Дезориентация

26 июня 2007 года, во время проведения учебных упражнений над побережьем Орегона, майор Грегори Д. Юнг из ВВС Национальной гвардии врезался своим истребителем F-15A в Тихий океан. Самолет стоимостью $32 миллиона был разрушен, а пилот погиб. Не было никакого сигнала бедствия, никакой попытки катапультироваться, и никаких очевидных сбоев самолета. 34 летний Юнг имел за спиной 2 300 лётных часов, из них больше чем 750 часов в F-15.

 F-15 национальной гвардии США

 В то время как следователи просеивали то немногое, что осталось после крушения, коллеги, семья, и друзья не прекращали задаваться вопросом: что заставило Юнга направить свой самолет прямо в океан на скорости более 900 километров в час? Ответ, отображенный в отчёте следствия два месяца спустя, был как очень тревожным, так и слишком знакомым. Юнг, в прозаической терминологии сообщения, “испытал неосознанную пространственную дезориентацию (Тип 1), которая вызвала ошибочность его оценки положения самолёта, его высоты, и скорости полёта. В результате [он] ясно не сознавал свое положение и врезался в воду”.

 Другими словами: Юнг  так и не понял, что произошло с ним.

 Несмотря на обучение, опыт, и технологии, основанные на знании того, как полет затрагивает человеческую физиологию, Юнг, понятия не имел, что он мчится вниз.

 Называемая головокружением летчика, потеря пространственной ориентации - постоянный убийца. Статистические данные федерального управления авиации показывают, что она, по крайней мере, частично, ответственна приблизительно за 15 процентов несчастных случаев в гражданской авиации, большинство из которых происходит в облаках или ночью, 90 процентов из них являются фатальными. Согласно исследованию 2004 года, средняя продолжительность жизни пилота, летящего без приборов в облаках, - 178 секунд.

 Обзор ВВС США (633 аварий между 1980 и 1989 годами) показал, что потеря пространственной ориентации была главным фактором в 13 процентах аварий, приводяших к 115 смертельным случаям. Среди аварий самолётов с высокими лётно-тактическими данными норма была выше: 25 - 30 процентов. Исследование ВМС США обнаружило, что в отличие от несчастных случаев в гражданской авиации, большинство несчастных случаев с самолётами с высокими лётно-тактическими данными произошли при свете дня и в хороших визуальных условиях полета. В среднем возраст пилотов был 30 лет, стаж 10 лет и 1 500 часов в качестве инструктора или командира корабля, и за предшествующие три месяца они управляли самолётом в средним 25 раз — что  показывает, что никакое количество часов обучения, разборов полётов или лётный опыт не иммунизирует против потери пространственной ориентации.

 Люди сохраняют ориентацию и ощущение положения в пространстве с помощью системы чувств: зрения; вестибулярной системы (лабиринтообразный набор трубочек и каналов во внутреннем ухе); кинезии (проприоцепции, сенсоры в мускулах и суставах, которые сообщают нам о положении нашего тела (например, стоит человек или сидит); и чувства силы тяжести, или что мы чувствуем как движение вверх и вниз. Со временем эта система развивалась, и теперь она хорошо приспособлена к Земле. Но её легко одурачить. Когда Вы сидите в стоящем поезде, и поезд на смежном пути начинает двигаться, вы будете думать, что именно ваш поезд двигается.

Авиационная база ВВС США Райт-Паттерсон в Огайо предмет исследования вращается в динамическом тренажере окружающей среды - центрифуга, которая используется для стимулирования пространственной дезориентации.

 В воздухе вещи становятся сложнее. Ранним летчикам противостояло нападение на их чувства, или “ нарушение равновесия”, как называл его Орвил Райт. До первой мировой войны большинство полетов призводилось при свете дня и ограничивались короткими перелетами "прямо и вниз". Немногие рисковали летать ночью, а ещё меньше лётчиков рисковали летать в облаках, или, по крайней мере, выжили в таком сложном полёте, чтобы рассказать другим об этом.

 Исследование в 19-ом и начале 20-ого века помогло пролить свет на вестибулярную систему и то, как она поддерживает равновесие. В 1906 году Роберт Барани разработал вращающийся стул, чтобы смоделировать эффекты пространственной дезориентации на пилотах.

 Вот, например, как описывают ощущение от этого стула. «На семинаре по безопасности в Род-Айленде, спонсируемом федеральным управлением гражданской авиации, руководитель программы Джек Кинан предложил мне попробовать стул Барани, устройство, мало чем отличающееся от парикмахерского кресла, с ненастоящей ручкой управления. Поскольку группа других пилотов собралась вокруг, он завязал мне глаза и начал крутить стул налево, приказывая мне переместить ручку в направлении вращения. Я покорно перемещал её влево.

