«Дамы и господа, наш самолет задерживается для проведения противообледенительной обработки, просьба оставаться на своих местах с пристегнутыми ремнями безопасности», — раздался слабо различимый голос пилота из громкоговорителя. Задержка рейса на 15 минут может показаться незначительной, но для многих пассажиров это повод для раздражения. Между тем подобные процедуры являются обязательными мерами безопасности, выработанными в результате трагических уроков истории авиации.
Пока пассажиры терпеливо ожидают завершения обработки, стоит вспомнить, каким образом в первые годы развития авиации возникла необходимость в борьбе с обледенением воздушных судов.
Удивительно, как много усилий приложено человечеством к созданию различных технических решений, и как мало известно об этих достижениях широкой публике. За каждым изобретением скрывается чья-то судьба, труд ученых, инженеров и организаторов, шаг за шагом создававших то, что со временем стало привычной частью повседневной жизни.
Бой первый: резина и масло
31 марта 1931 года авиалайнер Fokker F-10, эксплуатируемый компанией Transcontinental and Western Air, выполнял рейс из Канзас-Сити в Лос-Анджелес с промежуточной остановкой в Уичито. На борту находились восемь человек, среди которых было сразу несколько известных персон.
Командир экипажа, капитан Роберт Фрай, ранее служил в военно-морской авиации и участвовал в операциях в Китае. В 1928 году он сумел совершить вынужденную посадку своего самолёта в крайне сложных погодных условиях вблизи позиций китайских войск, за что получил известность в национальных СМИ.
Среди пассажиров находился также знаменитый сорокатрехлетний Кнут Рокне, известный тренер по американскому футболу, который прославился благодаря своим достижениям с командой университета Нотр-Дам. В тот день он возвращался из Канзаса, где навещал своих сыновей, в Лос-Анджелес для участия в съёмках обучающего фильма по футболу.
Метеорологические условия в день полета были неудовлетворительными, однако экипаж не усмотрел существенных угроз для выполнения рейса. После небольшой задержки самолет всё же вылетел по расписанию.
Вскоре после набора высоты ситуация резко изменилась: на крыльях и других элементах конструкции начало стремительно нарастать обледенение. Управляемость самолёта ухудшилась, и второй пилот Джесс Матиас по радиосвязи сообщил о намерении вернуться в Канзас. Этот сеанс радиопереговоров стал последним.
Несмотря на опыт и мастерство командира экипажа, избежать катастрофы не удалось. Самолет потерял управление и разбился в пшеничном поле на участке между Канзас-Сити и Уичито. Все находившиеся на борту — два члена экипажа и шесть пассажиров — погибли.
Гибель национального героя и «всеамериканского» символа эпохи Великой депрессии сделала данную авиакатастрофу значимым событием в истории авиационной безопасности. Масштаб общественного резонанса стал причиной того, что расследование причин трагедии было проведено с беспрецедентной тщательностью и привело к ряду фундаментальных изменений в подходе к обеспечению безопасности полетов. В частности, впервые в истории результаты официальных расследований авиационных происшествий стали доступными для общественности, а государственные органы начали устанавливать обязательные требования к конструкционной безопасности продукции всех авиастроительных компаний. Отдельное внимание после катастрофы было уделено рискам, связанным с обледенением воздушных судов — проблеме, сопровождающей развитие авиации с самых первых полетов.
По выводам следственной комиссии, ключевыми факторами, приведшими к трагедии, стали процесс обледенения конструкций и особенности деревянного исполнения крыла. Ледяной налет нарушил аэродинамические свойства крыла, вызвав ухудшение управляемости и увеличение нагрузок на элементы несущей структуры. Основной силовой элемент крыла — лонжерон — подвергся повышенным механическим воздействиям. При этом клей, применявшийся в соединениях деревянных деталей, потерял прочность из-за проникшей в структуру влаги. В результате нарастающих вибраций произошло разрушение крыла, которое оторвалось от фюзеляжа. Через несколько минут самолет потерял управляемость и упал. Вероятно, экипаж смог бы вывести машину из сложных метеоусловий и дотянуть до аэродрома, если бы не интенсивное обледенение, лишившее их такой возможности.
