Апрельский транспортный коллапс наглядно продемонстрировал: чтобы самолеты летали бесперебойно, присутствие вулканического пепла в воздухе придется рассматривать не как форс-мажор, а как погодный фактор. Способен ли современный авиалайнер пройти сквозь облако пыли?

На момент написания этой статьи количество авиарейсов, отмененных в связи с извержением вулкана в Исландии, вплотную подобралось к 100000. Убытки европейских авиакомпаний оцениваются в $1,7 млрд, как минимум пять некрупных перевозчиков балансируют на грани банкротства.

Как только Евроконтроль (европейская организация по обеспечению безопасности воздушного движения) вновь открыл небо над Европой, на чиновников обрушился шквальный гнев со стороны авиакомпаний, министров транспорта европейских правительств, наконец, сотен тысяч пассажиров, в том числе и застрявших на неделю вдали от дома. Небесных функционеров обвинили в перестраховке и стремлении прикрыть собственный тыл вопреки интересам миллионов граждан.

В первые же дни «воздушной блокады» в воздух без пассажиров поднялись самолеты компаний KLM, British Airways, Lufthansa, Air Berlin. На борту присутствовали высшие лица компаний, и пилоты не сообщили о каких-либо отклонениях от штатных режимов. Airbus провела над Европой ряд тестовых полетов своих A340 и A380, во время которых экипаж и инженеры внимательно наблюдали за поведением систем самолетов и двигателей и не обнаружили никаких отклонений (не обнаружила их и послеполетная инспекция). Но в ответ от Евроконтроля звучала лишь одна формулировка: «Мы не знаем, как вулканическая пыль повлияет на самолет».

Но есть и противоположная точка зрения. Опять же, на момент написания этой статьи к Европе подошло новое облако вулканического пепла. На этот раз аэропорты остаются открытыми. Между тем формулировка «мы не знаем» действительна до сих пор. Евроконтроль не похвастался результатами работы независимых летающих лабораторий, а авиакомпании отделываются скупой формулировкой: «Никаких отклонений от нормы замечено не было». Ни один пилот в эти дни не согласился подробно пояснить, насколько растяжимым может быть понятие «штатный режим полета». Если верить пресс-службам перевозчиков, то все до единого летчики гражданской авиации одновременно поднялись в небо, чтобы устранять последствия транспортного кризиса без отдыха и сна.

В эти дни сотрудникам редакции предстояли зарубежные командировки. И нам было страшно лететь. Масла в огонь подлили производители авиадвигателей, которые пригрозили перевозчикам прекращением гарантийных обязательств. Мы решили разобраться, чем именно грозит авиалайнеру попадание в облако вулканической пыли, и обратились в Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем (ГосНИИАС) и в НПО «Сатурн» (производитель двигателей).

Дышите глубже!

Наиболее растиражированная фобия связана с возможным отказом двигателя, связанным с попаданием в него вулканической пыли. Примером такого отказа может служить летное происшествие, случившееся с рейсом KLM867 в 1989 году. После прохождения сквозь облако пыли в 300 км от места извержения вулкана Редаут экипаж сообщил об отказе всех четырех двигателей. Похожим образом развивались события рейса British Airways9, в ходе которого воздушное судно попало в облако пепла индонезийского вулкана Галунггунг. В обоих случаях двигатели удалось вновь запустить после выхода из пепельной взвеси.

В многочисленных источниках встречается версия, что вулканический пепел, который представляет собой микроскопические кусочки вулканического стекла, расплавился в камере сгорания двигателя и образовал вязкую массу, закупорившую каналы подачи топлива. Это распространенное заблуждение.

В полете двигатель засасывает в себя воздух с колоссальной скоростью: расход воздуха составляет от 40 до 100 кг в секунду. Чтобы топливо могло поступать в камеру сгорания, давление в форсунках должно быть еще больше, чем давление воздуха, создаваемое компрессором. Кроме того, форсунки располагаются по ходу воздушного потока, а не против него. По словам начальника испытательного цеха НПО «Сатурн» Романа Любимова, в таких условиях вулканический пепел не может попасть в топливопровод ни в твердом, ни в жидком виде.

Срыв пламени (прекращение горения в камере сгорания), о котором сообщали экипажи злополучных рейсов KLM и British Airways, Роман связывает с качеством топливовоздушной смеси (см. врезку). Такое возможно только при очень высокой концентрации пепла в воздухе — например, в 300 км от извергающегося вулкана, как в случае с KLM 867. Тогда извержение стало полной неожиданностью для пилотов. Если присутствие пыли в воздухе не будет неожиданностью для экипажа, внезапного отключения двигателя тоже не произойдет. В камере сгорания современного авиационного двигателя содержится не менее 12 форсунок. Срыв пламени на одной или нескольких из них не влечет за собой негативных последствий. Отключение части форсунок используется в штатных режимах полета в целях экономии топлива и снижения эмиссии вредных выбросов в атмосферу. С другой стороны, отказ части форсунок даст пилоту тревожный сигнал о необходимости покинуть опасную зону.

