Здесь речь пойдёт о причинах неприятного, а иногда и опасного режима полёта, образно называемого эффектом 'стиральной доски' - при котором происходят быстрые регулярные возмущения угла наклона продольной оси самолёта (угла тангажа). Традиционно это явление считается результатом турбулентности воздушной среды. Но турбулентность, казалось бы, должна вызывать нерегулярную болтанку по всем степеням свободы летящего самолёта - как это и бывает в действительности. Теоретически, можно представить себе такую турбулентность, которая вызывала бы регулярные броски только по тангажу. Но такой феномен был бы чрезвычайно маловероятен, в то время как эффект 'стиральной доски' - достаточно обычное явление при пролёте сквозь атмосферный фронт. Возникает подозрение на то, что этот эффект обусловлен не турбулентностью, а иными причинами. Ниже излагается один из возможных механизмов происхождения этого эффекта, а именно: нештатный режим работы канала автопилота, управляющего рулями высоты.

        Такой нештатный режим возможен у автопилотов тех типов, которые для автоматического управления по тангажу используют два главных измеряемых параметра [1]: во-первых, высоту полёта, измеряемую с помощью барометрического высотомера, и, во-вторых, собственно угол тангажа, измеряемый с помощью гировертикали. Непрерывно измеряемые значения этих параметров сравниваются с их расчётными значениями для заданного режима полёта и, при возникновении расхождений между измеренными и заданными значениями, вырабатываются соответствующие сигналы ошибки. На основе этих сигналов ошибки, по специальным алгоритмам формируется сигнал, управляющий рулевой машиной. Заметим, что в этих алгоритмах обязательно используется некоторая модель атмосферы, что требуется для согласованной обработки сигналов с датчиков высоты и тангажа. Для горизонтального полёта эта согласованность означает всего лишь, в идеале, постоянный сигнал с высотомера и нулевой сигнал с гировертикали, но, в ходе манёвра изменения высоты, согласованность изменений этих сигналов прогнозируется на основе принятой модели атмосферы. Рассогласования же всегда трактуются автоматикой, как результаты отклонений от заданной траектории, и эти отклонения, соответственно, выправляются.

        Теперь уточним, что принятая модель атмосферы, о которой идёт речь, является моделью плоско-слоистой среды, в которой возможен лишь вертикальный градиент давления. Однако, в реальной атмосфере бывают и горизонтальные градиенты давления, вводящие в заблуждение автоматику - ведь барометрический высотомер трактует любое изменение давления лишь как результат соответствующего изменения высоты. Горизонтальные градиенты атмосферного давления полностью проигнорированы в алгоритмах канала тангажа [1] - по-видимому, на том странном основании, что, в согласии с принятыми в метеорологии теоретическими моделями, эти градиенты должны иметь ничтожную величину. Например, полагают, что толщина переходного слоя, разделяющего области повышенного и пониженного давления, может составлять всего 0.5 км [2], но считается, что этот переходный слой обязан располагаться лишь под весьма малым углом к горизонту - порядка 1њ или ещё меньше [2]. Но ведь тогда тропосферный фронт, размах которого по высоте составляет несколько километров, имел бы переходную зону в несколько сотен километров, что несовместимо с самой концепцией атмосферного фронта [2]. Поэтому приводимые ниже оценки выполнены для случая, когда горизонтальная протяжённость переходного слоя, пересекаемого самолётом, составляет 5 км.

        Пусть, для определённости, самолёт перемещается из области пониженного давления в область повышенного. Сразу после влёта в переходный слой, барометрический высотомер начнёт регистрировать мнимую потерю высоты, реагируя на горизонтальный курсовой градиент давления, в то время как сигнал с гировертикали остаётся при этом нулевым. Отрабатывая мнимую потерю высоты, автоматика выдаст на рули корректирующий импульс, примерная форма которого показана на Рис.1. За время длительности этого импульса, приблизительно равное времени релаксации канала тангажа, накапливается новое рассогласование, поэтому будет сформирован следующий корректирующий импульс на рули высоты, и т.д. - как показано на Рис.2. Гребёнка таких корректирующих импульсов и создаёт эффект 'стиральной доски'. Интересно отметить, что автоматика при этом отрабатывает возмущения не истинной высоты полёта, а возмущения его барометрической высоты. Поэтому траектория полёта, как она выглядит по логике автоматики, отличается от истинной траектории полёта, что схематически показано на Рис.3.

        Такой режим полёта, как можно видеть, возможен при условии, что за время релаксации t канала тангажа самолёт успевает пролететь такое расстояние, на котором перепад давления оказывается достаточным для вышеописанного срабатывания автоматики. Из этого условия вытекает соотношение между скоростью полёта V и горизонтальным курсовым градиентом давления Ñ p, при котором возможен эффект 'стиральной доски':

        V>d p/t Ñ p, или Ñ p>d p/Vt ,

        где d p - пороговый перепад давления для срабатывания автоматики. Пусть самолёт движется со скоростью 800 км/ч на высоте 7000 м, где давление составляет около 450 мбар. Примем, что потеря высоты, на которую там срабатывает автоматика, составляет 1 м, так что полная 'просадка' по высоте за один корректирующий цикл составляет, скажем, 1.5 м; пусть время релаксации t составляет 1.5 с.

        Тогда, для возникновения эффекта 'стиральной доски', чтобы на пятикилометровом отрезке самолёт испытал 15 бросков и, соответственно, увеличил истинную величину полёта на 22.5 м, требуется перепад давления на этом отрезке, равный всего лишь 1.2 мбар, т.е. требуется горизонтальный градиент давления в 0.24 мбар/км - эта величина не представляется нам чрезмерной.

        Следует добавить, что, как и у любой системы автоматического управления, динамические диапазоны контуров канала тангажа конечны. Поэтому, в принципе, возможен выход за пределы этих динамических диапазонов, например, при достаточно быстром полёте вдоль достаточно крутого градиента давления - тогда канал тангажа может 'затыкаться', что чревато односторонней перекладкой рулей.

        Итак, сформулируем характерные особенности вышеописанного источника эффекта 'стиральной доски', которые помогли бы отличить этот источник от действия турбулентности.

        Эффект возможен при использовании автопилотов вышеописанного типа, обрабатывающих сигналы с барометрического высотомера и гировертикали.

        Эффект возможен при пролёте через область с горизонтальным курсовым градиентом давления.

        Броски по тангажу относительно регулярны: период их повторения сравним со времением релаксации канала тангажа; амплитуда же их тем больше, чем больше отрабатываемая автоматикой скорость изменения барометрической высоты.

        Если верно вышеизложенное, то броски по тангажу при эффекте 'стиральной доски' могут быть успокоены простым переключением канала тангажа на ручной режим управления. Практическая проверка этого вывода могла бы способствовать повышению безопасности полётов, причём при пересечении не только атмосферных фронтов, но и других участков с горизонтальными курсовыми градиентами атмосферного давления - например, в горной местности.

        Автор благодарит Н.Б.Кошеляевского, А.Н.Малимона, А.В.Новосёлова, и пилота 1-го класса Р.А.Авдеева за полезное обсуждение.