Крэш-тесты самолёта: затейники из NASA уронили «Боинг 720» на радиоуправлении, заполненный манекенами, чтобы посмотреть, что будет.
Каждое новое поколение пассажирских лайнеров безопаснее предыдущего. Новейшее поколение — это четвёртое FBW с управлением через компьютеры, без механической связи с узлами.
В 2019 по миру выполнено почти 36 миллионов коммерческих рейсов. Из них 19 миллионов как раз на лайнерах четвёртого поколения, 15 из которых — рейсы Airbus. Так что можно сказать, что европейский авиапроизводитель хорошо разбирается в этом вопросе, любит ковырять статистику и делать прогнозы. Сейчас мы возьмём их большой отчёт «A Statistical Analysis of Commercial Aviation Accidents 1958-2019», добавим «Flight Control Systems: Practical Issues in Design and Implementation» Роджера Пратта и попробуем разобраться, что же поменялось.
Ну и заодно посмотрим, где же можно здорово ошибиться с современными самолётами.
Входные данные
- Все самолёты западного производства, предназначенные для коммерческих перевозок, вместимостью свыше 40 пассажиров (включая грузовые) + Сухой Superjet. По другим не-западным самолётам не хватило информации, а бизнес-джеты не рассматривались.
- Статистика с 1958 года.
- Коммерческие рейсы (полёты, включающие перевозку пассажиров, грузов или почты).
- Учитывались только происшествия, связанные с лётной эксплуатацией воздушного судна, которые привели к гибели кого-либо из находившихся на борту или утрате воздушного судна.
Существует более 40 категорий авиационных происшествий, но основных семь штук. Про них и речь. Описание типов есть вот здесь. Коротко:
SCF — отказ системы или компонента
Это когда кто-то что-то неверно произвёл, неверно спроектировал или не так обслужил, в результате чего компонент не смог выполнить свою задачу. Например, двигатель взял и выключился на марше или кто-то забыл выловить баг в софте, из-за чего самолёт упал. Пример — Boeing 737 с развалившимся над Бернвиллем двигателем. Успешная аварийная посадка, заключение о причине выхода из строя двигателя ещё ждём.
ARC — нештатное касание ВПП
Это когда самолёт целый, компоненты целые и, если бы в кабине сидел другой пилот, всё бы прошло хорошо. Ну или если бы была другая погода.
Пример — катастрофа Boeing 737 в Джокьякарте или Ан-24 в Навои (в обоих случаях там и перелёт ещё). Ещё крупнейшая в своё время катастрофа Boeing 707 в Кано (погода).
RE — выкатывание за пределы ВПП при взлете или посадке
Это неудавшиеся взлёты с перегрузом, посадки без включения реверса, неверный расчёт скорости и так далее. Звучит тупо, но только сейчас доделывается система предупреждения, если ты уж слишком шустро садишься или медленно взлетаешь. И эта система спасёт мир от RE. Позже.
Пример выкатывания, катастрофа Boeing 727 в Котону: перегруз, жара, ошибка пилотов, самолёт не смог подняться, проехал по пляжу и врезался в океан. Врезаться в океан стоило жизни 141 человеку. Другой пример: Boeing 737 в Буэнос-Айресе — неверное управление механизацией крыла, забыли закрылки, выкатились и врезались ровно в газораспределительную станцию. Погибло 64 человека в салоне и двое в машинах по дороге. Ещё Як-42 под Ярославлем.
USOS — недолёт или перелёт ВПП
Это почти как выкатывание, только начинается оно сразу за полосой, когда самолёт начинает бороздить мягкий асфальт или дёрн. Включает в себя случаи приземлений вне установленной зоны приземления на ВПП. Примеры: Ил-62 в Мешхеде, Ан-24 в Навои.
LOC-I — потеря управления в полёте
Потеря контроля над самолётом во время полёта, обычно не связанная с SCF. Например, если пилоты отключатся от сердечных приступов, а стюардесса заденет педаль при попытке их вытащить.
Пример — катастрофа Ту-154 под Хабаровском.
CFIT — столкновение с землёй в управляемом полёте
Столкновение с рельефом, водой или препятствием во время полёта без потери управления. Условно, карта и высотомер были, но пилоты не посмотрели. Пример — SSJ 100, врезавшийся в гору Салак (там даже TAWS был, но его проигнорировали).
FIRE — пожар
Например, кто-то вёз новый Самсунг Гэлэкси или опять решил покурить в туалете, но увлёкся. Пример — сгоревший L-1011 в Эр-Рияде.
