Автор: Александр Грибоедов.
Примечание @Cat.Cat: очень длиннопост.
"Дамы и господа, наш самолет задерживается для проведения противообледенительной обработки, просьба оставаться на своих местах с пристегнутыми ремнями безопасности" - невнятно шипит откуда-то сверху голос пилота.
Подумать только, задержка на целых 15 минут ради того, чтоб самолётик побрызгали! А ведь вы уже совсем настроились на полет.
Что ж, пока вы терпите эти ужасные минуты, можно успеть почитать о том, как на заре авиации собственно и появилась навязчивая идея войны со льдом.
Удивительно как много сил потрачено людьми для создания того или иного технического устройства, и как мало мы обычно про этих людей знаем. Тем временем за каждым изобретением стоит чья-то личность, а чаще всего - целая вереница людей, ученых и руководителей, по кусочкам собиравших то, что стало для нас обыденностью.
Бой первый: резина и масло
Фото самолета за год до случившегося
31 марта 1931 года трехмоторный Fokker F-10, принадлежащий Transcontinental and Western Air вылетел из Канзас-Сити в Лос-Анджелес с промежуточной посадкой в Уичито. Так совпало, что среди восьми летевших в тот день людей на борту оказались сразу две знаменитости. Командир экипажа Роберт Фрай в прошлом был военным летчиком морской авиации и проходил службу в Китае. После того как в 1928 году он провел свой самолет сквозь жесточайший шторм, чудом сумел посадить его среди вражеских китайских войск и выбраться оттуда живым, Фрай попал в заголовки национальных газет, и он нем узнала вся страна.
На момент происшествия Фраю было 32 года
Однако еще более знаменитой персоной на рейсе был один из его пассажиров —сорокатрехлетний Кнут Рокне — величайший тренер в истории американского футбола, любимец фанатов и своей команды Нотр-Дам. Он навещал своих старших сыновей в Канзасе и теперь направлялся в Лос-Анджелес, чтобы снять обучающий фильм про футбол.
Американский футбольный тренер, известный своим руководством командой «Нотр-Дам»
Погода оставляла желать лучшего, но, казалось, не представляла особой опасности. Поэтому борт все же поднялся в небо с небольшой задержкой по расписанию.
Вскоре после взлета ситуация резко ухудшилась, на стойках и крыльях начал скапливаться лед, самолет стал плохо реагировать на действия экипажа, и второй пилот Джесс Матиас сообщил земле по радиосвязи, что они будут возвращаться в Канзас. Это был последний разговор экипажа с диспетчерами. К сожалению, даже мастерство Фрая не помогло спасти самолет: на первом этапе полета из Канзаса в Уичито борт разбился, упав в пшеничное поле. Все люди на борту - 2 пилота и 6 пассажиров - погибли.
Смерть национального героя, «всеамериканского» символа добродетели во времена Великой депрессии, сделала эту катастрофу ключевой вехой в истории авиационной безопасности, так как из-за общественного давления она была расследована самым тщательным образом и стала причиной нескольких фундаментальных изменений. Например, впервые результаты расследований авиационных происшествий теперь стали публичными, а государство впоследствии начало регулировать безопасность конструкций всех авиапроизводителей. В частности же, именно после крушения Fokker F-10 более серьезно обратились к проблеме обледенения, которая была больным местом буквально с самых первых полетов человека на самолете.
Следствие пришло к выводу, что главными причинами крушения стали обледенение и деревянная конструкция крыла. Изменение аэродинамических характеристик из-за ледяных наростов привело к частичной потере управляемости и повышенной нагрузке на лонжерон, а клей, который был основным скрепляющим элементов в деревянных конструкциях, ослабился из-за просочившейся внутрь влаги. Усиливающиеся вибрации крыла вызвали его отрыв от фюзеляжа, и через несколько минут борт врезался в землю. Возможно, пилоты сумели бы вывести еще целый самолет из непогоды и дотянули бы до аэродрома, но обледенение не оставило им шансов.
Предполагаемая схема крушения
Оглядываясь в прошлое, порой наталкиваешься на удивительные временные совпадения: буквально за день до того, как Fokker F-10 отправился в свой последний полет, финальную серию испытаний прошла революционная технология защиты от льда, которая могла бы его спасти.