Анализируя события того времени, можно отметить примечательное совпадение: буквально за сутки до рокового рейса самолета Fokker F-10 завершились испытания новаторской технологии борьбы с обледенением, которая, возможно, позволила бы избежать катастрофы.
30 марта 1931 года на экспериментальном самолете Lockheed Vega под названием «Miss Silvertown», стартовавшем из города Акрон, штат Огайо, была впервые опробована полноценная противообледенительная система — пневматический кожух Гира. Это представляло собой тонкий надувной резиновый элемент с масляным покрытием, установленный на передней кромке крыла. Устройство стало результатом исследований Уильяма Гира, бывшего главного химика компании BF Goodrich и научного консультанта на пенсии.
Уильям Гир начал свою работу в компании BF Goodrich в 1907 году, проработав там 18 лет на должности главного химика. После выхода на пенсию по состоянию здоровья в 1925 году, в возрасте 50 лет он проявил интерес к проблеме обледенения самолетов — одной из ключевых угроз для авиации того времени.
В начальный период развития авиации с двигателями, риск обледенения практически не рассматривался как значительный фактор. Отсутствие приборов, обеспечивающих полет без визуальных ориентиров, заставляло пилотов избегать облаков и неблагоприятных погодных условий, что существенно снижало вероятность столкновения с данной проблемой. Случаи обледенения в те годы происходили редко и, как правило, неожиданно.
Серьезное внимание к проблеме льда на самолетах появилось в послевоенный период, когда началось развитие коммерческих авиаперевозок. Летчики почтовых служб стали первыми систематическими жертвами обледенения: их небольшие машины должны были выполнять рейсы вне зависимости от погодных условий, что нередко приводило к вынужденным посадкам или катастрофам из-за образования ледяной корки на крыльях и элементах шасси.
Одним из первых документированных инцидентов стала авария 23 декабря 1926 года, когда пилот Уоррен Уильямс, выполнявший рейс с почтой из Кливленда в Чикаго на биплане Douglas M4, потерял контроль над самолетом из-за обледенения. Осознав невозможность продолжить полет, он сбросил газ и покинул машину с парашютом, успешно приземлившись. Менее удачным оказался исход для Джона Ф. Милатцо, который погиб 22 апреля 1927 года, разбившись во время почтового рейса из Чикаго в Нью-Йорк в условиях сильного снегопада.
Уильям Гир был осведомлен о попытках создания противообледенительных систем, проводимых энтузиастами и авиапочтовыми компаниями с начала 1920-х годов. Однако эти инициативы носили эпизодический характер и не позволили получить практически значимые результаты. Обычно профилактика обледенения сводилась к ручной очистке поверхности самолета перед вылетом и применению простейших химических средств. Гир решил провести комплексные исследования в собственной лаборатории, сосредоточив усилия на разработке химических составов, предотвращающих образование льда на летательных аппаратах.
В 1929 году его проект привлек внимание Фонда Даниэля Гуггенхайма по развитию аэронавтики, который предоставил грант в размере 10 000 долларов для проведения экспериментов в рамках программы повышения безопасности полетов. В дополнение к этому Гир заключил соглашение с физическим факультетом университета Корнелла, своего альма-матер, где в 1905 году он получил докторскую степень по химии. В университете было начато строительство экспериментального аэродинамического туннеля для исследования процессов обледенения на крыльях воздушных судов.
Испытания в малом аэродинамическом туннеле подтвердили перспективность использования резиновых листов, пропитанных специальным масляным составом. Такие листы демонстрировали способность замедлять образование ледяной корки. В качестве пропитки применялась смесь, состоящая из четырёх частей соснового масла, четырёх частей диэтилфталата и одной части касторового масла. Этот состав снижал интенсивность накопления льда на поверхности материала. Основной проблемой оставалось удаление льда, уже образовавшегося на передних кромках крыльев.
В сотрудничестве с инженером компании BFGoodrich Расселом Колли, имя которого указано в основном патенте предприятия, и специалистами университета Уильям Гир разработал концепцию «расширяющегося резинового листа». Эта конструкция представляла собой своеобразные накладки на переднюю кромку крыла. Резиновый лист, обработанный масляным составом, размещался на передней части аэродинамического профиля и при воздействии воздушного потока надувался, разрушая образовавшийся лёд.
