Dr inż. Wacław Berczyński, inżynier systemowy z Boeinga, podczas niedawno zakończonej konferencji naukowej na UKSW w Warszawie stwierdził bardzo interesującą rzecz. Otóż zgodnie z wymogami konstrukcyjnymi obowiązującymi w USA asymetria w sile nośnej powinna być w pełni kontrolowalna nawet w przypadku chwilowej 20-procentowej różnicy obciążeń wynikających z sił nośnych pomiędzy lewym a prawym skrzydłem. Takie konstrukcyjne założenie jest oczywiścicie sensownie umocowane: strumień powietrza generujacy siłę nośną skrzydeł nie jest w locie zawsze taki sam dla obydwu z nich. Są przecież turbulencje, są przecież zmienne wiatry, jest różna orientacja samego samolotu w stosunku do strumienia powietrza, co może skutkować różnicą w powierzchni skrzydeł dostępnej dla strumienia powietrza i w konsekwencji różnym ciśnieniem na jednym i drugim skrzydle. Jeśli samolot miałby być wrażliwy na każdą asymetrię sił nośnych, samoloty pasażerskie wykonywałyby półbeczki znacznie częściej. Na szczęście nie jest.
Zagadnienie półbeczki w oficjalnych raportach z katastrofy smoleńskiej potraktowane zostało po macoszemu, zresztą jak każda inna techniczna ekspertyza. Gorzej, nie wiadomo nawet jakiej długości oderwany był – jakoby na pancernej brzozie – fragment lewego skrzydła. Według pierwszej wersji końcowego raporu MAK Tu-154M w wyniku hipotetycznego uderzenia w brzozę stracić miał 4,7 metra skrzydła. Według raportu KBWLLP było to około 6,5 metra. Obliczenia dokonane przez pana Marka Dąbrowskiego (link) wskazują, że bliżej stanu faktycznego był tutaj MAK: eksperci komisji Millera mierzyli długość oderwanego fragmentu po skosie krawędzi skrzydła, podczas gdy MAK od końcówki skrzydła prostopadle do osi podłużnej samolotu, czyli tak, jak długość skrzydła podaje sie w standardowej specyfikacji samolotów. Długość jednego skrzydła w Tu-154M to 18,8 metra zatem wynika z tego, że w wyniku hipotetycznego uderzenia w brzozę tupolew stracił 28% długości lewego skrzydła (4,7 m urwanej końcówki + 0,5 m średnicy brzozy). Długość oderwanego fragmentu skrzydła nie jest jednak taka sama jak ubytek siły nośnej. W skośnych skrzydłach rozkład ciśnienia generującego siłę nośną jest eliptyczny, to znaczy szybko spada w miarę zbliżania się do końcówki skrzydła. W oparciu o to można wyliczyć, że ubytek siły nośnej w wyniku utraty 28% długości lewego skrzydła wynosił odpowiednio dla tego skrzydła 28% i 14% ubytku całości siły nośnej obydwu skrzydeł. [1]
To oszacowanie jest bardzo konserwatywne, a to ze względu na wysunięte o 35 stopni klapy tupolewa w momencie hipotetycznej utraty części skrzydła. Spowodowało to, że zmieniły się proporcje siły nośnej generowanej na skrzydle bliżej kadłuba w stosunku do powierzchni skrzydła oddalonego od kadłuba. Wiemy, że odłamany fragment lewego skrzydła nie objął klap. Wysunięcie klap spowodowało zwiększenie siły nośnej na powierzchni skrzydła bliżej kadłuba a tym samym ogólny udział siły nośnej pochodzącej z końcówek skrzydła musiał zmaleć. Tym samym utrata końcówki skrzydła spowodowała proporcjonalnie mniejszy ubytek siły nośnej, niż gdyby utrata taka nastąpiła bez wysuniętych klap.
