пришли к выводу, что самолет находился в «критически неустранимом состоянии». Оба бортовых самописца перестали работать, когда Боинг-737 разбился в воздухе на высоте 9000 футов над уровнем моря.

Причина была определена как ошибка пилота.

На самом деле все зависит от самолета. Известно, что это сделал DC-8. ( https://www.airspacemag.com/history-of-flight/i-was-there-when-the-dc-8-went-supersonic-27846699/ ) В этой ситуации есть 2 источника нагрузки на планер. - авиалайнеры не предназначены для полета выше 1 Маха (кроме Конкорда и Ту-144...), так что есть одна проблема. Существует также проблема восстановления, поскольку у авиалайнеров есть ограничения по перегрузке.

​«В режиме тангажа, когда на боковой джойстике выполняется ввод, компьютеры управления полетом интерпретируют этот ввод как «g» требование/скорость тангажа. Следовательно, отклонение руля высоты не связано напрямую с вводом сайдстика. Самолет реагирует на команду боковой ручкой. со скоростью тангажа на низкой скорости и скоростью траектории полета или «g» на высокой скорости. http://www.aviationchief.com/airbus-control-laws.html

Таким образом, самолет Airbus не позволит вам ввести слишком большую перегрузку. В чистой конфигурации диапазон g для A320 составляет от -1 до +2,5 g, и то же самое верно для Boeing 737. ( https://www.theairlinepilots.com/forumarchive/a320/a320-limitations.pdf ) ( http ://www.b737.org.uk/limitations.htm#Flight_Manoeuvring_Load_Acceleration_Limits ) Я не могу найти ничего, что указывало бы на наличие G-ограничителя на самолетах Boeing, так что вы бы были внимательнее.

Сколько времени вы можете пройти, прежде чем начать восстановление, зависит от того, где вы находитесь. Если вы находитесь над Альпами или другим горным хребтом, было бы разумно начать восстановление как можно скорее, поскольку ваша скорость восстановления будет ограничена перегрузкой. Максимальная скорость, которую вы могли бы развить, будет зависеть от планера; MMO для 737 составляет 0,82 Маха, так что у вас уже есть проблемы. Согласно A320 TCDS MMO этого самолета также составляет 0,82 Маха.

Учитывая это, вполне возможно, что вы выживете, но вы рискуете повредить самолет, и восстановление не гарантируется. Во время восстановления вам, возможно, придется углубиться в пикирование, чтобы разгрузить триммеры, так что это увеличивает риск того, что А) вы толкаете планер слишком далеко и Б) вы ударяетесь о землю до того, как восстановитесь. Ничто в этом не будет безопасным. A320 и 737 были бы плохим выбором, у других авиалайнеров MMO выше. Concorde может это сделать, но у него такой же лимит в 2,5 г. В конечном счете, вероятность ошибки чрезвычайно мала, и сделать это безопасно невозможно.

Прошлое Vmo/Mmo (ну, возможно, Vmd) неизвестно, сможете ли вы восстановиться. Насколько я знаю, дело не в перегрузках, а в аэродинамике крыльев и поверхностей управления. Руль высоты может просто больше не работать для подтягивания, а элероны могут стать бесполезными. Скорее всего, вы останетесь с неуправляемым самолетом, части которого в какой-то момент оторвутся по мере увеличения скорости.

У Learjet 55 был съемник палки (которому предшествовало неприятное звуковое предупреждение), который был предназначен для предотвращения слишком быстрого движения. Была причина, по которой они это вставили, и я уверен, что это было связано с чьим-то испачканным нижним бельем!

Тем не менее, идея Билла Магрудера толкать, а не тянуть 21 августа 1961 года на своем DC-8 была чертовски блестящей и заслуживала упоминания.

Просто не ходите туда!

Теоретически это возможно, но маловероятно из-за того, что, когда вы поднимаетесь со скоростью звука, вы будете прилагать больше перегрузок, чем может выдержать самолет. Также примите во внимание ошибку пилота, плотность высоты, погодные факторы, вес и балансировку, а также недавний осмотр самолета. Эти факторы значительно уменьшат ваши шансы на выживание. Вот ссылка, которая показывает, например, как будет выглядеть типичная структурная диаграмма. (Один для каждой модели самолета) Структурная схема для самолетов общего назначения

1 Мах составляет примерно 67 000 футов в секунду. При максимальном потолке примерно в 40 000 футов авиалайнер не мог даже приблизиться к скорости 1 Маха на таком расстоянии. При достаточной высоте он мог бы это сделать, но начал бы погружение из космоса или очень близко к нему.