TU154M. Końcowe pomiary wysokości barometrycznej

W samolocie TU154M lecącym do Smoleńska funkcjonowało kilka urządzeń wykonujących pomiary ciśnienia powietrza i wyliczających z tego różne parametry lotu. Ich pełny wykaz można znaleźć w raporcie KBWLLP. W tej notce przeprowadzono analizę pracy tych, które pozostawiły ślad w zapisach rejestratorów, oraz w pamięciach FMS i TAWS. Są to urządzenia:

- miernik prędkości przyrządowej DAS;

- miernik wysokości barometrycznej DWbP-13;

- dwa komputery danych aerodynamicznych WBE-SWS.

Urządzenia te współpracowały z magistralami pneumatycznymi:

- ciśnienia statycznego;

- ciśnienia całkowitego (strumieni powietrza z rurek Pitota) .

Magistrale były odrębne dla każdego pilota i każda z nich była połączona z dajnikami po obu stronach kadłuba. W odniesieniu do każdego podłączonego miernika tworzyły coś w rodzaju litery T, gdzie kreska pozioma symbolizuje gałąź łączącą z dajnikami, a pionowa z miernikiem ciśnienia. Mierników było kilka, co oznacza, że kilka było także przewodów łączących je z przewodami łączącymi dajniki. W tej konstrukcji istotne jest to, że w przypadku różnic w ciśnieniach po obu stronach kadłuba występował wyrównujący przepływ powietrza w przewodach łączących dajniki, co powodowało obniżenie ciśnienia w przewodach prowadzących do mierników.

Rysunek 1. Zmiany wybranych parametrów lotu

Wartości niektórych parametrów aerodynamicznych i innych w ostatniej fazie lotu pokazuje rysunek 1. Pomiary wysokości radiowej (geometrycznej) przy końcu są nieprawidłowe, bo samolot przechylał się na lewą stronę, co powodowało pozorne oddalanie się od najbliższego punktu odniesienia.

Miernik prędkości przyrządowej DAS zgodnie z rysunkiem 2 działał na zasadzie pomiaru różnicy ciśnień:

- ciśnienia całkowitego P п;

- ciśnienia statycznego P ст.

Zwraca uwagę wahnięcie prędkości IAS przy końcu lotu, które spróbuję zinterpretować dalej.

Rysunek 2. Schemat kinematyki miernika prędkości DAS.

Wysokość barometryczna była rejestrowana przez urządzenie DWbP-13 z rozdzielczością około 52 m. Tu zwraca uwagę to, że około godziny 8:40:43.5 zarejestrowano spadek wysokości większy niż wynosiła jedna działka pomiarowa i że do końca utrzymała się stała wartość 188m, co jest niezgodne z parametrami lotniska, którego próg pasa znajduje się na wysokości 250 m. Rzekomy gwałtowny spadek wysokości barometrycznej nie wiązał się z przeciążeniem pionowym. Te błędy są rezultatem prymitywnej konstrukcji miernika – patrz rysunek 3. Nie ma on możliwości ustawienia ciśnienie odniesienia ani temperatury powietrza. Właściwości dynamiczne jak widać też są nie najlepsze, skoro pojawiają się gwałtowne przeskoki wskazań mimo płynnych zmian wysokości.

Rysunek 3. Schemat kinematyki miernika wysokości DWbP-13

Bardziej precyzyjnymi urządzeniami pomiarowymi są komputery danych aerodynamicznych (ADC) typu WBE-SWS. Na rysunku 4, nawiązującym do oryginalnej dokumentacji widać jeden blok pomiarów ciśnienia, ale z opisu wynika, że są tam dwa niezależne przetworniki mierzące odpowiednio ciśnienie statyczne oraz ciśnienie całkowite (z magistrali łączącej z rurkami Pitota po obu stronach kadłuba). W dokumentacji tej podano także, że mierniki działają na zasadzie zamiany ciśnienia na częstotliwość oscylatora, która jest analizowana przez mikroprocesor. Pomiary wykonane na takiej zasadzie służą do wyliczenia wartości przesyłanych interfejsem zgodnym z ARINC-429 do systemów FMS i TAWS. W zestawie tych wartości są między innymi:

L203 – wysokość bezwzględna npm;

L204 – wysokość względem poziomu lotniska;

L212- prędkość pionowa.

Rysunek 4. Schemat blokowy komputera ADC typu WBE-SWS

Punkt	Wysokość baro bezwzględna	Wysokość baro względna	Uwagi
TAWS#38	671ft	112 ft
Status FMS1	573 ft
Status FMS2 – 1 sek	679 ft	120 ft	606 + 120 - 47
Status FMS2	606 ft	47 ft	Skoro: 604 ft bezwzgl = 45 ft wzgl, to 47wzgl = 606 ft bezwzgl
FMS2 Output	604 ft	45 ft	Ekstrapolowane ze statusu
FMS2 Input	577 ft	20 ft

Tabela 1. Zarejestrowane wysokości baro

Wartości odnotowane w pamięci FMS i TAWS, które przedstawiono w Tabeli 1 pokazują, że ostatnio odnotowana wysokość przez komputer WBE-SWS, którą udało się przesłać i zarejestrować w FMS wynosiła 20ft, czyli około 6.1 m. Wysokość 47 ft była rezultatem wyliczeń wykonanych około 0.6 sek. wcześniej. Tym wartościom towarzyszą także inne wyliczenia wykonywane przez FMS i TAWS, np. system FMS wykonywał swoje obliczenia pomiarów prędkości pionowej niezależnie od obliczeń WBE-SWS, a TAWS wykonywał dodatkowe obliczenia „Airplane Altitude”. Jak wynika z odnotowanych wartości, czas brany do wyliczeń prędkości przez FMS był inny niż przyjęto to w WBE-SWS. Można to prześledzić w poniższym zestawieniu, w którym dodano także przybliżone wyliczenia własne, wykonane na podstawie podanych wysokości i czasów.

