Для чего пилоту нужно знать воздушную скорость

В отсутствии видимости земли для безопасности полета летчику важно знать, с какой скоростью самолет летит относительно воздуха. При достаточной скорости воздух за счет своего скоростного напора создает для самолета подъемную силу. Если же скорость мала, то машина сваливается в штопор.
Данная статья в большей степени относится к гражданской авиации. Сначала вспомним, как летали в условиях отсутствия видимости земли до появления скоростных самолетов.
На заре авиации летчику, летящему на «Фармане», открытом всем ветрам, не нужен был указатель воздушной скорости. Он ощущал напрямую скоростной напор воздуха, и это давало ему уверенность, что машина имеет достаточную подъемную силу, чтобы не свалиться «на крыло». Так, кстати, и сейчас летают и на планерах, не имеющих кабин. После появления на планерах закрытых кабин планеристы все равно умудряются «чувствовать воздух» (скорость) по шуму забортного воздуха.
О величине скорости самолета летчики могли судить и по усилиям на ручке управления или на штурвале. При нежелательном уменьшении скорости летчик стремился поддерживать ее в нужных пределах за счет увеличения тяги двигателя или разгоном самолета «под горку», то есть посредством планирования или даже пикирования. Заметим, что все сказанное выше относится к полетам при видимости земли.
Когда же авиация стала осваивать «слепые» полеты, потребовался указатель воздушной скорости, которую сейчас чаще называют приборной скоростью, так как истинная величина воздушной скорости немного изменяется, пройдя через воздушные коммуникации от борта самолета к стрелке прибора.
На приборе (см. рис. 2) показания соответствуют значению, указываемому стрелкой и умноженному на 10 км/час.

Рис. 1

Чувствительным элементом воздушной скорости является трубка Пито, известная читателю из курса физики средней школы. Это устройство, предназначенное для измерения напора текущей жидкости или газа, было изобретено в 1732 году французом Анри Пито (1695 — 1771).
На самолете трубка Пито является частью приемника воздушного давления (ПВД), предназначенного для восприятия в полете полного давления встречного потока воздуха, образующегося при движении самолета. ПВД представляет собой трубку с приемным отверстием, в которое устремляется встречный поток воздуха.
Познакомимся с принципом действия измерителя воздушной скорости (рис. 1). Полное давление через трубопровод подводится к манометрической коробке. Коробка помещена в герметичный корпус указателя скорости, внутренняя полость которого посредством штуцера и трубопровода соединена со статической трубкой ПВД. Статическое (атмосферное) давление поступает в статическую трубку через боковые отверстия в ПВД. При полете самолета возникает разность давлений в манометрической коробке и корпусе прибора, что вызывает расширение или сжатие коробки. Движение верхней поверхности коробки через рычаг сектора передается на стрелку. По ее положению на шкале летчик измеряет воздушную скорость. Во избежание обледенения ПВД обогревается в полете электрообогревателем.
Скорость полета относительно земли отличается от приборной из-за перемещения воздушных масс (ветра), окружающих самолет. Отличия названных скоростей особенно сказываются при полетах на легких самолетах. Ветром их может «сдуть» на значительное расстояние от маршрута. Вычисляется скорость полета относительно земли с помощью других устройств, и называется эта скорость путевой. По ней штурман осуществляет навигационные расчеты.

Рис. 2

Но вернемся к приборной (воздушной) скорости. Знание ее чрезвычайно необходимо летчику в полете вне видимости земли. Нельзя не оговориться, что важны показания и других приборов, так как свое пространственное положение (а значит, и самолета) летчик при таких полетах часто оценивает неадекватно. Бывали случаи, когда, находясь вниз головой, летчик считал, что он сидит «ногами вниз».
О скоростном напоре летчик судит по усилиям на штурвале или ручке управления. Во второй половине 1940-х годов на истребителях усилия по управлению возросли настолько, что вручную вести самолет стало физически невозможно. Участились доклады пилотов: «Управление заклинило!» Кроме того, появились гигантские самолеты с большими рулевыми поверхностями. Поэтому в системах управления скоростных и больших самолетов стали ставить бустеры — усилители мощности. Сначала роль таких бустеров в системе управления самолетом выполняли гидроусилители.
Некоторые конструкторы уже тогда предлагали вообще разгрузить пилотов. Но летчики выступили против этих конструкций. В то время (1950-е годы) они требовали такого управления, чтобы «чувствовать» машину так же, как это было при полностью ручном управлении. Ведь оно очень даже помогало им в «слепых» полетах.
В итоге был найден оптимальный вариант, при котором летчик ощущает до 30 % усилия, идущего от рулевой поверхности самолета. Такие системы назвали обратимыми. В них сохранилась обратная связь от руля к рычагам управления. По усилиям на рычагах пилот ощущал режим полета.
Однако скорости росли, и эти частичные нагрузки тоже стали труднопреодолимыми. Тогда сделали необратимые системы управления, то есть вернулись к тем вариантам, против которых «ополчились» было летчики.
В необратимой системе бустеры воспринимают все усилия с рулей управления (с руля направления, руля высоты, элеронов и др.). Для отклонения руля летчику требуется приложить к ручке управления незначительные усилия для преодоления только сил трения в механике и гидравлике. При этом обратная связь от рулей к штурвалу (ручке управления) полностью отсутствует. Таким образом, летчики перестали напрямую чувствовать скорость: сначала им взамен дали указатель скорости (трубку Пито), а затем необратимый бустер.
В настоящее время, однако, обратимая система управления продолжает применяться на небольших самолетах с относительно низкими скоростями.
Необратимые же системы управления привели конструкторов к мысли убрать из кабин штурвалы и заменить их небольшими ручками управления (джойстиками или сайдстиками). На новых самолетах это уже реализовано. К джойстикам не надо прикладывать значительных усилий при управлении самолетом. Теперь командир воздушного судна (КВС) «одной левой» управляет огромным лайнером, покручивая джойстик. Второй пилот имеет джойстик справа. Сначала они не были связаны, но конструкторы пошли дальше. На некоторых самолетах (например, на МС-21) джойстики левого и правого летчиков двигаются синхронно. Кроме того, в МС-21 применена система, в которой на джойстики передаются усилия, меняющиеся в зависимости от нагрузок на рулях управления, то есть возвращена обратная связь от самолета к органу управления. Заметим, что это новшество пока не сертифицировано.
Таким образом, механико-гидравлическое управление начинает заменяться электродистанционным — через компьютеры. Надежность обеспечивается за счет многократного резервирования систем управления. Однако безопасность полетов пассажирских самолетов не может быть обеспечена только компьютерной техникой. Летчики должны чувствовать самолет в чрезвычайных обстоятельствах. Статистика летной эксплуатации ВС – суровый экзаменатор новшеств на борту самолета. Она неумолимо свидетельствует: за последние десять лет случилось немало летных происшествий из-за обледенения ПВД (забыли включить обогрев), из-за не снятых перед полетом с ПВД заглушек, из-за осиного гнезда в трубке Пито, из-за попадания пыли в отверстия ПВД или не снятой с ПВД изоленты (мыли самолет и забыли снять ленту). Это мелочи, но мелочей в авиации не бывает!
В условиях невидимости земли и отсутствия данных о воздушной скорости при необратимой системе управления некоторые из вышеперечисленных случаев «с мелочами» окончились катастрофами.
Сергей Елисеев.