В марте и апреле 1930 года были проведены первые натурные испытания новой противообледенительной системы. Испытательные полёты выполнил Уэсли Смит, ранее работавший пилотом почтовой авиации и на тот момент занимавший должность руководителя по летной эксплуатации Национального воздушного транспорта. С установленными пневматическими элементами конструкции Гира было выполнено три полёта.
Прототип системы представлял собой резиновые накладки размерами 90 на 40 сантиметров, закреплённые на крыльях с помощью шнуровки. В надувные элементы воздух подавался через две трубки диаметром 5 сантиметров. Управление работой системы осуществлялось вручную: соавтор изобретения Рассел Колли находился в грузовом отсеке самолёта, где обычно перевозилась почта, сидя на ящике с апельсинами. Используя велосипедный насос, он поочерёдно накачивал воздух в каждую из трубок посредством ручного клапана. Остальные члены команды отказались участвовать в полётах из-за сложных метеоусловий.
Результаты испытаний показали высокую эффективность воздушных подушек, особенно в условиях сильного обледенения при перелёте из Кливленда в Баффало. Единственным недостатком оставалось образование наледи на воздушном винте, которую пилот устранял маневром с сильным боковым скольжением.
Впечатлённые результатами, руководство компании приняло решение о строительстве крупного исследовательского аэродинамического туннеля в Акроне. На тот момент это было крупнейшее подобное сооружение в мире. Туннель, разработанный при участии инженеров NACA, позволял моделировать температуры до –18°C и воздушные потоки со скоростью до 135 км/ч.
В процессе последующих экспериментов Гир определил оптимальный режим работы противообледенительной системы: пневматические элементы должны надуваться с частотой около трёх раз в минуту. Для этого был создан компактный воздушный насос с автоматическим управлением. Дополнительные исследования привели к разработке вспомогательных защитных чехлов для хвостового оперения, подкосов и других элементов конструкции, подверженных обледенению.
В начале 1931 года компания BFGoodrich установила новую систему на самолёт Lockheed Vega под названием «Miss Silvertown». Индивидуально изготовленные воздушные подушки крепились на передней кромке крыла с помощью молний и шнуровки, охватывая также хвостовое оперение. Автоматический компрессор, установленный на двигателе, обеспечивал их регулярное надувание.
30 марта 1931 года пилот Чарльз Мейерс совершил полет на дирижабле «Мисс Сильвертаун», пройдя сквозь ледяные облака, окутывавшие небо над Акроном. Испытания противообледенительной системы завершились успешно. Как сообщала газета New York Times на следующий день, это событие ознаменовало «победу» над «одним из самых опасных врагов авиации».
Современные пассажиры привыкли к высокой надежности воздушных перевозок, точному расписанию рейсов и доступности авиационного сообщения. Даже незначительная задержка вызывает недовольство у путешественников. Однако в начале XX века ситуация была иной: до появления эффективных противообледенительных систем неблагоприятные погодные условия часто становились причиной отмены полетов. Воздушные суда могли подниматься в воздух исключительно при идеальной погоде, а расписание авиакомпаний полностью зависело от капризов природы.
Появление на рынке сравнительно простой и доступной воздушной подушки, разработанной компанией Гира, вызвало большой интерес у операторов коммерческих авиалиний. В короткий срок многие авиакомпании начали оснащать свои воздушные суда пневматическими системами фирмы Goodrich. Так, компания TWA установила подушки на самолет Northrop Alpha 4-A в зимний период 1932–1933 годов. Летом 1933 года United Airlines заказала аналогичное оборудование для своих самолетов Boeing 247, а TWA применила систему на самолетах Douglas зимой 1934–1935 годов.
В процессе внедрения системы авиакомпании столкнулись с рядом технических сложностей, требовавших оперативных решений. Изобретение нуждалось в дальнейших доработках. Например, на высоких скоростях противообледенительные подушки Гира плохо удерживались на крыльях из-за несовершенных крепежных элементов. Для устранения этой проблемы инженер компании Goodrich Рассел Колли разработал специальный крепеж — заклепку с полой резьбой под названием Riv-Nut, которую можно было монтировать на внешнюю поверхность крыла.
