Könnte ein Verkehrsflugzeug Mach 1 in einem Zero-G-Power-Dive überschreiten und sich sicher erholen?

Es gibt tatsächlich einige Daten (wenn auch begrenzt) zu diesem Szenario:

Am 21. August 1961 wurde dieser Test in einer DC-8 durchgeführt . Als dieser Test durchgeführt wurde, waren sie etwa 16 Sekunden lang Überschall, was viel Planung erforderte. Sie müssen zuerst höher steigen als das Flugzeug normalerweise, um genügend Höhe zu haben, um dies zu erreichen, und dann sicherstellen, dass Sie verstehen, wie die Steuerflächen im Tauchgang belastet werden. Sie kommen in einem Stück davon, indem Sie dies planen und genau verstehen , was vor sich geht:

Wir brachten es bis zu 10 Meilen hoch, 52.000 Fuß – das ist ein Rekord – und brachten es in einen Halb-aG-Pushover. Bill behielt etwa 50 Pfund Schub bei. Er hat es für den Tauchgang nicht so getrimmt, dass es sich von selbst herausziehen möchte. Beim Sturzflug auf etwa 45.000 Fuß ging es für vielleicht 16 Sekunden auf Mach 1,01, dann erholte er sich. Aber die Genesung war ein wenig beängstigend. Als er sich zurückzog, funktionierte der Aufzug nicht; es tat nichts, also sagte er: „Nun, ich werde den Stabilisator verwenden“, und der Stabilisator lief nicht. Es ist wegen der Last ins Stocken geraten. Was er tat, weil er schlau war, würde kein anderer Pilot tun: Er drückte mehr in den Sturzflug, was den Stabilisator entlastete. Er konnte den [Stabilisator-]Motor mit der entlasteten Last laufen lassen und erholte sich bei etwa 35.000 Fuß.

Denken Sie daran, dass Sie schnell tauchen, sehr schnell, also können Sie wahrscheinlich nicht viel schneller fahren, da Ihnen letztendlich die Zeit zum Beschleunigen ausgeht:

Die Mach-Zahl selbst wird bei einem Tauchgang nicht als Ziel verwendet, da es viel genauer ist, die Fluggeschwindigkeit zu verwenden. Also las ich Bill alle tausend Fuß die Fluggeschwindigkeit [die er brauchte] in der nächsten Höhe vor. Als wir herunterkamen, sprach ich fast die ganze Zeit, denn bei einer Sinkgeschwindigkeit von 500 Fuß pro Sekunde waren wir alle zwei Sekunden 1.000 Fuß tiefer. Als ich aus dem Fenster schaute – womit ich aufhörte – sah es so aus, als ob es senkrecht nach unten stünde.

Der Trick besteht darin, die Flugzeugzelle nicht zu stark zu belasten.

Der Unfall von TWA-Flug 841 im Jahr 1979, an dem eine Boeing 727 beteiligt war, kommt Ihren Bedingungen ziemlich nahe. Kein Null-G-Tauchgang, sondern ein unbeabsichtigter Spiralsturz, der bei 39.000 Fuß beginnt, Mach 0,96 bei 31.800 Fuß erreicht und bei 29.000 Fuß zu einem 90-Grad-Sturzflug mit der Nase nach unten wird, mit vollständigem Verlust der Kontrollbefugnis. Da die Geschwindigkeitsbremsen unwirksam waren, fuhr der Pilot das Fahrwerk aus, um das Flugzeug zu verlangsamen, und erlangte schließlich die Kontrolle bei etwa 5000 Fuß zurück. Das Flugzeug landete sicher. Acht Passagiere erlitten leichte Verletzungen, von denen die meisten gestanden hatten und von der 6-G-Beschleunigungskraft auf den Boden gedrückt und dort festgehalten wurden. Das Flugzeug wurde beschädigt, aber es wurde repariert und wieder in Betrieb genommen.

Wikipedia

NTSB-Bericht (PDF)

Nachdem Sie die Schallmauer durchbrochen haben, wird vor Ihren Hauptflügeln und Heckflügeln eine Schockwelle erzeugt. Obwohl das Design von Flügeln in modernen Flugzeugen diese Situation halten kann und immer noch einen gewissen Auftrieb erzeugen kann (was für herkömmliche Flügel unmöglich ist und zu einem tödlichen Strömungsabriss führt), verlieren die Steuerflächen an Ihren Hauptflügeln und Heckflügeln fast ihre Wirkung (die Stoßwelle vor dem Flügel schwächt die Energie des Luftstroms in der Nähe der Steuerfläche). Es wird also extrem schwierig sein, mit normalen Steuerflächen hochzuziehen.

