Comet G-ALYV
Copyright Matthew Clarkson – Used with permission
Historia lotów
Kalkuta
Dnia 2 maja, 1953 r., rok po dziewiczym locie brytyjskiego de Havilland Comet, samolot G-ALYV odleciał z lotniska w Kalkucie do Delhi jako BOAC Flight 783. Kilka mil od lotniska samolot natrafił na silną burzę z piorunami. Zarówno pilot, jak i kontrola ruchu lotniczego wiedzieli o niej, ale burza nie wydawała się na tyle poważna, aby ograniczyć lot przez nią. Ponadto kapitan posiadał dobre kwalifikacje, duże doświadczenie na tej trasie i doświadczenie w podobnych warunkach pogodowych. Zaledwie sześć minut po starcie, podczas wznoszenia się na wysokość 7 500 stóp, utracono łączność radiową. Mniej więcej w tym samym czasie świadkowie w różnych miejscach na ziemi widzieli „samolot spadający w blasku ognia przez silny grzmot i deszcz”, a następnie rozbijający się o ziemię. Zginęło wszystkich 37 pasażerów i sześciu członków załogi.
Śledztwo w sprawie wypadku, przeprowadzone przez rząd centralny Indii, doprowadziło do wniosku, że katastrofa w pobliżu Kalkuty była spowodowana „strukturalną awarią płatowca podczas lotu przez burzę z piorunami”. Ustalono, że jedna z dwóch możliwości spowodowała przeciążenie samolotu wystarczające do jego rozbicia: albo silne podmuchy burzy, albo nadmierne sterowanie przez pilota z powodu burzy. Zalecono dokładniejszą analizę wraku w celu określenia pierwotnego uszkodzenia oraz „rozważenie” modyfikacji charakterystyki lotu Cometa, aby dać mu więcej „czucia” przy obciążeniu powierzchni sterowych.
Comet G-ALYP w Kalkucie/Dum Dum
Copyright Matthew Clarkson – Used with permission
Elba
Dnia 10 stycznia, 1954, Comet G-ALYP odleciał z lotniska Ciampino w Rzymie do Londynu jako BOAC Flight 781. Około 20 minut po rozpoczęciu lotu, gdy samolot zbliżał się do wysokości 27 000 stóp, transmisja z załogi ustała w połowie zdania, wskazując na awarię samolotu z „katastrofalną nagłością”. Świadkowie na wyspie Elba we Włoszech widzieli, jak samolot wpada do morza w płomieniach. Zginęło wszystkich 29 pasażerów i sześciu członków załogi.
Podczas gdy dochodzenie w sprawie katastrofy jest zwykle prowadzone przez rząd lub władze lotnicze w kraju, w którym doszło do katastrofy, ustalono, że władze brytyjskie będą kierować dochodzeniem w sprawie Elby. Flota Cometów została uziemiona na czas rozpoczęcia śledztwa, a de Havilland wprowadził modyfikacje „w celu uwzględnienia każdej możliwości, którą wyobraźnia podpowiada jako prawdopodobną przyczynę katastrofy”. Modyfikacje te zostały wprowadzone w celu uwzględnienia wszelkich możliwych przyczyn awarii, w tym drżenia powierzchni sterowych, pierwotnego uszkodzenia konstrukcji z powodu podmuchów wiatru, latających kontrolek, dekompresji wybuchowej, pożaru silnika, awarii łopatki turbiny i zmęczenia skrzydła. Zmęczenie kadłuba nie było brane pod uwagę jako przyczyna w tym czasie, ani nie wprowadzono modyfikacji, aby je skompensować.
Jak te modyfikacje zostały wprowadzone, i podczas gdy wrak był wciąż wydobywany, brytyjski Minister Transportu i Lotnictwa Cywilnego zauważył „charakter i zakres planowanych modyfikacji… i podczas gdy katastrofa w Kalkucie jest całkowicie wyjaśniona… nie możemy wykluczyć, że wypadek mógł być spowodowany jakąś inną przyczyną, która była prawdopodobnie wspólna dla obu katastrof.” Wierząc, że nieznana przyczyna prawdopodobnie dwóch wypadków została ustalona podczas ogromnego projektu modyfikacji, loty Cometa zostały wznowione 23 marca 1954 roku.
