Дополнительный анализ материалов расследования авиакатастрофы самолета
Ту-154М № 85185 в районе Донецка
22 августа 2006 года
Д.В. Хомицкий
кандидат физико-математических наук,
доцент Нижегородского государственного университета
им. Н.И. Лобачевского
E-mail:
khomitsky@phys.unn.ru
Предисловие
Данное исследование представляет собой попытку неформального дополнительного анализа обстоятельств авиакатастрофы самолета Ту-154М № 85185 в районе Донецка 22 августа 2006 года на основе материалов расследования комиссий Межгосударственного авиационного комитета и других открытых источников. Целью работы является не повторение проделанной МАК работы, а дополнительное обсуждение исходных причин произошедшего, приведших к описанным в отчетах МАК последствиям. Автор работы не принадлежит ни к одному из ведомств или организаций, каким-либо образом заинтересованных в той или иной трактовке выводов, его выводы носят неофициальный и дискуссионный характер.
Прежде всего необходимо остановиться на морально-этической стороне вопроса. Разбираемое в работе происшествие стало огромной трагедией для родственников, друзей и коллег 170 пассажиров и членов экипажа рейса 612 Анапа - Санкт-Петербург. Всем им автор прежде всего выражает свои соболезнования. Несмотря на то, что ниже анализируются и местами критикуются действия членов экипажа, с точки зрения произошедшего все они, как и пассажиры, являются потерпевшими, достойными максимально тактичного к себе отношения. Автор выражает убеждение, что катастрофа явилась следствием не случайного проявления халатности каких-либо лиц, чьей-либо злой воли или фантастических внешних факторов, а была печальным следствием совместного проявления ряда объективных причин, до сих пор окончательно не ликвидированных в системе гражданской авиации и метеорологической службы России. Целью данной работы поэтому является не новый поиск виновных или проявление недоверия к специалистам из комиссий МАК, а дополнительный анализ движущих сил и причин, которые привели к происшествию, преимущественно с позиций математического описания динамики систем, аэродинамики и сравнительного анализа. Подразумевается знакомство читателя с основными опубликованными материалами по расследованию, прежде всего с официальным отчетом МАК [1],
Автор будет считать свою задачу выполненной, если дискуссия вокруг этой работы, равно как и других исследований, доступных самому широкому кругу читателей и авиационных специалистов, хоть в какой-то степени будет способствовать повышению безопасности полётов. Любые комментарии и критика, направленные на решение этой проблемы, будут приняты и изучены с благодарностью.
1. Метеорологическое обеспечение полёта
При рассмотрении вопроса о метеорологическом обеспечении полётов гражданской авиации России в целом и борта 85185 22 августа 2006 года в частности следует избегать наиболее полярных мнений, высказываемых разными сторонами. Пассажиры справедливо ожидают максимального внимания к безопасности, пусть даже ценой задержек рейсов и перерасхода топлива на обход опасных метеорологических зон. Перевозчики, представляя собой коммерческие компании, хотят минимизировать задержки рейсов и расход топлива. Есть и третья сторона, представляющая дежурную метеорологическую службу в аэропорту вылета, вдоль маршрута полета, а также в аэропорту прибытия. В данном случае вопрос стоит так: какие недостатки в метеообеспечении рейса борта 85185 способствовали происшествию и можно ли их избежать в будущем при реальном состоянии дел в российской метеослужбе?
Как известно с точки зрения нормативных документов экипаж борта 85185 получил необходимую консультацию, включающую информацию о смещении к трассе холодного фронта с волнами, грозами, с высотой облачности в 10-11 км и ожиданием развития до 12 км [1, c.27]. Какие из этой информации могли быть сделаны выводы? Нижеследующие простые рассуждения по данному вопросу являются, по мнению автора, очевидными для любого пилота и любого синоптика:
• Прогнозировавшееся метеоявление имеет динамичный и поэтому плохо предсказуемый характер с точки зрения конкретных данных: по высоте облачности в конкретной точке, по скоростям и градиентам скоростей ветра, по размеру опасных грозовых образований, контуры которых быстро меняются (это подтверждается данными с метеолокаторов) [2,3];
• Из информации о тенденции роста верхней границы облачности следует вывод об усилении мощности грозовых облаков, в том числе о перспективах сдвига верхней границы выше 12 км (подтверждается последующим анализом метеоданных). При обеспечении минимальной высоты полета над верхним краем облачности в 500м и максимальном эшелоне 12100 м отсюда сразу же следует вывод о невозможности обхода ожидаемых гроз верхом, который должен был быть осознан и озвучен как синоптиком, так и экипажем при прохождении метеоконсультации.
