Ekstremalny test Airbusa A350

Prędkość lotu: około 1000 km/h, długość maszyny: 74 metry, cena: „jedyne” 300 milionów euro. A350 to najnowszy cud techniczny inżynierów Airbusa. Maksymalną prędkość ustalono początkowo tylko w przybliżeniu, ponieważ olbrzym, który może pomieścić nawet 440 pasażerów, do chwili pierwszego startu „latał” wyłącznie w symulatorze.

Kiedyś nadchodzi jednak moment, gdy sześciu mężczyzn na pokładzie musi dostarczyć dowodu na to, że w ciągu ostatnich siedmiu lat żaden z konstruktorów oraz mechaników się nie pomylił. I faktycznie: 221 ton masy startowej, wśród oklasków, po raz pierwszy wzniosło się w powietrze nad Tuluzą we Francji.

– Samolot był jeszcze niemal „goły”, aby zmieściły się w nim wiązki przewodów o grubości ramienia oraz sprzęt pomiarowy ważący 20 ton – wyjaśnia pilot doświadczalny Martin Scheuermann.

Czterech inżynierów siedzących w kokpicie za pilotem uważnie obserwowało wskazania wartości ponad 1000 parametrów. Do centrum kontrolnego na ziemi drogą satelitarną dostarczane były gigabajty danych wraz z obrazami rejestrowanymi przez kamery samolotu towarzyszącego.

W czasie czterogodzinnego lotu nad południową Francją zbiorniki balastowe symulowały obecność pasażerów i ładunku – tak rozpoczął się trwający wiele miesięcy maraton testowy. Bo co w rzeczywistości oznacza „bezpieczny samolot”? Co musi wytrzymać taka maszyna? I na czym polega lot ­doświadczalny?

Zanim nowe modele samolotów będą mogły przewieźć pierwszych pasażerów, muszą przejść co najmniej 2000 godzin testów, składających się z nierzadko przerażających manewrów.

Airbus A350 wykonuje symulowane lądowanie na pasie całkowicie zalanym wodą o głębokości 23 milimetrów. Maszyna mknie przez 60 metrów sześciennych cieczy z prędkością niemal 220 kilometrów na godzinę i pomimo utraty przyczepności kół, tzw. akwaplanacji, musi wyhamować.

– W ten sposób udowadniamy również, że rozbryzgująca się woda nie dostaje się do silników – wyjaśnia inżynier Jean Christophe Bonjour. Ale to tylko jedna z wielu prób w najbardziej skomplikowanym na świecie procesie dopuszczenia pojazdu do użytku.

– W trakcie testów sprawdzane są obciążenia wielokrotnie większe od tych, które powstają nawet podczas najsilniejszych turbulencji – opisuje swoje zadanie pilot doświadczalny Wolfgang Absmeier. – Ktoś, kto patrzy na to z boku, nie wierzy, że samolot jeszcze leci!

Spełnienie standardowych norm technicznych to zdecydowanie za mało, jeśli chodzi o lot doświadczalny. W laboratorium klimatycznym McKinley, znajdującym się na terenie bazy Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych, A350 musiał więc udowodnić w temperaturze –40°C, że jego silniki pracowałyby bez zarzutu także zimą na Syberii. Ale piloci doświadczalni pięciu testowanych samolotów poszukiwali ekstremalnych „przygód” również w innych zakątkach globu.

Do startów i lądowań wybierali skrajne warunki: na Islandii zmagali się z wiatrem bocznym wiejącym w porywach z prędkością 90 km/h, w północnej Kanadzie walczyli ze śnieżycą, podczas której siła wiatru wynosiła 9 w skali Beauforta, w gorącym jak piec Dubaju maszyna musiała znieść temperaturę 53°C, w Singapurze – niemal stuprocentową wilgotność powietrza, a w Boliwii poderwać się z płyty w rozrzedzonym powietrzu na wysokości ponad 4000 metrów.

Trasa innej, 14-­godzinnej podróży prowadziła aż na biegun północny i z powrotem, ponieważ określanie pozycji w pobliżu osi obrotu Ziemi jest znacznie utrudnione. – A także tam muszą przecież działać przyrządy nawigacyjne – wyjaśnia pilot doświadczalny Martin Scheuermann. Ale nawet taki lot to za mało, aby samolot osiągnął granicę swoich możliwości...

Wystartować, manewrować, wylądować, kołować – i tak 130 razy na dzień. Podczas specjalnych prób zmęczeniowych około 100 urządzeń nieustannie naciska, ciągnie albo popycha samolot. W ten sposób inżynierowie mogą w jedenastu minutach zamknąć obciążenia lotu trwającego 16 godzin.

Dzięki temu w czasie 26 miesięcy symulują 47 500 cyklów startów i lądowań, czyli dwa razy więcej, niż maszyna przejdzie w trakcie 25 lat użytkowania. Samolot musi również wytrzymać ekstremalne przeciążenia: dowiedziono, że skrzydła A350, których długość wynosi 30 metrów, mogą odchylić się od poziomu o 5,2 metra, nie łamiąc się przy tym.

Ale nie tylko w laboratorium przekraczane są granice: A350 zwykle lata z prędkością 900 kilometrów na godzinę, zaś jego prędkość dopuszczalna wynosi 950 km/h. Testowany jest jednak przy wartości 1020 km/h – to zaledwie o kilka procent wolniej od tempa przemieszczania się dźwięku w powietrzu.