 В то время, как Кинан мягко поворачивал стул, он рассказывал группе:  “Ваше тело поддерживает вас. Мы учимся распознавать ключевую информацию от нашей окружающей среды”. Он также добавил, что проблема, “в том, что наши тела предназначаются, чтобы ходить по Земле”. Когда он говорил, стул, казалось, прекратил вращение. Я переместил ручку в нейтральное положение. Кинан тогда отбарабанил унылый перечень явлений, которые случаться с пилотами: иллюзия крена, "смертельная" спираль, иллюзия перевёрнутого положения, иллюзия «лифта», ложный видимый горизонт (подробнее в конце статьи). Во время разговора стул, казалось, полностью изменил направление,  и начал вращаться вправо. Я переместил палку вправо. Некоторые в группе захихикали. Кинан снял тогда повязку, и я увидел, что стул стоял. “Вставайте осторожно, – предупредил он, помогая мне поднятся. – вы все еще вращаетесь”. Три других добровольца последовали за мной. В каждом случае Кинан сначала раскручивал стул. После этого, он мягко приводил стулу к остановке. В каждом случае доброволец перемещал палку точно так же, как и я.

Кресло Барани

 Внутреннее ухо разработано так, чтобы обнаружить движение, или скорее ускорение. Таким образом, когда стул начал поворачиваться, я ощущал это. Однако, как только угловая скорость вращения стала постоянной, жидкость в моем внутреннем ухе возвратилась к равновесию, и без использования визуальной ключевой информации, я не мог уловить различие между вращением и стоянием без движения. Так, когда стул прекратил поворачиваться, я ощущал это как поворот в противоположном направлении."

 Вестибулярные иллюзии делятся на две категории: соматогиральные, вращательные иллюзии (“somato” с греческого языка означает "тело"), и соматофавические, иллюзии ускорения. Стул Барани демонстрирует основу соматогиральной иллюзии. Самолет в стабильном левом повороте будет чувствоваться так же, как и самолет, совершающий горизонтальный полёт по прямой линии. Если самолет вернуть к горизонтальному полёту по прямой, или если уменьшить крен, естественная реакция пилота состоится в том, чтобы сделать исправление, которое сделало бы круче фактический поворот. Если бы в то же самое время голова пилота была наклонена — как если бы он читал карту или поднимал карандаш — то обман вестибулярной системы был бы произведён вдоль третьей оси, означая то,  что когда самолет возвратится к горизонтальному полёту по прямой или пилот поднимет свою голову, он ощутит не только поворот в противоположном направлении, но и кабрирование или пикирование.

 Соматогиральные иллюзии происходят в ситуациях, когда ускоряющийся самолет будет чувствоваться как набирающий высоту, а замедление самолета будет ощущаться как и снижение. Поскольку мы живем на поверхности Земли, где сила силы тяжести, притягивающая нас к земле, является более или менее постоянной, или 1 g, наша вестибулярная система не может отличить различие между подьёмом и ускорением. Современные движущиеся тренажеры используют в своих интересах этот факт, чтобы создать иллюзию полета. Например, в капсуле тренажера, когда пилот увеличивает для взлета тягу и видит и чувствует, что "самолет" ускоряется по взлетно-посадочной полосе, сама капсула начинает наклоняться. Движения, созданные тренажерами, настолько реалистичны, что студенты начинали страдать морской болезнью в них.

 Симулятор Airbus 330/340.

 В 1917 году Элмер Сперри изобрел гироскопический курсоуказатель, основанный на подобном устройстве, которое он изобрел для судов. Указатель присоединился к гироскопическому компасу Сперри, чтобы составить то, что позже станет основой  полёта по приборам. Уже в 1928 году, появилась идея летать, исключительно основываясь на показания приборов — “слепой полёт”, однако она пока оставалась столь же чуждой человечеству, как путешествия к другим планетам. Пилоты были убеждены, что их самыми ценными инструментами были навыки и инстинкты.