Кроме того, инженеры Goodrich совместно с техническими специалистами авиакомпании TWA разработали систему противообледенения винтов. Она представляла собой круглый желоб U-образного сечения, который крепился к задней поверхности втулки винта болтами. К конструкции также присоединялись короткие трубки, открывающиеся у основания лопастей винта.
В разработанной системе противообледенительная жидкость, состоявшая из смеси глицерина и спирта, подавалась под давлением из резервуара, установленного внутри кабины. Оттуда она поступала в U-образный канал на ступице винта, а затем под действием центробежной силы равномерно распределялась по поверхности алюминиевых лопастей. После успешных летных испытаний, проведенных пилотом TWA Томлинсоном, данная конструкция — получившая название «стропное кольцо» — начала использоваться на коммерческих авиалайнерах.
Таким образом, противообледенительные системы Goodrich стали обязательным элементом оснащения американских пассажирских самолетов, существенно повысив безопасность полетов в 1930-е годы и став важным достижением в истории авиационной техники.
К 1936 году президент компании TWA с уверенностью заявил, что проблема обледенения «практически устранена». Однако данное утверждение оказалось преждевременным.
Бой второй: тепло против холода
Та же авиакомпания, те же погодные условия, но на этот раз — современный самолет с новейшей противообледенительной системой. Что могло пойти не так?
25 марта 1937 года рейс 15А авиакомпании Transcontinental and Western Air отправился из Ньюарка в Питтсбург. Из-за неблагоприятных погодных условий самолет Douglas DC-2 был заправлен увеличенным объемом топлива на случай невозможности дозаправки на промежуточных аэродромах. Из-за превышения допустимого взлетного веса часть пассажиров была снята с рейса и пересажена на другой самолет. Вероятно, это непредвиденное неудобство впоследствии спасло им жизнь.
Около 18:30 экипаж сообщил о подходе к Питтсбургу и начал последний разворот для захода на посадку. В это же время другой самолет TWA, следовавший на высоте около 600 метров, приблизился к аэропорту округа Аллегейни. Его пилот, А. М. Уилкинс, заметил DC-2 рейса 15А ниже по эшелону. Самолет начал левый поворот, однако движение быстро перешло в серию неконтролируемых спиралевидных разворотов, завершившихся падением. Машина врезалась в землю примерно в 10 километрах от аэропорта назначения, все 13 человек на борту погибли. Уилкинс развернул свой самолет, чтобы пассажиры не увидели место катастрофы, и сообщил о происшествии диспетчерам.
Прибывшие к месту крушения свидетели указали на толстый слой льда — почти 4 сантиметра — на крыльях разбившегося самолета. Эти наблюдения совпадали с многочисленными жалобами пилотов, часто сталкивавшихся с сильным обледенением в этом районе на этапе захода на посадку. Причиной катастрофы была признана потеря управляемости из-за замерзших рулевых поверхностей.
Таким образом, даже современные на тот момент противообледенительные воздушные подушки системы Гира оказались не универсальным решением. Их эффективность имела ограничения, особенно в сложных погодных условиях и на тяжелых воздушных судах.
Параллельно с коммерческими разработками в компании B. F. Goodrich, в государственном агентстве NACA активно велись работы над созданием тепловых антиобледенительных систем.
Концепция термической защиты от наледи предлагалась еще в начале 1920-х годов: очевидным методом борьбы с обледенением считался нагрев. Однако воздушные подушки Гира оставались более дешевым и технологически простым вариантом, устраивавшим авиаперевозчиков. На легких самолетах эти устройства демонстрировали достаточную надежность, а регуляторные требования безопасности в гражданской авиации тех лет оставались минимальными, что позволяло операторам экономить на более сложных и дорогих решениях.
Тем временем в исследовательском центре NACA проводились эксперименты с химической и тепловой обработкой поверхностей крыла в специально построенном "ледяном туннеле". Результаты оказались неоднозначными: химические составы не обеспечивали достаточной защиты, а нагревательные элементы оказались слишком массивными для установки на большинство самолетов того времени. Пилоты-испытатели лаборатории, Томас Кэрролл и Уильям МакЭвой, с иронией отмечали: «Самый надежный способ избежать обледенения — это вообще не попадать в такие условия».
