Штопор (пилотаж)

Штопор
Медиафайлы на Викискладе

«Што́пор или штопорная бочка, волна», в авиации — особый, критический режим полёта самолёта или планёра, заключающийся в его снижении по крутой нисходящей спирали малого радиуса с одновременным вращением относительно всех трёх его осей^[1]; неуправляемое движение самолёта на закритических углах атаки^[2].

Штопору предшествует потеря скорости и сваливание. В ряде случаев предштопорное состояние сопровождается предварительной тряской. «Штопор» является фигурой высшего пилотажа, позволяющей быстро сбросить высоту, без угрозы превышения ограничения по скоростному напору. Пилотажные самолёты должны как просто вводиться в штопор, так и легко выходить из него (в том числе в плоский и перевёрнутый), а пассажирским и транспортным трудно входить в штопор и выходить из него.

Классификация штопора

Прямой штопор

Обратный штопор

Плоский штопор

Штопор подразделяется по виду^[3]:

• нормальный (прямой) — самолёт движется на положительных углах атаки.
• перевёрнутый (обратный) — самолёт движется на отрицательных углах атаки, то есть «пилот висит на ремнях».

По углу наклона продольной оси самолёта к горизонту^[4]:

• крутой (50—90°)
• пологий (30—50°)
• плоский (<30°)

По направлению движения самолёта^[4]:

• левый штопор — вращение против часовой стрелки,
• правый штопор — вращение по часовой стрелке.

По степени изменения средних параметров движения самолёта в штопоре от витка к витку:

• установившийся (устойчивый) — параметры практически неизменны,
• неустановившийся (неустойчивый) — параметры изменяются.

По характеру изменения параметров движения самолёта в процессе выполнения одного витка:

• равномерный — все параметры движения самолёта в режиме близки к своим средним значениям, изменение по времени угловых скоростей, углов атаки и скольжения небольшие.
• колебательный штопор — параметры движения самолёта изменяются значительно

Развитие штопора

Самолёт может попасть в штопор непроизвольно (например, из-за ошибки пилотирования или других причин), или может быть введён в него преднамеренно. Преднамеренный может использоваться для ознакомления лётчика с особенностями поведения самолёта в штопоре, обучения технике входа и выхода из него и также в рамках выполнения фигуры пилотажа.

Предпосылкой к попаданию самолёта в штопор является выход на закритические углы атаки или углы скольжения (аэродинамический подхват) и сваливание. Если происходит асимметричный срыв потока (например, вследствие скольжения или действия элеронов), то возникают моменты сил, придающие самолёту вращение вокруг осей. Если самолёт имеет хорошие противоштопорные характеристики, то вращение быстро затухает и происходит обычное сваливание, набор скорости и выход на нормальный режим полёта. В противном случае, самолёт попадает в режим устойчивого вращения, при котором асимметрия обтекания усугубляется и затягивает самолёт в установившийся штопор. В случае, если пилот попытается потянуть штурвал или РУС на себя, велика вероятность перехода в плоский штопор, с большими углами атаки и угловыми скоростями вращения.

Опасность штопора

Эффективность управляющих поверхностей при штопоре падает, а быстрое вращение может привести к дезориентации пилота, что затрудняет выход из штопора. Существенное падение подъёмной силы приводит к быстрой потере высоты, что представляет значительную опасность, особенно на малых высотах полёта. Всё это требует от пилота умения избегать сваливания (если только нет цели выполнить штопор преднамеренно), распознавать предвестники сваливания и штопора (тряска, сигнал АУАСП и т. п.) и при возникновении штопора выводить из него самолёт на безопасной высоте.

При плоском штопоре воздушно-реактивные двигатели не получают необходимого набегающего потока воздуха, что может привести к срыву стабильной работы двигателя (помпаж), что ещё более затрудняет выход из штопора.

Выход из штопора

Существует несколько методов вывода самолёта из штопора, в зависимости от воздушного судна и от типа штопора. Общий принцип всех методов: остановить вращение, увеличить скорость, восстановить эффективность рулей, прекратить срыв потока на обеих консолях крыла, переведя аппарат в нормальный полёт со снижением и набором скорости.

В процессе лётных испытаний опытных самолётов, чьи штопорные характеристики ещё неизвестны, для обеспечения надёжного выхода из уже развившегося (устойчивого) штопора применяются противоштопорные парашюты или ракеты.

Уилфред Парк

Впервые вывод из штопора, зафиксированный в авиационной истории, осуществил британский авиатор Уилфред Парк^[англ.]. В августе 1912 года на аэродроме Ларкхил^[англ.] при полете по аэродромному кругу его биплан Avro G^[англ.] попал в непредумышленный левый штопор на высоте 210 метров (700 футов). Пытаясь уменьшить перегрузку, возникшую в штопоре, Парк полностью отклонил руль направления в сторону, противоположную направлению вращения самолета в штопоре. После чего ему удалось вывести самолёт на высоте 15 м из штопора. На тот момент обнаруженный Парком метод вывода не получил должного распространения и не стал изучаться в авиационных школах того времени.

Константин Арцеулов

Впервые преднамеренный ввод самолёта в штопор на аэроплане «Ньюпор-XXI»^[5] осуществил 24 сентября 1916 российский военный лётчик Константин Константинович Арцеулов, внук художника-мариниста Ивана Айвазовского. На высоте 2000 м он два раза подряд вводил машину в штопор и благополучно выводил её^[6][7].