Co ciekawe raport MAK-u o ile notuje, że samolot miał się jakoby obrócić, to w ogóle nie określa przyczyn owego obrotu. Istnieją również różnice, co do kąta obrotu: według MAK było to 210 stopni, raport KBWLLP podaje wartość 160 stopni. Natomiast w dokonanej przez MAK wizualizacji tragedii z nałożoną ścieżką dźwiękową nagrania z kabiny pilotów samolot ryje lewym skrzydłem ziemię i upada przy przechyle nie większym niż 90 stopni. [2]
W kwestii mechaniki hipotetycznej półbeczki raport KBWLLP jest minimalnie bardziej szczegółowy niż raport MAK. Wyjaśnieniu tej kwestii raport komisji Millera poświęca raptem jedno zdanie:
Powstałe, na skutek utraty końcówki lewego skrzydła, niezrównoważenie siły nośnej nie było możliwe do skorygowania wychyleniem lotki prawego skrzydła. [3]
Jako przyczynę obrotu lakonicznie wzmiankowano więc „niezrównoważenie siły nośnej”. Ale coś więcej? Jakiego rzędu była to nierównowaga? Jaka była różnica sił nośnych pomiędzy jednym a drugim skrzydłem? Do jakiego stopnia ta nierównowaga mogła być skompensowana reakcją pilota i wychyleniem prawej lotki? Nie przeprowadzono jakichkolwiek oszacowań – nie wspominając już o modelowaniu – próbującego odtworzyć prawdopodobne zachowanie się samolotu tracacego trzecią część długości lewego skrzydła. Takie badania wykonywane były jednak gdzie indziej. Co wiecej, nie tylko badania, znamy także analogiczne przypadki samolotów pasażerskich tracących znaczne powierzchnie skrzydła. Zacznijmy od faktycznych wypadków przechodząc następnie do badań i symulacji.
Zderzenie w powietrzu i utrata części skrzydła
4 grudnia 1965 roku nad miejscowością Carmel w stanie Nowy Jork na wysokości ponad 3 kilometrów Boeing 707-131B lecący z San Francisco do Nowego Jorku uderzył lewym skrzydłem w prawy stabilizator pasażerskiego samolotu Lockheed Super Constellation lecącego z Bostonu do Newark. W wyniku kolizji Lockheed stracił kontrolę nad sterami wysokości i kierunku (kapitan sterował samolotem jedynie za pomocą ciągu) i jego załoga zmuszona była do awaryjnego lądowania na łące, w wyniku którego kadłub samolotu rozpadł się na trzy części. Większość pasażerów i załogi przeżyła przy 4 śmiertelnych ofiarach.
Drugi samolot, Boeing 707, w wyniku kolizji stracił ponad 7,6 metra lewego skrzydła. Jak widać, stanowi to bliską analogię z Tu-154M, który w wyniku uderzenia w brzozę stracić miał około 5 metrów lewego skrzydła. Natychmiast po kolizji Boeing wszedł w ostre niekontrolowane nurkowanie. Po chwili piloci odzyskali kontrolę nad maszyną i wyprowadzili samolot z ostrego opadania. Podchodząc do awaryjnego lądowania na lotnisku JFK w Nowym Jorku Boeing wykonał szeroki okrąg i udanie wylądował około 20 minut po powietrznej kolizji.
Zgodnie z raportem Civil Aeronautics Board w momencie uderzenia lewym skrzydłem w drugi samolot zapisy parametrów lotu Boeinga nie pokazały gwałtownych zmian, a jedynie „niewielkie wariacje wszystkich parametrów lotu za wyjątkiem wysokości”. Chwilę potem zanotowano silne negatywne przeciążenie, kiedy samolot rozpoczął ostre nurkowanie, wtedy również pozostałe parametry ukazują szybkie i gwałtowne zmiany przez okres około 12 sekund aż do momentu, gdy załoga odzyskała kontrolę nad samolotem.
Długość jednego skrzydła w tym modelu Boeinga to 20 metrów. Utrata 7,6 metra lewego skrzydła oznaczała utratę blisko 40% jego długości. W tym momencie przypomnijmy raport Millera, który ogólnikowo stwierdza: „Powstałe, na skutek utraty końcówki lewego skrzydła, niezrównoważenie siły nośnej”. Niekontrolowany obrót samolotu w wyniku niezrównoważenia siły nośnej nie jest jednak jak widać taki nieuchronny: z oderwaną blisko połową lewego skrzydła Boeing był w stanie wyjść z niekontrolowanego ostrego nurkowania, by następnie wykonać wszystkie manewry konieczne do awaryjnego ladowania. Zwłaszcza pierwsza część wymagała dużych dodatnich przeciążeń, to jest wysokiego kąta natarcia na niesymetrycznym już płacie skrzydła tak, aby wygenerować odpowiednią siłę nośną pozwalającą na wyrównanie lotu. Gwałtowny obrót samolotu na lewe skrzydło w wyniku utraty znacznej jego części nie wystąpił na żadnym etapie podczas 20-minutowego lotu uszkodzonego samolotu.
