Почему удлинение спойлера заставляет самолеты Learjet с прямым крылом наклоняться вниз, а не вверх, и почему потребовалось так много времени, чтобы обнаружить это?

Самолеты Learjet с прямым крылом (23, 24, 25, 35 и 36), первое поколение популярной серии бизнес-джетов, (особенно если они не оснащены какой-либо из многочисленных модификаций крыла, разработанных для эти самолеты) чрезвычайно неумолимы в полете, с заслуженной репутацией убивающих пилотов, которые, случайно или преднамеренно, выходили за пределы возможностей своего самолета.

Одним из факторов, способствующих этому, является их крайняя чувствительность к механической подгонке ( продукт конструкции крыла, которая оказалась чрезвычайно склонной к отрыву воздушного потока при малейшей провокации , что также сыграло свою роль в необычайной легкости, с которой стандартный самолет Learjet с прямым крылом может быть непреднамеренно остановлен), проблема усугубляется одним из шагов, которые изначально требовались при восстановлении после случайного превышения скорости или превышения скорости. ¹

А именно удлинение спойлеров самолета.

Интуитивно это может показаться подходящей техникой для восстановления после высокоскоростного погружения по трем причинам:

• Первая и наиболее очевидная заключается в том, что они значительно увеличивают сопротивление, создаваемое самолетом, замедляя его и помогая пилотам восстановить контроль.
• Что касается поля, то спойлеры — и сопротивление, которое они создают при выдвижении, — находятся на верхней части крыльев; Таким образом, выдвижение спойлеров должно создавать крутящий момент на крыле (и через него на остальной части самолета), стремящийся поднять самолет вверх.
• Кроме того, поскольку спойлеры самолета установлены далеко позади передней кромки крыла, их выдвижение сбрасывает подъемную силу с задней части крыла, но не с передней части; это перемещает центр подъемной силы самолета вперед, создавая дополнительный момент тангажа.
  • Интуитивно кажется, что этот эффект должен быть особенно сильным для самолетов с прямым крылом, таких как Learjet первого поколения. Поскольку панели спойлеров самолета обычно сосредоточены во внутренней части крыла (чтобы не вызывать разделения потока над элеронами, ухудшающего управление по крену), самолет со стреловидными крыльями, предположительно, может иметь внешние крылья достаточно далеко позади его. внутренние крылья для смещения общего центра подъемной силы за центр области подъемной силы со сбрасываемым спойлером (таким образом создавая момент тангажа при выдвижении спойлера); самолет с прямым крылом был бы невосприимчив к этой конкретной проблеме.
• Обе генерируемые таким образом тенденции к увеличению тангажа также должны способствовать еще большему замедлению самолета.

Действительно, для большинства самолетов выдвижение спойлеров в полете действительно заставляет самолет подниматься вверх и замедляться; ² , однако, это не относится к самолетам Learjet с прямым крылом, которые вместо этого резко снижают тангаж и ускоряются еще больше при выдвижении спойлера.

Цитирую NTSB (курсив, однако, мой собственный):

Хотя несколько исправлений к AFM [Learjet 24] были выпущены 1 октября 1980 г. и позже, ни одна из исправлений не была обнаружена прикрепленной к копии AFM или внутри и вокруг обломков. Следующая редакция была утверждена 1 октября 1980 г.

Эти скорости не должны быть преднамеренно превышены ни в каких условиях полета, за исключением случаев, когда более высокая скорость специально разрешена для летных испытаний при подготовке пилотов или в утвержденных аварийных процедурах.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Не выдвигайте спойлеры и не работайте с развернутыми спойлерами на скоростях выше V _MO / _MMO [так в оригинале] из-за значительного момента тангажа вниз носом, связанного с раскрытием спойлера.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОТ ПРЕВЫШЕНИЯ СКОРОСТИ

Если V _MO или M _MO непреднамеренно превышены:

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Не выдвигайте спойлеры и не работайте с развернутыми спойлерами на скоростях выше V _MO / _MMO [так в оригинале] из-за значительного момента тангажа вниз носом, связанного с раскрытием спойлера.

1. Рычаги тяги - ХОЛОСТОЙ ХОД.

2. При необходимости выровняйте крылья.

3. Вращение носом вверх не должно превышать 1,5g. [так в оригинале] [Страницы 12-13 бумажного отчета; страницы 15-16 его PDF. Здесь NTSB цитирует редакцию Гейтса Learjet от 1 октября 1980 года к Руководству по летной эксплуатации самолета Learjet 24 (AFM).]

[...] Следующие выдержки [,] касающиеся конкретных проблемных областей, обсуждавшихся в промежуточном отчете SCR [FAA], были предоставлены Совету по безопасности [FAA] 8 мая 1981 г .:

[...]

1) Высокоскоростные характеристики

[...]

