Почему самолет после крутого виража быстро и неконтролируемо снижается?

Маркус Воелтер взял интервью у Мэтта Холла для эпизода своего подкаста omega tau . Они обсуждают этот инцидент более подробно в 1:13:00.

Самолет испытал сваливание на высокой скорости, также называемое ускоренным сваливанием . Сваливание определяется углом атаки, то есть углом удара воздушного потока о крыло. О сваливании чаще всего думают на низкой скорости, потому что, поскольку самолет движется медленнее, ему требуется больший угол атаки, чтобы обеспечить достаточную подъемную силу, пока он не достигнет угла атаки сваливания и не свалится. Но это также может произойти на высоких скоростях в самолете, выполняющем большой разворот. Для поворота самолета требуется гораздо большая подъемная сила, а это означает, что требуется гораздо больший угол атаки. Попытка развернуть самолет слишком туго может слишком сильно увеличить угол атаки, и самолет заглохнет на высокой скорости.

Другой фактор заключается в том, что самолет будет стремиться к крену влево из-за крутящего момента двигателя и P-фактора воздушного винта . Поскольку самолет уже находился в левостороннем повороте, это плюс сваливание заставили самолет перевернуться на 90 градусов и направиться вниз к воде.

Еще одним отягчающим фактором стала устойчивость самолета, о которой идет речь на 1:31:00. ЦТ находился довольно далеко назад, что делало самолет менее устойчивым . Рули высоты также были чрезмерно сбалансированы, а это означало, что они имели тенденцию заставлять самолет подниматься еще больше, когда самолет тянул больше g. Эти изменения помогли сделать самолет немного быстрее, но были исправлены после инцидента, чтобы сделать его более безопасным.

Что касается человеческого фактора, Мэтт также упоминает, что в то время у него была простуда, и он принял решение позвонить прямо перед полетом, что означает, что он был отвлечен и не в лучшей форме.

В другом месте интервью он упоминает, что когда он летает на авиашоу, он более консервативен в своем запасе прочности, чем другие пилоты.

Вам не нужны деньги, если вы мертвы. Так что это просто шоу.

Я не смотрел видео, но имейте в виду, что в первом приближении подъемная сила перпендикулярна аэродинамическому профилю .

В обычном горизонтальном полете или близком к нему вектор подъемной силы имеет значительную вертикальную составляющую, направленную вверх, что хорошо компенсирует силу тяжести, действующую вниз на вес самолета.

Однако, если аэродинамический профиль (в данном случае крылья) полностью вертикальный, то подъемная сила, создаваемая этим аэродинамическим профилем, становится полностью горизонтальной. Крылья не заботятся об их угле по отношению к земле; только о движении в окружающем воздухе.

Однако гравитация по-прежнему прикладывает ту же вертикальную силу вниз.

Горизонтальный полет (в любом положении) требует наличия восходящей вертикальной составляющей вектора подъемной силы, и чтобы эта составляющая была такой же, как направленная вниз вертикальная сила тяжести. Если они неравны, самолет будет набирать высоту или, в данном случае, снижаться.

Поскольку гравитация все еще тянет самолет вниз, а подъемная сила действует горизонтально (вбок), для поддержания высоты самолета не остается ничего, и самолет совершит пресловутое падение с неба. Чтобы восстановиться, вам лучше надеяться, что вы сможете хотя бы немного выровнять самолет, получить немного вертикальной подъемной силы от крыльев.

Вот почему, если мы не приложим дополнительную подъемную силу вверх за поворот, мы потеряем высоту; вектор подъемной силы имеет меньшую вертикальную составляющую (даже несмотря на то, что абсолютное значение вектора подъемной силы не изменилось), но гравитация не ослабевает, поэтому гравитация побеждает до тех пор, пока мы не восстановим баланс между гравитацией и подъемной силой, обычно немного приподняв нос.

Это сводится к тому, что обычно крылья создают подъемную силу в любом направлении, куда обращена верхняя поверхность.

В нормальном полете большая часть силы, удерживающей самолет, исходит от крыльев. Когда самолет находится в горизонтальном положении, вся подъемная сила крыльев направлена ​​прямо вверх, поэтому самолет может поддерживать высоту. Даже при обычном (не пилотажном) развороте вершины крыльев по-прежнему обращены в основном вверх, поэтому пилот может поддерживать высоту, просто немного увеличив угол атаки.