Wyniki symulacji i badań eksperymentalnych
Kwestia utraty przez samolot skrzydła lub statecznika była przedmiotem szeregu badań w formie symulacji aerodynamicznych oraz badań w tunelu aerodynamicznym. Nie jest to sytuacja niezwykła w warunkach wojennych, gdzie samoloty regularnie ulegają różnym uszkodzeniom. Gautam Shah i Melissa Hill z NASA Langley Research Center skoncentrowali się natomiast na samolotach pasażerskich. Przyczynkiem do ich pracy były sytuacje utraty fragmentów skrzydeł lub powierzchni sterowych udokumentowane w kilku katastrofach i incydentach lotniczych. Metodologia badań zakładała eksperymenty w tunelu aerodynamicznym, gdzie testowano zachowanie się generalnego modelu pasażerskiego samolotu z różnymi stopniami i rodzajami uszkodzeń skrzydła i steru wysokości. Analizowano również reakcje modelu na uszkodzenia skrzydła, czyli na locie z asymetrycznymi skrzydłami, gdzie część jedno z nich odpada w wyniku jakiegoś problemu. Badano różne stopnie uszkodzenia lewego skrzydła: utratę od 4 do 55 procenta jego długości.
Źródło: NASA
Wyniki w kontekście interesującego nas zagadnienia były następujące: nawet utrata ponad połowy jednego skrzydła może być kompensowana przez odpowiednie wychylenie przeciwnej lotki i zmniejszenie kąta natarcia. Pojawiający się w wyniku utraty części skrzydła moment obrotowy wykazuje silną zależność od kąta natarcia. Utrata nawet połowy długości skrzydła nie musi powodować przechyłu samolotu przy odpowiednio niskim kącie natarcia. Wyższe kąty natarcia generują moment obrotowy, który może w początkowej fazie wymusić przechył samolotu.
Przeprowadzano również eksperymenty na profesjonalnym symulatorze, gdzie odtwarzano warunki powstałe w wyniku różnych uszkodzeń i reakcje zawodowych pilotów. Jak stwierdzają naukowcy:
W badanych przypadkach aerodynamiczne i systemowe efekty uszkodzenia skrzydła były w większości przypadków kontrolowalne, chociaż przy większym obciążeniu uwagi pilota oraz prawdopodobnie większej prędkości lądowania. Całkowita utrata kontroli lotką na uszkodzonym skrzydle wciąż była sytuacją kontrolowalną, choć wymagała większej uwagi pilota w porównaniu z 50-procentowym zmniejszeniem stopnia odchylania się lotki. Jednak, gdy te efekty połączone były z utratą ciągu silnika na uszkodzonym skrzydle, kontrolowanie i stabilizacja samolotu było znacznie trudniejszym zadaniem [...]. [4]
Zatem utrata części skrzydła z całą lotką była wciąż sytaucją kontrolowalną nawet jeśli połączone to było z utratą ciągu silnika na uszkodzonym skrzydle, choć w tym drugim przypadku, kontrola samolotu była już bardzo trudna. Co więcej, autorzy opisując jedną z modelowanych sytuacji stwierdzają:
Utrata zewnętrznej zewnętrznej jednej czwartej części skrzydła (25% długości jednego skrzydła) - ta sytuacja była wybrana do modelowania nie dlatego, że miała związek z jakimkolwiek faktycznym wydarzeniem lub przykładem, ale dlatego, że jest reprezentatywna dla uszkodzeń wynikających z trafienia skrzydła rakietą z przenośnego przeciwlotniczego zestawu rakietowego i - skutkiem tego - potencjalnych strukturalnych uszkodzeń. Wybrano 25% utraty jednego skrzydła ponieważ aerodynamiczne efekty, chociaż znaczące, nie były na tyle poważne, by czynić samolot niekontrolowalnym. [5]
Podkreślam ostatnie stwierdzenie: utrata 25% długości jednego skrzydła, choć generuje znaczące efekty aerodynamiczne, nie jest uszodzeniem na tyle poważnym, by uczynić samolot niekontrolowalnym. Nie jest to znowu jakimś wielkim zaskoczeniem. Jak wyjaśniają Djellal i Ouibrahim:
Na projekt i kontstrukcję systemów skrzydła wpływa nie tylko ich zdolność do wykonywania określonych funkcji ale także trudne środowiska, w których muszą muszą wykonywać swoje funkcje, to jest różne rodzaje uszkodzeń. W rezultacie skrzydła powinny być w stanie tolerować pewien stopień uszkodzeń. Wytrzymałość konstrukcji skrzydeł na uszkodzenia staje się jednym z kluczowych wymagań w procesie projektowania skrzydeł. [6].
