PYŁ WULKANICZNY - GROŹNY DLA SAMOLOTÓW

24 czerwca 1982, o godzinie 13:44 czasu UTC (20:44 czasu lokalnego) na pokładzie samolotu pasażerskiego Boeing 747 należącego do British Airways, lecącego z Londynu do Auckland w Nowej Zelandii, w czasie lotu nad oceanem, rozległ się nagle w kabinie pasażerskiej komunikat. Później komunikat ten przeszedł do historii lotnictwa cywilnego i określony został mianem „arcydzieła niedomówień”. Brzmiał on następująco (wytłuszczenie autora)...

„Panie i panowie, tu mówi wasz kapitan. Mamy mały problem. Wszystkie cztery silniki przestały pracować. Myślimy nad ponownym odzyskaniem kontroli nad nimi. Ufam, że nie jesteście państwo zbyt zestresowani i czujecie się bezpiecznie.”

W tym momencie samolot znajdował się na wysokości 11 000 metrów. Nad oceanem. Jak mogli wówczas poczuć się pasażerowie…?

Ale równie intrygujące jest pytanie: co się takiego stało, że największy (wówczas) samolot pasażerski świata, z kilkuset pasażerami na pokładzie nagle traci napęd i jedyne, co może go czekać, to spadek z 11 kilometrów w wody Oceanu Indyjskiego?

Otóż to jest to samo, co w ostatnich dniach paraliżuje ruch powietrzny na Europą: chmura pyłu wulkanicznego wyrzuconego w atmosferę przez eksplodujący wulkan. Jak pył wulkaniczny przemieszczający się w postaci chmury może wpłynąć na bezpieczeństwo lotu samolotu, na jego systemy pokładowe, a zwłaszcza silniki? I dlaczego pilot Boeinga 747 lot BA 009 nie dostrzegł wcześniej zagrożenia? O tym piszemy poniżej.

Opisany lot nie był jedynym, który zagrożony został katastrofą z powodu chmury wyrzuconej przez wulkan w czasie erupcji. W 1989, 15 grudnia samolot KLM lot nr 867, również Boeing 747 serii 400, odbywał rejs z Amsterdamu do Tokio. Przelatując nad Alaską, pilot przeprowadził dramatyczną i pełną napięcia rozmowę z kontrolerem obszaru lotniska w Anchorage na Alasce.

* Pilot KLM 867- ''KLM 867 osiąga poziom 250, pozycja 140''
* Centum Kontroli Lotów Anchorage: ''Okay, czy masz dobry widok na chmurę popiołu w tej chwili?'
* KLM 867-''Taak, to tylko słabe zachmurzenie… a może być i pył. To jest po prostu trochę bardziej brązowe niż normalna chmura.''
* KLM 867-'Musimy skręcić teraz w lewo. . . mamy dymu w kabinie, sir.''
* CKL Anchorage ''KLM 867, roger, skręcasz w lewo według własnego uznania.'
* KLM 867-''Zachmurzenie do poziomu 390, jesteśmy w czarnej chmurze, pozycja 130.''

Po chwili w ogromnym podnieceniu:

* KLM 867''KLM 867, mamy płomienie ze wszystkich silników. Tracimy wysokość…bardzo szybko tracimy!''
* CKL Anchorage: KLM 867 słyszysz? Tu Kontrola Lotów Anchorage?
* KLM 867- „Tu KLM 867 tracimy wysokość. . .spadamy!''
* KLM 867 - Potrzebujemy wszelkiej pomocy jaką macie. Dajcie nam namiar radarowy proszę!''

I w tym wypadku załoga samolotu nie zorientowała się na czas w niebezpieczeństwie. I znów w nowoczesnym samolocie odmówiły posłuszeństwa wszystkie cztery silniki. Jak do tego dochodzi? Po kolei.

Aby dobrze zrozumieć sam proces uszkodzenia samolotu przez popiół wulkaniczny, trzeba zdać sobie sprawę, czym on naprawdę jest i dlaczego jest tak niebezpieczny dla żeglugi powietrznej.

