Fizyka Smoleńska
Piszę o rzeczach pięknych: fizyce, lotnictwie, wszechświecie i superkomputerach. Ale też o smutnych: wyjaśniam katastrofę smoleńską, odsłaniam manipulacje oszustów politycznych i nieuków, ich pseudonaukę o nazwie "fizyka smoleńska". Fot.: lot w AZ/UT
116 obserwujących
86 notek
899k odsłon
  1557   1

74. Telefon satelitarny, 75. Fizyczne skutki uderzenia w ziemię

image

Awaryjny naciąg pasów powoduje początkowe przeciążenie 6g i zmniejsza maksymalne przeciążenie działające na klatkę piersiową przypiętego pasami samochodowymi pasażera z 44g do 41g. Obie wartości są bardzo groźne.
image



Fotele lotnicze i pasażerowie PLF 101

Samolot spadł w przechyle ok. 150 stopni z prędkością pionową 20 m/s. Poszycie górnej części kadłuba ('dachu') ma bardzo małą grubość ~2 mm i natychmiast odkształca się, nity są zrywane. Przy 70 m/s prędkości poziomej, obecności przeszkód naziemnych takich jak nierówność terenu, drzewa, poszycie  zostanie zerwane i zniszczone w ciągu nie więcej niż kilkudziesięciu milisekund. Pozostaje struktura nośna kadłuba: wręgi kołowe rozłożone co ok. 50 cm, oraz wzmocnienia (stringery) w postaci podłużnych profilowanych listew z cienkiej blachy (3-3.5 mm). Struktura ta jest wytrzymała na różnice ciśnienia i przeciążenia w normalnej eksploatacji samolotu. Nie może zatrzymać spadku ciężkiego samolotu.  Kadłub jest obliczony na siły radialne, ciśnieniowe, a nie na występujące w lesie smoleńskim główne naprężenia ścinające (masywniejszy spód samolotu nie ma kontaktu z ziemią i przez inercję wlecze za sobą hamujące cały samolot wręgi, powstaje naprężenie ścinania). Uderzenie masywnego samolotu wbija nieznacznie wręgi ze stringerami w szybko przesuwający się względem samolotu grunt, co bardzo szybko wybrzusza stringery oraz składa wręgi na płasko. Jedyne części dachu które mogą przetrwać pierwsze uderzenie to te, które chronił przez kontaktem z gruntem ogon, ale tylko bardzo krótko, bo ogon odłamał się zaraz po uderzeniu w ziemię, o czym opowiedzieli świadkowie wydarzenia, pracownicy i kontraktorzy na terenie serwisu samochodowego KIA w odległości 200 m od miejsca spadku PLF 101, o czym pisałem w rozdz. 71.

Zderzenie z ziemią generuje jak oceniliśmy to powyżej przyspieszenia podłogi co najmniej 25 g. Co dzieje się z fotelami lotniczymi? Odrywają się od podłogi. Fotele spełniają wymagania certyfikacji z zapasem bezpieczeństwa 1.33. Wypada więc zapytać o te wymagania. Polecam rozdziały 8 i 9 książki Georga Bibela "Beyond the Black Box. The forensics of airplane crashes" (JHU Press, 2008) zatytułowane, odpowiednio: Crash Testing, oraz Human Tolerances to G Loads and Crash Forces. Certyfikacja foteli lotniczych jest nastawiona na zapewnienie odpowiedniej sprężystości i plastyczności w uderzeniach samolotu w ziemię pod ostrym kątem, w pozycji mniej więcej horyzontalnej. Inercja pasażera działa wtedy głównie w dół i częściowo do przodu, podczas gdy w Smoleńsku zadziałała do góry i tylko częściowo do przodu.

