СРЕДСТВА СПАСЕНИЯ ЭКИПАЖЕЙ СВЕРХЛЕГКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
В статье рассматриваются средства спасения экипажей спортивных самолетов и мотодельталетов.
Долгое время первым и единственным средством спасения экипажей и пассажиров оставался индивидуальный спасательный парашют. Однако его применение в качестве средства спасения ограничивалось скоростями, не превышающими 400-500 км/ч. При больших скоростях покидание летательного аппарата (ЛА) из-за возможности столкновения с элементами его конструкции становилось небезопасным для человека. Спасательный парашют имеет ограничение и по минимально-безопасной высоте его применения. Кроме того, существует целый ряд других причин, затрудняющих или делающих невозможным его применение при спасении с аварийных ЛА. На вертолетах применение парашютов связано с опасностью столкновения при прыжке с лопастями несущего и хвостового винтов и другими элементами конструкции вертолета.
Несмотря на существующие ограничения, парашют остается основным спасательным средством для многих типов ЛА.
В конце 40-х годов ХХ века начинается создание и развитие средств принудительного аварийного покидания (СПАП). СПАП нашли широкое применение на боевых самолетах, а также на некоторых типах вертолетов. В настоящее время в состав СПАП входит одно или несколько технических устройств: катапультная установка (КУ) или ракетно-парашютная система (РПС), система открытия (образования) аварийного выхода (СОАВ), система управления катапультированием и т.д. Со временем применение СПАП позволило обеспечить безопасное аварийное покидание экипажем ЛА практически во всех эксплуатационных диапазонах применения.
Наиболее перспективным вариантом комплекса СПАП, обеспечивающим возможность безопасного применения и спасения экипажа при покидании ЛА, является комплекс средств аварийного покидания самолета (КСАП) с катапультной установкой К-36 и ее модификациями. Все существующие СПАП обеспечивают достаточно высокий уровень спасения летного состава в аварийной обстановке при условии их своевременного применения. Для повышения эффективности применения средств спасения разрабатываются и включаются в состав КСАП современных боевых авиационных комплексов специальные системы и устройства, помогающие летчику своевременно принять решение на покидание аварийного ЛА либо автоматически катапультирующие кресло с летчиком при условии развития необратимой АС.
Одним из перспективных средств спасения, рассматриваемых для экипажей вертолетов, которые не предполагается использовать для перевозки пассажиров, является система их принудительного покидания. В качестве средства принудительного отделения могут использоваться как катапультные установки, так и системы вытягивания буксировочным двигателем на упругом фале.
Кроме того, для повышения эффективности спасения экипажей и пассажиров, учитывая малые высоты полета, на которых происходит основная масса АС, и статистику их исходов ведутся разработки по созданию систем пассивной защиты (СПЗ), основанных на поглощении энергии удара при аварийном приземлении.
Таким образом, за более чем полувековую историю создания средств спасения наибольшей эффективности достигли средства спасения, применяемые на боевых ЛА. Если говорить о сверхлегких ЛА, таких как спортивные самолеты, мотодельталеты и т.д., то на ЛА данного типа основным средством спасения до сих пор остается индивидуальный спасательный парашют.
В настоящее время сверхлегкие самолеты, мотодельталеты широко применяются для первоначального обучения летного состава, участия в соревнованиях, в сельском хозяйстве и т.д. И всегда существует риск возникновения АС по причине отказа авиационной техники, нарушений техники пилотирования, попадания в сложные метеорологические условия и т.д., когда возникает необходимость покинуть ЛА. Так как сверхлегкие ЛА применяют, как правило, на малых высотах, то у экипажа практически не остается времени для их покидания при помощи индивидуального спасательного парашюта. Анализ статистики авиационных происшествий сверхлегких ЛА показывает, что более 60% АС возникает на режимах взлета, посадки и малых высотах.