Sam pył pochodzenia wulkanicznego składa się głównie z związków krzemu, żelaza, manganu, potasu, sodu, chloru, magnezu, wapnia, siarki oraz twardych drobin skalnych. Drobiny są na tyle twarde i ostre, że po zetknięciu z poszyciem samolotu lub elementami silnika, działają jak drobna tarka. Samolot poruszając się z prędkością kilkuset kilometrów na godzinę (prędkość podróżna odrzutowców pasażerskich to 800 – 900 km/h) wlatując w taką chmurę wystawia swój kadłub na ogromną ilość mikrozderzeń. Taka „szorstka chmura” trze o płatowiec, zdzierając farbę i, co gorsza, matowiąc zewnętrzną powierzchnię okien samolotu ( w tym szyby kabiny pilotów). Siła tarcia jest na tyle duża, że okna tracą praktycznie przeźroczystość, a piloci, jeśli szczęśliwie wylecą z takiej chmury i silniki nadal będą działały, praktycznie nie widzą nic na zewnątrz. Są zmuszeni lecieć głównie według przyrządów. Ale nie to jest najgorsze. Drobny pył może zatykać rurki Pitota, które stanowią część układu prędkościomierza. Może dojść do zniszczenia tej części awioniki, a to już stanowi duże zagrożenie dla dalszego lotu. Dodatkowo chmura taka może nieść ze sobą opary kwasów: siarkowego i solnego. Te z kolei przedostając do kabiny, mogą powodować zatrucia załogi, a w szczególności pasażerów. Ostre i twarde drobiny skał wulkanicznych, unoszące się w powietrzu, podobnie jak pustynny piasek, mogą dostać się w każdy element ruchomy płatowca, który jest nie osłonięty. Szczeliny lotek i klap na skrzydłach, sterów wysokości i kierunku w usterzeniu ogonowym. Mogą w ten sposób prowadzić do ograniczenia ich ruchomości i utrudniać sterowania samolotem.

Kolejne zagrożenie, jakie niesie ze sobą pył wulkaniczny dla samolotu, to awaria silników. Może on tak mocno zniszczyć jednostki napędowe, że nie nadają się już one dalej do użytku. W czasie lotu natomiast najniebezpieczniejszym skutkiem działania drobin wulkanicznych jest zatrzymanie silników lub ich pożar (efekt końcowy jest podobny – samolot traci napęd, często całkowicie). Dlaczego tak się dzieje?

Silnik turboodrzutowy (turbowentylatorowy) to zespół trzech głównych elementów: sprężarki z przodu, turbiny z tyłu oraz komory spalania między nimi. Najbardziej na awarię lub zniszczenie narażone są elementy ruchome: sprężarki (niskiego ciśnienia, czyli wentylator, wysokiego ciśnienia oraz turbina, ), a w nich części najbardziej wrażliwe-łopatki. Silnik odrzutowy zasysa ogromne ilości powietrza bezpośrednio z atmosfery, zużywając zawarty w nim tlen do procesu spalania w komorze spalania, wytwarzając tym samym odrzut i ciąg. Jeśli wraz z powietrzem zasysane są tak twarde drobiny, jak „sproszkowana” skała wulkaniczna, to biorą pod uwagę prędkość, z jaką powietrze przelatuje przez silnik, drobiny te mogą go po prostu zdewastować. Wpadając do silnika, cząstki zderzają się najpierw z łopatkami wentylatora. Energia zderzeń jest tak wielka, że wirnik wentylatora zaczyna się jarzyć i świecić, co przypomina błyski efektu stroboskopowego (mieli okazję to obserwować pasażerowie lotu BA 009 – pierwszego z opisywanych samolotów). Jeśli wentylator wytrzyma zderzenia, nie zatrze się, drobiny z ogromną prędkością wpadają na wirujące stopnie sprężarki wysokiego ciśnienia.