30 марта 1931 года на испытательном самолете Lockheed Vega, «Miss Silvertown», который взлетел из Акрона, штат Огайо, была установлена первая полноценная противообледенительная система — пневматик Гира — тонкий, надувающийся резиновый лист с масляным покрытием, прикрепленный к передним кромкам крыльев, детище Уильяма Гира, исследователя на пенсии и бывшего химика американской компании BF Goodrich.
Уильям Гир присоединился к BFGoodrich в 1907 году и проработал в ней в качестве их главного химика целых 18 лет. В 1927, через два года после того, как он ушел на пенсию по состоянию здоровья, пятидесятилетний Гир заинтересовался давней проблемой обледенения самолетов.
В течение первых двух десятилетий полетов самолетов с двигателями опасность обледенения мало беспокоила авиаторов. Не имея приборов, необходимых для полета без визуальных ориентиров, пилоты изо всех сил старались избегать облаков, а в плохую погоду не вылетали в принципе. В результате встречи с обледенением случались редко и всегда были непреднамеренными.
Первый этап борьбы со льдом на самолетах начался еще после Первой мировой войны, во времена становления коммерческой авиации. Летчики авиапочты были одними из первых жертв опасного явления: их небольшие самолеты, которые должны были срочно доставлять почту даже в плохих погодных условиях, разбивались или часто сразу же после взлета были вынуждены приземляться из-за ледяной корки на стойках и крыльях.
Так, ранним утром 23 декабря 1926 года пилот Уоррен Уильямс, направляющийся из Кливленда в Чикаго с 145 кг почты, потерял управление над своим бипланом Douglas M4. Когда он понял, что самолет падает, и больше сделать ничего нельзя, Уильямс сбросил газ и выпрыгнул с парашютом, благополучно приземлившись. Другому же пилоту Джону Ф. Милатцо повезло меньше. Вскоре после полуночи 22 апреля 1927 года, выполняя почтовый рейс из Чикаго в Нью-Йорк, Милатцо врезался в поле во время сильного снегопада и мокрого снега и погиб.
Самолет компании Varney Air Lines, предшественницы United Airlines. Varney доставил первую контрактную авиапочту
Гир знал, что исследования противообледенительных жидкостей и специальных тканей для крыльев велись силами энтузиастов и почтовых авиалиний еще с 1920-х, но эти ранние попытки были не регулярны и так и не дали конкретных результатов. Все, что делали пилоты и техники, сводилось предполетной очистке бортов щетками и изредка какой-то примитивной хим.обработке. Гир решил провести собственные эксперименты: в своей небольшой исследовательской лаборатории он начал испытывать химические методы предотвращения образования льда.
Через два года его работой заинтересовался Фонд Даниэля Гуггенхайма по развитию аэронавтики. В рамках своей программы грантов по повышению безопасности полетов в 1929 году фонд выделил Гиру 10 000 долларов на эксперименты, а Гир договорился с факультетом физики университета Корнелла (который он сам окончил еще в 1905 году со степенью доктора химии), о строительстве небольшого туннеля для исследования обледенения.
Уильям Гир - изобретатель одного из двух стандартных на сегодня методов борьбы с обледенением самолетов
Испытания в мини-туннеле показали, что промасленные резиновые листы действительно подавали большие надежды. Покрытый смесью из 4 частей масла сосны, 4 частей диэтилфталата и 1 части касторового масла резиновый лист замедлял накопление льда на нем. Теперь основная проблема заключалась лишь в том, чтобы избавиться от льда, который уже успел образоваться на носках крыльев.
Тесно работая с инженером компании BFGoodrich Расселом Колли (имя которого, кстати, указано в основном патенте компании) и сотрудниками университета, Гир придумал «расширяющийся резиновый лист» - что-то вроде бахил на передней поверхности крыльев. Резиновый лист с масляным покрытием был помещен на переднюю кромку аэродинамического профиля в туннеле, где под давлением воздуха надувался и разрушал корочку льда.
В конце марта и в апреле 1930 года прошли первые практические испытания изобретения. Уэсли Смит, бывший пилот службы воздушной почты, который теперь был руководителем по оперативным вопросам Национального воздушного транспорта, совершил три испытательных полета с установленными пневматиками Гира.