Таким образом, даже без дополнительной метеоинформации, не полученной во время самого рейса вследствие отключения харьковского метеорадара и отсутствии данных бортовой погоды в зоне смешанного российско-украинского диспетчерского контроля у дежурного синоптика и экипажа была возможность более тщательно подойти к имеющимся метеорологическим данным и сделать главный вывод о недопустимости обхода ожидаемой грозовой облачности верхом. Почему же этот вывод не был сделан?
Нам представляется, что причина лежит в ограничении каждого из звеньев – синоптика и экипажа – лишь рамками существующего круга обязанностей. Действительно, с нормативной точки зрения все участники метеоконсультации выполнили все действия. Однако мы видим, что информация о верхней кромке имеет значение лишь при сопоставлении ее с потолком конкретного самолета в конкретном рейсе. Этой информацией синоптик мог и не обладать, хотя разместить на рабочих местах дежурных синоптиков краткие таблицы с ограничениями основных типов воздушных судов по высоте полета не представляет труда. Следует также включать эту информацию в обязательный пункт при прохождении метеоконсультации. Со стороны экипажа, вероятно, сказался большой опыт предыдущих полетов с успешным обходом опасных метеоявлений, поэтому запрет на обход ожидаемой облачности верхом и не отложился в сознании при подготовке к вылету. По нашему мнению, законодательное дополнение к перечню данных на метеоконсультациях, связанное с озвучиванием возможных и запрещенных видов обхода опасных метеоявлений, повысит уровень озабоченности всех ответственных сторон, что увеличит безопасность полетов.
2. Экономия топлива и репутация как источники прибыли
Есть определенная закономерность в том, что две катастрофы со сваливанием с эшелона (Учкудук-1985 и Донецк-2006) произошли в годы выраженных мер по экономии топлива. Прямым следствием такой политики является тенденция к выполнению полётов на более высоких эшелонах и при минимальном изменении плана полёта для уклонения от опасных метеоявлений. Опыт практикующих пилотов, однако свидетельствует, что наибольшая экономия достигается при грамотном планировании трассы для использования попутных ветровых течений, которые значительно увеличивают путевую скорость самолета и уменьшают рейсовое время. Объективному стремлению перевозчиков минимизировать издержки, очевидно, противопоставить нечего. Можно лишь напомнить, что репутация в бизнес- сообществе имеет не меньший вес в плане источников дохода. Несомненно, что репутация безопасного перевозчика для авиакомпании имеет конкретную и гораздо большую цену, чем сэкономленное топливо, поскольку пассажир будет прежде всего выбирать более безопасную компанию. Поэтому следует вводить премии не за экономию топлива, а за непопадание в опасные метеоявления, и штрафовать за нарушение границ их безопасного облета. Такие меры, тем более при их широком освещении службой информации компании, несомненно, принесут ей больше прибыли, чем сэкономленное топливо.
Обход грозовой облачности сбоку
Содержание и стиль разговоров в кабине экипажа перед встречей с грозовой облачностью свидетельствуют о крайне слабой степени озабоченности предстоящими маневрами по обходу грозовых очагов, что значительно снизило уровень мобилизации необходимых навыков у всех членов экипажа, прежде всего у КВС и штурмана. Такой настрой является прямым следствием перегруженности экипажей в летний период, большого опыта предыдущих безопасных полетов в сочетании со слабой тренажерной подготовкой по последствиям попадания в опасные метеоявления. Все эти факторы носят объективный характер и могут быть исправлены лишь через ужесточение проверок знаний по метеорологии внутри авиакомпаний, которые должны носить не формальный, а самый принципиальный характер.
В процессе выполнения рейса бортом 85185, как известно, экипажем был выполнен обход первой зоны грозовой облачности справа, а вторую зону экипаж пытался обойти верхом, как это видно на графике, подготовленном Комиссией по научно-техническому обеспечению работ (КНТОР МАК) [2] и показанному на Рис.1.
Рис.1 (из отчета КНТОР МАК [2]) Траектория борта 85185 22.08.06 с отметками времени UTC и грозовая облачность (темные участки).
Бортовой локатор «Гроза» был исправен и позволял безопасно выполнить все необходимые маневры даже при отсутствии должных консультаций метеорологов, бортовой погоды и при неработающем метеорологическом радаре в Харькове. Об этом свидетельствует успешное выполнение маневра по обходу первой зоны облачности в 11:14-11:22 (Рис.1). Эта зона имела даже несколько больший размер, чем вторая (катастрофическая) зона, и была успешно обойдена справа. Представляется маловероятным как внезапный отказ локатора сразу после обхода этой зоны, так и принципиально иной характер атмосферной деятельности второй зоны, помешавший определить ее размеры. Ничто не препятствовало экипажу в течение четырех минут с 11:24 до 11:28 выбрать правильный способ обхода второй зоны с поворотом влево или вправо, но на значительный угол в 40-60 градусов. При этом поворот влево был предпочтительнее, в силу того, что облачность смещалась вправо по курсу трассы. Такой с виду глубокий маневр обхода на деле означал удлинение маршрута максимум на 120-150 км, полетного времени на 8-10 минут и дополнительному расходу 700-900 кг топлива. Экипаж располагал аэронавигационным запасом топлива в 6000 кг. Таким образом, имелась возможность обойти грозовой очаг сбоку, что и неоднократно проделывали другие борта в этой воздушной зоне, как это видно из документов службы УВД.
Почему данный манёвр не был выполнен? Одна из причин заключается в нарастающем дефиците времени на решение о повороте в сочетании со все возрастающим потребным углом поворота, растущим с каждой секундой. Если в 11:24 было достаточно отвернуть влево на 40 градусов, чтобы обойти очаг (см. отметку времени на Рис.1), то в 11:28 потребный угол составлял уже около 70 градусов влево в сочетании с проходом сквозь небольшое облачное образование (см. Рис.1). Поскольку экипаж не имел той ясной картины облачности, которая дана на Рис.1 и был недостаточно мобилизован и сконцентрирован, эта благоприятная возможность была упущена. Чтобы данная ошибка не повторялась, необходимо, по всей видимости, ужесточить требования к анализу грозовой обстановки, в обязательном порядке включая пункты о запросе метеоданных от ведущего в данный момент борт диспетчера и сбора бортовой погоды в сочетании с записываемым на магнитофон анализом внутри экипажа ограничений по обходу опасных зон. Такой анализ, исходящий от нескольких специалистов в разных местах, поможет снизить влияние неизбежных индивидуальных ошибок каждого из них.
4. Решение об обходе грозовой облачности верхом
Решение об обходе грозовой облачности верхом было принято экипажем борта 85185 на основании наблюдаемой структуры облачного образования. По данным спутниковых наблюдений [3], сплошное основание облачного массива было ниже доступного эшелона в 11900 м, а отдельные вертикальные шапки чередовались со свободными участками (Фраза штурмана в 11:27:56: «С провалами (нецензурно)»). Схематично подобная структура облачности изображена на Рис.2. Экипаж, по всей видимости, посчитал, что наблюдаемые провалы являются сравнительно безопасными участками для выполнения полета.
Рис.2. Схематическое изображение «башен» грозовой облачности с «провалами» между ними с указанием масштаба по высоте в районе происшествия с бортом 85185 22.08.06. Облачные массивы чередуются с «безопасными» участками с сильной турбулентностью. Вся зона на рисунке является опасной для полета.
Представление о безопасности таких участков является грубой ошибкой, свидетельствующей о слабой метеорологической подготовке. Выбросы облачных «шапок» представляют собой зону мощных воздушных потоков, занимающую все якобы безопасное пространство между шапками. Динамика атмосферных процессов и, в частности, скорость воздушных потоков в рассматриваемом облачном массиве обоснованно рассчитана в прилагаемых к отчету Метеорологической подкомиссии МАК расчетах, выполненных группой Российского Государственного Гидрометеорологического Университета (Санкт-Петербург) [3]. Ими было показано, что вертикальная скорость порывов могла достигать от 43 м/с для нисходящих до 65 м/с для восходящих потоков, а зона влияния облачных шапок достигала по высоте 17 км. Эти данные однозначно говорят о недопустимости попадания самолета в зону влияния облака с такими параметрами, что для Ту-154 подразумевает единственную возможность: обход грозы сбоку на удалении не менее 15-30 км. Следует отметить, что непосредственного воздействия порывов с такими скоростями в данном случае не было, а атмосферная турбулентность явилась лишь провоцирующим к отключению автопилота и раскачке фактором. Тем не менее, имеет место ситуация, когда не только экипажи пассажирских самолетов, но даже и дежурные синоптики не обладают информацией об указанных выше катастрофически опасных параметров подобных грозовых облаков, что опять является системной ошибкой гражданской авиации и метеорологической службы.