Tu efekt zderzeń i ich energia jest jeszcze większa. To jeden z powodów, przez który silniki po przejściu przez taką chmurę muszą być remontowane (jeśli to się w ogóle jeszcze opłaca). Łopatki ulegają taki uszkodzeniom, że trzeba po prostu wymienić całą sekcję sprężarki. Dodatkowo pył może dostawać się do łożysk, zacierać je, powodując wzrost temperatury, a to skutkuje często pożarem silnika. Penetrując dalej silnik, cząsteczki mogą zapychać przewody paliowe, doprowadzając do zatrzymania silnika, a jeśli i to się nie stanie, wpadają do komory spalania. Tu, w wysokiej temperaturze, przemieniają się w półpłynną magmę, oblepiając pracującą zaraz dalej turbinę gazową. Oprócz tego w tak wysokiej temperaturze dochodzi do zapłonu gazów wulkanicznych i innych pierwiastków składowych. Efektem tą właśnie buchające z dysz płomienie i zakłócenia w pracy turbiny. Efekt końcowy jest taki, że silnik zostaje „zapchany” lepką magmą, przylegającą do łopatek, pierścieni turbiny i wszystkich elementów, które taka półpłynna masa napotka po drodze. Traci obroty i gaśnie. Jeśli nie zgaśnie sam, przerażeni piloci wyłączają go, widząc wylatujące z niego płomienie i obawiając się pożaru (do którego zresztą może również dojść).

Tak więc mamy już pełen obraz zniszczeń płatowca, awioniki i napędu. Czy to jedyne niebezpieczeństwo? Otóż nie do końca.

Pył wulkaniczny wyrzucany jest do atmosfery na duże wysokości (rzędu kilku tysięcy metrów n.p.m. bo trzeba też wziąć pod uwagę wysokość samych wulkanów 1000-3000 m n.p.m.). Tam porywają go wiatry i prądy powietrzne, wynoszą często na poziom 11 – 12 tysięcy metrów (a więc w granicach pułapu, na którym latając pasażerskie liniowce). Dodatkowo, często jest on nie widoczny dla radarów meteorologicznych, zainstalowanych w samolotach. Dlatego istnieje duże ryzyko, że załoga zorientuje się w sytuacji dopiero, gdy już jest w chmurze (tak właśnie stało się w przypadkach lotów BA-009 i KLM-869 opisywanych powyżej, a do których za chwilę wrócimy).

Europejskie władze lotnictwa cywilnego zaplanowały już cykl szkoleń dla załóg, jak rozpoznawać tego rodzaju niebezpieczeństwo, jak go unikać, a jeżeli już do niej dojdzie- jak skutecznie sobie radzić, aby zapobiec katastrofie. Na ten rok są przewidywane dwa tego typu szkolenia.

Ale wróćmy do opisywanych już lotów.

Pierwszy z nich, w którym kapitan o sytuacji poinformował pasażerów komunikatem przechodzącym do historii, miał swój początek nad Oceanem Indyjskim, na południe od Javy. Akurat kiedy kapitan samolotu Eric Moody przebywał w toalecie, dwaj inni członkowie załogi – Pierwszy Oficer Roger Greaves i Starszy Oficer mechanik Barry Townley, zauważyli niepokojące zjawisko: za przednią szybą kokpitu, na kadłubie samolotu pojawiło coś, co określa się mianem „ogni Św. Elma”. Zjawisko to polega na serii małych, ciągłych i bardzo jasnych wyładowań elektrycznych. Nie wiedzieli jeszcze wówczas, że jest to jeden z pierwszych sygnałów świadczących, że samolot mógł wlecieć w chmurę wulkanicznego pyłu. Była właśnie godzina 13.40 UTC (Universal Time Clock) – 20.40 czasu lokalnego. Zjawisko trwało na tyle długo, że kapitan Moody zdążył wrócić do kabiny. Zaniepokojony nakazał włączenie układu przeciw oblodzeniowego, a pasażerom nakazał pozostanie na miejscach i zapięcie pasów. Mimo, że radar pogodowy wskazywał na czyste niebo (!) spodziewał się burzy i związanych z nią turbulencji. Jednak burza nie nadchodziła, za to w kabinie pasażerskiej zaczął pojawiać się dym. Stawał się coraz gęstszy, a po chwili czuć było złowieszczy zapach siarki. Pasażerowi przy oknach ze zdziwieniem i niepokojem dostrzegli na zewnątrz, że wloty silników zaczynają błyskać, emitując jasne rozbłyski, widziane poprzez łopatki wentylatora, co przypominało właśnie efekt stroboskopowy.

