Sjokkbølger

NASA-eksperiment

I 1995 publiserte NASA et dokument som beskriver eksperimenter med sjokkbølger fra et supersonisk fly. De brukte en SR-71 (Blackbird) som kilde for sjokkbølgen, og lot en F-16 fly like under (i samme retning) for å gjøre målinger av den supersoniske sjokkbølgen.

«When the F-16XL aircraft probed within 1000 ft of the SR-71 aircraft, its pilot had several indications of crossing the shock waves. These indications include feeling the pressure changes within the cockpit, being slightly jostled by the shock waves, and hearing the SR-71 engines when aft of the tail shock. When probings were conducted at vertical separations greater than about 1000 ft, the pilot was unaware when the shock waves were penetrated.» (NASA, 1995, side 5)

Målingene viser at det er svært stor forskjell i trykkbølgen ved henholdsvis 540 fot og 1872 fot avstand. (NASA, 1995, slide 16)

Flygtekniska Försöksanstalten         (FFA)

Ingemar A. Lind skrev i sin rapport om studien av denne problemstillingen med en nærpassering av et F-16 i overlydshastighet:

«En erfarenhet av studien i Appendix 2 er är att den transienta lasten på höjdstyrverket pga stötvågen är ganska hög. Den kan för illustrasjonens skull sägas motsvaras av ett skarpt slag mot höjdstyrverkets struktur. Ett överslag pekar mot en kraft på 8000 N i typfallet.» (Lind, 1999, side 45)

National Aerospace Laboratory (NLR)

Forsvarsdepartementet engasjerte NLR for å vurdere hvorvidt en Convair CV-580 kunne bli skadet i forbindelse med en passering med 2000 fots separasjon. I forbindelse med beregningene av om den vertikale finnen kunne bli satt i bevegelse av sjokkbølgen, er følgende regnestykke beskrevet:

«The area of the CV-580's vertical stabiliser is estimated to be equal to 107.48 sq ft (9.99 m2)1 with which for the peak excitation force is found 2x150x9.99= 2997 N.» (National Aerospace Laboratory, 2003, side 27)

Det som er verdt å merke seg er at hele den vertikale finnen ikke trenger å bevege på seg for at roret skal kunne komme i bevegelse. Sideroret består av selve rorflaten, samt et mindre servoror og et trimror. En skade i servoror eller trimror kan få katastrofale konsekvenser selv uten at den vertikale stabilisatoren i seg selv blir skadet.

NLR-rapporten tar utgangspunkt i CAR Part 4b for beregning av belastninger som de forskjellige delene av flyet skal tåle. NLR drøfter derimot ikke hva de forskjellige rorene er designet for å tåle, og har følgelig heller ikke fokusert på trimrorene.

«Trimming tabs shall be designed to withstand loads arising from all likely combinations of tab setting, primary control position, and airplane speed, obtainable without exceeding the flight load conditions prescribed for the airplane as whole, when the effect of the tab is being opposed by pilot effort loads up to those specified in §4b.220 (a).» (Civil Air Regulations Part 4b, 1953, side 14)

Trykkberegning

I NLR-rapporten tas det utgangspunkt i et trykk på 150 N/m², men dette er basert på 2000 fot høydeseparasjon og en horisontal separasjon på 0,5 nautisk mil.

«Fig. 10 shows that, for the second stipulated Mach number of 1.1 and a horizontal separation of 0.5 nautical miles, the overpressure is in the order of 150 N/m2. If Fig. 10, influences of Mach number and mutual distance variations are also shown on the sonic boom overpressure.» (National Aerospace Laboratory, 2003, side 10)

«Overpressures produced by aircrafts flying supersonic at altitudes of less than 100 feet, creating between 20 and 144 psf (957.6 to 6,894.8 N/m2.) overpressure, have been experienced by humans without injury.» (National Aerospace Laboratory, 2003, side 9)

At mennesker ikke har tatt skade av en sjokkbølge ved nærpassering er ikke ensbetydende med at hengslene i et trimror ikke kan bli skadet av en tilsvarende sjokkbølge. Hele NLR-rapportens konklusjon er basert på et premiss om at høydeseparasjonen var 2000 fot ved passering.

Figuren viser grafer som er basert på verdier som ikke følger invers-kvadratisk lov. Dette skyldes trolig at det er tatt utgangspunkt i en fast høydeseparasjon på 2000 fot, og at x-aksen kun viser horisontal distanse. Ved 0 meters horisontal separasjon vil trykkendringen fra sjokkbølgen, ifølge grafen, være 200 N/m², og den absolutte separasjonen vil være 2000 fot.

