Lėktuvų langai suapvalinti ne dėl grožio: ką atskleidė dvi 1954 metų „Comet“ katastrofos

Žvelgiant pro keleivinio lėktuvo langą lengva nepastebėti vienos svarbios detalės – jo kampai suapvalinti. Ši forma padeda konstrukcijai atlaikyti pasikartojančias apkrovas, kurias sukelia slėgio skirtumas tarp salono ir aplinkos. Kodėl tai taip svarbu, ypač skaudžiai parodė 1954 metais įvykusios dvi „de Havilland Comet“ katastrofos. Tačiau dažnai kartojamas paaiškinimas, kad lėktuvai sudužo tiesiog dėl kvadratinių keleivių langų, nutyli reikšmingas tyrimo aplinkybes.

„Comet“ buvo keleivinės aviacijos naujovė. 1952 metų gegužės 2 dieną jis pradėjo komercinius skrydžius su BOAC ir tapo pirmuoju į reguliarią komercinę eksploataciją įvestu reaktyviniu keleiviniu lėktuvu. Aukštuminis skrydis hermetizuotame salone žadėjo naują kelionių patirtį, tačiau kartu kėlė konstrukcinius iššūkius. Vienas iš jų buvo gebėjimas patikimai atlaikyti slėgio apkrovas per daugybę skrydžių. Būtent šioje srityje katastrofų tyrimas atskleidė problemą, kurios ankstesni bandymai neparodė pakankamai aiškiai.

Dvi katastrofos per tris mėnesius sustabdė skrydžius

1954 metų sausio 10 dieną BOAC reisu 781 iš Romos į Londoną skridęs „Comet“, registruotas G-ALYP, subyrėjo ore ir nukrito į Viduržemio jūrą netoli Elbos salos. Žuvo visi 35 lėktuve buvę žmonės. Po nelaimės šio tipo orlaivių skrydžiai buvo sustabdyti, atlikti pakeitimai, tačiau tikroji konstrukcijos suirimo priežastis dar nebuvo nustatyta. Kovo pabaigoje lėktuvams leista grįžti į eksploataciją.

Balandžio 8 dieną įvyko kita katastrofa: „South African Airways“ reisu 201 iš Romos į Kairą skridęs G-ALYY taip pat subyrėjo ore ir nukrito į Viduržemio jūrą. Žuvo 21 žmogus. Po šios nelaimės „Comet“ skrydžiai vėl sustabdyti. Abiejų įvykių panašumas paskatino ieškoti bendros priežasties, tačiau svarbu, kad jų įrodymų apimtis vėliau skyrėsi: prie Elbos sudužusio orlaivio pavyko atkurti gerokai daugiau negu antrojo.

Kodėl slėgis pavojingiausias ties tam tikromis angų vietomis?

Dideliame aukštyje atmosferos slėgis gerokai mažesnis nei prie žemės, todėl keleivinio lėktuvo salone palaikomos žmonėms tinkamos sąlygos. Slėgis viduje būna didesnis negu išorėje, ir šis skirtumas veikia korpusą. Konstrukcija turi atlaikyti apkrovas ne tik vieną kartą: per eksploataciją jos nuolat kartojasi. Hermetizavimo sistema leidžia patogiai ir saugiai skristi aukštai, tačiau jos poveikis turi būti įvertintas projektuojant visą slėgį išlaikančią konstrukciją.

Kiekviena lango, durų ar įrangos anga pakeičia tai, kaip apkrova pasiskirsto aplinkinėje konstrukcijoje. Ties staigesniais formos pokyčiais susidaro vietos, kuriose įtempiai didesni. Tai vadinama įtempių koncentracija. Kampuota anga tokias vietas gali turėti ties savo kampais, o pakankamas jų suapvalinimas padeda išvengti staigaus įtempių susitelkimo. Todėl svarbi ne vien matoma lango forma: reikšmės turi ir jo rėmas, aplinkinis metalas bei visa tvirtinimo konstrukcija. Smithsonian aviacijos aiškinamojoje medžiagoje būtent kampai išskiriami kaip įtempių koncentracijos vietos.

Pasikartojant apkrovai, nedidelis įtrūkis gali pamažu augti, nors kiekviena atskira apkrova būtų mažesnė už tą, kuri iš karto suardytų sveiką medžiagą. Tai ir yra metalo nuovargio esmė. Konstrukcija gali atlaikyti daug ankstesnių skrydžių, tačiau tai dar neįrodo, kad pažeidimas neprogresuoja. „Comet“ atveju reikėjo suprasti, kur tokie įtrūkiai prasideda ir kaip jie vystosi. Šį skirtumą tarp vienkartinio stiprumo ir ilgalaikio atsparumo pakartotinei apkrovai pabrėžia ir Karališkųjų oro pajėgų muziejaus tyrimo aprašymas.