Dwie minuty późnej, o 13.42 (20.42 cz. l.) zaczęły na przemian rosnąc i spadać obroty turbiny silnika nr 4. I nagle z dysz silnika buchnęły długie, oślepiające płomienie! Załoga natychmiast, aby uniknąć zapalenia się silnika, odcięła dopływ paliwa, wyłączając go. Lecz minutę później zaczął w ten sam sposób zachowywać się silnika nr 2, a z jego dyszy zaczęły wydobywać się takie samie płomienie! A ciągu następnej sekundy dwa pozostałe silniki równie mocno zaczęły pluć ogniem po czym…rozległ się krzyk mechanika pokładowego: „"Nie wierzę w to - wszystkie cztery (silniki) przestały pracować!" Była 13.43 (20.43 cz.l.).

W ciągu dwóch minut potężny, ważący 400 ton Boeing 474 stracił cały napęd. Bez ciągu, lotem ślizgowym odrzutowiec opadał w tempie 1 kilometra na każde 15 kilometrów przebytej odległości. Załoga, na początku wprost nie wierząc w to, co się stało, otrząsnęła się z zaskoczenia i zaczęła szybko działać. Obliczyli, że przy obecnym tempie utraty pułapu są w stanie szybować nie dłużej niż 23 minuty, i pokonać dystans nie dłuższy niż 169 kilometrów. O 13.44 (20.44 cz.l.) Pierwszy Oficer Graves powiadomił kontrolę powietrzną lotniska w Dżakarcie o sytuacji: „Straciliśmy 4 silniki! Opadamy!”. Kontroler ruch powietrznego w pierwszej chwili zrozumiał, że samolot stracił silnik nr 4 (nie mogło mu się pomieścić w głowie, że samolot mógł nagle stracić cztery silniki!). „Nie, straciliśmy cały napęd!!!” ponownie rzucił w eter Graves, i dopiero wtedy osłupiały kontroler zrozumiał wiadomość. Na domiar złego, pomimo właściwego ustawienia transpondera, nie mógł odnaleźć lotu 009 na ekranie swojego radaru. Nim kapitan Moody przekazał pasażerom sławetny komunikat, pasażerowie zrozumieli grozę sytuacji. Niektórzy zaczęli pisać listy pożegnalne do rodzin. „Mamy kłopoty. Spadamy. Opiekuj się chłopcami. Kocham Cię. Pa.”- napisał Charles Capewell, jeden z pasażerów na okładce swojego biletu lotniczego.

Wraz z zaprzestaniem pracy przez silniki turboodrzutowe, przestały działać agregaty zasilające układy samolotu w energię elektryczną, oraz zapewniające odpowiednie powietrza ciśnienie w kabinie. Gdy ono spadło, automatycznie opadły na pasażerów z sufitu maseczki tlenowe. Samolot zniżał się, ale wciąż był jeszcze wysoko. Piloci również natychmiast założyli maski tlenowe, nie mogli sobie teraz pozwolić na jakąkolwiek niedyspozycje. I tu nagle okazało się, że maska Gravesa jest uszkodzona! Oderwał się od niej przewód tlenowy i Pierwszy Oficer zaczął się dusić. Kapitan Moody podjął błyskawiczną decyzję: szybkie zniżanie do wysokości, gdzie człowiek może w miarę normalnie oddychać i sprawnie funkcjonować. Na wysokości 4 100 metrów kolejna dramatyczna decyzja. Od lotniska w Dżakarcie oddzielało ich pasmo górskie. Aby ja pokonać, musieli być na wysokości przynajmniej 3 500 metrów. Już wiedzieli, że przy obecnym tempie opadania, nie przelecą nad górami. Rozbiją się. Postanowili więc, że zawrócą nad ocean i podejmą próbę wodowania. Do tej pory nikt nie próbował tego na tak dużej, czterosilnikowej maszynie, jaką był Boeing 747. Ale musieli podjąć to ryzyko, przy wodowaniu mieli przynajmniej jakieś szanse.