Czy eksperci komisji Millera w ogóle słyszeli o tego typu badaniach? O tym, że odporność skrzydeł na pewne rodzaje uszkodzeń jest jednym z kluczowych wymagań w procesie ich konstrukcji? Jeśli tak, to może by się do nich odnieśli i wyjaśnili jak Tu-154M tracący w wyniku hipotetycznego zderzenia z pancerną brzozą 28% lewego skrzydła wykonał bardzo gwałtowną półbeczkę? Jeśli zaś nie słyszeli, to może czas najwyższy, by usłyszeli?
Wnioski
Hipoteza półbeczki, jaką wykonać miał tupolew po utracie fragmentu lewego skrzydła nie ma solidnego umocowania w mechanice lotu. Nie przedstawiono żadnych argumentów, które uprawdopodabniałyby tę hipotezę. Co więcej, raport MAK w ogóle nie stwierdza, by za hipotetyczną półbeczkę odpowiadała asymetria sił nośnych, a ich wizualizacja tragedii pokazuje jedynie silny przechył, a nie obrócenie się samolotu. Skąd więc przekonanie o tym, że samolot faktycznie wykonał taką figurę? W pierwszych dniach po katastrofie o beczce ani o brzozie nie było w ogóle mowy. Jeśli już to mówiło się, że samolot ściął maszt bliższej radiolatarnii. Hipoteza półbeczki została przedstawiona przez rosyjskiego fotoamatora Siergieja Amielina. Na podstawie własnych zdjęć drzew, zrobionych nie wcześniej niż 3 dni po katastrofie, Amielin doszedł do wniosku, że z przyciętych gałęzi drzew jasno wynika gwałtowny obrót samolotu na lewe skrzydło. Jako potwierdzenie swojej tezy przedstawił on starannie dobrane zdjęcia drzew z okolic katastrofy, drzew czasem oddalonych od siebie o kilkaset metrów. Jego sugestywne grafiki przedstawiające ostatnie sekundy lotu tupolewa - z wpasowanym modelem samolotu pomniejszonym czasem o połowę w stosunku do rzeczywistego rozmiaru - stały się podstawą raportu Millera, którego eksperci niemiłosiernie kopiowali ściągnięte z internetu grafiki Amielina. Oprócz tych grafik, żadnych twardych dowodów na hipotetyczną półbeczkę, jaką wykonać miał Tu-154M podczas katastrofy nie ma.
--------------------------------------------------------------------
Przypisy
1. Dla zainteresowanych szczegółami. Rozkład siły nośnej na skośnych skrzydłach jest z grubsza eliptyczny. Długość jednego skrzydła dla Tu-154M to 18,8 metra. Zgodnie z pierwszą wersją raportu MAK oderwany fragment skrzydła miał 4,7 metra + 0,5 metra średnicy brzozy = 5,2 metra. Zatem:
18,8 - 5,2 = 13,6 metra ocalałego skrzydła. Całkując po długości nieuszkodzonego skrzydła mamy:
Proporcja siły nośnej dla odłamanego fragmentu skrzydła długości 5,2 metra będzie wynosiła:
Do tego dochodzi także eliptyczny rozkład siły nośnej na kikucie, zatem procentowy ubytek siły nośnej lewego skrzydła skutkiem oderwania 5,2 metra końcówki to 16,7% z oderwanej końcówki plus około 11% zmniejszenia się siły nośnej na kikucie, w sumie około 28% i odpowiednio 14% ubytku całości siły nośnej obydwu skrzydeł.
2. Kaczynski plane crash explained: Full minute-by-minute reconstruction
3. Załącznik nr 4, Geometria zderzenia samolotu, s. 7.
4. Shah, G.H. and Hill, M. (2012), "Flight Dynamics Modeling and Simulation of a Damaged Transport Aircraft", National Aeronautics and Space Administration, Hampton, VA. Langley Research Center, s. 11; patrz także Shah, G.H. (2008) "Aerodynamic Effects and Modeling of Damage to Transport Aircraft", AIAA-2008-6203, Presented at 2008 AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, Honolulu, HI, August 2008.
5. Shah, "Flight Dynamics...", s. 3, podkreślenie moje.
6. Djellal, S., Ouibrahim, A. (2009) Experimental investigation on aerodynamic performance of damaged wings. EACWE 5 Florence, Italy.