image

Rysunek podaje wymagania certyfikacyjne w próbach statycznych z lat 80-tych.Odpowiadają one siłom wyrywającym 3-osobowy fotel w zaznaczonych kierunkach, dochodzącym do 2500 kG. Podłoga samolotu była projektowana na przenoszenie takich sił, lecz nie dużo większych (chodzi nie tylko o oszczędność wagową, ale o to by podłoga poddawała się plastycznej deformacji w zderzeniach które w przeciwnym przypadku byłyby śmiertelne. Od 1988 r. (formalny wymóg od 2005 r.), liczby podane na powyższym rysunku zmieniono na 3g w kierunku pionowym, 4g bocznym, w pozostałych kierunkach nie były zmienione (dodano tylko wymaganie 1.5g w kierunku przeciwnym do kierunku lotu). FAA dodała też wymaganie dwóch testów dynamicznych, jeden gdzie na pasażera działa 14 g w kierunku odchylonym do przodu o 30 stopni od pionowo (w dół) jak przy spadku na ziemię w normalnym, poziomym ułożeniu kadłuba, drugi zaś ma symulawać zderzenie z przeszkodą na ziemi (16 g poziomo). Standardy opisujące wyrywanie fotela w górę nie były zmienione.

Mnożąc przez margines bezpieczeństwa 1.33, widzimy że fotele wyrywane pionowo w górę odrywają się od podłogi przy przeciążeniu około 3*1.33 = 4g (można przyjąć nawet 3*1.5 = 4.5g; z drugiej strony, jeśli fotele TU-154M nie spełniały zachodnich wymogów, mogły oderwać się przy mniejszym przeciążeniu).

Wniosek jest oczywisty: przy odwróconym spadku na ziemię można oczekiwać oddzielenia się foteli pasażerów od podłogi po pierwszym uderzeniu samolotu w ziemię. Fotele zerwane zostały nie tylko pionowo w górę w stosunku do podłogi, ale też w bok, gdyż skrzydła samolotu w momencie spadku były nachylone 30o  do horyzontu  (sin 30o = 1/2).  Warunki katastrofy były znacznie gorsze niż standardy certyfikacyjne i doświadczalne zderzenia samolotów z przeszkodami prowadzone przez FAA/NASA, za wyjątkiem myśliwca wysłanego prosto na betonową ścianę.


  75.5.   KRYTERIA   PRZEŻYWALNOŚCI   KATASTROF  LOTNICZYCH


Jako pasażer samolotu spadającego na ziemię, masz niebagatelną szansę przeżycia, jeśli

1. Jesteś przypięty/przypięta pasem do fotela lotniczego, który nie oderwał się od listw mocujących, a te od podłogi, która nie porwała się uwalniając fotele. Historycznie, przykładem zasadniczej roli tego kryterium jest wypadek Kegworth Flight 092. W Smoleńsku, jak omówiliśmy to przed chwilą, to kryterium nie było spełnione.

2. Tzw. safe space. Nie zderzasz się z niczym, na przykład meblami czy szafkami pokładowymi, częściami samolotu. Nic ci nie obcina kończyn ani nie zgniata głowy. W przypadku sekcji samolotu przyspieszanych 16g, kiedy głowa manekina napotykała przedmioty, przeciążenie na nią działające sięgało od 100g do 140g. To też była przyczyna śmierci w Smoleńsku, w związku z oderwaniem foteli, a także u osób nie przypiętych pasami.

3. Przyspieszenie działające na części Twego ciała (trwające tyle ile ile zwykle trwają przy zderzeniach, tj. < 0.1s) są mniejsze niż krytyczne. W praktyce oznacza to mniej niż 50g. Jeśli samolot spada do góry nogami, w pierwszym uderzeniu o ziemię gdy  a = 25 g zwykle pękają kręgi szyjne C1-C2 i masz złamanie nosa i kontuzję płuc, przy 50 g zaczynają ci się łamać różne kości i doznaje uszkodzeń wewnętrznych aorta, przy 80-100 g aorta kompletnie się urywa. W pewnym teście w USA manekin poddany był a = 30g. Zerwał pas fotelowy, pofrunął w stronę sklejkowej bariery grubości 2.5 cm, przebił ją i zatrzymał się dopiero po przebyciu 200m. W rozdziale 9 wspomnianej już książki G. Bibela "Poza czarnymi skrzynkami. Badanie wypadków lotniczych" jest tabela 9.7, podająca najzwięźlej kryterium przeżywalności przy różnych głównych kierunkach działania przeciążenia. Ponieważ oczy są jednym z najczulszych organów, podaje się kierunek opisując w którą stronę chcą wypaść. W Smoleńsku mogły działać różne siły, najgorsze są boczne (eyeballs left/right, limit = 9g), jednak pierwsze uderzenie działało w górę na oczy (eyeballs up, limit = 15g).

