Těžké počasí

12 Úno

Padají snad některá letadla za oběť mysterióznímu ledovému nebezpečí, protože pro něj zkrátka nebyla navržena? 31. října 1994 se turbovrtulový letoun mířící do Chicaga zřítil do sójového pole u Roselawnu v Indianě a všech 68 pasažérů na palubě zahynulo. Ačkoli počasí ten den bylo studené, nikdo nemohl věřit tomu, co vyšetřovatelé objevili. Důvodem havárie byla totiž ledová námraza na křídlech.

Nejenže tento moderní letoun měl plně funkční odmrazovací systém, ale podle standardů US Federal Aviation Administration (FAA – federální letecká správa USA) by tento stroj typu ATR-72, vyrobený ve Francii, neměl mít nejmenší problémy při létání v chladných vlhkých podmínkách. Piloti dokonce rozpoznali, že jejich stroj namrzá, a přistoupili k odmrazovací proceduře, aby se námrazy zbavili. Dodrželi ji do posledního písmene. Ve skutečnosti bylo již zaznamenáno vícero havárií a situací jim blízkých, ve kterých se ATR-72 a podobné turbovrtulové stroje dostaly do neočekávaných potíží způsobených těžkou námrazou za podmínek, o nichž letový manuál tvrdí, že by je měly zvládnout. V roce 1987 se například namrzlý ATR-72 zřítil ve sněhové bouři. O dekádu později se jiný turbovrtulový stroj, typ Embraer 120 amerických aerolinek Cornair, zřítil blízko Monroe v Michiganu poté, co jeho křídla pokryla námraza. Všech 29 pasažérů zahynulo. Vloni v březnu pak jiný Embraer 120, vracející se z Baham, zaznamenal namrzání a bez varování začal prudce klesat, než pilot znovu získal kontrolu nad strojem. A v prosinci 2002 se ATR-72 zřítil na Tchaj-wanu, posádka zahynula. Hlavním podezřelým je opět silná námraza. Není design těchto turbovrtulových letounů zkrátka nějak špatný? The National Transportation Safety Board (NTSB – Národní úřad pro bezpečnost dopravy), výbor, který se zabývá haváriemi letadel na území Spojených států, má jen málo pochyb, že problém skutečně existuje. V září vydal nové znění původních nálezů z vyšetřování Roselawnského incidentu. NSTB sňal část viny z výrobců letounu a zdůraznil vlastní požadavek adresovaný FAA, v němž specifikoval požadavky, jaké by konstrukce letounů měla splňovat, aby byla schopna obstát v podmínkách s masivní námrazou.

