Почему пилоты в облаках не понимают, где верх? (Пространственная дезориентация)

Пространственная дезориентация

В облаке пилот может потерять ощущение верха и низа: это пространственная дезориентация. Невероятно. Кажется, вверх ногами вы бы заметили. Ночью 16 июля 1999 года маленький одномоторный самолет летел на восток вдоль побережья Коннектикута к острову Мартас-Винъярд.

За штурвалом был Джон Ф. Кеннеди-младший с двумя пассажирами. Он налетал около 310 часов, из них около 55 ночью. Ему еще не разрешали летать только по приборам. В ту ночь шторма не было.

Но была дымка и темная ночь. Другие пилоты над водой говорили, что не видели горизонта. Над открытой водой, примерно в 11 километрах от острова, самолет начал серию разворотов. Затем он вошел во все более крутой правый вираж, и нос опустился. К концу снижения скорость снижения была примерно одна тысяча четыреста тридцать метров в минуту, то есть более четырех тысяч семисот футов в минуту.

Последняя отметка радара была в двадцать один сорок, на высоте примерно триста сорок метров, то есть одна тысяча сто футов над морем. Все 3 человека на борту погибли. Небольшой самописец, подключенный к радиостанциям, нашли разбитым и без записей, поэтому никто точно не знает, что он чувствовал в последние минуты. Как пилот мог не почувствовать, что самолет пикирует к морю?

Как долго пилот может удерживать самолет, когда внешний мир исчезает? В 1954 году исследователи поместили 20 пилотов в искусственное облако и засекли, сколько они держались. Вернемся к их выводам. Начнем с пилота во вращающемся кресле и полета 1929 года, навсегда изменившего авиацию.

Пилот на вращающемся кресле

В 1926 году на Крисси-Филд в Сан-Франциско армейский пилот Уильям Окер сел во вращающееся кресло. Испытание проводил авиационный врач капитан Дэвид Майерс. Это было кресло Барани для проверки равновесия. Окер закрыл глаза, Майерс вращал кресло.

Окер не понимал, вращается ли кресло и куда. Тогда попробовали другое. В обувную коробку с лампой поставили указатель поворота, прибор кабины, показывающий разворот самолета. Окер смотрел только в коробку, пока кресло вращалось.

Теперь он точно определял направление и скорость вращения. Тело провалило испытание, простой прибор прошел. Окер годами убеждал армию учить пилотов летать по приборам. В 1932 году с лейтенантом Карлом Крейном он написал «Blind Flight in Theory and Practice».

В тысяча девятьсот сорок третьем году, через год после его смерти, военные сделали его методы стандартом для всех пилотов. Сегодня ВВС используют вращающиеся тренажеры, чтобы курсанты безопасно ощутили иллюзии на земле. Почему тело ошибается? Заглянем в ухо.

Гироскоп в вашем ухе

На земле верх и низ мы главным образом определяем глазами. FAA, Федеральное управление гражданской авиации США, говорит: зрение дает до 90 процентов ощущения ориентации. Остальное дают давление кожи, мышцы, суставы и маленький орган в каждом ухе. Это вестибулярный аппарат, система равновесия внутреннего уха.

В нем 2 типа датчиков. Первый чувствует вращение. Представьте 3 крошечных кольца с жидкостью, под прямым углом друг к другу. Это полукружные каналы.

Одно для кивка, другое для поворота головы, третье для наклона к плечу. Когда голова поворачивается, жидкость отстает, как кофе в чашке, которую резко вращают. Чашка поворачивается, кофе пока остается на месте. Отстающая жидкость сгибает волоски, сообщающие мозгу о повороте.

Умная конструкция, но у нее 2 слабости. Первое слабое место: медленное движение. При плавном начале разворота жидкость почти не отстает и волоски почти не сгибаются. При медленном плавном крене пилот может ничего не почувствовать. Руководства советуют около 2 градусов в секунду.

Чуть ниже этой скорости крен может достичь 20 или 30 градусов за 15 секунд, а пилот ничего не чувствует. В темной лаборатории люди могут замечать краткие движения медленнее 1 градуса в секунду. Но порог зависит от длительности. А кабина не похожа на тихую лабораторию. Второе слабое место: время.