Штопор на пассажирских самолётах

На транспортных (особенно пассажирских) самолётах, а также крупных бомбардировщиках, не предназначенных для высшего пилотажа, вывод из штопора не предусмотрен, а программы лётных испытаний таких самолётов не включают проверки штопорных характеристик. Причины этого следующие:

• При штопоре возникают значительные знакопеременные нагрузки на силовые элементы конструкции, допустимые только для пилотажных самолётов и истребителей, обладающих достаточным запасом прочности. Воздействие таких нагрузок на конструкцию большого и тяжёлого транспортного самолёта, рассчитанную на экономичные режимы полета, приводит к деформации силовых элементов, а в отдельных случаях — к их разрушению, поэтому испытать такой самолёт на штопор без его повреждения затруднительно.
• Надёжный вывод самолёта из штопора требует от пилота как хороших навыков управления самолётом в нештатных (пилотажных) режимах, так и развитого «чувства самолёта» — как модели/серии, так и конкретного воздушного судна. У пилотов пассажирских самолётов отсутствует возможность регулярных тренировок в таких условиях.
• Для любого самолёта, кроме пилотажного, а также сверхманевренных истребителей, сам факт попадания в штопор является аварийной ситуацией.
• Расследование авиакатастроф, в которых штопор привёл к падению самолёта (список наиболее известных приведён ниже), показывает, что в большинстве случаев к возникновению штопора приводил ряд грубых пилотажных ошибок экипажа при штатных условиях полёта, а также грубые нарушения экипажем требований авиабезопасности. В такой ситуации нет оснований полагать, что наличие технической возможности вывода самолёта из штопора могло бы предотвратить катастрофу.
• В пассажирской авиации основные усилия направлены на предотвращение выхода самолёта из штатных эксплуатационных режимов, одним из следствий которого может быть развитие штопора. Для этого принимаются меры к расширению допустимого диапазона углов атаки, возникновению хорошо заметной предупредительной тряски при срыве потока, самопроизвольному уменьшению самолётом угла атаки за счёт аэродинамических особенностей крыла, достаточно совершенная компьютерная пилотажная система и т. п.

Разработка теории штопора

Проблемой штопора в 1918-1919 годах занимался английский учёный Г. Глауерт. Теоретическое обоснование штопора впервые разработано советским учёным В. С. Пышновым в работе «Самовращение и штопор самолётов» (1927).

А. Н. Журавченко продолжил исследование на приборе Ш-1 (1935 г.). Но аэродинамические характеристики, полученные на Ш-1, были недостаточно точными. Достаточно надежное разрешение проблемы штопора было получено в дальнейшем, на основе экспериментальных методов исследований динамически подобных моделей в вертикальной трубе ЦАГИ Т-105.^[8]

В исследование штопора большой вклад внесли учёные ЦАГИ, летчики-испытатели ЛИИ, а также инженеры различных ОКБ. В частности, большой вклад в исследование динамики штопора внёс летчик-испытатель А. А. Щербаков.

Известные авиакатастрофы, произошедшие в результате сваливания самолёта в штопор

• Катастрофа Ту-104 в Вурнарском районе
• Гибель Юрия Гагарина c Владимиром Серёгиным на МиГ-15
• Катастрофа CL-600 в Мохаве^[9]
• Катастрофа Ту-154 под Учкудуком
• Катастрофа CRJ100 в Байерсе^[10]
• Катастрофа A310 под Междуреченском
• Катастрофа Ту-154 под Иркутском (2001)
• Катастрофа MD-82 под Мачикесом
• Катастрофа Ту-154 под Донецком
• Катастрофа Boeing 737 под Шарм-эш-Шейхом

Примечания

1. Штопор — статья из Большой советской энциклопедии. 
2. Котик, 1976, с. 9.
3. Котик, 1976, с. 10.
4. Котик, 1976, с. 12.
5. Фотография аэроплана «Ньюпор-XXI», на котором Арцеулов впервые в мире выполнил преднамеренный штопор  (неопр.). Дата обращения: 28 декабря 2008. Архивировано 20 июля 2012 года.
6. Арцеулов Константин Константинович Архивная копия от 26 марта 2009 на Wayback Machine Уголок неба. Виртуальная авиационная энциклопедия
7. Первый штопор России Константин Арцеулов Архивная копия от 4 марта 2009 на Wayback Machine Крым на перекоп.инфо
8. Г.С.Бюшгенс. Самолетостроение в СССР. 1917 - 1945 годы. Книга II. — Издательский отдел ЦАГИ, 1994. — С. 292.
9. Aviation Safety Network  (неопр.). Дата обращения: 28 февраля 2007. Архивировано 29 сентября 2007 года.
10. Aviation Safety Network  (неопр.). Дата обращения: 28 февраля 2007. Архивировано 29 сентября 2007 года.

Литература

• М.Г. Котик. Динамика штопора самолета. — М.: Машиностроение, 1976. — 328 с.
• Каталог фигур высшего пилотажа Арести ФАИ = FAI Aresti Aerobatic Catalogue. — Federation Aeronautique Internationale, 2002.

Ссылки

• Описание штопора на www.airhorse.narod.ru
• Пилот СУ-57 выполнил плоский штопор