TAWS#38

Sink rate:

394.352188 ft/min = 2 m/sek.; wznoszenie;

Baro Altitude - Airplane Altitude:

671.000000- 670.291288 ft >0; co oznacza wznoszenie, gdyż wg wyjaśnień UASC wartość „Airplane Altitude” jest zawsze spóźniona w stosunku do „Baro Altitude”.

FMS1 status

Prędkość pionowa liczona od TAWS#38:

-3095 ft/min =-15.7 m/sek.; opadanie;

FMS2 status

Prędkość pionowa wg ostatniej sekundy:

-4380 ft/min -22.3 m/sek.; opadanie;

Derived Vertical Speed (Computed by FMS based on altitude change):

-2374 ft/min = -12.1 m/sek.; opadanie;

Filtered Derived Vertical Speed (Derived Vertical Speed with 4 second lag filter):

603 ft/min = 3.1 m/sek.; co oznacza, że w ciągu ostatnich 4 sekund średnio odnotowano wznoszenie z podaną prędkością.

FMS2 Input (z GPS)

Prędkość pionowa liczona od TAWS#38:

-2256 ft/min= -11.46m/sek.; opadanie;

Prędkość pionowa liczona od FMS2 status:

-2700 ft/min = -13.7 m/sek.; opadanie;

Vertical Rate (L212):

-432 ft/min = -2.2 m/sek.; opadanie.

Podawane przez WBE-SWS wartości wysokości poczynając od zdarzenia TAWS#38 są niezgodne z:

- wysokością na jakiej zauważono ślady na drzewach;

- pomiarami wysokości radiowej;

- porównaniem zmian wysokości barometrycznej i wysokości wg GPS.

Odnotowane wartości pokazują także, że zanim rozpoczęło się opadanie samolotu, to wcześniej wznosił się on z wysokości 47 – 4 * 603/60 = 6.8 ft.

Systemy FMS i TAWS miały także dostęp do wysokości obliczanych przez systemy GPS, zapisywanych jako „MSL altitude”. Firma UASC nie zdecydowała się na użycie tych wartości w programach sterujących, pewnie ze względu na ich małą dokładność i brak dostatecznie dobrej mapy z wartościami „Geoidal separation”. Podane w logach TAWS i FMS wartości pozwalają jednak wykonać obliczenia różnic wysokości „MSL altitude” i „Baro altitude”. Zestawienie tych różnic dla poszczególnych odnotowanych w logach punktów wygląda następująco:

TAWS#35 1595.344749 - 1104.000000 = 491.344749ft

TAWS#36 1410.346283 - 933.000000 = 477.346283ft

TAWS#37 1264.347891 - 752.000000 = 512.347891ft

TAWS#38 1002.226390 - 671.000000 = 331.22639ft

FMS2 Input (GPS-WB) 1018.25 - 577.0 = 441.25ft

Część powtarzającej się różnicy to oczywiście skutek przyjęcia jako ciśnienia odniesienia wartości standardowej (QNE) zamiast zredukowanego do poziomu morza ciśnienia lokalnego (QNH). Istnieje różnica między wysokościami barometrycznymi w przypadku TAWS#35-37, a tą która jest brana w przypadku FMS2. Te pierwsze 4 to wysokości baro-corrected (L204), a ta ostatnia to baro-uncorrected (L203). Ciśnienia odniesienia brane do obliczeń w obu przypadkach były zbliżone, ale brane do obliczeń temperatury były inne, stąd wynika dodatkowa różnica w wartościach. Jak widać, wysokość barometryczna dla punktu TAWS#38 musi być zawyżona, bo różnica GPS-WB jest tu wyraźnie mniejsza niż w pozostałych punktach i trudno założyć, że jest to tylko rezultat wyjątkowo mniej dokładnego pomiaru „MSL altitude”.

Nie potrafię jednoznacznie wskazać, co było przyczyną błędnych wyliczeń wysokości barometrycznej w końcowej fazie lotu samolotu. Rozważam dwie hipotezy dające się powiązać z tym, co widać na rysunku 5 i 6. Wg pierwszej z nich, w pozycji (1) z rysunku 5 boczny wiatr (o parametrach podawanych z wieży kontrolnej) spowodował zaburzenie ciśnienia po lewej stronie kadłuba samolotu i tym samym zaniżenie obliczonej wysokości, która niekoniecznie musiała być wyliczona całkowicie zgodnie z rzeczywistością. Według hipotezy drugiej w pozycjach (2),(3) i (4) pojawiło się coś w rodzaju efektu kominowego w częściach magistral pneumatycznych między dajnikami, które to dajniki znalazły się na różnych wysokościach. W rezultacie spadało ciśnienie doprowadzone do mierników i to spowodowało chwilowe zawyżenie wysokości. Niezależnie od tego, która hipoteza jest prawdziwa, wszystko wskazuje na to, że ostatnia odnotowana wysokość barometryczna wynosząca 20 ft nadal jest zawyżona, bo w ostatniej pozycji samolotu przed uderzeniem o ziemię, pokazanej jako (4) na rysunku 5, dajniki nadal nie wróciły do równej odległości od ziemi.

W odniesieniu do zmian prędkości IAS przy końcu lotu, pokazanych na rysunku 1 można przypuszczać, że przechylenie samolotu bardziej wpłynęło na pomiar ciśnienia całkowitego (z rurek Pitota) niż na pomiar ciśnienia statycznego i to w konsekwencji spowodowało chwilowy spadek różnicy ciśnień, czyli spadek prędkości, a potem jej wzrost.