При постоянном вращении примерно от 10 до 20 секунд жидкость догоняет стенки каналов. Волоски выпрямляются, ощущение вращения исчезает. Вы все еще поворачиваетесь, но тело считает, что остановились. Когда вы останавливаетесь, жидкость качается обратно, и кажется, что вы поворачиваетесь в другую сторону.

Датчики второго типа называют отолитовыми органами. Чувствительные волоски под слоем кристаллов: они тяжелее геля. При наклоне головы сила тяжести тянет кристаллы, и волоски сгибаются. Отолиты сообщают, где низ.

Но они не отличают силу тяжести от ускорения. При ускорении вперед кристаллы сдвигаются назад, будто вы откинули голову. В руководстве ВВС США сказано: по одним отолитам истинное направление вниз почти невозможно определить. На земле глаза обычно помогают разобраться в этих смешанных сигналах.

В облаке или над темным ночным морем глазам не за что зацепиться.

Ложное ощущение крена и спираль смерти

Теперь поместим эти слабости в кабину, внутрь облака. Одно крыло медленно опускается ниже порога чувствительности внутреннего уха. Пилот ничего не ощущает. Отолиты тоже этого не замечают.

В плавном сбалансированном вираже толчок разворота и сила тяжести складываются в силу, направленную в кресло. В плавном вираже ощущение низа направлено в пол самолета. Если крен не исправлять, крылья дают меньше подъемной силы, и нос опускается. Самолет набирает скорость и теряет высоту.

Пилот, заметив снижение по высотомеру, прибору высоты, часто тянет штурвал, поднимая нос. Но тянуть штурвал в крене лишь делает вираж круче. Снижение становится круче и быстрее. Пилоты называют это спиралью смерти.

Это быстрый крутой вираж со снижением, а не штопор: крылья еще создают подъемную силу. Брошюра FAA говорит: спираль смерти встречается чаще штопора смерти. В спирали пилот может чувствовать снижение, но не разворот, поэтому кажется, будто самолет пикирует прямо. Представим, что пилот замечает неладное и резко выравнивает крылья.

Жидкость в каналах перемещается, и тело сообщает: самолет теперь кренится в другую сторону. Пилот наклоняется или снова вводит самолет в прежний крен. Это иллюзия крена, которую FAA считает самой распространенной в полете. Циркуляр FAA по безопасности ссылается на опрос: 45 процентов сказали, что после выравнивания крыльев снова кренились в другую сторону.

Еще 39 процентов чувствовали прямой горизонтальный полет, хотя продолжали поворот. Другая иллюзия возникает при ускорении самолета. Резкий толчок вперед сдвигает кристаллы отолитов назад, и пилоту кажется, что нос задирается. Это соматогравическая иллюзия.

Почувствовав подъем носа, пилот может опустить его к земле при взлете или прерванной посадке. Заметьте, чего здесь не было: ощущения вращения и головокружения. Пространственная дезориентация часто не означает вертиго. Тело часто не паникует. Оно спокойно сообщает неправильный ответ.

178 секунд

Вернемся к 20 пилотам в искусственном облаке. В 1954 году команда Иллинойсского университета учила пилотов без подготовки по приборам выбираться живыми из облака. Измерили, сколько продержатся без помощи. Исследование оплатил фонд AOPA, американской ассоциации владельцев самолетов и пилотов. Добровольцами были двадцать пилотов от девятнадцати до шестидесяти лет: девятнадцать с частными лицензиями, один курсант, никто не летал по приборам.

Они летали на обычном четырехместном Beechcraft Bonanza с инструктором. Окна закрыли янтарным пластиком; в синих очках была видна панель, но снаружи ничего. Закрыли искусственный горизонт, прибор с изображением неба. Для пилотов это почти облако без ориентиров. У 19 из 20 началась спираль смерти.

20-й резко поднял нос: самолет был близок к сваливанию. Быстрее всего управление потеряли через 20 секунд. Самый долгий случай занял 480 секунд, или 8 минут. Среднее составило 178 секунд, чуть меньше 3 минут.