Занимательная статистика
Исторические данные показывают удвоение авиатрафика каждые 15 лет. На их основе в конце 2019 года Аirbus посчитала ежегодный мировой трафик и предсказала его удвоение в ближайшие 20 лет. На графике это выглядело так:
RPK (Revenue Passenger Kilometers) — метрика в гражданской авиации, показывающая, сколько километров пролетели пассажиры, купившие билет (экипаж и летящие бесплатно дети здесь не считаются). Вычисляется умножением пассажиров на километры, измеряется в пассажиро-километрах (пкм); RPK отражает спрос на авиаперевозки, и часто именно его подразумевают под «трафиком». Есть еще метрика ASK (Available Seat Kilometers) — вот там на километры умножается число всех пассажирских мест в самолёте, неважно, заняты эти места были или свободны.
Этот год внесёт свои коррективы, так как пассажирские перевозки знатно просели.
Число авиаперевозок увеличивается, а число авиационных происшествий — нет
Несмотря на постоянное увеличение числа рейсов, авиационные происшествия остаются редкими случаями. Их количество может меняться от года к году, но зацикливаться на абсолютных значениях не стоит. Чтобы понять тенденцию, нужно учитывать растущие объемы авиаперевозок. И рассматривать не просто количество происшествий, а их процент в общем числе перелётов.
У Airbus везде приведены два графика — они разделяют авиационные происшествия на фатальные (Fatal — где серьёзно пострадали люди) и утрату воздушного судна (Hull loss — самолет или совсем разрушен или потерян или его экономически нецелесообразно восстанавливать).
Процент авиационных происшествий постоянно уменьшается
Особенно это заметно на графиках годового процента авиационных происшествий на миллион перелётов.
Значительная часть этого успеха связана с эффективным регулированием, сильной культурой безопасности полётов и улучшением качества обучения. Но технический прогресс тоже внёс вклад в безопасность полётов. Вот график того, как сменялись поколения авиалайнеров. Каждое новое поколение — это плюс к безопасности перелётов.
На конец 2019 года расклад был такой:
Старые поколения самолетов уходят в историю, их заменяют более совершенные лайнеры.
Первое поколение: начало реактивной эры в пассажирской авиации
Пионерами реактивной эры гражданской авиации считаются de Havilland Comet 1 (регулярные полёты с 1952 г.), Ту-104 (регулярные рейсы с 1956 г.), Boeing 707 (1958 г.) и Douglas DC-8 (1959 г.).
Кабина пилотов «Боинг 707-123B» из Немецкого музея в Мюнхене из немецкой Википедии
Четырёхдвигательный 707-й перевозил 200 пассажиров. Несмотря на массу самолёта в 150 тонн, система управления полётом была оборудована только гидроусилителями руля направления и спойлеров. Рули высоты и элероны были аэродинамически скомпенсированы для снижения усилия на рычаги управления. Техника была ограничена возможностями аналоговой электроники того времени.
Второе поколение
В 1960-х — начале 1970-х появились самолёты второго поколения (Airbus A300, Boeing 727, 737, 747, Lockheed L1011, McDonnell Douglas DC9, DC10)
Кабина экипажа Boeing 727
Здесь уже вовсю использовались гидроприводы. В отличие от 707-го, у Boeing 727 гидравлический контроль был уже на всех плоскостях управления. При переходе на ручной режим всё так же помогала аэродинамическая компенсация, а еще — регулируемый стабилизатор на электроприводе.
Так как рули теперь поворачивались гидравликой, возникла необходимость искусственной загрузки рычагов управления для создания лётчику чувства управления летательным аппаратом.
В систему управления полётом (aka Flight Management System, FMS) были добавлены базовые стабилизационные функции, например, демпфер рыскания.
Были установлены аналоговые автопилоты, управляющий сигнал от которых «подмешивался» в сигнал от штурвала. Эти автопилоты имели режим автоматической посадки для всепогодных полётов.
Hawker Siddeley и British Aircraft Corporation выпустили первые лайнеры, способные выполнить полностью автоматическую посадку (Trident и BAC 1-11).
Автопилот «Боинга 737» был первым автопилотом с режимом совмещённого управления (aka САУ, control wheel steering, CWS). Это такой режим, когда пилот с помощью штурвала определяет положение воздушного судна по крену и тангажу, потом отпускает штурвал, а CWS продолжает поддерживать заданный крен и тангаж.
Пассажирская авиация вышла на сверхзвук. Ту-144 (1968) и «Конкорд» (1969) стали первыми (и единственными) сверхзвуковыми пассажирскими самолётами.