Námraza je silný protivník

Dnes používané standardy vycházejí z dat získaných před 50 lety. A ačkoli bylo provedeno několik změn v designu a pracovních limitech, turbovrtulové stroje stále z nebe padají. Led a mrznoucí déšť se zdají být mnohem složitějšími protivníky, než kdokoli tušil. Všichni konstruktéři letounů, kteří kdy museli čelit tomuto problému, jsou dobře obeznámeni s problematikou námrazy. Mnozí z nich navrhují letadla již přes 40 let. Navíc každý výrobce musí prokázat, že jeho letoun je schopen bezpečně létat v chladných a vlhkých podmínkách, kde se námraza vyskytuje. V USA jsou tyto podmínky specifikované v příručce od FAA, zvané Dodatek C, která přímo vyjmenovává jednotlivé typy chladného počasí, které musí letoun zvládat. V samém centru Dodatku C se nalézá důležitý bod, který praví, že vodní mraky se často nacházejí v termodynamicky nestálé formě přechlazených vodních kapének. Přechlazené vodní kapičky zůstávají tekuté, i když jejich teplota je znatelně pod 0 °C. Když mezi ně studený letoun vletí, dodá jim energeticky impuls a chová se jako zárodek pro krystalizaci. V momentě, kdy se kapičky dotknou křídel, ocasu či trupu, okamžitě se změní v led. Tlustá vrstva ledu naroste velmi rychle, nejčastěji na náběžné hraně křídel, ocasních křidélek a na směrovce. Led vytváří přítěž, snižuje vztlak křídel a letadlo pak začne padat jako kámen. Favorizovaným řešením je vestavění odmrazovacího zařízení přímo do náběžné hrany křídel a ocasu. Zahrnuje topné elementy, nebo v případě turbovrtulových strojů gumové měchýře – gumáky, které po nafouknutí rozruší veškerý nahromaděný led. Dodatek C byl sepsán již kolem roku 1950 a množí se důkazy, že určité podmínky mohou rychle letadlo přemoci, i když má kompletní odmrazovací systém. Dodatek C požaduje, aby letoun dokázal odolat situaci s přechlazenými kapénkami do průměru 30 mikrometrů. „Ale v přírodě nikde neuvidíte mrak se všemi kapkami stejné velikosti,“ říká Daniel Bower z NTSB, který se zabývá vyšetřováním incidentů s námrazou. „Místo toho narazíte na široké spektrum velikostí kapiček, které se mohou chovat nepředvídatelným způsobem.“ Jedna z povětrnostních podmínek, kterou Dodatek C plně nepokrývá, je mrznoucí déšť. Malé kapénky se spojí do větších, přesahujících nejméně 1 milimetr v průměru a začnou propadávat vrstvou mrazivého vzduchu. Tyto kapky mrznou v okamžiku, kdy se dotknou studeného povrchu letounu a to v takovém množství, jaké jen málokterý odmrazovací systém dokáže zvládnout. Pilotům, kteří vletí do mrznoucího deště, je doporučeno zatočit kormidlem a uletět pryč. To však není všechno. Od 80. let minulého století úřad NTSB vyvíjí tlak na FAA, aby konečně zrevidoval Dodatek C poté, co došlo k sérii neštěstí, u nichž se předpokládají ještě jiné povětrnostní podmínky, než je mrznoucí déšť rychle namrzající na letounu. V polovině 80. let pomáhala jako doktorand na univerzitě ve Wyomingu Marcia Politovichová zpracovat zprávu o osm let trvajícím atmosférickém testování uskutečněném na palubě výzkumného letounu. „Měli jsme několik měření tak velikých kapek, že nás opravdu vyděsily,“ shrnula Politovichová.

Venku z „obálky“

Politovichová zjistila, že při krátkém letu lze někdy nasbírat mnohem více ledu než při dlouhých letech za jiných povětrnostních podmínek a zdá se, že velké vodní kapky se mění na led až těsně za odmrazovacím zařízením. „Vytvářejí tam hrubou ledovou krustu, jež způsobuje velkou přítěž,“ dodává. „Napsali jsme několik materiálů na toto téma, které říkaly: Hej, tenhle problém vážně existuje, buďte opatrní, v manuálech to nenajdete.“ Tyto kapky, jež Politovichová s kolegy odhaduje na 50 až 500 mikrometrů (pozn. překl.: 1 mm = 1000 µm) v průměru, byly menší než kapky, s nimiž se setkáváme při mrznoucím dešti, a mohou zůstat rozptýlené v mracích po velmi dlouhou dobu. Tým je označil jako „velké přechlazené mrholící kapky“. Přesto jejich objev nevzbudil žádný ohlas až do leteckého neštěstí v Roselawnu roku 1994. Den po havárii jeden z meteorologů NTSB telefonoval Politovichové, která v té době již pracovala v National Center for Atmospheric Research (Národní centrum pro výzkum atmosféry) v Boulderu v Coloradu a prosil ji o pomoc při hledání odpovědí, jaké atmosférické podmínky se nejpravděpodobněji předchozí den vyskytovaly. Všichni věděli, že mrznoucí déšť je špatný, ale to, co výzkumníci objevili, bylo děsivé. Zjistili, že nad Roselawnem se ATR-72 setkal ve středu mraku s kapkami většími, než popisuje Dodatek C, ale stále menšími než v mrznoucím dešti. Namrzlé kapky vytvořily ledový hřeben mimo dosah odmrazovacího systému. Ačkoli byl jen jeden nebo dva centimetry silný, stačil na to, aby porušil hladké proudění vzduchu nad křídlem (viz obrázek) a snížil vztlak křídla. Val navíc vytváří podtlak, který vychyluje křidélka směrem nahoru. Autopilot se s tím nedokázal vyrovnat, vypadl, letadlo se zakolébalo a piloti ztratili nad strojem kontrolu. Zjistili jsme, že větší kapky mají tendenci dopadat až dále po povrchu křídla,“ říká Politovichová. „Některé se pohybují dozadu a mrznou až za dosahem odledovacích zařízení. Takto vznikl také ledový val na ATR-72 nad Roselawnem.“