В летной подготовке число повторяли как «сто семьдесят восемь секунд до смерти». Но это среднее для 20 человек, разброс огромен. Недавняя статья даже датирует исследование 2003 годом, но оно из 1954 года. Затем шла часть, которую реже цитируют.

Затем те же пилоты получили около 4 часов занятий по одной процедуре выхода. Уберите руки со штурвала, снизьте скорость, дайте самолету лететь самому. Затем только рулем направления и маленькой стрелкой поворота сделайте плавный разворот на сто восемьдесят градусов и вылетите тем же путем. На итоговом испытании каждый выполнил всю процедуру 3 раза, всего 60 попыток. Единственная ошибка: пилот забыл задать мощность и постепенно потерял высоту.

Изменилось то, чему они доверяли. Раньше летели по ощущениям; после обучения ориентировались по стрелке панели, не трогая штурвал. Даже после подготовки переход от телесных ощущений к приборам не мгновенный. Циркуляр FAA говорит: даже квалифицированным пилотам по приборам нужно до 35 секунд, чтобы вернуть полный контроль после потери земли из вида.

Искусственный горизонт, закрытый исследователями, самый важный. Почему ему доверять, а телу нельзя?

Гироскопические приборы: как гироскоп сохраняет направление

Ответ начинается с игрушки. Раскрутите волчок, и он встанет на острие. Вращающееся колесо сопротивляется опрокидыванию. В учебниках пилотов это жесткость в пространстве: гироскоп сохраняет направление при любых изменениях вокруг.

В тысяча восемьсот пятьдесят втором году французский физик Леон Фуко назвал его гироскопом, от греческих слов «круг» и «наблюдать». С его помощью он показал, что Земля вращается под ним. У вращающегося колеса есть и другая странность. Толкните колесо, и оно не наклонится в сторону толчка.

Оно поворачивается вбок, словно толчок пришел четверть оборота спустя. Это называется прецессией. Установите быстро вращающееся колесо в раму, вокруг которой самолет свободно вращается. При крене колесо остается горизонтальным, корпус прибора поворачивается вокруг него.

Свяжите колесо с линией горизонта: получится указатель пространственного положения, или искусственный горизонт. Символ самолета стоит на линии, параллельной настоящему горизонту. Это горизонт, который можно взять с собой в облако. В небольших самолетах вакуумный насос от двигателя гонит воздух через прибор, вращая колесо.

В отличие от жидкости в ухе, колесо не затихает через 20 секунд. Он не идеален. После резкого ускорения или долгого поворота показания могут ошибаться на несколько градусов около минуты. Но он не затихает незаметно, как внутреннее ухо. Но сначала вращающееся колесо надо было установить в самолет.

Не трогайте штурвал: первый автопилот

В начале 1900-х американец Элмер Сперри создал гирокомпасы для военных кораблей. Его сын Лоуренс хотел установить гироскопы в самолеты. 18 июня 1914 года во Франции шанс представился. На Сене у Парижа шли соревнования по безопасности авиации.

21-летний Лоуренс Сперри летел на летающей лодке Кертисс с гироскопическим стабилизатором. Пролетая мимо судей, он убрал руки с управления. Механик Эмиль Кашен вылез, прошел по крылу. Самолет накренился, а стабилизатор сам выровнял его.

Сперри выиграл приз в пятьдесят тысяч франков. К 1918 году компания Сперри испытывала указатель поворота. Лоуренс Сперри не дожил до того, как полеты вслепую стали обычными. В декабре 1923 года его самолет разбился в тумане над Ла-Маншем, и он погиб в возрасте 31 года.

Причина неизвестна.

24 сентября 1929 года: первый полет по приборам

В 1920-х пилот в тумане, скорее всего, терял управление. Снова и снова пилот, потеряв землю из виду, переходил в спиральное пикирование и разбивался. Окер и лейтенант Карл Крейн даже выбрасывали голубей с завязанными глазами из самолета. Без зрения птицы теряли ориентацию, как пилоты в облаках.

В 1926 году Дэниел Гуггенхайм создал фонд на 2,5 миллиона долларов для безопасности полетов. Одна цель фонда: безопасные полеты в тумане. На Митчел-Филд близ Нью-Йорка фонд создал Лабораторию полного полета. Летчиком-испытателем стал армейский офицер Джимми Дулиттл.

