Człowiek

Zabójczy lód

Numer 4/2019
Rurka Pitota mierzy ­szybkość przepływu powietrza, a pośrednio – prędkość samolotu. Często osiadają na niej lodowe kryształki. Rurka Pitota mierzy ­szybkość przepływu powietrza, a pośrednio – prędkość samolotu. Często osiadają na niej lodowe kryształki. Raul320/Wikimedia Commons / Wikipedia
Niewidzialny wróg czyha na samoloty znajdujące się wysoko na niebie. Wiele z nich spadło w tajemniczych okolicznościach. Naukowcy chcą namierzyć i pokonać zagrożenie.
Przekrój przez chmurę burzową Cumulonimbus – na dole składa się z wielkich kropel wody, na górze – wyłącznie z kryształków lodu.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Przekrój przez chmurę burzową Cumulonimbus – na dole składa się z wielkich kropel wody, na górze – wyłącznie z kryształków lodu.

Był 24 lipca 2014 r., druga w nocy czasu lokalnego. Po mniej więcej 30 min od wystartowania z lotniska w Wagadugu, stolicy Burkina Faso, samolot linii Air Algérie odbywający lot nr 5017 zniknął z radarów. Na jego pokładzie znajdowało się 110 pasażerów i 6 członków załogi. Zmierzał na północ. Miał przelecieć nad Saharą i 4 godz. później wylądować w Algierze. Nie doleciał jednak. Rozbił się na południe od Timbuktu, w Mali.

Początkowo sądzono, że odrzutowy MD-83 wpadł w burzę pustynną, ale trwające dwa lata dochodzenie wykazało, że przyczyna była inna, bardziej podstępna. Z analizy czarnych skrzynek śledczy dowiedzieli się, że 22 min po starcie samolot osiągnął przelotową wysokość ok. 10 km, jednak zaraz potem zaczął tracić prędkość. Ostatecznie wpadł w korkociąg i uderzył w ziemię. Końcowy raport zidentyfikował wiele przyczyn tragedii. Wśród nich znalazły się błędne reakcje pilotów, którzy, gdyby działali prawidłowo, być może mogliby zaradzić niespodziewanej sytuacji. Jedno było jednak oczywiste: to nie od nich zaczął się dramat.

Winowajcami okazały się nie większe od drobin mąki kryształki lodu, które doprowadziły do awarii czujników ciśnienia w silnikach, pośrednio mierzących siłę ich ciągu. Ponieważ coraz mniejsza prędkość oznaczała utratę siły nośnej, autopilot, który cały czas pozostawał włączony, zaczął zwiększać kąt natarcia, czyli – inaczej mówiąc – coraz bardziej zadzierał dziób maszyny. W końcu uniósł go tak bardzo, że przekroczony został punkt krytyczny, a siła nośna gwałtownie spadła. W terminologii lotniczej nazywa się to przeciągnięciem. Samolot zaczął się szybko zniżać i tracił sterowność. W końcu runął.

Był to ostatni (na razie), ale nie pierwszy przypadek katastrofy lecącego na dużej wysokości samolotu przez kryształki lodu. W 2009 r. na czołówki gazet na całym świecie trafiła katastrofa airbusa należącego do Air France, który zmierzał z Rio de Janeiro do Paryża. Na jego pokładzie znajdowało się 228 osób. Spadł do Oceanu Atlantyckiego, a jego szczątki, w tym czarne skrzynki, odnaleziono dopiero po dwóch latach. Rok później przedstawiono wyniki śledztwa. Tym razem podstępne kryształki lodu zablokowały pracę przyrządów pomiarowych zwanych rurkami Pitota, mierzących prędkość przepływu powietrza. Fałszywie poinformowały one pilotów, że samolot zmniejsza prędkość, a ci zwiększyli kąt natarcia skrzydeł, myśląc, że tracą wysokość. I znów doszło do przeciągnięcia i runięcia samolotu. Tak jak w poprzednim przypadku również i tym razem sporo błędów popełnili piloci, którzy w niewłaściwy sposób zareagowali na zagrożenie. Inna sprawa, że jeszcze dwie dekady temu nic nie wiedziano o podstępnych kryształkach lodu, które powstają i gromadzą się na niektórych elementach samolotu, gdy ten znajduje się na bardzo dużej wysokości.