Čím níže, tím hůře

Proč by měly být turbovrtulové stroje o tolik zranitelnější než tryskové? Zdá se, že důvodů je hned několik. Prvním je to, že regionální linková letadla obvykle absolvují kratší trasy, v nižších hladinách atmosféry a stráví tak mnohem více času v mracích, kde se led tvořívá. Tryskové letouny na delších trasách často létají až nad mraky. Malý turbovrtulový letoun má navíc mnohem méně rezervní energie ve formě horkého vzduchu a elektrické energie, se kterými by mohl zahřívat povrch křídel a odstraňovat tak námrazu, či ještě lépe jí předcházet. Navíc i konstrukce hornoplošníků, což je případ strojů jako ATR-72, může problém zhoršit, protože piloti nemohou jednoduše vizuálně kontrolovat vývoj námrazy na horní straně křídel. Ve světle havárií v Roselawnu a v Monroe byly odledovací měchýře na některých turbovrtulových letounech zvětšeny a FAA také stanovila limity, v nichž tyto stroje smí operovat. Tento krok se odrazil i u dalších regulátorů, včetně britského Civil Aviation Authority (Úřad pro civilní letectví). Zároveň byla výrazně zlepšena úroveň předpovědi počasí a letové manuály byly přepsány tak, aby daly pilotům větší šance na rozpoznání signálů nebezpečí. FAA také zaštítila nový výzkum tohoto problému a také zorganizovala testy, v nichž byl tankovací letoun americké armády využit pro vytváření mrznoucích spršek z kapiček většího průměru dopadajících na ATR-72 letící pod ním. Při nich se potvrdilo, že ledové valy se skutečně mohou vytvářet až za dosahem odledovacích systémů, což byla pro velké množství pilotů novinka. „Letoun měl plnou certifikaci podle Dodatku C, ale pilotům nebylo nikdy řečeno, že existují povětrnostní podmínky, pro které certifikován nebyl,“ říká Mike Bragg z University of Illinois at Urban Champaign. „Každý automaticky předpokládal, že Dodatek C zahrnuje kompletní rozsah námraz. Ačkoli existovali ve sféře výzkumu atmosféry lidé, kteří říkali, že existují horší věci, až do Roselawnu byli ignorováni.“ Dnes po další dekádě tento problém stále čeká na vyřešení. Ave Bransfordová z Atlanty v Georgii, jejíž manžel zahynul při nehodě v Monroe, říká, že by chtěla vidět změny v pravidlech teď hned. Věří, že FAA má již nyní obrovské zpoždění stran revizí Dodatku C, zejména ve vztahu k turbovrtulovým letounům. Bransford také volá po automatických systémech pro detekci námrazy, montovaných do každého osobního letadla. „Ta technologie je dostupná,“ dodává. K těmto hlasům se přidává i NTSB a zúčastnění výzkumníci. FAA však trvá na tom, že nemůže změnit pravidla, dokud nebude dokončen jím financovaný výzkumný program.