Дулиттл тренировался более 100 раз с матерчатым капюшоном над кабиной. Он полагался на новые приборы, главными были три. Во-первых, высотомер Пола Колсмана, намного точнее тогдашних стандартных приборов. Во-вторых, искусственный горизонт Элмера Сперри-младшего, младшего брата Лоуренса.

В-третьих, радиомаяк показывал, на курсе ли он. Он читал это по вибрирующим металлическим язычкам. 24 сентября 1929 года Дулиттл взлетел на биплане Consolidated NY-2 с закрытым над кабиной капюшоном. Он летел около 15 минут, развернулся и вернулся на посадку. Он не видел внешнего мира.

В передней кабине лейтенант Бен Келси, пилот безопасности, сидел, подняв руки на виду у всех. Позже Дулиттл писал: насколько ему известно, это первый самолет, взлетевший, прошедший заданный курс и севший по приборам. Постепенно сложилось правило: в облаках верьте приборам, не телу. Но иметь приборы и доверять им не одно и то же.

Когда ощущения тела побеждают показания приборов

По брошюре FAA, пространственная дезориентация вызывает от 5 до 10 процентов происшествий авиации общего назначения, то есть полетов вне авиалиний и военной авиации. Около 90 процентов таких происшествий смертельны. В 2025 году исследователи FAA проанализировали 367 отчетов о смертельных происшествиях с 2003 по 2021 год. Из 390 происшествий с пространственной дезориентацией смертельными были 94 процента.

Они нашли тесную связь происшествий с пилотами, налетавшими менее 500 часов. Пространственная дезориентация редка, но обычно смертельна. 23 августа 2000 года Airbus A320 Gulf Air ночью заходил над морем на посадку в Бахрейне. Экипаж выполнил низкий круг у полосы, отказался от посадки и набрал высоту для новой попытки.

Менее чем через минуту он врезался в мелководье, погибли все 143 человека на борту. Расследование показало: экипаж, вероятно, испытал одну из форм пространственной дезориентации. Капитану, возможно, ошибочно показалось, что самолет задирает нос. Это иллюзия, которую мы видели ранее: она возникает при ускорении, когда пилот не видит внешнего мира.

В январе 2004 года Boeing 737 Flash Airlines ночью взлетел из Шарм-эш-Шейха в Египте над Красным морем. Примерно через 2,5 минуты после взлета он рухнул в море, погибли все 148 человек на борту. Египетские следователи не нашли убедительных доказательств вероятной причины. Американские следователи не согласились: пространственная дезориентация была единственным объяснением данных. Французское BEA также указало на нее и усталость.

26 января 2020 года вертолет Sikorsky S-76 влетел в облака возле Калабасаса, к западу от Лос-Анджелеса. На борту были баскетболист Коби Брайант, его дочь Джианна и еще 7 человек. Опытный пилот сообщил диспетчеру, что набирает высоту до четырех тысяч футов, примерно до тысячи двухсот метров. На деле вертолет только что достиг пика: примерно семьсот двадцать метров, две тысячи триста семьдесят футов, и снижался в левом развороте.

Примерно через 20 секунд он врезался в склон холма, погибли все 9 человек. NTSB установил: решение пилота продолжать визуальный полет в облаках привело к пространственной дезориентации и потере управления. Публикуя выводы NTSB, председатель Роберт Самуолт сказал: «К сожалению, мы по-прежнему видим, как те же проблемы ведут в остальном опытных пилотов к неверным решениям». В обеих катастрофах, в Бахрейне и под Калабасасом, следователи не нашли признаков отказа летательных аппаратов.

Тело говорило убедительнее.

Когда сам прибор выходит из строя

Стоит ли пилоту всегда доверять приборам? Не слепо: приборы тоже отказывают. В малых самолетах отказ вакуумного насоса замедляет гироскопы и уводит показания. На некоторых есть сигнальная лампа, но пилот должен ее заметить. Отчет FAA по данным AOPA: отказы вакуумной системы вызывают около 3 происшествий в год, около 11 процентов происшествий из-за дезориентации; около 90 процентов смертельны.