Тестовая часть состояла из закрепленных шнурками накладок длиной 90 см и шириной 40 см. Две трубки диаметром 5 см подавали воздух для их надувания. Во время полетов соавтор изобретения Рассел Колли сидел на ящике с апельсинами в грузовом отсеке самолета, где обычно перевозили почту, и использовал велосипедный насос для подачи воздуха в трубки, чередуя одну трубку с другой с помощью клапана с ручным управлением. Больше никто из команды не хотел рисковать и лететь сквозь ужасную погоду.
Инженер Рассел Л. Колли (слева) и пилот авиапочты Уэсли Л. Смит стоят рядом со своим Douglas M-2 после успешных испытаний, проведенных над аэропортом Кливленда
Схема системы из отчета Уильяма Гира 1930 года
Воздушные подушки прекрасно зарекомендовали себя во время перелета из Кливленда в Баффало в условиях сильного обледенения. Одной неприятной проблемой оставалось лишь образование льда на незащищенном винте, который пилот удалил сильным боковым скольжением.
Руководство компании было настолько впечатлено летными испытаниями, что решило построить большой туннель для исследования обледенения в Акроне. На тот день это самое большое сооружение такого рода в мире: разработанный при содействии инженеров NACA туннель Гудрича мог обеспечивать температуру до -18°С и скорость ветра до 135 километров в час.
После многочисленных испытаний в тоннеле Гир обнаружил лучший способ борьбы с скопившимся льдом – пневматики должны были надуваться с частотой примерно три раза в минуту. Инженеры разработали легкий воздушный насос, который автоматически открывался и накачивал их. Другие эксперименты в туннеле привели к разработке дополнительных воздушных чехлов, защищающих хвостовое оперение, подкосы и другие части самолета, уязвимые для обледенения.
В начале 1931 года компания Гудрич оснастила самолет Lockheed Vega с именем «Miss Silvertown» своей новой защитной системой. Сшитые на заказ подушки надевались на переднюю кромку крыла, пристегивались молниями к стойкам и шнуровкой к хвостовому оперению. Воздушный компрессор, установленный на моторе, автоматически подавал в них воздух.
Испытательный самолет Локхид Вега компании Гудрич
30 марта 1931 года пилот Чарльз Мейерс пролетел на мисс Сильвертаун сквозь ледяные облака, которые простирались над Акроном. Система сработала отлично. Этот полет, как сообщила на следующий день New York Times, ознаменовал «победу» над «одним из самых опасных врагов авиации».
Сегодня мы разбалованы обилием транспорта, его безопасностью и доступностью, мы очень привыкли к рейсам точно по расписанию и даже получасовая задержка в аэропорту уже вызывает чувство раздражения. Однако до того, как инженеры научились бороться со льдом, даже не самая плохая погода регулярно становилась причиной отмены рейсов. Самолеты могли летать лишь в идеальных условиях, и расписание авиакомпаний целиком зависело от капризов атмосферы. Неудивительно, что появление относительно дешевой и простой воздушной подушки Гира произвело настоящий фурор среди владельцев коммерческих линий.
Большинство из них быстро внедрили пневматики фирмы Goodrich. TWA оснастила свой Northrop Alpha 4-A подушками на крыльях и хвосте зимой 1932–1933 годов. Летом 1933 года United Airlines заказала подушки для своих Boeing 247, а TWA поставила их на свои Douglas-ы зимой 1934–1935 годов.
Модель Боинга-247 с пневматиками на носках крыльев, стабилизатора и киля
В этот период авиакомпании столкнулись c установочными проблемами, которые нужно было оперативно решать, так что у инженеров было полно дел: новое изобретение требовало доработок. Например, на высоких скоростях подушки Гира попросту не держались на крыльях из-за примитивных креплений. Для решения этой задачи, ранее уже упомянутый инженер компании — Рассел Колли — разработал заклепку с полой резьбой, называемую Riv-Nut, которую можно было устанавливать снаружи крыла.
Кроме того, инженеры Goodrich, работая с сотрудниками авиакомпании TWA, использовали свой туннель для разработки системы защиты от обледенения винта. Она состояла из круглого желоба перевернутого U-образного сечения, который был прикреплен болтами к задней поверхности втулки винта и снабжен короткими трубками, которые открывались в основании лопасти винта.