На этом видео разворот, сделанный пилотом, не был обычным разворотом с креном. Похоже, он накренил самолет примерно на 90 градусов. При крене 90 градусов вся подъемная сила крыльев направлена ​​вбок (в поворот), и ни одна из них не удерживает самолет. Так что, если что-то еще не держит самолет, этот самолет начнет падать.

Есть два способа не упасть в крутом повороте. Один из них — делать поворот коротким, чтобы не сильно упасть . Другой способ — оставаться в воздухе, используя тягу и подъемную силу фюзеляжа, как подробно описано в ответах на этот вопрос: Можете ли вы управлять самолетом с углом крена 90°, не теряя высоты?

То, что он делает, называется «G стойло». По сути, он втянул самолет в более сложный поворот (именно это он описывает примерно на 0:57 видео). Что это сделало, так это увеличило центростремительную силу на самолете (измерения с точки зрения земного притяжения или «Gs»). Этот акробатический пилот описывает эффект

Скорость сваливания самолета увеличивается с увеличением нагрузки на крыло. Чтобы быть точным, скорость сваливания увеличивается с квадратным корнем нагрузки, поэтому, если самолет глохнет, скажем, на скорости 60 миль в час в горизонтальном полете 1G в определенной конфигурации, он будет сваливаться на скорости 120 миль в час при 4G, 180 миль в час при 9G и т. д. (это одна из причин). почему "скорость сваливания" может быть вводящим в заблуждение термином - крыло сваливается при заданном угле атаки.)

Это также иногда называют ускоренным сваливанием , что может быть довольно распространенным явлением в подобных случаях из-за быстрых действий и стрессов, которые пилоты испытывают на самолете.

Ускоренное сваливание часто вызвано резкими или чрезмерными усилиями управления во время крутых поворотов или подтягиваний. Если вы находитесь в пикировании и откатываете назад с достаточной резкостью и силой, чтобы загрузить самолет до типичной расчетной перегрузки 3,8 G, вы войдете в ускоренное сваливание, если воздушная скорость упадет ниже 1,95-кратной скорости сваливания при нагрузке 1 G. (квадратный корень из 3,8 примерно равен 1,95).

Затем он описывает крушение рейса 105 Midwest Express Airlines , который предлагает следующую иллюстрацию ( источник )

То, что произошло, было ускоренным сваливанием «внезапным вращением», которое Мэтт Холл объясняет на 50-й секунде видео: он «свалил» самолет, «который слегка перекатил меня за лезвие ножа», поэтому самолет буквально слегка перевернулся. к воде, а не к падению.

Ускоренный рывок сваливания происходит в поворотах с большой перегрузкой, когда одно крыло испытывает сваливание на высокой скорости раньше или раньше, чем другое. Самолет катится к заглохшему крылу, еще больше увеличивая угол атаки, уменьшая угол атаки другого крыла, что усугубляет ситуацию. Обратите внимание, что для ускоренного срывного вращения требуется только избыточный руль высоты на высокой скорости, никаких действий с элеронами или рулями направления не требуется.

В этом случае пилот быстро ослабил вход руля высоты, что остановило сваливание и позволило элеронам восстановиться после резкого крена.

Это было несколько неудачно, так как мгновенная бочка могла повернуться в другую сторону, поэтому самолет развернулся бы вверх от воды, а не вниз в воду. Это почти 50% - 50% вероятность того, в каком направлении самолет будет катиться в резком крене, если только элероны не используются для запуска крена перед применением чрезмерного руля высоты.

Настоящие рывки только на руле высоты выполняются на моделях самолетов высшего пилотажа либо намеренно в качестве высшего пилотажа, либо непреднамеренно в случае гонок на моделях пилонов, что является тем же обстоятельством, что и инцидент с Мэттом (без риска для жизни пилотов модели). Я даже проделывал это на небольшом радиоуправляемом планере в вертикальном пикировании (это необходимо для поддержания скорости, так как сопротивление велико при резком броске). Потяните слишком далеко назад управление рулем высоты передатчика, и планер просто покатился, без намека на тангаж вверх. Вышел из руля высоты, и модель восстановилась после броска и нормально реагировала на не чрезмерные действия руля высоты.