Zmora pilotów

Typowe oblodzenie nie jest oczywiście żadną niespodzianką dla pilotów. Nie lubią go, ponieważ także stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa lotu. Wiadomo jednak, skąd się bierze i jak z nim walczyć. Źródłem takiego zwykłego oblodzenia są przechłodzone krople wody unoszące się w powietrzu. Przechłodzone, czyli mające temperaturę niższą niż 0°C. Teoretycznie woda powinna zamarznąć w tej temperaturze, ale w pewnych warunkach do takiego krzepnięcia nie dochodzi. Główny powód to brak w powietrzu drobin zwanych zarodkami, wokół których lód mógłby krystalizować. Jednak takie przechłodzone krople – w teorii mogą one mieć temperaturę nawet –40°C – są niestabilne. Przy kontakcie z dowolną wychłodzoną powierzchnią, np. samolotem, natychmiast przechodzą w stan stały. Może to nastąpić jeszcze na lotnisku, choćby za sprawą marznącego deszczu. Konsekwencją jest oblodzenie – skrzydeł, kadłuba i różnych mniejszych, lecz ważnych elementów.

Gdy lód pojawi się jeszcze przed startem, trzeba go koniecznie usunąć. W tym celu samolot polewa się mieszanką glikolu i wody wystarczającą na ok. 30 min. Gorzej, kiedy do oblodzenia dojdzie już w powietrzu. Chronić przed tym mają rozmaite instalacje. Metod walki z oblodzeniem jest wiele. Ważne części maszyny są ogrzewane elektrycznie lub ciepłym powietrzem z silników, w niektórych konstrukcjach krawędzie skrzydeł pokrywa się gumą. Czasami jednak najlepszym wyjściem pozostaje natychmiastowe zawrócenie na lotnisko. Na przykład wtedy, gdy samolot wleci w strugę marznącego deszczu, a na skrzydłach zaczyna narastać lód szklisty, powstający w wyniku osiadania dużych kropel przechłodzonej wody. Taka ciężka i twarda lodowa powłoka może nadmiernie obciążyć skrzydła (lub śmigła helikoptera), wygiąć je i w konsekwencji spowodować upadek maszyny. W przeszłości odnotowano wiele takich wypadków.

Długo jednak uważano, że kiedy samolot osiągnie poziom 6,5–7 km, silne oblodzenie już mu nie grozi. Na tej wysokości temperatury są bowiem bardzo niskie – wynoszą poniżej –20°C, co oznacza, że przechłodzonych kropel jest mało, a jeśli się pojawiają, to mają niewielkie rozmiary. Wraz ze wznoszeniem się samolotu zagrożenie maleje. Na wysokości 9–10 km, na której zwykle poruszają się pasażerskie odrzutowce, przechłodzonych kropelek nie ma w ogóle. Temperatura spada tam znacznie poniżej –40°C, a w takich warunkach żadna kropla wody przetrwać już nie może. W powietrzu szybują tylko mikroskopijne drobinki lodu. Owszem, uderzają one w samolot pędzący z prędkością 800– 900 km/h, ale długo zakładano, że krzywdy mu nie robią. Po pierwsze dlatego, że są bardzo małe, po drugie – ponieważ jest ich niewiele w mocno rozrzedzonym powietrzu. Założenie to okazało się niesłuszne.

Czułe miejsca samolotu

Już w latach 50. ub.w., kiedy w powietrze wzbiły się pierwsze odrzutowce pasażerskie, pojawiły się doniesienia o nagłych zgaśnięciach silników i niewyjaśnionych zaburzeniach w działaniu przyrządów pilotażowych, takich choćby jak rurka Pitota. Zazwyczaj pilotom udawało się wyjść z opresji, czasami jednak samoloty spadały na ziemię z nieznanych powodów. Zagadkę próbowano rozwikłać, uruchamiając badania m.in. w ośrodku NASA w Cleveland (od 1999 r. nosi imię Johna Glenna, pierwszego amerykańskiego astronauty). Już w latach 40. XX w. zbudowano tam największy na świecie tunel aerodynamiczny do badania oblodzenia silników i skrzydeł. Symulowano w nim warunki takie jak w atmosferze. Ale wtedy jeszcze zagrożenia związanego z lodem pojawiającym się na dużych wysokościach nie zidentyfikowano. Przełom nastąpił dopiero w 1994 r. po katastrofie samolotu turbośmigłowego ATR-72, należącego do linii American Eagle, który leciał z Indianapolis do Chicago (lot 4184). Dochodzenie wykazało, że samolot spadł z powodu oblodzenia skrzydeł. Zginęło 68 osób. Nikt się nie uratował.