Przez cały czas mimo wszystko podejmowali próby ponownego restartowania silników. Bezskutecznie.

I nagle, o 13.56 (20.56 cz.l.), przy kolejnej próbie ożył silnik nr 4! Moody natychmiast wykorzystał jego ciąg, aby zmniejszyć tempo opadania. Ku zaskoczeniu całej załogi, w chwilę potem, przy kolejnych próbach restartu podjęły pracę trzy pozostałe silniki! Graves powiadomił o tym natychmiast kontrolę w Dżakarcie, która poleciła osiągnięcie przez samolot pułapu 4 100 metrów. Wszystko po to, aby bezpiecznie przelecieć na górskim pasmem, dzielących samoloty od Indonezji. Lecz gdy Boeing zbliżał się do zadanego pułapu, znów za szybą pojawiły się ognie Św. Elma. Pomimo, że kapitan natychmiast przesunął przepustnice, aby zmniejszyć ciąg i zatrzymać wznoszenie, z silnika nr 2 znów buchnęły płomienie i trzeba było go natychmiast wyłączyć. Załoga szybko zniżyła poziom lot do 3 600 metrów i utrzymywała go, przelatując nad górami i dolatując do lotniska. Między czasie ponownie udało się restartować silnik nr 2. Jednak dolatują do indonezyjskiego lotniska, mimo zapewnień kontrolera, że widoczność jest dobra, przez szyby kokpitu nic nie było widać. Były kompletnie matowe. Piloci musieli więc lądować wg. wskazań instrumentów pokładowych. I tu znów problem: nie działa system ILS (Instrument Landing System). Załoga musiała lądować wg. procedury DME (Distance Measuring Equipment), opierając na informacjach od kontrolera i wskazaniach przyrządów pokładowych. Zmęczony kapitan Moody w pewnym momencie, w zdenerwowaniu, powiedział do kontroli naziemnej: " to (lądowanie) to trochę jak szukanie sobie drogi przez borsuczą d.. ". Światła na pasie startowym widział tylko przez mały, wąski pasek na przedniej szybie.

Samolot wylądował szczęśliwie. Załoga była tak wyczerpana, że zażądała holownika, bo nie była w stanie kołować ze względu na brak widoczności z kabiny. Żądane spełniono natychmiast. „City of Edynburg”, bo taką nazwę własną miał Boeing 747, lot 009 linii Britisch Airways, szczęśliwie zakończył, przynajmniej na razie, swoją dramatyczną podróż.

Ale zanim przeanalizujemy ją od strony technicznej, wróćmy jeszcze do lotu KLM 869. Lot przebiegał równie dramatycznie (znamy już zapis rozmów załogi z kontrolą lotniska na Alasce) i również mógł się zakończyć katastrofą. Gdy samolot był na wysokości 8 500 metrów, w ciągu półtorej minuty stracił wszystkie cztery silniki (był to, jak pamiętamy, również Boeing 747, serii 400). Pech chciał, że samolot wpadł w chmurę wulkanicznego pyłu z wysokiego na 3000 metrów wulkanu Redobut, który wybuchł dzień wcześniej! W czasie dramatycznej walki w czasie opadania z wysokości 8,5 kilometra, do pułapu 3 kilometrów, udało się pilotom restartować dwa silniki. To uchroniło samolot i pasażerów od tragedii. Na dwóch silnikach Boeing doleciał w okolice lotniska Anchorage na Alasce, po drodze cały czas podejmując procedurę restartu pozostałych silników. Udało się. Po zejściu do pułapu 4.600 metrów, kapitan Karl van der Elst i jego załoga, ostatecznie ponownie uruchomiła wszystkie silniki i sprowadziła samolot bezpiecznie na ziemię. W tym przypadku chmura pyłu wulkanicznego spowodowała uszkodzenia samolotu, których koszt naprawy wyniósł ponad 80 milionów USD. Jednak żadna z lecących osób ani nie straciła życia ani nie została ranna.