Větrné tunely nestačí

Ani dnes ještě nerozumíme celé šíři podmínek namrzání. Bragg například pravidelně létá na palubě létající laboratoře NASA v mrazivém počasí, aby mohl z první ruky pozorovat, jak se led na křídle formuje. Samozřejmě zde existují určité limity omezující přípustné nebezpečí pro výzkumníky a stále více pokusů probíhá ve větrných tunelech. V devadesátých letech výzkumníci na univerzitě v Illinois dokázali ve větrném tunelu zopakovat podmínky, které nastaly nad Roselawnem, a ukázali, jak i malý ledový val, který se zformuje až za odledovacími měchy, může dramaticky snížit vztlak křídla a zvýšit rychlost přetažení. Brag také ukázal, že takový led dokáže vytvořit nebezpečný podtlak blízko odtokové hrany křídla, nepředvídatelně zdvihající křidélka do proudění. Je-li proudění narušeno, ostatní ovládací prvky se stávají mnohem méně účinnými, což letoun činí extrémně obtížně zvladatelným. Bragův tým zjistil, že i tenký povlak ledu vyčnívající dopředu přes náběžnou hranu křídla má mnohem větší dopad než relativně tenký povlak dále k zádi. „Větrné tunely jsou užitečné, ale nedokážou vždy věrně napodobit, co se děje v reálném světě,“ varuje Myron Oleskiw, výzkumník aerodynamiky v National Research Council v Ottawě. „Zatímco pro bílý jinovatkový led vytvářený z malých kapének přirůstajících na náběžné hraně je relativně jednoduché výsledky přenést do skutečného světa, pro ostatní formy námrazy to je mnohem obtížnější.“ Mark Potapczuk z ústavu Glen Research Center v Ohiu pa- třícího NASA je podobně opatrný. Fyzika námrazy vypadá jednoduše, jak říká – přechlazené kapičky dopadají na povrch a mrznou –, ale v mnoha situacích nezmrznou úplně již při dopadu a jsou zde mnohem složitější interakce s povrchem křídla. „Je to jako vzít všechny ty složité záležitosti z mechaniky tekutin a nacpat je do jediného problému,“ dodává. „Výpočty aerodynamického proudění jsou dosti složité samy o sobě. Jakmile k nim přidáte led, stávají se ještě složitějšími.“ Inženýři z NASA odhadují, že budou potřebovat ještě několik let výzkumných letů a ve větrných tunelech, než budou schopni vytvořit model reálného namrzání v laboratoři a v tunelu. Jedním z problémů, se kterými se potýkají, je fakt, že větrný tunel NASA je konstruován pro studium malých kapiček dopadajících na testované křídlo. Když se použijí větší kapky, mají tendenci vypadnout z proudu vzduchu ještě dříve, než dorazí k povrchu křídla.

Zkoumání osudu kapiček

Možné řešení přichází z Velké Británie, kde David Hammond z Cranfield College of Aeronautics na Cranfordské univerzitě vytvořil vertikální větrný tunel ve spolupráci s NASA a Wichita State University v Kansasu. Tunel je určen pro měření množství ledu, který se nasbírá na křídle, stejně jako množství vody, která nepřimrzne. Hammond plánuje vyšetřit osud kapiček za pomoci vysokorychlostní kamery podobné těm, které se používají pro zobrazování explozí při zpomaleném promítání. Potřebuje získat obrázek kapiček v momentě, kdy narazí na křídlo, protože v blízkosti povrchu mohou být vychýlené aerodynamickými silami, což může značně ovlivnit, jakým způsobem led naroste. „Chceme vidět, jestli se při dopadu kapička rozstříkne, zda se odrazí i další chování mezi těmito možnostmi. Chceme vidět, co se přesně stane, a změřit množství hmot jdoucích různými směry,“ říká Hammond. Cranfieldský vertikální ledový tunel bude v průběhu příštích měsíců procházet zkouškami a Oleskiw tvrdí, že může pomoci vědcům vyřešit mnoho problémů. „Již se to dělalo při studiu krup, ale zatím nikdy pro námrazy na letadlech.“ Roselawnská katastrofa spustila spoustu výzkumů, říká Bragg. Od té doby se výzkum námrazy změnil z akademické otázky na skutečnou aplikovanou vědu, na níž závisí život a smrt avioniků. „Také došlo ke změně přístupu k otázkám, které mají přímý dopad na leteckou činnost,“ dodává. „Dříve byl výzkum základem, aniž se jej někdo pokoušel aplikovat do praxe. Nyní i když dělám základní výzkum, rovnou se zajímám o to, jak jej přímo dostat do kokpitu.“

Leave a Reply