Ved å bruke invers-kvadratisk lov vil man ved 100 fot separasjon – som er 1/20 av 2000 fot – få en trykkendring som er 20² = 400 ganger større: 200 N/m² × 400 = 80 000 N/m².

Konklusjon

NLR-rapporten fokuserer på tre områder: aerodynamikk, konstruksjoner og flysikkerhet. De aerodynamiske beregningene er basert på et premiss om at den vertikale separasjonen var 2000 fot. Vurderingen av de forskjellige strukturelle konstruksjonene er basert på en trykkendring på 150 N/m².

Det henvises til ni nærpasseringer mellom jagerfly og sivile fly, hvor det tilsynelatende ikke har skjedd noen skader på flyene. Det fremkommer ikke tydelig hvilke av disse nærpasseringene som har skjedd med overlydshastighet.

«As a result of the study in the three research areas as mentioned above, it is concluded by the multi-disiplinary team of NLR experts that the probability of the RNAF F-16 causing any damage to the Convair CV-580 is extremely small and can be excluded.»

(National Aerospace Laboratory, 2003, side 33)

Ved å kun fokusere på bruddstyrken til den vertikale finnen har NLR-ekspertene oversett muligheten for at trimroret og/eller servororet ble skadet i forbindelse med nærpasseringen. Dersom nærpasseringene det henvises til i rapporten er gjort under lydens hastighet, vil denne anekdotiske bevisføringen ikke være relevant for en eventuell passering i overlydshastighet.

Dersom premisset om en høydeseparasjon på 2000 fot er falskt, er det feil i beregningene i NLR-rapporten. Det er lite sannsynlig at NLR hadde kommet til samme konklusjon dersom utgangspunktet var en nærpassering med kun noen få hundre fot separasjon i overlydshastighet.

Nestenulykke

Selv om det ikke er noen kjente ulykker forårsaket av passering av andre fly uten fysisk kontakt, har det vært mange ulykker og nestenulykker relatert til problemer med flyets ror. Den kanadiske havarikommisjonen undersøkte en hendelse med en King Air hvor kontrollmekanismen til flyets siderortrim løsnet. I denne hendelsen startet det med at mannskapet kjente en svak vibrasjon og en slak sving. Dette er et eksempel på at selv en skade på et trimror kan få store konsekvenser for flyet.

«After approximately one hour of flight, while in level cruise at 11 500 feet asl, the crew experienced a slight vibration and a shallow uncommanded right turn. The aircraft was returned to level flight, the autopilot was selected off and a cockpit check was completed when another uncommanded but steeper turn to the right developed. The aircraft was once again returned to level flight and, as the vibration was continuing, a decision was made to land in North Bay due to its close proximity. During the descent, at approximately 8 500 feet asl, a severe vibration developed which violently shook the aircraft and rapidly moved the rudder and ailerons causing the hands and feet of the pilot flying to be displaced from the control wheel and rudder pedals. After approximately 30 to 45 seconds, the vibration stopped and control was regained. The descent was then continued at 140 knots, as the aircraft seemed controllable at this speed. However, to maintain coordinated flight, the crew had to hold approximately 2/3 left rudder. The remainder of the descent, approach and landing were uneventful and the aircraft landed safely. No injuries occurred. A maintenance recovery team was dispatched and examined the aircraft. They determined that the hardware connecting the rudder trim actuator push/pull rod to the rudder trim horn was missing. After replacement of the missing hardware and a free play check, the aircraft was ferried to Ottawa. The aircraft was returned to service after a severe turbulence check and non-destructive testing (NDT) of fittings in the empennage and wings.» (Transportation Safety Board of Canada, 1997)

Drøfting

At et jagerfly i overlydshastighet skal kunne rive i stykker et passerende passasjerfly, virker svært lite sannsynlig. Med en separasjon på 2000 fot vil trykkbølgen fra overlydspasseringen trolig ha begrenset mulighet til å forårsake fysiske skader på et fly, selv om den vil være hørbar i det møtende flyet.

Etter at havarirapporten ble publisert har det fremkommet informasjon om radiokommunikasjon mellom flygeleder og F-16-pilot, samt radardata, som indikerer at F-16 passerte LN-PAA på kloss hold. Dersom dette er tilfellet, bør det på nytt vurderes om en overlydspassering kan utelukkes som årsak, gitt at separasjonen mellom LN-PAA og F-16 var mye mindre enn 2000 fot.