 В 1926 году Капитан армейской авиации Вильям Оукер, экспериментировавший с гироскопическим курсоуказателем Сперри, проходил медицинский осмотр, который включал вращение на стуле Барани, чтобы проверить его вестибулярную систему. Испытывая ту же самую иллюзию вращения, он, как пишет Вильям Лангевиш в своей книге «Inside the Sky» (ISBN: 0679429832), открыл “что использование инстинкта не просто бесполезно в облаках, оно может вызвать смертельные спирали, и, как в результат, простого наличия гироскопов недостаточно. Пилоты должны изучать противоречивые ощущения трудной дисциплины - абсолютной веры в свои инструменты”. Оукер, с рвением фундаменталистского министра, начал проповедовать потребность развивающих процедур и учебных программ для обучения полету с инструментами. Однако он был неспособен переубедить своих начальников. Дважды Армия госпитализировала Оукера чтобы проверить его здравомыслие. (В 1932 году защищающийся Оукер издал первый трактат по полетам по приборам, «Слепой полет в Теории и Практике».)

В 1927 году группа ученых и пилотов, которая включала в себя Сперри и Лейтенанта Армейской Авиации Джемса Дулитла, построила искусственный горизонт, гироскопическое устройство, которое дает пилоту графическое представление о положении самолета относительно горизонта. Дулитл использовал его в 1929 году, чтобы совершить первый полет и посадку исключительно по приборам самолета, доказывая выполнимость полета только по приборам.

Создание заслуживающих доверия инструментов это одно, но заставить пилотов доверять им это совсем другое. Сначала пилоты сообщали, что инструменты, казалось, работали только при ясной погоде, что в облаках устройства начинали барахлить, указывая повороты которые, как пилот был уверен, самолет не делал. Инструменты работали очень хорошо; пилотам нужно было преподавать сопротивление инстинкту летать, основываясь только на одних ощущениях.

Искусственный горизонт

Сегодня первичная лётная подготовка всех пилотов требует лётных инструкций, основанных на инструментах и возращении из необычных пространственных положений, в которых лётчик инструктор заставляет студента закрыть глаза, в то время как самолет проходит ряд дезориентирующих поворотов, подъемов, и спусков, а затем возвращается к горизонтальному полёту по прямой. Военные летчики, в дополнение к тому, чтобы подвергаться периодическим обзорам профпригодности, обязаны посещать, каждые пять лет, курсы повышения квалификации в человеческой физиологии, которые включают секцию, посвящённую пространственной дезориентации.

 Роджер Шоу, директор Гражданского института авиационной медицины Федерального управления гражданской авиации в Оклахома-Сити, признает, что учебные маневры, такие же, как восстановление необычного положения, ограничены фактом, что студент знает и ожидает, что он должен будет сделать исправление, чтобы возвратить самолет к горизонтальному полёту по прямой. Пространственная дезориентация настолько коварна и ощущения, которые она создает настолько непредолимы, что если вы не подозреваете, что у вас есть проблема, вы никогда не узнаете, что она была. В отличие от других чрезвычайных бортовых ситуаций — отказ двигателя, прекращение электропитания, дыма в кабине — нет никакого основного случая, чтобы указать, что что-нибудь является неправильным. Если пилот действительно понимает, что кое-что является не совсем правильным, он может среагировать слишком поздно, или путём, который ухудшит ситуацию. Или, как в случае Майора Юнга, пилот, возможно, не среагирует вообще.

 Крушение ночью 6 июля 1999 года сына американского президента Джона Ф. Кеннеди, на Мартас-Винъярде,  в которой погиб он, его жена, и ее сестра, привлекло общественное внимание к последствиям пространственной дезориентации. Исследование авиакатастрофы, как рассказывает Ричард Бункер и из Массачусетской Аэронавигационной Комиссии, которая расследовала крушение для государства, происходит путем постепенного устранения. Вы начинаете с самолета. После устранения структурных или механических неисправностей вы смотрите на внешние факторы, такие как погода.

 Тогда исследование поворачивается к пилоту. Вы исследуете его или её обучение и опыт, историю болезни, личную жизнь, и возможные факторы для объяснения. В конечном счете, говорит Бункер, свидетельство и обстоятельства указывают на “ладно, возможно мы имеем пространственную дезориентацию”.

 Кеннеди не оценивал приборы. Он летел ночью над водой в тумане с видимостью меньше чем 5 километров, что подразумевает, что было видно мало огней на земле и никаких визуальныхй горизонтов. Приблизительно на расстоянии в 15 километров от Мартас-Винъярде, он отклонился от курса и делал много маневров, предполагающих, что он потерялся или был дезориентирован. Заключительный радарный след показал самолет делающий правый поворот с маленьким радиусом, называемый "смертельной" спиралью — который достиг вертикальной скорости спуска более чем 1400 метров в минуту прежде, чем самолет врезался в воду.

В случае Майора Юнга всё было кончено меньше чем за минуту.