Хотя в 1930-е годы ни одна из предложенных NACA систем не достигла необходимого уровня эффективности, кропотливый сбор данных и систематизация результатов испытаний позволили глубже понять природу обледенения и его опасность для авиации. Помимо разработки термических систем, ученые начали классифицировать типы льда и изучать их влияние на аэродинамику, однако Вторая мировая война внесла коррективы в эти планы, сместив приоритеты в сторону создания эффективных решений для боевой авиации.
Военные самолеты с поршневыми двигателями оказались особенно уязвимы к обледенению: лед скапливался на винтах, передних кромках крыльев, воздухозаборниках, карбюраторах, а также ухудшал обзор через лобовое стекло. Резиновые воздушные подушки на кромках крыльев оставались основным средством защиты, однако они ухудшали аэродинамические характеристики самолета, увеличивая сопротивление. Если в гражданской авиации это означало лишь повышение затрат, то в боевых условиях последствия могли стать критическими.
В Великобритании, в отличие от США, активно развивалась жидкостная система противообледенения. В канун Второй мировой войны британские инженеры успешно испытали автоматическую систему подачи специальной жидкости на поверхность крыла и хвостового оперения. Противообледенительная жидкость подавалась через пористую кромку крыла, равномерно растекалась по его поверхности и предотвращала образование льда. Первые образцы системы TKS были установлены на самолетах Avro Shackleton и Vickers Viking.
Однако жидкостные системы оказались более сложными и дорогими в эксплуатации. Требовалось не только устанавливать дополнительное оборудование, но и регулярно заправлять самолеты специальной жидкостью, увеличивая их взлетный вес. Лишь после войны эти системы были значительно усовершенствованы и стали применяться шире. До начала 1950-х годов основными средствами борьбы с обледенением в авиации оставались воздушные подушки Гира и термические системы обогрева.
Ключевой фигурой в развитии систем термической защиты от обледенения стал Льюис Родерт — инженер Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA), известный своей настойчивостью и убежденностью в необходимости создания эффективных систем обогрева для авиации. По мнению Родерта, исследования в аэродинамических трубах не позволяли в полной мере воссоздать реальные условия обледенения и годились лишь для теоретического анализа, но не для проверки надежности оборудования. С началом Второй мировой войны ему удалось добиться поддержки со стороны военных ведомств и получить несколько самолетов для переоборудования в летающие лаборатории NACA.
Испытания проводились в условиях, максимально приближенных к экстремальным. В одном из первых полетов на модифицированном Lockheed 12A экипаж столкнулся с сильной турбулентностью, снегом и дождем, вызывавшими сбои радиосвязи, а также с опасными атмосферными электрическими разрядами, что отмечалось в официальном отчете Родерта. В другой раз в самолет попала молния, частично оплавившая винт и повредившая элементы планера. Наледь нередко скапливалась на антеннах, нарушая радиосвязь, а лобовые стекла порой становились полностью непрозрачными из-за слоя льда. Несмотря на это, Родерт, его команда и летчики-испытатели продолжали работу, поскольку военные задачи требовали ускоренного получения результатов.
Под руководством Родерта была разработана система термического обогрева крыльев, использовавшая тепло от выхлопных газов двигателей Lockheed. Газы направлялись к передним кромкам крыла через встроенные трубы, где происходил нагрев воздуха, поступавшего внутрь через специальные отверстия. Теплый воздух затем равномерно распределялся по полости крыла, препятствуя образованию наледи. Эта технология позднее была адаптирована для тяжелых бомбардировщиков B-24 и B-17, а также модифицировалась для других типов военной и гражданской авиации. Параллельно велась работа над защитой лобовых стекол, пропеллеров и карбюраторов, в которых наледь могла критически ограничивать подачу воздуха и приводить к остановке двигателя.
За разработку этой системы Родерт в 1946 году был удостоен высшей авиационной награды США — Collier Trophy, которую ему лично вручил президент Гарри Трумэн. Примечательно, что президентский самолет Douglas DC-6 Independence стал одним из первых серийных воздушных судов, оснащенных системой термической противообледенительной защиты.
Комитет премии Collier Trophy заявил, что усилия Родерта позволили «практически устранить лед как главную угрозу для авиационного транспорта». Однако, как показали события последующих лет, это утверждение было преждевременным.