Kryterium 3 oparte o przyspieszenia nie było spełnione, ponieważ oderwanie foteli od podłogi spowodowało zderzenia z małą drogą hamowania i w konsekwencji przyspieszenia organów znacznie większe, niż w idealnym przypadku gdy jesteśmy mocno przypasani do fotela i podłogi, a deformuje się plastycznie struktura samolotu pod podłogą.

Klasyfikacja wypadku 10.04.10 w ramach badań amerykańskiej agencji NTSB byłaby jednoznaczna i oczywista: unsurvivable. Nie powinno dziwić to, że na podstawie oględzin uszkodzeń organów wewnętrznych ofiar katastrofy, komisja MAK uznała, że ciała poddane były przyspieszeniom rzędu 100g. Z analizy fizycznej wynika, że jak najbardziej mogły być.


  75.6.   ZAKOŃCZENIE

Udowadnianie na podstawie wzoru na ruch jednostajnie opóźniony na drodze poziomej równej długości wrakowiska, że przyspieszenia były dwa rzędy wielkości mniejsze niż naprawdę, pozostawić należy ludziom karygodnie niewykształconym. Spadek PLF 101 z dużą prędkością pionową i przechyłem 150 stopni, w warunkach nie symulowanych nigdy przez FAA i NASA, poskutkował gwałtownymi przeciążeniami elementów strukturalnych kadłuba (rzędu 100g). To odebrało pasażerom szansę przeżycia. Już od naprężenia pasów bezpieczeństwa pasażerowie w momencie uderzenia w ziemię mogli otrzymać silne urazy. Groźniejsze było to, że fotele oderwały się od podłogi i wyrzucone zostały ze znaczną prędkością w kierunku niszczonych struktur kadłuba i gruntu. Wszystkie praktycznie ciała i części ciał były dlatego mocno ubłocone, a fotele połamane i oderwane od podłogi. Podejrzewam, że deformacja góry kadłuba w niektórych sektorach była tak duża, że bezpieczna objętość powietrza wokół wielu pasażerów spadła do zera, a hamowanie ciężkiego samolotu (zwłaszcza od strony uderzenia czyli lewej burty) odbywało się przez bezpośrednią styczność foteli i ludzi z ziemią. Wielu zmarłych doznało wielkich urazów głowy, gdyż ta część ciała była narażona najbardziej przy uderzeniu w danej pozycji kadłuba. W każdym razie, wnioski patomorfologów o przyspieszeniach rzędu 100g znajdują  potwierdzenie w analizie fizycznej.

Wspomnę mimochodem wątpliwą informację, jakoby 35 ciał miało zerwaną odzież. To nieuzasadniony wniosek J. Jabczyńskiego (blogera salonu24 "fotoamatora"?), członka tzw. podkomisji Macierewicza. Trzeba jednak przyznać, że skoro opisany wypadek urywał kończyny, częściowe zerwanie odzieży jest więcej niż możliwe. Informacja o pasażerze jakoby rozpędzonym hipotetycznym wybuchem w kierunku tylnej grodzi i "owiniętym w drzwi tylnej toalety" okazała się za to całkowitym kłamstwem, o czym niedawno doniósł na swoim blogu stanzag (St. Zagrodzki).