Юнг, позывной Сварливый, управлял ведущим самолётов в звене из двух F-15 в боевом упражнении против двух F/A-18s над Тихим океанов, приблизительно в 75 километрах к западу от Кэйп Арч, Орегон. Видимость составляла чуть больше 16 километров, с горизонтом, открытым во всех направлениях.

 В то время как ведомый Юнга, подполковник Пауль Фиджеральд, позывной Сварливый два, открыл огонь по F/A-18s, Ковбой один и два, Юнг начал восходящий правый разворот, который достиг максимума в 5400 метров, затем начал спускаться в направлении своего ведомого и других двух самолетов.

 Как только он сделал это, Ковбой-2 сманеврировал в положение позади Сварливого два, передав по общей частоте, прослушиваемой всеми пилотами, что он "сбил" один из этих двух F-15.

 К этому времени вертикальная скорость спуска у Юнга почти удвоилась, достигла 10 000 метров в минуту, а он был на высоте 1500 метров – установленный из соображения безопасности минимум; на этой высоте Юнг должен был прервать бой.

 Восемь секунд спустя, самолет Юнга врезался в воду. Ведомый Юнга рассказал исследователям, что все, что он видел, было “большим белым всплеском, который напомнил мне о Ниагарском водопаде”.

 Останки Юнга были обнаружены рядом с обломками самолёта, которые, по словам донесения об аварии, вместились бы в “маленькое мусорное ведро”. С самолетом, почти полностью разрушенным, анализ двигателя и корпуса был ограничен просмотром карт-нарядов на техническое обслуживание и интервью с наземным персоналом. Эти вещи, наряду с тем фактом, что Юнг никогда не указывал на проблемы с самолетом, предположили, что проблема не была механической. (По совпадению, спустя всего несколько месяцев после крушения Юнга, самолет ВВС Национальной гвардии Миссури F-15C развалился в полете, приводя к временному запрету на полёты F-15 для всего флота, чтобы исследовать лонжероны).

 Так как чёрный ящик самолета был также разрушен, исследователи были ограничены в восстановлении курса полета использованием данных РЛ сопровождения, видеозаписью коллиматорных индикаторов других самолетов  (проектируют критическую информацию полета на прозрачном дисплее выше приборной панели), и данными от их черных ящиков, в дополнение к показаниям других пилотов. Исследователи решили, что самолет Юнга врезался в воду под углом 24 градуса со скоростью 1000 километров в час.

В сообщении говорится, что шлем Юнга показал, что он сидел, держа голову прямо, что указывает, что во время происшествия он находился в сознании. Дальнейший анализ предположил, что Юнг смотрел вверх и немного направо, то есть не в океан перед ним, а в свой коллиматорный индикатор, или на приборы. Его противоперегрузочный костюм не был полностью накачан, указывая, что не было существенных перегрузок, чтобы затормозить его.

Коллиматорный индикатор F/A-18C

Все больше и больше свидетельствовало в пользу пространственной дезориентации.

 Когда Юнг в своем заключительном маневре перешел от набора высоты к снижению, он был восприимчив к соматогиральной иллюзии – казалось, что угол пикирования намного меньше, чем фактически он был. Он, фактически, возможно думал, что он был перевёрнут. Факт, что его вертикальная скорость спуска значительно увеличилась в заключительные секунды, указывает, что Юнг, “возможно, даже полагал, что он поднимался в последние моменты, хотя фактически он все еще спускался”, говорится в сообщении исследователей.

 В дополнение к первичным данным полета (пространственное положение, скорость полёта, высота, курс), коллиматорный индикатор в военных кабинах предоставляет пилоту информацию о том, что находится непосредственно перед самолетом. Индикаторы также проецирует информацию о полете на щиток шлема, таким образом, голова пилота может свободно перемещаться. Трехмерные дисплеи “шоссе в небе” выдаёт пилоту изображение ландшафта и проецирует путь, которым нужно следовать. Сегодняшние пилоты могут поддержать уровень ориентированности в обстановке, о котором никогда не мечтали их предшественники.

 Но, по словам Билла Эрколина,  ученого из находящихся в Калифорнии Wyle Laboratories которые исследуют человеческие факторы для  Научно-исследовательской лаборатории ВВС в Брукс-сити в Техасе, когда дело доходит до противостояния пространственной дезориентации, новые дисплеи создают свои собственные проблемы. Исследование восстановления необычного пространственного положения, используя  коллиматорные индикаторы, выяснило, что коллиматорные индикаторы могут фактически вмешиваться в процесс восстановления. Поле обзора является узким, изготовители используют символы, которые не универсальны, и природа дисплеев не интуитивна; все это вместе, выдаёт слишком много информации, чтобы можно было её обработать. “Это походит на питье через пожарный шланг — очень трудно сделать правильный глоток”, – рассказывает Эрколин. Из-за необходимости справляться и контролировать очень многие системы, пилоты заканчивают тем, что посвящают фактически меньше времени полёту.