Po tej katastrofie Federal Aviation Administration, czyli amerykańska agencja ds. lotnictwa, zamówiła szczegółowy raport, w którym opisano m.in. 32 zdarzenia lotnicze o dziwnie podobnym przebiegu (nie dotyczyło to jednak lotu 4184, w tym przypadku winowajcą było zwykłe oblodzenie): silniki gasły nagle na dużych wysokościach, przyrządy pilotażowe zaczynały podawać błędne wyniki, a przednie szyby zwilżał „deszcz”. Oczywiście o prawdziwym deszczu nie mogło być mowy. Nie spada on z chmur na takiej wysokości. Skąd zatem brała się ta woda na szybie? Najdziwniejsze było to, że do takich niebezpiecznych zdarzeń dochodziło nie w gęstych chmurach, ale przy względnie spokojnej pogodzie, gdy radary nie informowały o żadnym zagrożeniu.

Wyjaśnienie zaproponowane przez autorów raportu brzmiało równie dziwacznie jak same zdarzenia. Eksperci uznali, że ich przyczyną może być nietypowe oblodzenie, które pojawia się na najsilniej rozgrzanych elementach samolotu. Lód na gorącej powierzchni? Czy ktoś tu nie ma zanadto wybujałej wyobraźni? Ruszyły badania. Prowadzono je np. w tunelach aerodynamicznych w Kanadzie, Europie i USA. Tym razem elementy samolotów zaczęto bombardować nie kropelkami przechłodzonej wody, ale lodowymi drobinami o średnicy liczonej w dziesiątkach i setkach mikrometrów (1000 µm to 1 mm). Podczas eksperymentów zmieniano rozmiary kryształków, ich gęstość i temperaturę. Obserwowano, co się dzieje we wnętrzach bombardowanych nimi silników lotniczych, jak zachowują się różne drobne elementy zewnętrzne samolotu. Doświadczenia pokazały, że lodowy drobiazg o średnicy ok. 40 µm, a więc przypominający drobniutki pył lessowy lub zwyczajną mąkę, rzeczywiście częściowo topnieje, kiedy ląduje na ciepłych częściach samolotu pędzącego na wysokości ok. 10 km, i zaczyna przylegać do powierzchni, a po chwili ponownie na nich zamarza. Osadzające się kryształki zaczynają szybko rosnąć – i mogą się zbierać we wrażliwych na zniszczenie częściach silnika oraz pokrywać zewnętrzne czujniki i urządzenia pomiarowe, kluczowe dla bezpieczeństwa lotu.

Pogoda dla kryształków

Nowe zagrożenie zyskało nową nazwę: oblodzenie kryształkami lodu, w skrócie ICI (od ang. ice crystal icing). Im więcej wiedziono o ICI, tym szybciej wydłużała się lista incydentów lotniczych, do których proces ten mógł się przyczynić. Raport zamówiony przez firmę Boeing w 2015 r. podaje, że w ciągu ostatnich 20 lat na świecie wydarzyło się jakieś 150 incydentów lotniczych związanych z „połknięciem” przez wysoko lecący samolot dużej ilości kryształków lodu. ICI uznano za tak poważne zagrożenie, że największe firmy lotnicze świata, na co dzień rywalizujące ze sobą, postanowiły połączyć siły i wspólnie poszukać sposobu na podstępne kryształki. Do badań przyłączyły się też agencje naukowe z wielu krajów. W marcu 2014 r. specjaliści po raz pierwszy przeszli od eksperymentów laboratoryjnych do podglądania zjawiska w warunkach rzeczywistych. W pobliżu miasta Darwin na północy Australii przeprowadzono serię lotów, podczas których piloci do spółki z naukowcami wzlatywali na duże wysokości, aby trochę poigrać z naturą. Wykorzystywali do tego celu francuski samolot odrzutowy Falcon. Codziennie przez miesiąc wyruszali nim na poszukiwania podstępnych drobin lodu.

Pod jednym ze skrzydeł Falcona umieszczono prototyp czujnika mierzącego koncentrację lodowych kryształków w powietrzu. Urządzenie zaprojektowali naukowcy z kanadyjskiej National Research Council (Narodowej Rady Badań Naukowych), a za wszystkie loty Falcona zapłaciły do spółki firma Airbus i Komisja Europejska. „Główny kłopot z drobinkami polega na tym, że atakują one po cichu. To dlatego, że nie dostrzegają ich radary znajdujące się na samolotach. Dlatego potrzebny jest specjalny czujnik, który zawczasu poinformowałby pilotów o zagrożeniu. Poza tym chcemy ustalić, jakie warunki pogodowe sprzyjają gromadzeniu się drobinek lodu na dużych wysokościach. Bo najlepszym sposobem uniknięcia spotkania z nimi jest ominięcie ich szerokim łukiem” – mówi Dan Fuleki, główny konstruktor czujnika. Małe urządzenie, zużywające niewiele energii (tyle co smartfon), do rozpoznawania lodowego pyłu wykorzystuje fakt, że kiedy jest obecny w atmosferze w większych ilościach, zmienia własności elektryczne atmosfery. Od czasu pierwszych testów nad Darwin przed pięcioma laty czujnik był testowany łącznie przez ponad 1000 godz. w naziemnych instalacjach do badania silników samolotowych oraz przez 200 godz. w samolotach (do wysokości 13 km) – od tropików po koło podbiegunowe.