Sie haben jedoch andere effektive Möglichkeiten, das Flugzeug zu steuern. Durch Anpassen der Pitch-Trimmung können Sie den AOI Ihrer Heckflügel ändern, der in der Überschallsituation immer noch wirksam ist und der Hauptweg für Sie ist, das Flugzeug hochzuziehen (Sie werden die gleiche Weise bei Überschalljägern sehen).

Könnte ein Verkehrsflugzeug Mach 1 in einem Zero-G-Power-Dive überschreiten und sich sicher erholen?

Hier gibt es nur eine Antwort, und das ist NEIN, insbesondere für den A320 in Ihrem Beispiel (es gibt andere Verkehrsflugzeuge, die besser geeignet sind, höhere transsonische Geschwindigkeiten zu tolerieren).

Ja, es ist möglich, sich von einem solchen Zustand zu erholen, aber nichts davon wäre sicher. Sich von diesem Zustand zu erholen, wäre eine Situation, in der Sie sich glücklich schätzen würden , da das Flugzeug einfach nicht für den Betrieb unter solchen Bedingungen ausgelegt ist und ein katastrophales mechanisches Versagen zu einer ernsthaften Möglichkeit wird. Eine erfolgreiche Flucht ist immer auf ein gewisses Maß an Glück zurückzuführen (dh Dinge, die Sie nicht geplant haben, nicht planen wollten oder nicht planen konnten, aber die gut gelaufen sind und sich verschworen haben, um Ihren Speck zu retten). Das Flugzeug wird wahrscheinlich Schaden erleiden – mit etwas Glück ist es kein kritischer Schaden.

Wer kann sagen, was das schwache Glied wäre, aber es könnte alles sein - eine einzelne mechanische Komponente könnte den Unterschied zwischen Leben und Tod bedeuten. Hat Ihr Flugzeug eine kritische Unterstützung, die auf der schwachen Seite der Glockenkurve liegt? Vielleicht überlebt ein Schwesterschiff, das am nächsten Tag hergestellt wird, einen Tauchgang, den Ihres nicht würde. Jedes Flugzeug wird auf unterschiedliche Weise ausfallen, je nachdem, welche Komponente zuerst ausfällt. Wenn Sie sich außerhalb des Umschlags befinden, gibt es keine Garantien - Sie könnten Glück haben, vielleicht auch nicht.

Wie komme ich da in einem Stück raus?

Es ist wichtig zu verstehen, dass das Ergebnis in diesen Situationen höchst unvorhersehbar wird. Subtile Änderungen der Testbedingungen, des Wetters, der Umgebung usw. können schnell zu einer unkontrollierbaren Situation führen, unabhängig von den Fähigkeiten des Piloten. Trotz aller Bemühungen kann das Ergebnis immer noch tödlich sein.

Dass jemand es einmal erfolgreich geschafft hat, ist kein Indikator dafür, dass es sicher wäre, es noch einmal zu versuchen.

Wie viel schneller kann ich fahren, bevor ich diesen Prozess beginnen muss, in einem Stück herauszukommen?

Es ist bereits zu spät. Je schneller du fährst, desto höher ist die Chance, dass du es nicht schaffst.

Überschallflugzeuge sind speziell dafür ausgelegt, die Zerstörungskraft der von ihnen erzeugten Druckwellen zu minimieren und die Flugzeugzelle anderweitig gegen die resultierenden Restspannungen zu versteifen.

Im Gegensatz dazu optimieren Verkehrsflugzeuge vollständig auf Unter- / Überschallgeschwindigkeit und, was entscheidend ist, auf Effizienz. Sie enthalten keine derartigen Konstruktionsmerkmale und haben tatsächlich effizienzorientierte Elemente ihres Designs, die sie für Überschallflüge besonders ungeeignet machen. Als solche erzeugen sie während eines transsonischen Fluges tendenziell störendere und zerstörerischere Druckwellen als Überschallflugzeuge.

Da Überschallbelastungen in weitgehend anderen Bereichen des Flugzeugs auftreten als Unterschallbelastungen, sind Verkehrsflugzeuge auch strukturell weit weniger in der Lage, ihnen standzuhalten. Heutzutage in doppelter Hinsicht, da die Flugzeuge alle über eine Vielzahl von Übergeschwindigkeitsschutzsystemen verfügen, die es den Konstrukteuren ermöglichen, das Flugzeug näher an der Gefahrenzone des Flugbereichs zu zertifizieren.