Впервые в мире в конструкторском бюро ОАО «НПП Звезда» для повышения эффективности спасения экипажей спортивных самолетов была разработана сверхлегкая катапультная система (СКС) СКС-94. Ее модификации СКС-94М и СКС-94М2 в 2004 – 2005 гг. прошли государственные испытания с положительными результатами и были рекомендованы к установке на самолетах Су-26М и Як-52М соответственно.
Одной из отличительных особенностей СКС является ее небольшая масса – 24 - 28 кг (в зависимости от модификации). Она предназначена для размещения летчика в самолете и обеспечения нормальных условий пилотирования, а также принудительного аварийного покидания экипажем самолета при возникновении АС. В сочетании с другими системами, применяемыми в комплексах средств аварийного покидания ЛА (системой открытия аварийного выхода, системой управления катапультированием), СКС обеспечивает безопасное аварийное покидание самолета в диапазоне скоростей полета от 70 до 400 км/ч и высот катапультирования от 10 до 4000 м.
В состав СКС входят следующие основные элементы: каркас сиденья, телескопический стреляющий механизм, заголовник, механизм ввода парашюта, система разделения летчика с креслом, механизм поясного притяга, спасательная парашютная система с парашютом и подвесной-привязной системой. На СКС, размещенной в задней кабине двухместного самолета, устанавливается дополнительно блок управления катапультированием, предназначенный для обеспечения необходимой последовательности аварийного покидания самолета экипажем.
При покидании самолета с применением КУ, после срабатывания всех систем комплекса средств аварийного покидания и образования аварийного выхода, происходит катапультирование катапультного кресла (КК) с членом экипажа, перемещение системы «КК-летчик» по траектории катапультирования, ввод спасательного парашюта заголовником кресла, разделение кресла с летчиком, снижение летчика на парашютной системе.
При покидание самолета с применением СКС само кресло остается в кабине самолета. После образования аварийного выхода (если он образовывается отдельной системой) на кресле происходит срабатывание механизма ввода парашюта и отстрел заголовника с контейнером, в котором уложен парашют. Образование аварийного выхода может осуществляться как отдельной системой сброса фонаря кабины, так и путем пробития остекления заголовником кресла при отстреле. При движении заголовника по траектории происходит стягивание закрепленного на контейнере чехла с купола парашюта, после чего начинается его разворачивание по потоку и наполнение. Покидание членом экипажа кабины самолета происходит за счет срабатывания телескопического стреляющего механизма, который вытаскивает летчика буксировочным фалом за привязную систему. После отсоединения буксировочного фала от стреляющего механизма происходит движение летчика по траектории, наполнение купола парашюта, снижение и приземление летчика.
При оценке безопасности покидания самолета экипажем с помощью СКС применяются различные критерии безопасности, один из которых - безопасность расхождения траекторий членов экипажа с выступающими частями самолета и между собой (для двухместных машин) при катапультировании.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к СКС-94М2, применяемой на самолете Як-52М, должен быть обеспечен перелет летчиком киля и других выступающих частей самолета с минимальным расстоянием не менее 0,07 расстояния от места расположения кресла летчика до препятствия (киля), что составляет для самолета типа Як-52М:
- для передней кабины - не менее 0,298 м;
- для задней кабины - не менее 0,214 м.
Расчеты производились для режима прямолинейного горизонтального полета при Н = 0 м, в диапазоне скоростей полета от 250 до 400 км/ч (в этом диапазоне зазоры наименьшие), перегрузках nу = 1, nу = 4 и массах летчика 55 кг и 105 кг.
При анализе расчетов и проведенных испытаний было установлено, что при парном катапультировании минимальное расстояние между летчиком и килем самолета имеет место при катапультировании летчика из передней кабины на скорости 250 км/ч с вертикальной самолетной перегрузкой nу = 4, и составляет 0,244. При полете со скоростями V = 0,8Vmax = 320 км/ч и перегрузкой nу =4 минимальное расстояние между летчиком и килем самолета имеет место при катапультировании летчика из задней кабины, и составляет 0,615 м (рис. 1, 2).