W wypadku smoleńskim wszyscy zginęli i było to w dniu katastrofy szokujące. Niektórzy do dziś nie mogą w to uwierzyć. Są tacy którzy wolą wierzyć cynicznemu manipulatorowi i fałszerzowi, 2-mu sekretarzowi generalnemu KC Partii, że w samolocie zainstalowane było do 9 różnych bomb (jak można policzyć w opracowaniach jego nielegalnej 'podkomisji'). W rzeczywistości zaś niewłaściwie szkoleni i nie kontrolowani okresowo przez pułk piloci złamali elementarne reguły bezpieczeństwa bardzo trudnego rodzaju podejścia, jakiego nigdy w składzie załogi, ba, nawet indywidualnie na tym typie samolotu, nie ćwiczyli. W momencie, gdy piloci wlatywali sprawnym samolotem TU-154M pod poziom pasa 26 lotniska Siewiernyj, los pasażerów był przesądzony. Choć uniknęli uderzenia w ziemię w rejonie bliższej radiolatarni NDB, nie było już możliwości uniknięcia zderzenia z 16-metrową, masywną brzozą, na której oderwała się dużą część lewego skrzydła, nie było też szansy utrzymania sterowności samolotu i uniknięcia obróconego upadku w las.

Katastrofa smoleńska nie była możliwa do przeżycia, wg wszystkich kryteriów, powszechnie stosowanych przez państwowe komisje badania wypadków lotniczych na całym świecie. Czy zdarza się, że ktoś przeżywa mimo takiego werdyktu? Tak, bo werdykt odnosi się do znacznej większości, ale niekoniecznie do wszystkich bez wyjątku pasażerów. Niestety takiego szczęścia nie miał żaden pasażer PLF 101. A jeśli lekarz mówi "pacjent nie przeżyje" i faktycznie tak jest, głupio debatować dlaczego się nie pomylił.


(c) P. Artymowicz,   9  lipca 2021


______________________________________________________________________________

UZUPEŁNIENIE:   PRZYSPIESZENIA  OBSERWOWANE  W  CRASH  TESTACH

W latach 70tych FAA i NASA wraz z Boeingiem, Lockheedem i McDouglasem, zdefiniowały zakres parametrów zderzeń samolotów z ziemią, które pasażer może przeżyć (survivable, "przeżywalne" czy możliwe do przeżycia) na podstawie 126 dobrze udokumentowanych wypadków. Częścią badań były tzw. CID = Controlled Impact Demonstrations, lub krócej: crash testy starych samolotów obłożonych miernikami. Leciały w nich lub spadały na ziemię w laboratorium podobnie wyposażone manekiny.

Najsłynniejszy chyba crash test na pustyni samolotu Boeing 720 w 1984e r. Mimo 14 wstępnych prób zdalnego pilotażu samolotu w kierunku pustynnego poligonu doświadczalnego, w eksperymencie zawiódł... pilot. Samolot nie spadł po planowanej trajektorii, w planowanym ułożeniu kadłuba względem pustyni, co jest spójne ze statystyką wypadków: przyczyną 4 na 5 wypadków lotniczych w Ameryce są piloci. Podobna była przyczyna w Smoleńsku. Test niezupełnie się udał pod pewnymi względami (w samolocie miało nie zapalić się paliwo ze specjalnymi dodatkami, niestety uzyskano spektakularną kulę ognia i pożar), ale były użyteczne dane o przeciążeniach. Samolot zaczepił lewym silnikiem o ziemię za wcześnie, co spowodowało jego obrót na nos (zmniejszenie pochylenia). Siły były większe w części przedniej kadłuba, która uderzyła w ziemię (w pozycji mało przechylonej) z prędkością Vz = 18 ft/s, czyli 3.6 raza wolniej niż spadał PLF 101, podczas gdy ogon uderzył tylko 6 ft/s (10 razy wolniej niż PLF101). Środek masy koło centropłatu spadał 12 ft/s, czyli 5.5 razy wolniej niż PLF 101. Co zarejestrowały akcelerometry? Największe obciążenie pionowe przy podłodze zarejestrowano w rejonie kokpitu (14 g), najmniejsze (3 g) w tylnej kabinie pasażerów. Przeciążenia poziome rozkładały się podobnie, lecz były niższe, do 7  g z przodu i 4 g w środku i z tyłu kadłuba. Przeciążenia boczne dochodziły do 5 g. To było oczywiście bardzo delikatne zderzenie w porównaniu ze smoleńskim, chodzi tu jednak nie o wartości a o skalowanie przeciążeń z prędkością. W tym przypadku, przeciążenie miało skalowanie
a ~ Vz3/2 ,
takie jakby droga hamowania (deformacja struktury) wydłużała się wraz z pierwiastkiem kwadratowym z prędkości S ~ Vz1/2  (przy spadku pionowym mierzony czynnik obciążenia równy jest  g + a = g + Vz2/2S).