Aus : IATA -- Verhinderung von Kontrollverlust während des Fluges (LOC-I): Jenseits der Kontrolle von Piloten

4.8.4 Nutzen von Überdrehzahlschutzsystemen

Automatisierte Übergeschwindigkeitsschutzsysteme können als etwas angesehen werden, das entwickelt wurde, um einen gefährlichen Hochgeschwindigkeitszustand zu vermeiden. Das ist zumindest die Wahrnehmung vieler Piloten – warum sonst sollte sich ein Konstrukteur die Mühe machen, das System zu entwickeln und zu zertifizieren, wenn nicht zum Schutz des Flugzeugs? Nun, es gibt einen großen kommerziellen Aspekt, der nicht so bekannt ist, und das sind erhebliche Einsparungen beim Flugzeuggewicht. Durch die Installation eines Übergeschwindigkeitsschutzsystems ist es dem Konstrukteur durch die Standards gestattet, VMO/MMO viel näher an die Design-Tauchgeschwindigkeit zu bringen [ Hervorhebung von mir] und damit die Geschwindigkeit, mit der die Flugzeugzelle schließlich zu flattern beginnt und sich auflöst. Mit anderen Worten, die Spannen der strukturellen Integrität zwischen den maximalen normalen Betriebsgeschwindigkeiten, die vom Piloten verwendet werden, und der Geschwindigkeit, bei der Schäden auftreten, können schmaler sein, was bedeutet, dass die Flugzeugstruktur nicht so robust sein muss. Im Flugzeugbau entspricht die strukturelle Festigkeit normalerweise dem Gewicht, sodass das Übergeschwindigkeitsschutzsystem letztendlich eine leichtere Gesamtflugzeugstruktur ermöglicht.

Flugreisen sind ein so großes Geschäft, dass die Regeln sich beugen, um ihnen zu erlauben, die Effizienz bis an die Marge zu kürzen.

Für ein relativ neues echtes Beispiel dafür, dass es nicht gut endet: Adam Air 574 : 737-400

Das Flugzeug erreichte am Ende der Aufzeichnung 490 Knoten (910 km / h) und übertraf damit die maximale Betriebsgeschwindigkeit des Flugzeugs (400 Knoten (740 km / h; 460 mph)). Die Sinkgeschwindigkeit variierte während des tödlichen Tauchgangs mit einem maximal aufgezeichneten Wert von ungefähr 53.760 Fuß pro Minute (531 Knoten (983 km / h; 611 mph)). Das Höhenleitwerk erlitt zwanzig Sekunden vor dem Ende der Aufzeichnung einen strukturellen Fehler,[11]:52 zu diesem Zeitpunkt kamen die Ermittler zu dem Schluss, dass sich das Flugzeug in einem „kritisch nicht behebbaren Zustand“ befand. Beide Flugschreiber funktionierten nicht mehr, als die 737 in der Luft auf 9.000 Fuß über dem Meeresspiegel auseinanderbrach.

Als Ursache wurde ein Pilotenfehler ermittelt.

Es kommt wirklich auf das Flugzeug an. Es ist bekannt, dass eine DC-8 dies getan hat. ( https://www.airspacemag.com/history-of-flight/i-was-there-when-the-dc-8-went-supersonic-27846699/ ) In dieser Situation gibt es zwei Spannungsquellen für die Flugzeugzelle - Verkehrsflugzeuge sind nicht dafür ausgelegt, über Mach 1 hinauszufliegen (außer Concorde und Tu-144 ...), also gibt es ein Problem. Es gibt auch das Problem der Wiederherstellung, da Verkehrsflugzeuge G-Limits haben.