в. Выдвижение спойлеров на высокой скорости вызывает большой тангаж. Для моделей Lear 35 D/F усилие на ручке управления, необходимое для удержания воздушной скорости с выдвинутым спойлером в положении V _MO , варьируется от 46 фунтов. в кормовой части до 84 фунтов. на переднем cg[.] [Страница 15 (18). Здесь NTSB цитирует специальный сертификационный обзор (SCR) FAA 1980-81 годов Learjet 24 и более поздних версий. ³ ]

Если сбой тангажа происходит вблизи M _MO , самолет может быстро разогнаться до области, где летные качества неприемлемы. Рассмотрим, например, любой тип неисправности оси тангажа носом вниз (например, отклонение дифферента, перегрузка толкателя, перегрузка автопилота и т. д.). В этом случае, если пилот удерживает штурвал, тяговое усилие может достигать 50-60 фунтов. (80 фунтов при неисправности толкателя.)[.] Из-за времени реакции пилота (3 секунды согласно 8110.10) [...] скорость превысит предельное число Маха. Если пилот выполнит процедуру AFM для превышения скорости и развернет спойлеры (что инстинктивно), требуемая сила тяги увеличится еще на 50-80 фунтов.Кроме того, из-за нестабильности тангажа из-за складывания Маха тяговое усилие будет продолжать увеличиваться по мере увеличения скорости. Прибавляя усилие на рукоятке маневрирования, необходимое для тяги 1,5 г, общая сила пилота, необходимая для подъема, может достигать 150-200 фунтов.[.]

Съемник рукояти был установлен для предотвращения превышения скорости Маха, но [,] в случае неисправности оси наклона носа вниз и / или раскрытия спойлеров его тяговое усилие в 18 фунтов становится незначительным.

[...]

Если после того, как пилот заметит превышение скорости, он выпустит спойлеры или если «рывок» элеронов завалит самолет на чрезмерный угол крена, восстановление может стать невозможным. [Страницы 16-17 (19-20).]

[...] Если бы летный экипаж развернул интерцепторы в этот момент без мгновенного уменьшения тяги, тяговое усилие на штурвале увеличилось бы, а нестабильность скорости и управление по крену могли бы развиться до такой степени, что стало бы невозможно восстановить тягу. самолет. [Страница 22 (25).]

11. Летный экипаж, вероятно, развернул спойлеры в какой-то момент за пределами ограничения воздушной скорости, пытаясь восстановить контроль над самолетом; это, вероятно, создавало чрезмерные усилия на штурвале и мешало восстановлению самолета. [Страница 26 (29).]

[...] Также было отмечено, что «... выдвижение спойлеров не является жизнеспособной процедурой для предотвращения ускорения в условиях разгона с опущенным носом. Выдвижение спойлеров на V _mo с полной дифферентовкой носа требовало усилия руля высоты, оцениваемого в 120–140 фунтов, для поддержания горизонтального полета. При скорости 250 узлов руль высоты составлял 98 фунтов с полностью опущенным носом и выдвинутыми спойлерами».

Расследование этих несчастных случаев побудило к исследованиям, связанным со следующими ключевыми областями:

[...]

(2) Использование спойлеров при быстром восстановлении; [Страница 43 (45). В первом абзаце NTSB цитирует исследование NTSB 1979 года, посвященное характеристикам Learjet. Этот последний отрывок взят из приложения, в котором обсуждается склонность самолетов Learjet с прямым крылом к ​​потере управления на больших высотах и/или скоростях.]

Кроме того, вспомните дату пересмотра AFM Learjet 24, который изменил процедуру восстановления скорости с «выдвигать спойлеры» на «подождите, нет, нет, не выдвигайте спойлеры» ⁴ :1 октября 1980 года.

Learjet 23 был сертифицирован и поступил на вооружение в 1964 году; Learjet 24 в 1966 году; Learjet 25 в 1967 году; и Learjet 35 и 36 в 1974 году. Это указывает на то, что момент тангажа, вызванный спойлером, у самолетов Learjet с прямым крылом не был обнаружен ни во время первоначальных летных испытаний, ни за многие годы (почти полтора десятилетия для Learjet 23) эксплуатации. , который был обнаружен только в ходе специальных летных испытаний в мае 1979 года в результате расследования NTSB крушения самолета Learjet 25 в октябре 1978 года.

Почему самолеты Learjet с прямым крылом наклоняются вниз, а не вверх, когда их спойлеры выдвинуты, и почему это не было обнаружено во время первоначальных летных испытаний или в течение многих лет после этого?

¹ : Другим отягчающим фактором была восприимчивость ранних Learjets к неисправностям автопилота, которые могли вызвать большие неуправляемые входы управления шагом. Еще одним отягчающим фактором был тот факт, что Learjet 24 и 25 изначально были сертифицированы с чрезмерно высоким практическим потолком (51 км/ч), высотой, на которой оба самолета находились далеко в углу своего гроба, оставляя очень небольшой запас безопасности между сваливанием самолета . скорость и его максимальное безопасное число Маха (этот параметр был навсегда скорректирован директивой по летной годности 1981 года, которая ограничивала максимальную высоту Learjet 24 и 25 до 45 км/ч, хотя они оставались неумолимыми даже за пределами угла гроба).

² : Предполагая, конечно, что самолет имеет достаточный запас скорости и угла атаки, чтобы сделать это без сваливания.

³ : Learjet 23 не был включен в обзор, поскольку в центре внимания SCR был Learjets, сертифицированный в соответствии с 14 CFR 25, которому предшествует Learjet 23; однако выводы, сделанные SCR (и директивы по летной годности, изданные в результате) также применимы к Learjet 23, который очень похож на Learjet 24 и 25.

⁴ : Я мог бы немного перефразировать здесь.