«Конкорд» стал первым авиалайнером, имевшим электродистанционную систему управления (ЭДСУ, Fly-by-Wire). В отличие от современных авиалайнеров, ЭДСУ там была аналоговой. Она была продублирована резервной механической системой управления. Многое, судя по сохранившейся терминологии, было потом переработано для А320.
Вот такое снижение аварийности показывает статистика при переходе на второе поколение лайнеров. Конечно, тут дело не только в самих самолётах — вся отрасль стремительно менялась, правилось воздушное законодательство, менялась система обучения экипажа.
Третье поколение
Третье поколение лайнеров появилось в 1980-х (Airbus A300-600, A310, Boeing 747-400, 757, 767, McDonnell Douglas MD80, MD90, MD11).
Кабина экипажа Airbus A310
Отличительной особенностью самолётов этого поколения стала т.н. «стеклянная кабина» (панель кабины пилотов, включающая в себя электронные дисплеи). На дисплеях показывалась полётная информация, данные мониторинга, предупреждения и много чего ещё. Это настолько упростило взаимодействие пилотов с самолётом, что в Airbus A310 экипаж состоял уже не из трёх, а из двух человек (бортинженер стал не нужен).
Аналоговое оборудование заменялось цифровыми системами. Появилась бортовая система предупреждения о близости земли (Terrain Awareness and Warning System, TAWS). Эта система смотрит на текущую высоту и координаты, накладывает их на свою базу данных о рельефе и предупреждает о возможном непреднамеренном сближении с землёй или препятствием (на самом деле, она умеет гораздо больше).
А главным достижением в автоматизации полёта стало внедрение системы управления полетом, которая позволяла автоматически выполнять заранее составленные флайт-планы.
Завершён переход от обратимых рулевых приводов к необратимым. Обратимый привод — это когда усилие на выходе пропорционально усилию на входе (на ручке) и, наоборот, внешняя нагрузка частично передаётся на ручку. Этим достигается возможность «чувствовать» управление, т.е. ощущать различные усилия на рычаге управления самолетом в зависимости от угла отклонения рулевой поверхности, а также от скорости и высоты полета. У необратимого привода вся нагрузка «съедается» гидравлическим контуром и до ручки не доходит.
Электродистанционное управление получило признание и было использовано для некоторых не особо критичных функций, таких как управление внешними элерон-интерцепторами, триммерами, предкрылками/закрылками. Но для всех критических (по условиям безопасности полёта) функций связи между пилотом и механизмами управления были всё ещё механическими.
Улучшенные навигационные характеристики и появившаяся TAWS уменьшили число столкновений с землёй в управляемом полете (CFIT) на 86% относительно второго поколения
Четвёртое поколение
Новейшее четвёртое поколение пассажирских лайнеров появилось в 1988 году с выпуском Airbus A320.
Кабина экипажа Airbus A380
Концепции сайдстика и электродистаноционной системы управления (aka ЭДСУ, Fly-By-Wire, FBW), появившиеся на новых самолётах, были протестированы и зарекомендовали себя как надёжные на «Конкорде» и А300.
Если на А310 только небольшое число некритичных функций было на ЭДСУ, в А320 уже все плоскости управления работают на электродистанционном управлении. Точнее, есть две связи, которые нужны на время перезагрузки бортовых компьютеров при переключении питания, например, педали — гидравлика — руль направления, вот хорошая публикация.
В «Боинг 777» команды от пилота поступают на традиционный штурвал, а потом обрабатываются системой управления полётом. Система управления полётом многократно дублируется. Причем дублируются не только каналы управления, но и режимы управления, позволяющие в случае отказа переходить на «упрощённый режим» пилотирования, а с него на еще более упрощенный.
Осталось возможным переключение на ручной режим, так что рулём направления и стабилизатором можно управлять вручную.
Концепция Fly-By-Wire позволила установить в четвёртом поколении лайнеров защиту диапазона режимов полёта (Flight Envelop Protection). Это очень удобная штука, которая берёт на себя вычисление безопасных режимов и не даёт пилотам вывести самолёт за пределы безопасной эксплуатации.
Например, если сработала система предотвращения столкновений и надо резко сманеврировать, пилотам не надо осторожничать и бояться, что самолет потеряет управляемость — за безопасность манёвра отвечает автоматика. Или, например, сколько бы ни тянул пилот ручку на себя, автоматика не даст ему создать угол атаки, близкий к сваливанию.
Сейчас Fly-By-Wire — это стандарт индустрии и используется во всех производимых сегодня моделях Airbus, Boeing B777 и B787, Embraer E-Jet и Sukhoi Superjet.