Схема из патента компании Гудрич от 1938 года
На винтах современных самолетов все еще применяется лишь немного усовершенствованный метод жидкостного распыления
Противообледенительная жидкость (обычно смесь глицерина и спирта) под давлением подавалась из резервуара внутри кабины, а затем капала в U-образную секцию на ступице винта. Затем центробежная сила переносила жидкость вдоль лопастей из алюминиевого сплава. После продолжительной серии летных испытаний, проведенных пилотом TWA Томлинсоном, эта схема «стропного кольца» начала внедряться на коммерческих самолетах.
Таким образом, антиобледенители Goodrich стали стандартным оборудованием американских авиалайнеров, и являлись одним из величайших вкладов в безопасность полетов в 1930-е годы.
Самолет DC-3 Eastern Airlines с антиобледенителями крыльев. Черные панели были установлены по всей передней кромке крыльев.
К 1936 году президент TWA гордо провозгласил, что ледяная опасность «практически устранена». Однако это было слишком самонадеянное объявление.
Бой второй: тепло против холода
Та же авиакомпания, те же погодные условия, но на этот раз – современный самолет с новейшей противообледенительной системой. Что может пойти не так?
25 марта 1937 года рейс 15А авиакомпании Transcontinental и Western Air вылетел из Ньюарка в Питтсбург. Из-за плохих погодных условий перед отправлением новенький DC-2 снабдили увеличенным количеством топлива, чтобы в случае невозможности дозаправки в промежуточном пункте, самолет летел напрямую. Из-за этого даже пришлось высадить нескольких пассажиров. Вряд ли они догадывались, что эта досадная пересадка на другой борт спасет им жизни.
Восстановленный DC-2 в ливрее авиакомпании TWA
Примерно в 18:30 на подлете к пункту назначения капитан Ларри Бонетт связался с землей, и пилоты приготовились совершить последний разворот перед заходом на посадку.
В это время другой самолет TWA на высоте 600 метров приближался к аэропорту округа Аллегейни, когда пилот А. М. Уилкинс, заметил рейс 15A точно впереди них на более низком эшелоне. Рейс 15A, казалось, начал левый поворот, но вместо этого перешел в серию левых спиралей, а затем врезался в землю носом. Он не долетел до Питтсбурга 10 километров, все 13 человек на борту погибли. Капитан Уилкинс развернул свой самолет, чтобы его пассажиры не увидели обломки и сообщил о произошедшем диспетчерам.
Свидетели, быстро прибывшие на место крушения, указали следователям на слой льда толщиной почти 4 сантиметра, скопившийся на крыльях, а показания пилотов, часто замечавших обледенение при заходе на посадку в этом районе, подтвердили версию потери управления из-за замерзших рулевых поверхностей.
К сожалению, воздушные подушки Гира не были спасением от всех проблем и, несмотря на эффективность, дальнейшие происшествия показали, что эта система подходит далеко не для всех самолетов.
Практически параллельно с развитием механического метода борьбы с обледенением частной компании Гудрич, в государственном агентстве NACA полных ходом шла программа по исследованию тепловых антиобледенительных систем.
Идея подобного подхода точно не была новой, о ней высказывались чуть ли не с начала 20-х, ведь самое очевидное, чем можно бороться со льдом - это тепло. Но механические подушки Гира очевидно были очень просты и дешевы, а владельцы компаний того времени вряд ли хотели заморачиваться с безопасностью. К тому же на еще небольших самолетах они работали без сбоев.
Пока авиационные правила были исключительно лояльны, можно было полагаться на удачу и более дешевую технологию. А то пока там изобретут более-менее удобную тепловую защиту бедные авиалинии потеряют кучу денег.
Первый ледяной туннель NACA для проведения исследований, 1930 г.
К моменту испытаний первых прототипов чехлов Гира, NACA в специально построенной лаборатории успели перепробовать несколько вариантов химической и тепловой обработки крыльев, но зашли в тупик: только химической обработки явно было недостаточно для безопасности, а система обогрева была чрезвычайно тяжелой для самолетов того времени. Как шутили два постоянных пилота-испытателя лаборатории —Томас Кэрролл и Уильям МакЭвой: «Самый безопасный метод сейчас заключается… в избегании»
Однако исследования не прекращались, и несмотря на то, что к 30-м годам NACA так и не добились желаемого результата, именно их тщательный сбор и анализ данных экспериментов начал постепенно прояснять истинный масштаб проблемы. Помимо изобретения термической защиты, планировались провести самые масштабные и подробные исследования видов льда и их влияние на технику, но совсем скоро эта цель отошла на второй план. Самолетам остро понадобились альтернативные и высокоэффективные методы борьбы со льдом, ведь началась Вторая мировая.