Турбопескоструйка

Вулканическая пыль — это сильный абразив. Какое воздействие микроскопические частицы стекла оказывают на вращающиеся со скоростью свыше 6000 об/мин детали двигателя при столкновении с ними на скорости 800 км/ч? Точный ответ на этот вопрос неизвестен, ибо соответствующие испытания не входят в программу сертификации двигателей для самолетов гражданской авиации и, следовательно, не проводятся. Через подобные тесты проходят некоторые газотурбинные двигатели для вертолетов, которым предстоит эксплуатироваться в сложных климатических условиях.

Наиболее близкие условия моделируются в ходе испытаний на заброс града. «При столкновении с вентилятором большая часть градин отбрасывается от центра потока на периферию и проходит по внешнему контуру, не попадая в часть высокого давления, — рассказывает Роман Любимов. — Это основополагающий принцип проектирования двигателей гражданской авиации».

Твердость градин не сопоставима с твердостью поверхности вращающихся деталей двигателя. Мотор обязан в полной мере сохранить свои характеристики при прохождении облака града. Однако после такого полета двигатель в обязательном порядке перебирают: энергия градины массой 1 г достаточно велика, чтобы при столкновении на кромках вентилятора образовались загибы или забоины. Разумеется, легкая взвешенная вулканическая пыль нанести подобные повреждения не способна.

Применительно к металлам принято говорить о чистоте поверхности. Этот параметр учитывает высоту и количество неровностей на поверхности детали. В турбореактивном двигателе чистота поверхности наиболее важна для лопаток компрессора. Его ажурные лопатки обтекаются воздухом с наибольшей скоростью, и от их гладкости напрямую зависит эффективность работы и тяга двигателя. Лопатки компрессора покрывают эрозионностойким материалом и шлифуют. Благодаря конструкции вентилятора большая часть вулканической пыли минует компрессор. И все же длительная эксплуатация в условиях запыленности может негативно сказаться на чистоте поверхности лопаток и характеристиках двигателя. Отчасти с этим связан возможный отказ производителей от гарантийных обязательств.

Для турбины не так важна чистота поверхности, как жаропрочность — ведь ей приходится работать буквально в камере сгорания. Ее отливают из огнеупорного сплава и даже не шлифуют, так что абразив ей не страшен. Кроме того, частицы пепла вряд ли смогут преодолеть камеру сгорания, не расплавившись. Однако внутри турбины есть охлаждающие воздушные каналы. Вот их-то и может закупорить расплавленное стекло, нарушив циркуляцию воздуха и охлаждение. Это может привести к перегреву, преждевременному износу и даже разрушению узла.

Однако повышение температуры не происходит мгновенно. Экипаж получит тревожный сигнал задолго до того, как произойдет непоправимое. В итоге, по мнению Романа Любимова, при полете в сплошном облаке пыли вероятность возникновения проблем с навигацией многократно превышает вероятность отказа двигателей.

Пять шагов на север

От соприкосновения с многочисленными частицами пепла в смеси с водяным паром на большой скорости воздушное судно приобретает электрический заряд. Экипаж и пассажиры самолетов, которым довелось пролететь через пыльное облако, наблюдали яркое свечение на окнах, фюзеляже, крыльях. По словам старшего научного сотрудника ГосНИИАС Олега Титкова, при длительном воздействии статическое электричество может привести к разрушению некоторых деталей, например антенн радиоприемных устройств. Прохождение заряженного самолета может спровоцировать молнии. Однако куда более вероятно возникновение помех в бортовых электрических сетях.

Каждый двигатель современного лайнера имеет собственный генератор и бортовую сеть. Мощный промышленный компьютер, установленный прямо внутри мотогондолы, управляет автоматикой двигателя, в том числе регулирует качество топливовоздушной смеси. Именно он уменьшает подачу топлива по мере набора высоты (чем выше, тем более разрежен воздух) или же если вместо части воздуха двигатель глотает пыль.

Устроить двигателю электрошок вулканический пепел не сможет: бортовые электрические сети слишком хорошо экранированы. А вот создать помехи в радиоприемных устройствах вплоть до полного прекращения связи статическое электричество вполне способно. Это значит, что, проходя через облако пепла, самолет с высокой вероятностью может лишиться основной части систем навигации.

Для определения текущего положения в пространстве система навигации FMS (Flight Management System) использует сразу несколько источников. Наиболее точный из них — GPS. Следующий по точности — сигнал наземных радиомаяков VOR-DME, которые позволяют определить направление и, в зависимости от конструкции, расстояние до заданной точки на земле. Еще менее точны ненаправленные радиомаяки NDB. Наконец, наименьшей точностью обладают инерциальные системы навигации (ИНС). Они представляют собой набор гироскопов и акселерометров. Ошибка при длительном полете по инерциальной системе навигации может достигать нескольких сотен метров.

Как видно, во время буйства статического электричества пилоты смогут ориентироваться в пространстве только по ИНС. Кроме того, жертвой заряда может стать погодный радар. А значит, избегать попадания в опасные грозовые облака придется, полагаясь на собственный орлиный глаз. К счастью, испытательные полеты продемонстрировали, что прозрачность окон кабины от абразивного воздействия вулканического пепла не страдает.

Вулканическому пеплу не под силу вывести из строя самолет. Он лишь выводит на первый план человеческий фактор. Если вы верите в профессионализм командира экипажа — смело поднимайтесь на борт. Лично мы именно так и поступим.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2010).