Данное минимальное расстояние реализуется при условии рассмотрения летчика как тела, способного при пространственном движении занимать объем в виде шара, радиусом 1 м относительно своего центра массы. В реальных условиях применения СКС-94М2 это расстояние будет больше расчетного, так как в момент пролета над килем самолета летчик разворачивается по потоку за счет действия парашютных сил.
Кроме того, при покидании самолета с применением СКС-94М2 на режимах прямолинейного горизонтального полета, пикирования, набора высоты происходит разведение траекторий движения летчиков передней и задней кабин за счет наклона осей стреляющих механизмов – вправо на 15о для СКС передней кабины, влево на 15о для СКС задней кабины.
Таким образом, сверхлегкая катапультная система СКС-94М2 обеспечивает при катапультировании безопасный пролет членами экипажа киля самолета Як-52М в диапазоне скоростей от 70 до 400 км/ч в прямолинейном горизонтальном полете и в криволинейном полете до V = 0,8Vmax и nyc = 4 с минимальным расстоянием в продольной плоскости от 0,675 до 0,800 м – для передней кабины и от 0,417 до 0,653 – для задней кабины, что соответствует требованиям, предъявляемым к СКС.
Применение СКС-94 и ее модификаций на спортивных самолетах позволило спасать экипаж на высотах более 10 м (на режимах прямолинейного горизонтального полета). Вместе с тем, при совершении аварийной (грубой) посадки, так же, как и на самолетах транспортной авиации и вертолетах, применение СПЗ необходимо для поглощения энергии удара и исключения соударения члена экипажа с элементами интерьера кабины [1].
И все-таки, применение средств спасения типа СКС-94 не решает вопросов по спасению членов экипажей и пассажиров сверхлегких многоместных самолетов, таких как аэротакси, самолеты «бизнес класса» и т.д. На таких самолетах устанавливать катапультируемые системы, так же, как и на транспортных самолетах и вертолетах, невозможно.
Одним из вариантов средств спасения подобных ЛА могли бы стать отделяемые кабины, но их создание требует значительных экономических затрат, конструктивных изменений для существующих самолетов, проведение дополнительных опытно-конструкторских работ по созданию новых самолетов и т.д. Кроме того, геометрические размеры отделяемых кабин сверхлегких самолетов будут сопоставимы с размерами самого самолета без хвостового оперения и крыльев.
Другим средством спасения экипажа и пассажиров для сверхлегких многоместных ЛА могут быть системы коллективного спасения. Их принцип работы основан на спасении экипажа и пассажиров вместе с самолетом путем введения в поток спасательного парашюта пиросистемой и снижение самолета с экипажем на парашютной системе.
В пользу применения систем коллективного спасения говорят следующие факторы:
- на сверхмалых многоместных самолетах применение средств спасения, имеющих в своем составе катапультные установки, не представляется возможным;
- в случаи возникновения АС и необходимости покинуть самолет автономно с помощью индивидуального парашюта увеличивается общее время покидания самолета всеми членами экипажа и пассажирами;
- сравнительно невысокие полетная масса и скорость полета самолета, позволяют разработать и применить парашютные системы малой массы и объема, имеющие невысокую стоимость разработки и серийного образца;
- достаточно высокий уровень парашютной науки, техники и технологии позволяет применять текстильные материалы нового поколения, имеющие высокую удельную прочность, более совершенные аэродинамические схемы парашютов и схемы введения их в действие, использовать элементы конструкции и опыт применения катапультных кресел и т.д.