Należy odnotować jeszcze dwie sytuacje, w których lot mógł przebiegać podobnie. W parę tygodni później po locie BA 009, 13 lipca, w podobną chmurę wleciał Boeing 747 należący do Singapore Airlines . Miał podobny problem, co loty BA 009 i KLM 869, tracąc i odzyskując ponownie trzy z czterech silników. Wylądował bezpiecznie.

W dniu 7 sierpnia 2008 piloci pilotujący samolot rejsowy w okolicach Alaski zauważyli na dużej wysokości chmury pyłu z wulkanu Kasatochi. Tym razem szczęśliwie ominęli niebezpieczeństwo.

Wiemy już, dlaczego samoloty, które znalazły się niespodziewanie w chmurze wulkanicznego pyłu traciły napęd, ich silniki gasły. Lecz dlaczego po obniżeniu pułapu dawały się ( na szczęście ) ponownie uruchomić?

Odpowiedź wydaje się nie być skomplikowana, aczkolwiek trzeba zaznaczyć, że działo się tak tylko dlatego, że:

1. Załoga ustawicznie podejmowała próby restartu silników, aż do skutku
2. Poziom zniszczenia silników przez drobiny pyłu nie był na bardzo duży, i nie doprowadził do ich zatarcia i zniszczenia (głównie sprężarek i turbin)

W innym przypadku loty te mogły zakończyć się katastrofami.

We wszystkich silnikach wspomnianych samolotów zachodził podobny proces. Kiedy odrzutowiec opadał, silniki stygły. Stygła również półpłynna magma, która je unieruchamiała. Dopóki jednak była półplastyczna, dopóty mocno przyległa do części silników. Dlatego pierwsze próby ponownego ich uruchamiania byłe bezskuteczne. Jednak gdy ostygła, stawał się krucha. Traciła właściwości przylegania, a pęd powietrza, przemieszczającego się przez silniki, a wymuszonego ruchem samolotu, wywiewał je na zewnątrz. Dlatego gdy po pewnym czasie podęto kolejne próby rozruchy silników, obrót zespołu sprężarki – turbiny wykruszał je do końca. A ponieważ samoloty wylatywały z chmur wulkanicznych, więc silnik zasysał czyste powietrze i po podjęciu pracy ulegał „samooczyszczeniu” (nie całkowitemu). Jednak gdy samolot ponownie się wznosił i wpadał w chmurę pyłu, proces się powtarzał. Dlatego właśnie lot 009 nie mógł osiągnąć zadanego pułapu 4500 metrów.

We wszystkich tych wypadkach zarejestrowanych do tej pory, silniki dały się uruchomić ponownie. Ale negatywny wpływ jakie mają drobiny pyłu wulkanicznego na dużych wysokościach na silniki lotnicze i pozostałe elementy samolotu oznacza, że w pobliżu czynnych wulkanów lub chmur wulkanicznych loty muszą być anulowane.

Aby nie doszło do tragedii.

Artykuł pochodzi ze strony: samoloty.pl, autor: Maciej Ługowski

Źródła:

1. Betty Tootell: „ All Four Engines Have Failed”, Pan Books. 1986
2. BBC News
3. The Boeing Company
4. General Electric
5. Rolls-Royce
6. KLM
7. Britisch Airways
8. SNECMA