I henhold til invers-kvadratisk lov vil energien i sjokkbølgen øke dramatisk ved redusert avstand:

For å illustrere det samme prinsippet: Står man 10 meter unna en eksplosjon, mottar man kun 1 % av energien sammenlignet med å stå 1 meter unna. Står man 20 meter unna, er energimengden redusert til 0,25 %. For både eksplosjoner og supersoniske sjokkbølger er det endringen i avstand som gir størst utslag.

I henhold til figur 3 i havarirapporten er sideroret bygget opp av «tail rudder», «flight tab» og «trim tab». Mellomrommet mellom halefinnen og sideroret dekkes av «shroud doors». Til sammen utgjør disse komponentene en betydelig del av arealet til den vertikale konstruksjonen, og er derfor utsatt for en sjokkbølge fra et overlydsfly som passerer på siden av flyet. Skader på én eller flere av siderorkomponentene vil endre de aerodynamiske egenskapene, noe som resulterer i at flyet begynner å svinge uten input fra mannskapet. I høy hastighet utsettes halekonstruksjonen for store aerodynamiske krefter. Strukturelle skader vil kunne utvikle seg og forverre situasjonen raskt. Med andre ord kan en liten skade på høyde- eller sideroret gi katastrofale konsekvenser.

Havarikommisjonen har viet en stor del av rapporten til å underbygge en hypotese om at årsaken til havariet var vibrasjoner i flyets hale, som over tid utviklet seg til å bli katastrofale. Denne hypotesen bygger på flere underhypoteser med varierende grad av sikkerhet. Frem til 34 minutter FDR-tid anser havarikommisjonen at pilotene oppfattet flygningen som normal, og drøfter i liten grad data fra Flight Data Recorder. Havarikommisjonen avstod også fra å spekulere om hva som skjedde etter at Flight Data Recorder sluttet å registrere data. I praksis har havarikommisjonen dermed kun definert de siste to minuttene av FDR-opptaket som indikasjon på at noe var unormalt.

Havarikommisjonen bruker rundt 10 sider (98–108) på å gi en ekstremt detaljert beskrivelse av hvilke skader som har oppstått, basert på tekniske funn, og hvorfor skadene har oppstått. Det kan virke som om havarikommisjonen tidlig konkluderte med at «falske deler» trolig utløste hendelsesforløpet, og deretter har forklart alle de tekniske funnene på en måte som støtter opp under denne hypotesen.

At vibrasjoner har utviklet seg over lang tid og blitt så kraftige at flyets haleparti brøt sammen, uten at mannskapet oppdaget det, virker ekstremt usannsynlig. Havarikommisjonens hypotese er at da mannskapet forstod at de var i ferd med å tape kontroll over flyet, gikk det så fort at de ikke rakk å reagere ved å trekke gasshåndtakene til tomgang.

«Ved ca 35 min FDR-tid, oppstod en ny retningsforandring til venstre, sammenfallende med et markert tap av hastighet. Den indikerte hastighetsøkningen som startet ca. 35:45 FDR-tid, er av en størrelse som ikke er reell.» (Havarirapporten, 1993, side 102)

FDR-data og beskrivelsen i rapporten tilsier at det gikk omtrent ett minutt fra den siste svingen og det markante hastighetstapet til mannskapet mistet kontrollen. Dette er mer enn nok tid til å gjøre endringer med gasshåndtakene. Det er fullt mulig at den siste fartsreduksjonen skyldtes at mannskapet forsøkte å redusere farten uten at det forbedret situasjonen, og at de deretter økte motorkraften igjen. Ved å tidlig konkludere med at flyet holdt normal marsjhastighet og at motorsettingene var satt til «cruise power», har havarikommisjonen avskåret all videre tolkning av flygefarten slik den ble registrert av Flight Data Recorder.

Passeringen skjedde i underkant av 6 minutter før den siste, katastrofale havarisekvensen startet. I rapporten står det at F-16 passerte ca. 9 minutter før, men det stemmer ikke.

Til tross for at et F-16 passerte nær LN-PAA like før havarisekvensen startet, har havarikommisjonen ikke drøftet dette nærmere. Uten å tolke hastighetsdata fra Flight Data Recorder vil det være vanskelig å se korrelasjonen mellom F-16-passeringen og tidspunktet hvor LN-PAAs flygefart sank under normal marsjfart.

En hypotese om at det oppstod en skade på sideroret ved passering av F-16, og at denne skaden utviklet seg til et katastrofalt nivå i løpet av 6 minutters flygning, passer bedre med radar- og FDR-data enn havarikommisjonens hypotese om at vibrasjoner forårsaket av falske deler utløste havariet.