Бой третий: Проблема остается нерешённой
После войны казалось, что задача борьбы с обледенением решена: в мире действовали несколько научных центров, а разработанные технологии показали свою эффективность. Оставалось лишь совершенствовать их и проводить дополнительные испытания для военных и гражданских нужд... или нет?
Вечером 2 января 1949 года пассажирский самолет Douglas DC-3, на борту которого находились 27 пассажиров и 3 члена экипажа, готовился к взлету. Из-за снегопада рейс был задержан на час, а перед вылетом экипаж ожидал около 10 минут, пока с ВПП убирали снег. В 22:00 самолету разрешили взлет, однако вскоре после отрыва пилоты заметили, что машина неуправляема: левое крыло начало резко опускаться, что привело к крену. Командир сообщил на землю об аварийной ситуации, но избежать катастрофы не удалось: самолет упал и загорелся, погибли 11 пассажиров и весь экипаж.
Расследование установило, что крушение произошло из-за значительного слоя снега, оставшегося на центральной и нижней поверхности левого крыла после некачественной обработки перед полетом. Низкая эффективность наземной очистки в условиях сильного снегопада и неспособность встроенной системы справиться с образованием льда стали основными причинами трагедии.
Этот случай стал лишь одним из множества подобных инцидентов, происшедших после появления систем противообледенительной защиты. Несмотря на технологический прогресс, угроза обледенения полностью не устранена до настоящего времени, а каждая новая катастрофа приводит к дополнительным исследованиям и мерам повышения безопасности полетов.
К середине XX века в авиационной отрасли окончательно сформировались три основных метода борьбы с обледенением: механические системы, использующие воздушные подушки, термические системы защиты и обработка поверхностей химическими реагентами — как в наземных условиях, так и с применением встроенных бортовых устройств. Современные воздушные суда, в зависимости от их типа и назначения, оснащаются одной или несколькими такими встроенными системами. Кроме того, при неблагоприятных погодных условиях перед каждым вылетом проводится обязательная внешняя противообледенительная обработка.
Несмотря на то, что в наши дни авиация справедливо считается одним из самых безопасных видов транспорта, этот уровень надежности стал результатом многолетней работы тысяч инженеров, исследователей и летчиков-испытателей, а также множества трагических инцидентов, которые послужили причиной для разработки строгих правил и процедур. Поэтому любые задержки рейсов, связанные с необходимостью дополнительной обработки самолета, являются важной частью системы обеспечения безопасности полетов, и каждое из этих требований имеет под собой веские основания.
В качестве послесловия
Описать в рамках одной статьи всю историю разработки систем предотвращения обледенения в авиации практически невозможно. В представленных материалах лишь кратко охвачен период с 1920-х по 1950-е годы — время, когда зарождались ключевые технологии борьбы со льдом. Однако последующие десятилетия также внесли значительный вклад в эту область: появление реактивных самолетов потребовало новых решений, увеличилась высота и продолжительность полетов, изменились требования к аэродинамике и конструкционным материалам.
В это время активно развивались экспериментальные методы, были построены новые исследовательские центры, включая знаменитую лабораторию NACA, а также началось применение компьютерного моделирования, позволившего более точно прогнозировать процессы обледенения и его влияние на характеристики летательных аппаратов. Даже процедуры наземной химической обработки самолетов претерпели значительные изменения, включив в себя более сложные составы и технологии нанесения.
Следует отметить, что несмотря на значительный прогресс, борьба с обледенением продолжается и в наши дни. Исследования в этой области остаются актуальными, поскольку каждое новое поколение воздушных судов предъявляет особые требования к системам защиты от льда. Однако рамки данной статьи не позволяют в полной мере осветить все аспекты этого сложного и многогранного вопроса, что, без сомнения, может стать темой для будущих публикаций.
Источники
-
Книга Wiley Post, His Winnie Mae, and the World's First Pressure Suit (SMITHSONIAN AIR AND SPACE MUSEUM)
-
https://www.archivingwheeling.org/blog/a-crash-of-coincidences
-
https://web.archive.org/web/20071025143149/http://oldbeacon.com/beacon/nacareports/naca-tn-345.pdf
-
https://www.adirondackalmanack.com/2019/05/william-c-geer-invented-plane-wing-deicing-device.html
-
https://history.nasa.gov/SP-4306/ch6.htm , https://history.nasa.gov/SP-4302/ch1.9.htm