Atsakymo ieškota iš jūros iškeltose nuolaužose ir bandymų rezervuare

Tyrėjai atkūrinėjo prie Elbos sudužusį lėktuvą iš surinktų nuolaužų ir kartu bandė kitą „Comet“ korpusą ant žemės. Rezervuare buvo kartojami slėgio ciklai, imituojant eksploatacijos poveikį. Bandomasis G-ALYU jau buvo skraidęs, todėl vertinta ir tikroji, ir bandymuose sukaupta apkrovų istorija. Po maždaug 3 tūkst. bendrų ciklų jo konstrukcija suiro ties kniedės anga netoli priekinio kairiojo avarinio išėjimo. Tai tapo svarbiu įrodymu tiriant nuovargio įtrūkių augimą.

Vis dėlto prie Elbos sudužusio G-ALYP pirmasis lūžis buvo susietas su kita vieta. Tyrimas nurodė korpuso viršuje esančių automatinio radijo pelengatoriaus, vadinamo ADF, antenos angų sritį. Tai nebuvo įprastas keleivio langas, pro kurį žiūrima į lauką. Šios angos taip pat priklausė slėgį išlaikančiai korpuso daliai, todėl jų konstrukcija buvo reikšminga bendram stiprumui. „Science Museum Group“ iki šiol saugo G-ALYP viršutinio korpuso fragmentą, kuriame matyti nuovargio įtrūkiai aplink šias angas.

Todėl frazė „katastrofą sukėlė kvadratinis langas“ yra per trumpa visam įvykiui paaiškinti. Problema buvo susijusi su slėginio korpuso konstrukcija, vietiniais įtempiais ir metalo nuovargiu. Be to, antrosios, balandžio mėnesio katastrofos priežasties tyrėjai negalėjo patvirtinti tokia pačia nuolaužų analize. Oficialioje tyrimo ataskaitoje sausio nelaimė siejama su nuovargio sukeltu korpuso suirimu ADF angos srityje, o panašus paaiškinimas laikytas galinčiu tikti ir antrajam įvykiui. Šis tikrumo skirtumas svarbus tiksliai pasakojant istoriją.

Tyrimas pakeitė požiūrį į konstrukcijos bandymus

„Comet“ istorija parodė, kad vien didelės vienkartinės apkrovos atlaikymas neatsako į visus klausimus apie ilgalaikę eksploataciją. Reikėjo geriau suprasti realistiškus apkrovų ciklus ir bandinio būklę. FAA apžvalgoje nurodoma, kad ankstesni didelio slėgio bandymai buvo pakeitę prototipo medžiagos savybes ties didžiausių įtempių vietomis. Vėlesnis to paties korpuso nuovargio bandymas dėl to neatspindėjo įprastų serijinių lėktuvų būklės. Tai buvo svarbi pamoka ir apie bandymų seką.

Vėlesnėse „Comet“ versijose konstrukcija buvo keičiama. „BAE Systems“ istoriniame apraše, pavyzdžiui, nurodoma, kad „Comet 1XB“ pertvarkymas apėmė sustiprintą korpusą ir ovalius langus. Tačiau aviacijos pamoka buvo platesnė už vien naują langų kontūrą. Formą reikėjo vertinti kartu su medžiaga, sustiprinimais ir konstrukcijos patikimumu per eksploataciją. Suapvalintas kampas padeda valdyti įtempius, tačiau pats savaime nėra visas saugumo sprendimas.

Tai atsispindi ir šiuolaikiniame projektavimo požiūryje. EASA didelių lėktuvų reikalavimuose langų konstrukcijai numatyta vertinti nuolatinį bei ciklinį hermetizavimo poveikį, medžiagų savybes, temperatūrą ir jos skirtumus. Atskirai nagrinėjamos langų ir jų tvirtinimo konstrukcijų apkrovos bei atsparumas pažeidimams. Todėl šiandien matomas ovalus ar suapvalintų kampų keleivio langas yra tik išorinė gerokai sudėtingesnio inžinerinio sprendimo dalis. Jo patikimumą užtikrina visa sistema – nuo geometrijos iki bandymų ir eksploatacinės priežiūros.

1954 metų katastrofos išliko skaudžia aviacijos istorijos pamoka apie nedideles vietas, galinčias turėti didžiulę reikšmę. Keleivis mato langą ir vaizdą už jo, o konstruktorius turi įvertinti aplink angą veikiančius įtempius ir jų kitimą per daugybę skrydžių. Būtent todėl suapvalinti kampai yra daugiau nei dizaino detalė. „Comet“ tyrimas padėjo aiškiau suprasti, kad saugi konstrukcija turi patikimai atlaikyti ir vieną skrydį, ir ilgą pasikartojančių apkrovų istoriją.