 ВВС уполномочили команду во главе с NASA и Научно-исследовательской лабораторией на авиационной базе ВВС Райт-Паттерсон в Огайо разработать автопилот, который включается, когда пилот без сознания или не осознает, что он собирается врезаться в землю. Автоматическая Система Предотвращения Столкновения с Землёй (The Automatic Ground Collision Avoidance System— Auto-GCAS) — оперирует множеством факторов (вес самолета и мощность, навигационная информация, ландшафт и данные о высотах точек рельефа местности), чтобы постоянно вычислять положение самолета, время перед ударом, и маневром, требуемым для предотвращения столкновения. Когда система решает, что самолет через 1.5 секунд пройдёт точку невозвращения, а пилот все еще не предпринял никаких действий, она возьмет на себя управление и выполнит автоматический спасательный маневр. Система, разработанная и проверенная за прошлые два десятилетия, уже готова к употреблению на истребителях F-16 и F-22. Однако надежды Министерства Обороны на то, что эта система фактически устранит “управляемое столкновение с ландшафтом”, терпят крах из-за пространственной дезориентации или потери сознания.

Как работает Auto-GCAS

Конечно, Auto-GCAS поможет, считает Вильям Альбери, ведущий ученый с авиационной базы Райт-Паттерсон, но оно не устранит полностью пространственную дезориентацию. Останется восприимчивость к головокружению, рассказывает он, пока есть человеческие пилоты на самолетах, и даже пилоты не в самолетах — в нескольких инцидентах, пилоты, которые отдаленно управляют самолетом, потеряли контроль из-за головокружения. Единственный способ полностью устранить проблему, он считает, состоит в том, чтобы развить полностью автоматизированный самолет. ) классифицируются на 3 основных типа: Тип I охватывает неосознанные или неопознанные нарушения, тип II - осознанные нарушения и тип III – нарушения пространственной ориентации

Головокружение: Учебник для начинающих

Нарушения пространственной ориентации (НПО) по Гиллингему (1992 с полной утратой работоспособности летчика.

 Тип I  - ситуации, в которых пилот не в состоянии чувствовать отклонения от желаемой ориентации.

 Среди иллюзий пилоты могут испытать:

 Иллюзия крена: соматогиральная иллюзия, в которой после продолжительного пологого разворота, сопровождаемого внезапным возвращением к горизонтальном полёту, пилот ощущает поворот в противоположном направлении. Пилот, испытывающий иллюзию крена, может наклонить самолёт в направлении оригинального поворота в попытке возвратить восприятие правильного вертикального положения.

 Иллюзия Кориолиса: соматогиральная иллюзия, в которой, в то время как самолет поворачивается, пилот наклоняет свою голову, например, чтобы прочитать карту. Когда голова вываливается из плоскости вращения, пилот испытает иллюзия вращения. В зависимости от природы поворота пилот может также испытать иллюзию, что самолет совершает движение тангажа или (и) создаёт движение рыскания.

Тип II происходит, когда пилот понимает, что между показаниями лётных приборов и тем, что чувствует тело, существует конфликт.

 Тип III - ситуации, в которых физические признаки, сопровождающие дезориентацию, — зрительное нарушение, мышечные спазмы, тошнота, или паника — достаточно серьезны, чтобы вывести из строя пилота.

 "Смертельная" спираль, самолет делает вираж, однако в результате иллюзии пилот ощущает сваливания на нос и потери высоты, пилот может попытаться потянуть штурвал на себя, чтобы возвратить высоту или замедлить вертикальную скорость. Увеличение обратного давления на штурвал обычно приводит к более крутому развороту и реальному сваливанию на нос, вызывая дальнейшую потерю высоты. Эта последовательность может продолжиться до тех пор, пока самолёт не потеряет скорость, разваливаясь на части, или сталкиваясь с землёй.

Иллюзия перевёрнутого положения: соматогиральная иллюзия, в который, после длительного восхождения самолёта с высокими лётно-техническими характеристиками, пилот выравнивает самолет, уменьшая давление на "дно сиденья ", в то время как ускорение поддерживает давление сохраняет давление на спинку. Иллюзия - самолет продолжает увеличивать угол тангажа. Скоро пилот чувствует, что самолет перевёрнут.

По материалам журнала Air and Space