BOAC Comet G-ALYX w Londynie, listopad, 1952
National Air and Space Museum, Smithsonian Institution
(SI 2002-2526)
Napole
Nieco ponad dwa tygodnie później, 8 kwietnia 1954 roku, Kometa G-ALYY odleciała z lotniska Ciampino w Rzymie do Kairu, jako lot 201 South African Airlines, wyczarterowany przez BOAC. Około 40 minut po rozpoczęciu lotu, podczas wznoszenia na wysokość 35 000 stóp, samolot doświadczył katastrofalnego w skutkach rozbicia w locie i rozbił się o morze w pobliżu Neapolu. Zginęło wszystkich 14 pasażerów i siedmiu członków załogi.
Natychmiast po tej katastrofie BOAC zawiesił wszystkie loty Cometa. Certyfikat zdatności do lotu został usunięty z wszystkich samolotów Comet, a flota została uziemiona na czas nieokreślony. Dopiero po czterech latach Comet mógł ponownie wykonywać loty komercyjne – tym razem jako Comet 4.
Niewielkie ilości wraku samolotu z Neapolu udało się wydobyć z powodu dużej głębokości, na jakiej się zatopił – około 3300 stóp. Na podstawie tego, co udało się odzyskać, stwierdzono, że nie było żadnych niezgodności z „poglądem, że wypadek Yoke Yoke był spowodowany tą samą przyczyną, co wypadek Yoke Peter .”
Teraz, gdy przyczyna trzech wypadków w ciągu jednego roku mogła zależeć od ustaleń dotyczących wraku Elby, wznowiono wysiłki w celu odzyskania pozostałych części. Po raz pierwszy użyto podwodnych kamer telewizyjnych. Do końca sierpnia 1954 r. odzyskano 70% wraku Elby.
Comet G-ALYU
Zdjęcie dzięki uprzejmości Johna Heggbloma, wykonane przez J.C. 'Connie' Heggbloma.
Testy kadłuba
Wobec braku ostatecznej przyczyny, badacze zdecydowali się przeprowadzić pełnowymiarowe testy na istniejących kadłubach: testy lotu bez ciśnienia na G-ANAV i testy ciśnieniowe na G-ALYU. Aby przeprowadzić testy ciśnieniowe w bezpieczniejszy sposób, skonstruowano zbiornik na wodę, który otoczył kadłub. Kadłub został zanurzony i wypełniony wodą, a następnie do kabiny wpompowano dodatkową ilość wody, aż ciśnienie wewnątrz kadłuba osiągnęło wartość 1P, co odpowiada ciśnieniu w locie. Następnie cyklicznie symulowano wiele lotów w ciągu całego okresu eksploatacji samolotu. Dzięki zastosowaniu wody zamiast powietrza, jako że woda jest płynem o znacznie mniejszej ściśliwości, test był znacznie bezpieczniejszy, a kadłub można było naprawić i ponownie przetestować w razie potrzeby. Gdyby użyto powietrza, wyniki przypominałyby katastrofalne rozbicia w locie na Elbie i w Neapolu.
Kometa G-ALYU w zbiorniku z wodą do testów ciśnieniowych. Uszkodzenie kadłuba nastąpiło w narożniku kwadratowego okna przedniego luku ratunkowego.
(View Large Photos)
G-ALYP, Elba, pokazujący dwa okna ADF. Ten fragment
został uznany za przyczynę rozpadu w locie.
(View Large Photo)
„
Źródło: Canadian Forces Joint Imagery Centre, numer referencyjny PL-62095. Departament Obrony Narodowej.
Produkowane za zgodą Minister of
Public Works and Government Services Canada, 2008.
G-ALYU przeszedł 1 230 lotów pod ciśnieniem przed testami i 1 830 „lotów” w zbiorniku, zanim kadłub uległ awarii w narożniku kwadratowego okna przedniego luku ratunkowego. Uszkodzenie to było kluczowym dowodem, który pozwolił skierować dochodzenie w stronę zmęczenia materiału. Następnie stworzono model w skali, aby przetestować teorię zmęczeniowego uszkodzenia kadłuba w narożniku okna. Wyniki zostały następnie naniesione na mapę miejsca katastrofy w pobliżu Elby i utworzono nowy obszar poszukiwań. W tym nowym miejscu w ciągu kilku godzin odnaleziono okna automatycznej wyszukiwarki kierunku (ADF) samolotu, również kwadratowe. Okna ADF znajdują się na samej górze kadłuba, tuż przed skrzydłami. Ten fragment wraku Elby, zawierający dwa okna ADF i przylegający do nich materiał nosił „wyraźny odcisk palca zmęczenia” i został uznany za pierwsze pęknięcie w katastrofie Elby.