Во время войны самолеты с поршневыми двигателями были уязвимы сразу в нескольких местах: лед скапливался на винтах и передних кромках крыльев, блокировал воздухозаборники двигателей и забивал карбюратор, обледенение лобовых стекол снижало видимость пилотам. На кромки все еще устанавливали привычные резиновые чехлы, но проблема заключалась в том, что они серьезно ухудшали аэродинамическую эффективность поверхностей самолета и увеличивали сопротивление. А то, что для гражданской авиации - всего лишь вопрос денег, для военных могло стать фатальным.
Тяжелый бомбардировщик Boeing B-17G с выделенными черным противообледенительными чехлами Гира
Надо успеть упомянуть, что если американцы сделали упор на термическую защиту от льда, то британцы склонялись к идее жидкостной защиты. К началу Второй мировой они достаточно успешно опробовали систему автоматического опрыскивания самолета прямо в полете, когда противообледенительная жидкость, которая просачивалась через пористую полосу вдоль передних кромок крыла и хвостового оперения, затем распространялась воздушным потоком по поверхности. Первый вариант подобной системы был установлен компанией TKS на Avro Shackleton и Vickers Viking.
Система жидкостного удаления льда на передней кромке крыла
Основная проблема жидкостной системы защиты заключалась в ее сложности производства и обслуживания, а, значит, более высокой цене. К тому же помимо самой системы, самолет нужно было заправлять противообледенительной жидкостью, то есть - увеличивать его вес. Жидкостные системы были окончательно доведены до ума и стали более простыми лишь после войны, а до 50-х главными героями борьбы со льдом оставались воздушные подушки и СОВ.
Главным героем исследований в области термической защиты от льда был Льюис Родерт - дерзкий, несколько резковатый инженер NACA, убежденный в успехе обогревательных систем. Помимо прочего, Родерт считал, что исследования в туннелях не дают реальной картины обледенения и годятся лишь для сбора данных, но не для испытаний. В начале Второй мировой войны он сумел убедить военных выделить несколько самолетов под лаборатории для исследований NACA.
Льюис Родерт — начальник отдела летных исследований лаборатории NACA
Летчики-испытатели NACA намеренно решили проводить испытания в самых жестоких возможных условиях. Так, во время одного из своих первых полетов на специально модифицированном Lockheed 12A они столкнулись с «сильной турбулентностью, снегом и дождем, которые прервали радиосвязь, и случайными опасными электрическими разрядами», как выразился Родерт в своем официальном отчете. Во время другого полета в самолет попала молния, частично расплавившая винт и элементы планера. Иногда лед покрывал и обрывал радиоантенны, что мешало связи, а лобовые стекла порой были практически непрозрачными. Тем не менее Родерт, его пилоты и команда, не прекращали работу: война заставляла всех сдвигать сроки на ближайшие возможные.
16 ноября 1940 г. Летчик-испытатель Уильям МакЭвой возвращается из раннего полета первого испытательного самолета в Эймсе
Родерт разработал систему, которая отводила тепло от выхлопных газов Lockheed на передние кромки крыльев - СОВ (система отбора воздуха). Через трубу, встроенную вдоль кромки, горячие газы проходили к законцовкам и выпускались в атмосферу. В начале трубы, в крыле были сделаны отверстия, в которые попадал воздух снаружи, нагревался от теплообмена с трубой и разносился по остальной части крыла. Позднее эта технология была применена к бомбардировщикам B-24 и B-17, и на протяжении всей войны продолжались попытки улучшить и модифицировать ее для других военных и гражданских самолетов. Также команда Родерта активно работала над предотвращением образования льда на пропеллерах и лобовых стеклах, не говоря уже о карбюраторах, где он мог останавливать двигатели, перекрывая поток воздуха.