Tam, gdzie struktura obręczy (wręg) kadłuba gięła się plastycznie, największe przeciążenia zapisały się na spodzie kadłuba, który uderzał w ziemię (a=32 g) i na poszyciu sufitowym (a=25 g), mniejsze na burtach (a=7-9g), podczas gdy zarówno podłoga w rożnych miejscach mocowania fotel, same fotele i biodra manekinów do nich przypiętych pasami wszystkie poddane były działaniu tych samych przeciążeń około 6 g (Hayduk, NASA Conf.Publ. 2395). Teoretycznie może dochodzić zarówno do zmniejszenia przeciążeń przy przenoszeniu ich na ciała pasażerów przez fotele i pasy (gdy fotele wyginają się w pewien ograniczony sposób i pochłaniają energię uderzenia a pasy cały czas mocno trzymają), jak i do wzmocnienia przeciążeń gdy mocowanie pasażera do struktury jest wadliwie zaprojektowane (np. zbyt elastyczne lub luźne pasy bezpieczeństwa). Jak widać, czasem te efekty się wzajemnie kasują i części ciał poddane są przyspieszeniom takim jak podłoga samolotu.

Tam, gdzie nie było plastycznego bufora, tj. nad sztywnym centropłatem, wysokie przyspieszenia struktury samolotu przenosiły się mało zmienione na podłogę, siedzenia i ciała ludzi : High loads were transmitted from the bottom of the fuselage to the floor and into the seats and crash test dummies. Maximum normal accelerations were 70 G at the fuselage bottom, 70 to 95 G at the cabin floor, and 40 to 60 G at the dummy pelvis.

Do 2/3 przeciążenia kadłuba było rejestrowane na częściach 'ciała' manekinów testowych.
Jest więc wiele rożnych możliwych mnożników przyspieszenia kadłuba, dających końcowe przyspieszenie którym poddane są części ciała. Ale ponieważ nie badano testowo nigdy spadku odwróconego jak w Smoleńsku, wyniki badań inżynieryjnych FAA/NASA nie przenoszą się dosłownie na wypadek smoleński, który był bardziej destruktywny.

W prowadzonym w ramach tego samego programu kontrolowanych zderzeń rodzaju badań zrzucano nieruchome początkowo sektory kadłuba wraz z manekinami na siedzeniach; to tzw. drop tests. Chodziło o wywołanie umiarkowanych przeciążeń dla testowania foteli i trwałości półek nad głowami, jednak mierzone przyspieszenia były często zaskakująco wysokie. Raport TM-85705 NASA mówi, że przy swobodnego spadku pokazanej poniżej sekcji samolotu z wysokości zaledwie 2 m dochodzi do groźnych przeciążeń struktury kadłuba, aż do 100g.

image

Zobacz galerię zdjęć:

Lubię to! Skomentuj86 Napisz notkę Zgłoś nadużycie

Więcej na ten temat

Komentarze

Inne tematy w dziale Polityka