G-ALYU wytrzymał około 3 060 „lotów” pod ciśnieniem, zarówno w powietrzu jak i w zbiorniku wodnym. Samolot Elba doświadczył 1,290 lotów pod ciśnieniem. Samolot z Neapolu wykonał 900 lotów pod ciśnieniem. Wszystko to wskazywało na znacznie niższą trwałość zmęczeniową niż 16 000 udanych cykli, które przetestował de Havilland.
Już na etapie projektowania de Havilland wiedział, że Comet będzie wielkim postępem technologicznym. Konkurencja polegała na tym, że firma miała być pierwszą, która zaoferuje społeczeństwu usługę odrzutowca ciśnieniowego. Ponieważ doświadczenie w projektowaniu i produkcji komercyjnych samolotów pasażerskich pod ciśnieniem było niewielkie w czasie opracowywania Cometa, de Havilland położył szczególny nacisk na testy strukturalne. Jeden z obszarów szczególnego nacisku obejmował próby ciśnieniowe kadłuba przy ciśnieniu wyższym niż normalne.
Organizacja Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego (ICAO) i Brytyjskie Wymagania dla Samolotów Cywilnych (BCAR), obowiązujące przepisy dla wszystkich ówczesnych samolotów cywilnych produkcji brytyjskiej, wymagały ciśnienia projektowego 2P i próby ciśnieniowej kadłuba do 1,33P, gdzie „P” to różnica ciśnień roboczych lub ciśnienie oczekiwane w normalnym locie. W przypadku Cometa, P wynosiło około 8,25 funtów na cal kwadratowy (lbs/in2 lub psi). Ani ICAO, ani władze brytyjskie nie były jeszcze w pełni świadome wszystkich implikacji i skutków lotu pod ciśnieniem, więc wiele przepisów pozostało takich samych dla samolotów ciśnieniowych i bezciśnieniowych, w tym wymagania dotyczące zmęczenia.
De Havilland znacznie przekroczył wymagania, starając się zapewnić bezpieczeństwo swoich samolotów. Zdecydowano się zaprojektować kadłub tak, aby wytrzymywał obciążenie do 2,5P i poddać go próbom wytrzymałościowym do 2P, a nie tylko do 1,33P. Prototypowy kadłub został poddany ciśnieniu pomiędzy 1P a 2P około 30 razy, a następnie poddany ciśnieniu „raczej ponad P” kolejne 2000 razy. Te dwie próby miały na celu udowodnienie, że kadłub jest odpowiednim zbiornikiem ciśnieniowym, a także wykazanie jego integralności strukturalnej. Dużo później, latem 1953 roku, kiedy Comety były już w powietrzu, zaczęto publikować przepisy, które wymagały dalszych testów zmęczeniowych dla kadłubów ciśnieniowych. W związku z tym de Havilland powrócił do testowania tego samego prototypu kadłuba i wykonał kolejne 16 000 cykli ciśnieniowych od zera do 1P w celu sprawdzenia jego trwałości zmęczeniowej. Ostatecznie kadłub uległ uszkodzeniu po 16 000 cykli z powodu pęknięć zmęczeniowych w narożniku kwadratowego okna kabiny. Przewidywany okres eksploatacji Cometa wynosił tylko 10 000 cykli, więc pęknięcia przy 16 000 nie były powodem do niepokoju.
De Havilland Comet Prototype G-ALVG. Zwróć uwagę na kwadratowe okna dla pasażerów.
Zdjęcie dzięki uprzejmości British Airways Museum Collection – użyte za zgodą.
Stężenie naprężeń w narożnikach okien
De Havilland przeprowadził wiele testów w fazie przedprodukcyjnej, aby udowodnić bezpieczeństwo Cometa: od testów ciśnieniowych, przez testy lotnicze, po testy naprężeń. Szeroko zakrojone testy kadłuba były uważane za twardy dowód na to, że Comet jest bezpieczny. Doświadczenie zdobyte podczas rzeczywistych testów wzmocniło zaufanie de Havilland do ich analiz. Obliczenia zostały wykonane dla średniego naprężenia „w okolicy narożników”, które wykazały, że naprężenie to było mniejsze niż połowa wytrzymałości materiału. De Havilland nie uważał dalszych obliczeń naprężeń za bardziej dokładne niż te już wykonane i wolał polegać na testach jako głównym dowodzie na adekwatność Cometa. Jednak po awarii G-ALYU w zbiorniku wody dalsze testy wykazały, że naprężenia w oknie były znacznie wyższe niż pierwotnie ustalono. Testy wykazały wysoką koncentrację naprężeń w narożach okna.