Таким образом, возможность и необходимость спасения экипажа, пассажиров вместе с ЛА, а также постоянная актуальность проблемы уменьшения времени введения в действие парашюта привели к созданию быстродействующих парашютных систем спасения. Характерным для них является уменьшение времени введения в поток парашютной системы за счет применения пиротехнических быстродействующих парашютных систем (БПС). Например, в системах BRS (США) роль ускорителя выполняет ракета или баллистический груз (снаряд), которые тянет за собой камеру с основным парашютом, а в системах МВЕН (РФ) роль ускорителя играет пиротехнический узел отстрела контейнера с парашютной системой.
Появление и применение БПС выявило ряд дополнительных положительных качеств, таких как:
- исключение из схемы спасения этапа выхода и отделения от самолета людей, что также, и существенно, уменьшает время и минимально-безопасную высоту от момента принятия решения до момента введения парашюта в действие;
- более комфортные и безопасные для людей (физически и психологически) условия при введении в действие, снижении и приземлении, т.к. люди остаются в креслах на борту ЛА, нет необходимости покидать ЛА и обеспечивать свое приземление, что связано со значительными физическими и психологическими нагрузками и не всегда безопасно;
- самолет после приземления не разрушается и после возможного ремонта и проверок может быть введен в строй, а также значительно снижается вероятность причинения материального и человеческого ущерба при падении ЛА на поверхность земли, т.к. ЛА не покидается пилотом и не падает бесконтрольно с высокой скоростью свободного падения.
В нашей стране одним из разработчиков системы коллективного спасения, имеющих в своем составе быстродействующие парашютные системы, является ОАО «Фирма «МВЕН».
Конструктивно эта система представляет собой контейнер с обтекателем и пиромеханизмом. В контейнер укладывается спасательный парашют. Небольшие размеры и масса БПС позволяют применять их на ЛА типа мотодельталет.
Для спасения экипажа мотодельталетов ОАО «Фирма «МВЕН» была разработана система коллективного спасения экипажа ССЭ-МД-20ДИ для мотодельталета МД-20ДИ. СКСЭ может применяться как на одноместных, так и на двухместных мотодельталетах. Впервые в нашей стране данная система проходила государственные испытания в 2006 г. Испытания проводились методом натурного моделирования в летных условиях со сбросами мотодельталета с манекенами с внешней подвески вертолета Ми-8 во всем эксплуатационном диапазоне высот и скоростей полета мотодельталета, а также осуществлялся сброс весовых макетов дельталета из самолета Ан-2. При проведении испытаний производилась оценка различных параметров, влияющих на безопасность применения системы спасения, а именно:
- вертикальной скорости снижения мотодельталета с экипажем на парашютной системе;
- динамических нагрузок, возникающих при введении парашютной системы в действие;
- перегрузок и угловых скоростей, действующих на члена экипажа при введении системы в действие и приземлении;
- травмобезопасности экипажа при приземлении.
При проведении испытаний со сбросом мотодельталета с манекенами с внешней подвески вертолета дельталет после сброса до момента срабатывания БПС занимал хаотичное положение в пространстве. Падение дельталета в различных экспериментах происходило в различном положении – в перевернутом состоянии, с большими углами пикирования и крена и т.д. В одном из экспериментов после сброса произошел «кувырок» дельталета, при этом разрушились силовые элементы конструкции крыла. И, тем не менее, после срабатывания системы спасения обеспечивалось введение спасательного парашюта, наполнение купола парашюта и снижение дельталета на парашютной системе.
Одним из проблемных вопросов при установке БПС на мотодельталет являлся выбор геометрии, места установки и крепления подвесной системы. От выбора геометрии подвесной системы зависит пространственное положение ЛА, а соответственно положение человека в ЛА под парашютом при приземлении, что, в свою очередь, определяет направление действия перегрузок приземления на человека.