Podobne badania prowadzi też NASA. W sierpniu 2015 r. naukowcy z Glenn Research Center w Cleveland wsiedli do wielkiego odrzutowego DC-8 wyposażonego w aparaturę do pomiarów meteorologicznych i wyruszyli na poszukiwanie kłopotów, czyli tych stref, gdzie ryzyko oblodzenia kryształkami lodu jest wysokie. Znaleźli je szybciej, niż myśleli: w wielkich chmurach burzowych, ale wcale nie wtedy, gdy były one najpotężniejsze, lecz kiedy powoli zamierały. „Na tym polega podstęp. Duża chmura burzowa, kiedy znajduje się w maksimum swojego rozwoju, jest doskonale widoczna na radarach. Piloci widzą ją i wiedzą, że muszą ją ominąć z daleka. Zamierająca chmura burzowa wydaje się niegroźna, ale to ona właśnie może wpompować na znaczną wysokość duże ilości pary wodnej, która zamienia się w niewidzialne drobinki lodu. Nie zawsze jednak tak się dzieje i, prawdę mówiąc, wciąż nie wiemy dokładnie, kiedy ryzyko oblodzenia kryształkami jest największe” – przyznaje Tom Ratvasky, główny autor tych analiz. Razem z Julie Haggerty, badaczką z National Center for Atmospheric Research w Boulder w stanie Kolorado, Ratvasky pracuje nad programem komputerowym o nazwie ALPHA, który na podstawie obrazów satelitarnych i radarowych, pomiarów meteorologicznych oraz modeli pogodowych będzie prognozował, gdzie samolot może najszybciej zetknąć się z takim – jak mówi Ratvasky – wysoko unoszącym się lodem. Dwie testowe wersje programu – jedna dla kontynentalnej części USA, a druga dla północnej Australii – są już gotowe.

Co jednak, gdy mimo czujników i prognoz samolot wleci w strefę wysokiego oblodzenia? Wyczulony na zagrożenie pilot zapewne dość szybko zorientuje się, że wróg się pojawił. Fulaki ze współpracownikami zaprojektowali czujnik wielkości małej monety, który wysyła i odbiera sygnał ultradźwiękowy. Kilka takich czujników umieszczonych wewnątrz silnika może poinformować pilota, że pojawił się tam lód (jego obecność zmienia cechy powracającej fali). Ale co potem? Jak najszybciej opuścić strefę oblodzenia, to pewne. Jak jednak sobie poradzić z kryształkami, które już zaczęły atakować samolot? Idealnie byłyby mieć silniki i przyrządy pilotażowe, które same poradzą sobie z podstępnym lodem. To jednak odległa przyszłość. W zeszłym roku NASA do spółki z firmą Honeywell rozpoczęła w Glenn Research Center badania, które za jakieś 10 lat mają doprowadzić do stworzenia prototypu takiego silnika. „Co najmniej drugie tyle upłynie, zanim taki silnik zostanie dopuszczony do użytku” – podkreśla Ashlie Flegel, kierująca tym projektem.

Na razie trzeba sobie radzić w standardowy sposób. Pilotom zaleca się, aby unikali wlatywania w strefy wilgoci wiszące ponad chmurami burzowymi, omijali te chmury od strony nawietrznej, wykorzystywali radar pokładowy do sprawdzenia, czy za chwilę nie znajdą się ponad strefą silnego deszczu. Może to bowiem oznaczać, że wprost przed nimi wisi mnóstwo lodowych drobin, które tylko czekają, aby zastopować pracę silnika, a potem zniknąć bez śladu, gdy samolot znajdzie się niecałe 3 km od ziemi. „To jeszcze jeden kłopot z tym oblodzeniem. Niezależnie od tego, czy samolot sam wyląduje, czy też rozbije się, winowajca znika. Kryształki rozpływają się, jakby ich nigdy nie było i nie narobiły żadnych szkód” – mówi Ratvasky.

Andrzej Hołdys
dziennikarz popularyzujący nauki o Ziemi, współpracownik „Wiedzy i Życia”

01.04.2019 Numer 4/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną