Przyglądając się zapisom czarnych skrzynek z katastrofy w Smoleńsku można natknąć się na wiele anomalii, które na swój własny użytek nazwałem artefaktami. Postaram się tu przedstawić parę swoich przemyśleń na ich temat. Anomalie w zasadzie występują po uderzeniu w brzozę. Piszę w zasadzie, ponieważ w niektórych okresach rejestrator eksploatacyjny ATM-QAR wykazuje cechy zamrożenia wartości, które sięgają najprawdopodobniej przed uderzenie chociaż spowodowane są zdarzeniami późniejszymi (ATM-QAR zapisuje dane z opóźnieniem).
Na początek zajmiemy się paroma wykresami z raportu MAK. Tutaj przypomnę, że podobnie jak we wcześniejszych odcinkach "artefaktów", zamiast pojęciem czasu, będę posługiwał się "umownymi numerami ramek". Ramka zapisywana są co pół sekundy i zawiera komplet danych. Można porównać ją do kartki papieru z rubrykami dla poszczególnych parametrów. Niektóre parametry, w tym przeciążenie pionowe, są zapisywane częściej (8 razy na sekundę) i każda ramka zawiera cztery wartości. Na poniższych wykresach grubsze, pionowe linie oznaczają granice ramek, a cieńsze wyznaczają dodatkowy podział ze względu na częstsze notowanie parametru. Należy pamiętać, że dwie ramki zawierają zapis z jednej sekundy. Wybrałem operowanie ramkami, dla uproszczenia. Będę analizował 10 ostatnich ramek, czyli 5 ostatnich sekund.
Silniki
Na początek przyjrzymy się wykresom pracy silników. Poniżej zamieszczam wykres powstały na podstawie Figure 25 z angielskiej wersji raportu MAK ze strony 70, przy czym została nieco zmieniona konwencja kolorów względem wykresu MAK: silnik nr 1 - zielony, silnik nr 2 - czerwony i silnik nr 3 - niebieski. Czarne kółka oznaczają rzeczywiste pomiary w skrzynkach, wykonywane dla każdego silnika z osobna co pół sekundy, natomiast łączące linie są tylko pomocą wizualną.
Poza widocznymi kłopotami silnika nr 1 w końcówce lotu, uwagę zwraca niezwykłe zsynchronizowane co do czasu i wartości zmniejszenie obrotów w czwartej ramce pomiarowej. Wygląda to tak, że mniej więcej w tym samym momencie w 0,5 sekundy silniki zmniejszyły obroty o ponad 10%, po czym przy następnym pomiarze mamy nagły wzrost o prawie 20%. Ten wzrost jest o wiele bardziej gwałtowny niż normalne rozpędzanie turbin w ramce 3 i wcześniejszych. Co więcej po tej nagłej zmianie wzrost zostaje zahamowany. Żeby nie przynudzać za długo, proponuję spojrzeć na nieco przerobiony wykres.
Przy odrzuceniu pomiarów w czwartej ramce powstałyby gładkie wykresy bez spowolnienia i przyśpieszania, zachowujące idealną ciągłość. Biorąc powyższe pod uwagę, jestem przekonany, że widoczne na wykresach pracy silników, ściśle zsynchronizowane zmniejszenie obrotów, nie jest zapisem rzeczywistego zachowania silników, a raczej zakłócenia powstałego w układach pomiarowych. Przemawia za tym:
1. Ścisła synchronizacja zmian zarówno co do czasu, jak i wartości.
2. Narastanie prędkości przekracza możliwości silników montowanych w Tu 154M.
3. Po dociągnięciu wartości w ramce 5 wzrost nagle ustaje.
Zobacz też "Artefakty w czarnych skrzynkach - uzupełnienie".
Ster kierunku
Podobne zachowanie wykazuje ster kierunku. wykres powstały na podstawie Figure 25 z angielskiej wersji raportu MAK ze strony 70.
W ramkach 2 i 3 obserwujemy narastające wychylenie steru przeciwdziałające momentowi skręcającemu, by w czwartej ramce zanotować niespodziewany spadek tego wychylenia. Podobnie jak poprzednio możemy spróbować wykluczyć wartość zanotowaną w czwartej ramce by otrzymać:
W ten sposób otrzymalibyśmy bardziej logiczny wykres wychylenia steru kierunku, który miał przeciwdziałać momentowi skręcającemu.
Podobne "piki" można jeszcze dostrzec na paru innych wykresach, jedną z dość ciekawych cech wspólnych tych wykresów jest zlokalizowanie zakłóceń w części ramki numer 4, na powyższych wykresach ten przedział czasu jest wyróżniony pomarańczowym kolorem tła.
Zobacz też "Artefakty w czarnych skrzynkach - uzupełnienie".
Przeciążenie pionowe
Nadszedł czas na wykres najbardziej rozpalający wyobraźnię wszystkich badaczy - przeciążenie pionowe. Tym razem od razu zamieszczę wykres z dorysowanymi modyfikacjami. Wykres powstał na podstawie Figure 45 z angielskiej wersji raportu MAK ze strony 156.
Przeciążenie pionowe jest rejestrowane osiem razy na sekundę (cztery razy w ramce) i zakłócenie wartości obejmuje, aż dwa pomiary. Zestawiając ten wykres z wcześniejszymi, możliwe jest, że te dwa pomiary nie opisują rzeczywistego zachowania samolotu, ale też są wynikiem zakłócenia pomiaru.
Interpretacja fizyczna
Gdyby wartości przedstawione na wykresie przeciążenia pionowego reprezentowały rzeczywiste zachowanie samolotu, to w czasie dwóch interesujących nas pomiarów siła wypadkowa działająca w dół na samolot musiałaby odpowiadać przeciążeniu około 1 g. Większość internetowych badaczy w tym miejscu kończy swoje rozważania. Pójdźmy jednak dalej. Co może spowodować taką zmianę wypadkowej sił działających na samolot?
Siła nośna
Załóżmy, że skok wartości przeciążenia pionowego jest spowodowany nagłym spadkiem siły nośnej. Weźmy wzór na siłę nośną:
(1) F = Cz * ro * S * v² / 2
Przed zakłóceniem wartości (czyli dla 1,3 g) w tym wzorze miały mniej więcej następującą wartość
994700 [N] ~= 1,49 * 1,25 [kg/m³] * 185 [m²] * ( 76 [m/s] )² / 2
Zarówno przed, jaki i po zakłóceniu zarejestrowane przeciążenie ma wartość około 1,3 g, by spaść do około 0,25 g. Oznacza to zmniejszenie siły nośnej o czynnik 1,3 / 0,25 = 5,2. Zobaczmy, które elementy wzoru (1) możemy ruszyć.
1. Przy sprawnym samolocie zmiana Cz z 1,49 na 0,29 wymagałaby nagłej zmiany kąta natarcia z 10° na -2°, czyli nagłe, w czasie krótszym niż 125 ms, wahnięcie o jakieś 12°, co daje przeciążenia w kabinie pilotów rzędu 100 g!
2. Możemy też zmienić gęstość ośrodka z 1,25 na 0,24 kg/m³ wprowadzając do atmosfery hel lub wodór (tylko te gazy są wystarczająco lekkie, przykładowo hel niecałe 0,18 kg/m³).
3. Możemy też odciąć (a później dokleić ;) 150 m² powierzchni nośnej.
4. Na koniec możemy zmniejszyć prędkość do 33,3 m/s (uwaga na potęgowanie!) hamując (a później przyśpieszając ;) z przeciążeniem około 35 g.
Wszystkie powyższe możliwości są fizycznie nierealne, stąd spadek siły nośnej nie może być odpowiedzialny za "wstrząs" w czwartej ramce.
Wybuch
W powszechnym mniemaniu wybuchy są potężne, więc wytworzenie siły odpowiadającej 1,05 g przez około 0,25 sekundy nie powinno być problemem. Wszak już parę kilogramów ładunku potrafi poczynić ogromne zniszczenia. Nie chciałbym tu za bardzo wchodzić w paradę "mistrzowi" Szuladzińskiemu, dlatego przeprowadzę jedynie uproszczone obliczenia. Wybuch może wytworzyć ciąg wpływający na lot samolotu wyrzucając masę swoich produktów w ściśle określonym kierunku. W takim przypadku zastosowanie miałby wzór:
(2) F = ve / t * m
gdzie F to wytwarzana siła, ve - efektywna prędkość wyrzutu, m- wyrzucana masa, a t- czas w jakim wyrzut masy był rozłożony. Po przekształceniu:
(3) m = F / ve * t
Za ve wstawimy 3000 [m/s], największą spotykaną wartość dla stałych materiałów, czyli:
m = 1,05 * 78000 * 9,81 / 3000 * 0,25
m ~= 67 [kg]
Dla uzyskania założonej siły przez 0,25 sekundy, trzeba w tym czasie wyrzucić w przeciwnym kierunku łącznie masę 67 kg z założoną prędkością 3000 m/s. Obliczoną wartość można traktować jako dolne ograniczenie, ponieważ założone parametry (prędkość wyrzutu i idealne skierowanie odrzutu w jednym kierunku) są nieosiągalne dla wybuchów, stąd dla uzyskania podobnego efektu potrzeba by raczej około 10 razy więcej masy.
Rolę środka wybuchowego mogłoby spełnić paliwo wymieszane z powietrzem, jednak tego powietrza w zbiornikach centralnych było za mało (zaledwie kilka kilogramów), natomiast powietrze zewnętrzne rozciągnęłoby wybuch poza samolot.
Poważnym problemem związanym z wybuchem jest wymóg zachowania strukturalnej stabilności. Silny, lokalny wybuch nawet kilku kg materiałów wybuchowych (lub odpowiadający paliwa) spowodowałby zniszczenie elementów konstrukcyjnych i uniemożliwiłoby późniejsze normalne wytwarzanie siły nośnej. Dodatkowo dla skierowania powstającej siły w odpowiednim kierunku konieczne byłoby zachowanie ciągłości spodniej części samolotu, dla uniemożliwienia działania sił reakcji w przeciwnym kierunku - niwelujących zamierzony efekt. Są to założenia nierealne.
Różnice w zapisach
Dodatkowy mętlik wprowadzają wyraźne różnice między zapisami poszczególnych skrzynek.
Jak w takim przypadku interpretować wartości. Uśredniać jak robił to jeden z ekspertów Macierewicza, czy rozpatrywać każdy z osobna i odrzucać potencjalnie nieprawidłowe dane?
Profesjonaliści
Nie tak dawno opublikowano finalny raport z katastrofy Airbusa A330-203, F-GZCP, lot AF 447 z Rio de Janeiro do Paryża 1 czerwca 2009. W tym raporcie można znaleźć kilka wskazówek, jak z takimi problemami radzą sobie profesjonaliści. Jakoś nie mieli oni problemu z uśrednianiem danych lub niezgodności z wynikami symulacji.
Co więcej nie mieli oporów z zaakceptowaniem faktu, że zapisy czarnych skrzynek mogą nie odpowiadać rzeczywistemu zachowaniu samolotu i zdecydowali się wyliczać parametr (w tym przypadku liczbę Macha) z innych parametrów
Myślę, że to wskazuje potencjalną metodę wykazywania, które parametry są rzeczywiste, a które błędnie zapisanymi danymi.
Podsumowanie
O ile do uderzenia w brzozę parametry zapisane w czarnych skrzynkach można traktować jako odpowiadające rzeczywistemu zachowaniu się samolotu, to po tym uderzeniu pojawia się wiele wątpliwości, czy dana zmiana rejestrowanej wartości jest wynikiem (i przyczyną) rzeczywistego zachowania samolotu, czy też jest zakłóceniem mającym minimalny związek z prawdziwym przebiegiem zjawiska. Bezkrytyczna interpretacja wykresów prowadzi do wielu nieporozumień, czego jaskrawym przykładem jest słynne machanie skrzydłami wywiedzione przez ekspertów Macierewicza.
Pozostaje jeszcze problem, co spowodowało te zakłócenia. Moim zdaniem, szeroki wachlarz parametrów podlegających anomaliom wskazuje, że przyczyny należy szukać w podzespołach pomiarowo-rejestrujących. Po prostu istnieje mała szansa, że w zasadzie niezależne od siebie podzespoły w tym samym momencie (fragmencie czwartej ramki) wykazały duże odchylenia od przewidywanego stanu. Brzytwa Ockhama nakazuje szukać rozwiązania u zbiegu sygnałów, najprawdopodobniej MSRP-64. Być może praprzyczyną są uszkodzenia linii pomiarowych (lub zasilających) w wyniku oderwania końcówki skrzydła, a może jest to tylko wstęp do mającej miejsce sekundę później szarej strefy w ramce nr 6.
Notka ta jest głosem w dyskusji, jak czytać i uwzględniać zmienność parametrów w ewentualnych obliczeniach i symulacjach.