Wenn beim Pitch eine Eingabe am Sidestick gemacht wird, interpretieren die Flugsteuerungscomputer diese Eingabe als „g“-Anforderung/Pitch-Rate. Folglich steht die Höhenruderauslenkung nicht in direktem Zusammenhang mit der Sidestick-Eingabe. Das Flugzeug reagiert auf einen Sidestick-Befehl mit einer Neigungsrate bei niedriger Geschwindigkeit und einer Flugbahnrate oder „g“ bei hoher Geschwindigkeit. Wenn keine Eingabe auf dem Sidestick erfolgt, behalten die Computer eine Flugbahn von 1 g bei.“ http://www.aviationchief.com/airbus-control-laws.html

Ein Airbus-Flugzeug verhindert also, dass Sie eine zu hohe G-Last einführen. In der sauberen Konfiguration beträgt die g-Hüllkurve eines A320 -1 bis +2,5 g, und dasselbe gilt für die Boeing 737. ( https://www.theairlinepilots.com/forumarchive/a320/a320-limitations.pdf ) ( http ://www.b737.org.uk/limitations.htm#Flight_Manoeuvring_Load_Acceleration_Limits ) Ich kann nichts finden, was auf das Vorhandensein eines G-Begrenzers in Boeing-Flugzeugen hinweist, also sollten Sie vorsichtiger sein.

Wie lange Sie brauchen könnten, bevor Sie mit der Wiederherstellung beginnen, hängt davon ab, wo Sie sich befinden. Wenn Sie sich über den Alpen oder einem anderen Gebirge befinden, wäre es ratsam, die Erholung so schnell wie möglich einzuleiten, da Sie durch die g-Last in der Geschwindigkeit, die Sie erholen können, begrenzt sind. Die maximale Geschwindigkeit, die Sie erreichen könnten, würde von der Flugzeugzelle abhängen; MMO für die 737 ist 0,82 Mach, also haben Sie bereits Probleme. Laut A320 TCDS beträgt das MMO dieses Flugzeugs ebenfalls 0,82 Mach.

In Anbetracht dessen ist es möglich, dass Sie überleben, aber Sie riskieren Schäden am Flugzeug und eine Bergung ist nicht garantiert. Während der Bergung müssen Sie möglicherweise tatsächlich weiter in den Tauchgang werfen, um die Trimmungen zu entladen, sodass das Risiko steigt, dass Sie A) die Flugzeugzelle etwas zu weit drücken und B) den Boden berühren, bevor Sie sich erholen. Nichts daran wäre sicher. Die A320 und 737 wären eine schlechte Wahl, andere Flugzeuge haben höhere MMOs. Die Concorde könnte es vielleicht, aber sie hat die gleiche 2,5-g-Grenze. Letztendlich ist die Fehlerquote extrem gering und es ist nicht möglich, dies sicher zu tun.

Nach Vmo/Mmo (na ja, wahrscheinlich Vmd) ist nicht abzusehen, ob Sie sich erholen können. AFAIK geht es nicht um die G-Kräfte, sondern um die Aerodynamik der Tragflächen und Steuerflächen. Das Höhenruder funktioniert möglicherweise nicht mehr, um einen Pullup zu bewirken, und die Querruder können unbrauchbar werden. Sie werden wahrscheinlich mit einem unkontrollierbaren Flugzeug zurückbleiben, dessen Teile irgendwann abreißen, wenn die Geschwindigkeit weiter zunimmt.

Der Learjet 55 hatte einen Steuerknüppelabzieher (dem ein hässliches Warnsignal vorausging), der verhindern sollte, dass er zu schnell wurde. Es gab einen Grund, warum sie das reingesteckt haben, und ich bin mir sicher, dass es mit der schmutzigen Unterwäsche von jemandem zu tun hatte!

Trotzdem war Bill Magruders Idee, am 21. August 1961 in seiner DC-8 eher zu schieben als zu ziehen, verdammt brillant und der Erinnerung wert.

Gehen Sie einfach nicht dorthin!

Theoretisch könnte es, aber nicht wahrscheinlich, da Sie beim Hochziehen mit Schallgeschwindigkeit mehr G-Kräfte ausüben würden, als das Flugzeug bewältigen könnte. Berücksichtigen Sie auch Pilotenfehler, Dichtehöhe, Wetterfaktoren, Gewicht und Balance und die letzte Inspektion des Flugzeugs. Diese Faktoren würden Ihre Überlebenschancen stark verringern. Hier ist ein Link, der zum Beispiel zeigt, wie ein typisches Strukturdiagramm aussehen würde. (Eine für jedes Flugzeugmodell) Strukturdiagramm für GA-Flugzeuge

Mach 1 beträgt ungefähr 67.000 Fuß pro Sekunde. Bei einer maximalen Obergrenze von vielleicht 40.000 Fuß könnte ein Verkehrsflugzeug in dieser Entfernung nicht einmal annähernd die Geschwindigkeit von Mach 1 erreichen. Bei ausreichender Höhe könnte es das tun, aber es würde den Tauchgang aus dem Weltraum oder sehr nahe daran starten.