Вот картинка целиком. Появление защиты диапазона режимов полёта уменьшило число потерь управления в полёте (LOC-I, серый столбик диаграммы) на 81%.
Если взять графики годового процента авиационных происшествий на миллион перелётов, разложить их по поколениям самолётов и вычислить скользящее среднее, получится вот такое:
Скользящее среднее позволяет выявить основную тенденцию к снижению уровня аварийности с каждым новым поколением.
Здесь поколение начинало учитываться, когда проходило планку в миллион полётов в год и только спустя 10 лет после ввода в эксплуатацию первого самолёта. Например, зелёная кривая четвёртого поколения идёт на графике от 1998 года, что на 10 лет позже ввода в эксплуатацию A320.
Графики аварийности за 20 лет (1999 — 2019) с разбивкой по типам происшествий
Эти графики мы уже видели в более общем виде от начала реактивной эры. Здесь увеличен кусок за последние 20 лет. Такое снижение аварийности Airbus приписывает инвестициям в новые технологии, повышающие безопасность.
А здесь — увеличенный график со скользящим средним по аварийности на миллион перелётов:
Самолёты третьего поколения снизили аварийность за счёт стеклянной кабины с навигационными дисплеями и усовершенствованной FMS.
Четвёртое поколение еще подсократило аварийность путём введения технологии Fly-By-Wire, которая позволила установить защиту диапазона режимов полёта.
Любой аэрофоб знает
Самые опасные этапы полёта — это заход на посадку и посадка. Ещё обычно боятся взлёта и набора высоты, но вот график происшествий за 20 лет с распределением по этапам полёта говорит, что процент происшествий во время первоначального набора не сильно отличается от крейсерского полёта.
- Стоянка (Parking) — эта фаза заканчивается и начинается, когда самолёт соответственно начинает или заканчивает движение с использованием собственных двигателей.
- Руление (Taxi) — включает в себя выруливание (taxi-out) и заруливание (taxi-in). Выруливание — от начала движения своим ходом до занятия исполнительного старта (в начале взлётной полосы). Заруливание — это когда закончился пробег после посадки и самолёт рулит к месту стоянки. Иногда бывает, что заруливание идёт сразу после выруливания.
- Разбег при взлёте (Takeoff run) — начинается, когда экипаж увеличивает тягу с целью отрыва. Заканчивается при переходе к начальному этапу набора высоты (initial climb) или когда экипаж прерывает взлёт (aborted takeoff).
- Прерванный взлёт (Aborted takeoff) — начинается, когда экипаж уменьшает тягу во время разбега, чтобы остановить самолёт. Заканчивается, когда самолет остановлен или выруливает с ВПП.
- Начальный этап набора высоты (Initial climb) — начинается на 35 футах над уровнем ВПП. Обычно заканчивается набором крейсерской высоты (climb to cruise). В некоторых случаях может следовать за подходом (approach).
- Набор крейсерской высоты (Climb to cruise) — начинается, когда экипаж задаёт самолёту определённую скорость и конфигурацию, позволяя ему набрать крейсерскую высоту. Обычно заканчивается, когда самолёт достигает крейсерской высоты (cruise). В некоторых случаях может закончиться первоначальным этапом снижения (initial descent).
- Крейсерский режим полёта (Cruise) — начинается, когда самолёт достигает начальной крейсерской высоты. Заканчивается, когда экипаж инициирует спуск с целью посадки.
- Первоначальный этап снижения (Initial descent) — начинается, когда экипаж покидает крейсерскую высоту с целью посадки. Заканчивается, когда экипаж начинает изменять конфигурацию самолёта и/или скорость для посадки. В некоторых случаях может закончиться крейсерским режимом (cruise) или набором крейсерской высоты (climb to cruise).
- Заход на посадку (Approach) — начинается, когда экипаж инициирует изменения конфигурации самолёта и/или скорости для посадки. Обычно заканчивается, когда самолёт находится в посадочной конфигурации и экипаж намерен посадить его на конкретную ВПП. В некоторых случаях может закончиться начальным этапом набора высоты (initial climb) или уходом на второй круг (go-around)
- Уход на второй круг (Go-around) — начинается, когда экипаж прерывает снижение к запланированной посадочной полосе во время захода на посадку (approach). Заканчивается переходом в начальный этап набора высоты (initial climb) или когда скорость и конфигурация устанавливаются на определенной высоте.
- Посадка (Landing) — начинается, когда самолёт находится в посадочной конфигурации и экипаж намерен посадить его на конкретную ВПП. Заканчивается, когда скорость самолёта снижается до скорости руления.