Схема системы, использующей нагретый выхлопом воздух для предотвращения обледенения крыльев Lockheed 12A
В 1946 году президент Гарри Трумэн наградил Льюиса самой престижной авиационной наградой Collier Trophy. Примечательно, что его президентский самолет Douglas DC-6 Independence, оказался одним из первых серийных самолетов, оснащенных термической противообледенительной системой.
Гарри Трумэн вручает Льюису Родерту награду Collier Trophy 1946 года за разработку во время войны системы тепловой защиты от льда
Комитет Collier Trophy объявил, что работа Родерта привела к тому, что «лед практически устранен как главная угроза для воздушного транспорта». Слишком зловещее эхо похожих слов президента TWA десятилетием ранее, и как и тогда, оно оказалось преждевременным.
Бой третий: мы все еще что-то упускаем
После войны ученые и конструктора, казалось, могли вздохнуть спокойно: в мире существовало уже несколько независимых центров по исследованию льда, и были придуманы эффективные методы борьбы с ним. Все, что оставалось - лишь доводить их до совершенства, да собирать данные экспериментов по заказам военных или для защиты докторских… или нет?
Холодным туманным вечером 2 января 1949 года самолет Douglas DC-3 c 27 пассажирами и тремя членами экипажа выруливал на взлетно-посадочную полосу. Пока они ожидали своей очереди около 10 минут, диспетчеры заметили нарастающий на полосе слой снега и попросили борт подождать еще немного, отправляя снегоуборочную технику вперед. Пассажирам очередная задержка рейса вряд ли была по душе: вылет и так перенесли почти на час.
Около 22:00 экипажу разрешили взлет. Практически сразу после отрыва самолет повел себя ненормально: левое крыло опускалось вниз, самолет, едва находящийся в воздухе, кренило в сторону. Командир экипажа сразу понял, что удержать машину они не смогут и немедленно сообщил наземной службе, чтобы те готовились принимать аварийный борт. Через несколько минут после взлета самолет разбился и начался пожар. В катастрофе погибло 11 пассажиров и все 3 члена экипажа, кабина пилотов была полностью смята.
Причиной крушения стало большое скопление снега на центральной и нижней поверхности левого крыла, которое не до конца удалилось после наземной обработки и которое заметили несколько свидетелей. По выводам следствия, погода в тот день была крайне неблагоприятной, количество выпавшего снега было очень большим и вероятнее всего ни наземное обслуживание, ни встроенная система не смогли справиться с таким объемом осадков.
Эта катастрофа далеко не единственная, произошедшая из-за льда уже после появления антиобледенительных устройств. На самом деле, их было еще очень много (они происходят и сейчас), и каждая из них становилась новым вызовом для ученых и комитета по безопасности, а окончательное решение проблемы обледенения появится еще совсем не скоро.
Таким образом, к середине двадцатого века уже сформировались три главных способа борьбы со льдом в авиации: механические воздушные подушки, термическая система защиты и обработка химическими составами - наземная и встроенная. На сегодняшний день, все самолеты, в зависимости от их типа, оснащены одной из трех встроенных систем и проходят обязательную внешнюю хим. обработку перед каждым вылетом при плохих погодных условиях.
Сейчас авиация считается самым безопасным видом транспорта, но за эту безопасность мы заплатили масштабной исследовательской работой и жизнями людей. Так что если ваш рейс внезапно задерживают, чтобы провести обработку, помните, что каждое правило в авиации появилось не просто так.
В качестве послесловия
Охватить всю историю возникновения современных принципов предотвращения обледенения невозможно, все, что я успел - это всего лишь мельком обозреть период с 1920-х по 1950-е. А ведь потом пришла эра реактивных самолетов, внесшая серьезные коррективы в конструкции, самолеты стали летать дольше и выше; появились новые методы исследований, была построена легендарная лаборатория NACA, зародилось компьютерное моделирование, углубившее наши знания о погоде и льде в частности. Да даже самая простая химическая обработка перед полетом имеет свои нюансы, и война со льдом на самом деле продолжается до сих пор.
Но вот дедлайн текстов про авиацию уже сегодня, так что все, что не вошло в статью, оставляем затравкой на будущее. Спасибо за прочтение!
Если вы увидели неточность в тексте, буду рад исправить (если это достоверная информация).
Источники (помимо Википедии):
Пост с навигацией по Коту
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Также читайте на других ресурсах:
Телеграм
ВК
Дзен