1 января 1978 года Boeing 747 Air India ночью взлетел над морем из Бомбея, нынешнего Мумбаи. Следователи сочли причиной неисправный указатель пространственного положения при правом развороте. Над темным морем не было горизонта, самолет кренился влево, перевалив за 90 градусов. Следователи установили: экипаж не использовал другие приборы для восстановления управления.

Через несколько минут после взлета он упал в море примерно в 3 километрах от берега; погибли все 213 человек на борту. 22 декабря 1999 года грузовой Boeing 747 Korean Air вылетел ночью из лондонского аэропорта Станстед. В предыдущем полете сообщили, что указатель пространственного положения капитана ненадежен при крене. Неисправность описали верно, но в Станстеде починили не ту деталь: она осталась.

После взлета прибор капитана показывал ровные крылья при крене самолета. Предупреждение прозвучало 3 раза: прибор капитана расходился с прибором второго пилота. Бортовой инженер крикнул: «Крен, крен». Пилоты не ответили. Капитан продолжал крениться влево примерно до 90 градусов.

Самолет врезался в землю с почти вертикальными крыльями и носом, опущенным примерно на сорок градусов. Погибли все четверо на борту: 3 члена экипажа и инженер компании. Британские следователи установили: пилоты неправильно отреагировали на предупреждения. Они также установили: второй пилот либо не следил за положением самолета, либо не сообщил капитану.

Урок не сводится к фразе «доверяйте приборам». Сравнивайте показания: один прибор, как внутреннее ухо, может ошибаться. В больших самолетах есть несколько указателей положения и резервный авиагоризонт. В вашем карманном устройстве тот же принцип: два датчика проверяют друг друга.

Гироскоп в вашем кармане

В телефоне есть гироскоп, но ничего не вращается. Это крошечная структура, вытравленная в кремнии, вибрирующая взад-вперед. При повороте телефона вибрирующая часть немного смещается вбок. Это эффект Кориолиса, боковой толчок от вращения. Боковой толчок показывает скорость поворота телефона.

Суммируя скорости поворота со временем, получаем угол телефона. Но суммируется каждая ошибка, поэтому угол постепенно дрейфует. Телефоны используют акселерометр, датчик гравитации, чтобы определить низ и исправить дрейф, пока телефон почти неподвижен. Один датчик для поворота, другой определяет низ, как во внутреннем ухе.

Как и отолиты, акселерометр не отличает силу тяжести от ускорения. В современных кабинах используют родственную систему AHRS, систему определения пространственного положения и курса. Она отслеживает наклон и направление самолета. Она выводит положение самолета на главный экран пилота без вращающегося колеса. Астронавты сталкиваются с проблемой внутреннего уха наоборот.

На орбите отолиты уже не ощущают постоянной силы тяжести. От 65 до 70 процентов членов экипажей космических шаттлов испытывали космическую болезнь движения в первые 3 дня. Одно объяснение: мозгу приходится заново понимать сигналы отолитов. Укачивание на Земле, в машине или гарнитуре виртуальной реальности часто объясняют одинаково: органы чувств расходятся, особенно глаза и внутреннее ухо.

А птицы? Фрегаты, крупные морские птицы тропиков, регулярно парят внутри кучевых облаков, иногда поднимаясь примерно до четырех тысяч метров. Один анализ предполагает: их круговой набор высоты внутри облаков естественно устойчив, поэтому большие поправки не нужны. Но голуби с завязанными глазами в 1920-х теряли ориентацию.

Доверяйте приборам

Почему пилоты теряют верх и низ в облаке? Потому что система равновесия тела создана для наземной жизни с открытыми глазами. Она пропускает медленные развороты, забывает о постоянном вращении и не отличает силу тяжести от ускорения. На земле глаза компенсируют слабости, в облаке не помогают.

История полетов в облаках связана с лучшим гироскопом и доверием к нему. В 1954 году 20 пилотов теряли управление в среднем менее чем за 3 минуты. После примерно 4 часов занятий те же пилоты безопасно вышли из облака в 59 из 60 попыток. Изменилось то, чему они верили, когда тело и приборы расходились.

Вновь над темным морем в 1999 году приборы, скорее всего, работали. В облаке трудность не в зрении, а в доверии к показаниям панели.