Заход на посадку и посадка — очень сложные фазы полёта, которые предъявляют значительные требования к экипажу по части навигации, изменений конфигурации самолёта, связи с авиационно-диспетчерской службой. Нагрузка на экипаж может усугубляться ухудшенными погодными условиями или перегруженным воздушным пространством. Поэтому не удивительно, что самое большое количество происшествий происходит при заходе и посадке. В совокупности высокая нагрузка и повышенный потенциал непредвиденных обстоятельств — это именно те факторы, которые могут привести к происшествиям.
Распределение происшествий по категориям
Вот графики авиационных происшествий 1999-2019 гг. с разбивкой по категориям:
За последние 20 лет большая часть происшествий с человеческими жертвами происходила из-за потери управления в полёте (LOC-I). Число этих происшествий значительно сокращено благодаря технологиям, появившимся в четвёртом поколении лайнеров.
Число столкновений с землёй в управляемом полёте (CFIT) продолжает сокращаться благодаря введению и непрерывному улучшению стеклянной кабины и навигационных технологий, доступных на самолётах третьего и четвёртого поколения.
Выкатывание за пределы ВПП (RE), как боковое, так и продольное, стоит на третьем месте по числу происшествий с человеческими жертвами и является основной причиной происшествий с утратой воздушного судна. Современные технические усовершенствования в перспективе должны решить проблему с продольным выкатыванием.
Изменения в основных категориях происшествий
За последние 20 лет число происшествий с человеческими жертвами типа CFIT (столкновение с землёй) уменьшилось на 89%, а LOC-I (потеря управления в полёте) — на 66%.
С 1999 года доля рейсов на самолётах c TAWS, предотвращающей столкновения с землёй, выросла с 68% до 99%.
Широкое использование этой технологии — ключевая причина сокращения числа столкновений с землёй. Вот такого сокращения:
Что касается LOC-I, в 2019 году доля рейсов на самолётах четвёртого поколения с защитой диапазона режимов полёта была 52%.
Так как число происшествий с потерей управления в полёте у лайнеров четвёртого поколения на 76% меньше, чем у третьего, можно ожидать дальнейшее уменьшение числа происшествий типа LOC-I с увеличением числа используемых лайнеров четвёртого поколения.
Если же рассматривать выкатывания за пределы ВПП (RE), то первые системы, предназначенные для борьбы с RE, начали устанавливать в конце прошлого десятилетия. Сейчас число самолётов с этими системами остаётся небольшим — около 8% от всего действующего авиапарка. Поэтому, хоть мы и можем видеть тренд на снижение аварийности от RE, ещё слишком рано делать выводы.
Столкновение с землёй в управляемом полёте (CFIT)
Внедрение стеклянной кабины, системы управления полётом, выполняющей флайт-план, и системы TAWS снизило число столкновений с землёй на 89%.
Сначала для уменьшения числа происшествий типа CFIT появилась система предупреждения о близости земли (aka GPWS, Ground Proximity Warning System). Затем она вошла в TAWS.
Впоследствии на третьем поколении лайнеров были установлены стеклянные кабины, упростившие навигацию и ещё уменьшившие число CFIT.
Потеря управления в полёте (LOC-I)
Четвёртое поколение лайнеров накопило тридцатилетний опыт со времён ввода в эксплуатацию A320 (1988). Опыт более 200 миллионов рейсов показывает значительное преимущество самолётов с защитой диапазона режимов полёта (Flight Envelop Protection), уменьшившей число происшествий типа LOC-I на 76% по сравнению с лайнерами третьего поколения.
Выкатывание за пределы ВПП (RE)
Большинство продольных выкатываний за пределы взлётно-посадочной полосы связано с управлением энергией самолёта. Значительное уменьшение аварийности в этом плане можно ожидать от внедрения систем предупреждения, следящих за энергией и посадочными характеристиками. Сегодня доля самолётов, оснащённых такими системами, слишком мала, чтобы увидеть общее улучшение. Но эта дополнительная система обеспечения безопасности является многообещающим изменением в сторону уменьшения числа продольных выкатываний за пределы ВПП.
Итого
Самолёты летают больше, но повреждаются при этом меньше. Речь о научно-техническом прогрессе, накапливаемом опыте и постоянно улучшающихся обучении и контроле. Там, где техника может освободить время пилота на рутинную операцию, он получает время на дополнительные процедуры контроля.
P.S. Спасибо за фактчекинг triplebanana
Автор: Марина Мытрова