При первоначальном предложенном варианте геометрии и установки подвесной системы в процессе снижения на наполненном куполе парашюта дельталет занимал положение с положительными углами атаки, при этом возникал эффект раскачки на подвесной системе в поперечной плоскости с большой амплитудой. При приземлении происходило увеличение значения скорости соприкосновения с земной поверхностью, увеличение ударной перегрузки, вследствие чего увеличивалась степень разрушений конструкции дельталета. При раскачке дельталет уже не приземлялся на все три колеса, а, как правило, сначала происходило соприкосновение с поверхностью одной из консоли крыла (правой или левой), ее разрушение с дальнейшим боковым ударом «тележки» о поверхность.
После проведения доработок и изменения геометрии и места крепления подвесной системы раскачка дельталета при снижении на парашютной системе была устранена. Мотодельталет занимал положение с небольшими отрицательными углами атаки и его приземление происходило на три колеса – сначала на переднее, затем на задние.
Минимальная высота безопасного применения СКСЭ составила 50 – 70 м, в зависимости от положения мотодельталета в пространстве, направления отстрела контейнера и других условий.
В целом, данная система спасения получила положительную оценку.
Однако при проведении испытаний было установлено, что при приземлении системы «мотодельталет-экипаж» на парашютной системе существует вероятность травмирования нижних конечностей членов экипажа разрушающимися элементами конструкции мотодельталета. Это обусловлено тем, что конструкция мотодельталета рассчитана на максимальную вертикальную скорость приземления примерно 4,6 м/с, а скорость снижения на парашютной системе составляла порядка 5,5 - 7,0 м/с (в соответствии с требованиями, предъявляемыми к системе спасения мотодельталета, вертикальная скорость снижения на парашютной системе должна составлять не более 8,0 м/с). При этом значения ударных перегрузок и угловых скоростей, действующих на манекены (членов экипажа) при приземлении, не превышали допустимых значений.
Таким образом, из анализа проведенных испытаний можно сделать вывод, что собственно сама система коллективного спасения с БПС удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям. Спасение мотодельталета с экипажем обеспечивается, но прочность конструкции мотодельталета не позволяет обеспечить выполнение требований по травмобезопасности, предъявляемых к СКСЭ ССЭ-МД20-ДИ. Отсутствие элементов защиты экипажа от воздействия разрушающихся элементов конструкции (как составной части системы пассивной защиты) не позволило выдать положительные рекомендации об установке ССЭ-МД-20ДИ на серийный мотодельталет МД-20ДИ.
Но, если говорить про такой тип ЛА, как мотодельталет с учетом его конструктивных особенностей, возможности применения элементов СПЗ, невозможности применения средств спасения типа СКС, то применение средств спасения с БПС является единственным перспективным способом спасения экипажей ЛА подобного типа. Кроме того, в эксплуатации мотодельталетов, на которых установлены БПС, имеется несколько случаев применения системы спасения в АС. Результаты применений положительные.
Как уже говорилось выше, СКСЭ с БПС может устанавливаться на различных типах сверхлегких ЛА. Применение СКСЭ на самолетах в сочетании со сверхлегкими катапультируемыми системами (например, на Як-52М или Су-26М) позволит повысить эффективность спасения экипажа и ЛА в АС. Однако применение СКСЭ влечет за собой также применение элементов СПЗ, как и при аварийной посадке, т.к. снижение системы «самолет-экипаж» на парашютной системе происходит со скоростями Vy больше эксплуатационных посадочных скоростей.
Таким образом, подводя итог вышеизложенному, можно сделать вывод, что на сегодняшний день основным средством спасения членов экипажа и пассажиров сверхлегких ЛА остается индивидуальный спасательный парашют.
Перспективными средствами спасения экипажей сверхлегких ЛА являются комплексы средств аварийного покидания самолета имеющие в своем составе сверхлегкие катапультные системы, а также системы коллективного спасения, основанные на использовании быстродействующих парашютных систем.
Литература
1. Сосунов М. В. Системы пассивной защиты как средства спасения экипажей летательных аппаратов при аварийной посадке.// «Проблемы безопасности полетов». Научно-технический журнал. – М.: ВИНИТИ, 2007, № 6.– С. 16 – 26.