5. Потеря скорости при удержании эшелона в турбулентности
В условиях турбулентности, т.е. воздействия на воздушное судно различных по величине и направлению порывов ветра, при неизменной тяге двигателей происходит уменьшение приборной скорости. Это можно показать, пользуясь элементарным математическим моделированием на основе данных по аэродинамике любого типа самолета, в частности, для Ту-154М [4,5]. Для другого воздушного судна будут лишь количественные, но не качественные отличия. Особенности управления Ту-154М в продольном канале, заключающиеся в совмещении рулем высоты функций собственно руля и триммера и следующее отсюда ограничение его полезного хода, а также работа механизма электротриммирования и дополнительного полетного загружателя здесь анализироваться не будут. Эти вопросы подробно рассмотрены в материалах комиссий МАК [1,2]. Нижеследующие абзацы, посвященные основам аэродинамики горизонтального полета, подготовленный читатель также может пропустить.
В режиме установившегося горизонтального полёта центр масс самолёта движется равномерно и прямолинейно, поэтому геометрическая сумма сил, действующая на него, равна нулю. Рассматривая движение в продольном канале, т.е. вдоль горизонтальной оси и вертикальной оси , упрощённо можно описывать распределение сил следующим образом (Рис.3):
Рис.3. Силы, действующие на центр масс самолёта в горизонтальном полёте с постоянной скоростью
V=const и постоянной высотой
H=const . Вес самолёта
G компенсируется подъёмной силой крыла
Y , сила лобового сопротивления
X уравновешивается силой тяги двигателей
P . Рисунок взят из книги [4].
Рассмотрим вначале выражение для подъемной силы крыла:
выражение №1
выражение № 3
участках восходящих порывов, чем ускоряться на участках нисходящих потоков. Кроме того, величины восходящих потоков в рассматриваемой ситуации по оценке группы РГМУ превосходили скорости нисходящих порывов [3]. В этой ситуации приборная скорость будет иметь тенденцию к уменьшению, которое будет маскироваться колебаниями указателя скорости вследствие турбулентности. Анализ циклограмм [2] ясно показывает уменьшение приборной скорости перед раскачкой самолета 85185. Фрагмент циклограммы из отчета КНТОР МАК [2] с показаниями приборной скорости приведен на Рис.5.
Как показали данные метеонаблюдений и бортовой погоды [3], превышение температура над МСА на эшелонах 11-12км было незначительно, находившимся в пределах +4 градусов. Падение тяги, приведшее к ускорению темпа падения приборной скорости и усугубившее ситуацию перед сваливанием, возникло вследствие включения обогрева входных направляющих аппаратов двигателей в 11:34:38. Однозначно установить величину падения тяги не представляется возможным, поскольку в РЛЭ Ту-154М отсутствуют данные о падении тяги при включении ПОС ВНА. Косвенно оценить величину падения тяги можно следующим образом. Известно, что у двигателей серии Д-30 величина давления газов на выходе из сопла и на отборе в системе ПОС ВНА являются сопоставимыми. Поэтому падение тяги пропорционально отношению площадей отбора воздуха и выходного сопла. Если принять эту величину за 5%, то таким же по порядку величины будет и падение тяги двигателей. Пользуясь фактическими данными по силовой установке Ту-154М [4], можно оценить величину торможения вследствие включения ПОС ВНА. Она оказывается равной приблизительно 10-12 км/ч воздушной скорости за одну минуту, что соответствует потере 13-17 км/ч приборной скорости за минуту. Данные циклограммы на Рис.5 подтверждают порядок величины торможения. Будучи вполне безопасным в обычном эксплуатационном диапазоне приборных скоростей 450-500 км/ч, такая потеря скорости значительно ухудшает динамику изменения углов атаки в имевшем место диапазоне 400-430 км/ч.
Следует отметить, что один из важнейших параметров полета – приборная скорость – не снабжен на Ту-154 какой-либо сигнализацией на случай падения ниже минимально допустимого предела. Такой сигнализацией оборудованы в основном самолеты более новых разработок. Возможно, именно этим объясняется отсутствие реакции экипажа самолета 85185 на падение скорости, от наблюдения которой его могли отвлечь звуковые сигналы АУАСП, ВБЭ, а также болтанка. Между тем если при срабатывании сигнализации АУАСП и превышении допустимых углов атаки есть возможность вернуться к нормальному режиму при наличии подъемной силы, когда эффективны аэродинамические поверхности, то падение приборной скорости является значительно более опасным явлением, почти не оставляющим возможность исправить ситуацию. Таким образом, существует необходимость в усилении контроля за приборной скоростью со стороны экипажей всех типов воздушных судов.