Koncentracja naprężeń to bardzo zlokalizowany obszar o znacznie wyższym naprężeniu niż otaczający go obszar. Koncentracja naprężeń była wysoka szczególnie ze względu na kwadratowy kształt okien i ram okiennych, który różni się od okrągłych/owalnych kształtów nowoczesnych okien samolotowych. W nowoczesnych oknach naprężenia przepływają swobodnie wokół zakrzywionych krawędzi, minimalnie się kumulując. Jednak w przypadku kwadratowych okien Comets, naprężenia nie mogą płynnie przepływać wokół ostrych narożników. To powoduje koncentracje naprężeń.
Still image from Comet 1 Traffic Analogy Animation
Animacja opisująca koncentracje naprężeń związane z kwadratowymi oknami jest dostępna pod następującym linkiem: View Comet 1 Traffic Analogy Animation.
Chociaż każdy samolot będzie miał różne poziomy koncentracji naprężeń, unikalne kwadratowe narożniki okien Cometa powodowały szczególnie wysokie poziomy naprężeń. De Havilland przetestował swój prototyp do ciśnienia 2P, czyli dwukrotnie wyższego niż spodziewane ciśnienie robocze. Przeciążenie ciśnieniem w połączeniu z bardzo wysokim poziomem naprężeń w narożach okiennych spowodowało powstanie naprężeń w miejscach koncentracji na tyle dużych, że zmieniły się właściwości materiału w tych miejscach. Za każdym razem, gdy de Havilland zwiększał obciążenie ciśnieniem, charakterystyka materiału stopniowo się zmieniała. Po osiągnięciu najwyższego obciążenia 2P, miejsca te miały zasadniczo inną charakterystykę materiałową niż Comet produkcyjny. Proces, w którym zmieniła się charakterystyka materiału, nazywany jest obróbką na zimno.
Właściwości materiału podczas pracy na zimno
Obróbka na zimno nie jest sama w sobie problemem bezpieczeństwa. Testy przeprowadzone w ramach programu 2P dowiodły, że Comet może wytrzymać nadmierne obciążenia ciśnieniowe. Istotnym błędem była decyzja o przeprowadzeniu próby zmęczeniowej na tym samym prototypowym kadłubie, który przeszedł próbę ciśnieniową i został poddany obróbce na zimno. Prototyp kadłuba wytrzymał 16.000 cykli przed uszkodzeniem, co w dużej mierze wynikało z zasadniczo odmiennej charakterystyki materiałowej materiału obrabianego na zimno w narożach okien. Ta zmiana charakterystyki w rzeczywistości poprawiła właściwości zmęczeniowe w tych miejscach, co ukryłoby prawdziwą podatność na zmęczenie Cometa w wersji produkcyjnej. Animacja opisująca jak można zmienić charakterystykę materiału poprzez obróbkę na zimno jest dostępna pod poniższym linkiem: Comet 1 S-N Diagram Animation.
Komety, które rozbiły się w Kalkucie, Elbie i Neapolu, oraz G-ALYU w zbiorniku wodnym, nie przeszły testów sprawdzających do 2P, podobnie jak żaden inny Comet produkcyjny. Płatowce te nie miały „korzyści” z zastosowania dużych obciążeń w celu poprawy ich charakterystyki zmęczeniowej. W rezultacie, naturalne cykle naprężeń w narożach okiennych szybko zużywały materiał, czyli powodowały jego zmęczenie. Zmęczenie to miało tak duży wpływ na nigdy nie przeciążane kadłuby produkcyjne, że zamiast 16 000 cykli trwałości zmęczeniowej, Comety osiągały tylko około 1000 cykli. Pod koniec ich żywotności zmęczeniowej, zużyty materiał pękał w sposób katastrofalny, powodując rozpad w locie.
Rekonstrukcja odzyskanego wraku kadłuba Elby.
Źródło: Canadian Forces Joint Imagery Centre, numer referencyjny CAL-43-281-16, szczegół zdjęcia. Department of National Defence. Reprodukowane za zgodą Ministra Robót Publicznych i Usług Rządowych Kanady, 2008.
Powrót do góry