W przypadku prędkości tego rzędu, możliwych do osiągnięcia jedynie podczas szybkiego obniżania pułapu lotu, na samolot oddziałują ogromne siły, które są w stanie wprawiać powierzchnie nośne w drgania. A to jeszcze nie wszystko: – Podczas przeprowadzania w locie tak zwanych prób flatterowych inżynier – jeden do dwóch razy na minutę – wysyła do skrzydeł, które i tak już wibrują w potężnym strumieniu powietrza, dodatkowy impuls mechaniczny – wyjaśnia Scheuermann.

– Test ten jest do tego stopnia niebezpieczny, że podczas jego wykonywania mamy na sobie spadochrony i kaski.

Dokładnie 3,65 kg waży „standardowa” bernikla kanadyjska – wyjątkowo duży i ciężki ptak o twardych kościach. Spotkanie z nim musi wytrzymać każdy samolot – nawet jeśli dojdzie do niego przy prędkości 500 km/h. Tyle bowiem wynosi maksymalna prędkość podczas startu oraz lądowania, kiedy z reguły mają miejsce tego rodzaju zderzenia z ptakami.

Co istotne: siły powstające w trakcie wypadku z udziałem dzikiego zwierzęcia mogą być 10 000 razy większe od ciężaru jego ciała. Widać to na umieszczonym obok zdjęciu Boeinga 737, mimo że dziób samolotu jest dobrze zabezpieczony przed takimi zdarzeniami dzięki zastosowaniu specjalnego, elastycznie reagującego materiału.

Bardziej narażone są szyby kabiny pilotów oraz silniki: aby sprawdzić ich bezpieczeństwo, przeprowadza się próbę, podczas której ostrzeliwuje się je z działka pneumatycznego blokami żelatyny albo martwymi ptakami.

Robi się to kilka razy przy turbinach pracujących na pełnych obrotach – po „ataku” muszą być w stanie działać co najmniej w trybie awaryjnym.

– Utrzymanie wysokiej jakości powietrza w kabinie dla 400 osób to niełatwa sprawa – stwierdza pilot doświadczalny Martin Scheuer­mann. Coraz większa liczba urządzeń elektronicznych używanych przez pasażerów sprawia, że na pokładzie wytwarza się obecnie więcej ciepła niż kiedyś.

Silne strumienie chłodnego powietrza nie są niestety idealnym rozwiązaniem, ponieważ wysuszają drogi oddechowe, wywołując przeziębienia. Nowoczesne samoloty pracują więc z systemem wymiany powietrza, którego integralną częścią są kanały w podłodze.

Inżynierowie dokonują za pomocą laserów pomiaru ruchu gazów wzdłuż 63 manekinów. Kukły są ogrzewane, ponieważ człowiek także oddaje ciepło (mniej więcej tyle, ile emituje żarówka o mocy 75 W).

Pomiaru przepływu ciepła od palców stóp aż po czubek głowy manekina oraz parametrów powietrza odpowiedzialnego za dobre samopoczucie pasażerów dokonuje w sumie 220 czujników.

13,5 miliona euro – tyle, co ponad 340 kg złota – kosztuje nowoczesny silnik samolotowy Rolls Royce Trent 900, który zapewnia ciąg między innymi w A380. Start tego największego samolotu pasażerskiego na świecie to moment krytyczny: większość z 250 ton kerozyny (paliwa lotniczego) znajduje się wtedy w płatach nośnych, bezpośrednio nad silnikami.

Widoczny we wlocie powietrza wirnik obraca się przy pełnym ciągu prawie 50 razy na sekundę. Prędkość na końcach poszczególnych 24 łopat wirnika jest wtedy nawet 1,5-krotnie większa od prędkości dźwięku w powietrzu – odłamanie się jednej z nich (każda waży 15 kilogramów) jest dla samolotu niczym zderzenie z lokomotywą o masie 110 ton.

Właśnie tę gigantyczną awarię symulowali eksperci z Centrum Kosmicznego NASA: na zamieszczonym powyżej zdjęciu widać, jak inżynierowie przeprowadzający testy wyłamali zdalnie łopatę wirnika, aby sprawdzić, czy przebije wzmocnioną kevlarem obudowę silnika pracującego w tym czasie pełną mocą.

Nawiasem mówiąc: A350 mógłby po tym jeszcze przez siedem godzin lecieć na jednym silniku – co oznacza, że w zasadzie na jakiejkolwiek z uczęszczanych obecnie tras w dowolnym momencie może „wysiąść” turbina, a pilot mimo to dotrze do najbliższego ­lotniska.

A350 z maksymalnym ładunkiem startowym 300 ton, do tego osiem mocno zużytych hamulców oraz niesprawny ciąg wsteczny – to (bardzo rzadkie) warunki ramowe testowego hamowania awaryjnego przy prędkości 150 km/h.

Może się to zdarzyć przede wszystkim wtedy, gdy pilot przerywa start, np. z powodu wykrycia usterki, i próbuje zatrzymać maszynę na pasie startowym. Mimo że po osiągnięciu temperatury 1400 stopni Celsjusza hamulce rozgrzewają się do czerwoności, samolot, nawet z przedziurawioną oponą, musi być całkowicie sterowny.

Przez pięć minut nie może się też zapalić – tyle maksymalnie wynosi czas reagowania lotniskowej straży pożarnej.

Pięć i pół godziny lecieć przez chmury burzowe, a przy tym średnio co 200 sekund doświadczać uderzenia pioruna – to część pracy pilota doświadczalnego. Metal kadłuba działa jak klatka Faradaya, tzn. odprowadza ładunek elektrostatyczny z dowolnego miejsca jego wejścia – aż do miejsca wyjścia, przez które piorun powraca w powietrze. Dlatego pasażerowie wewnątrz są bezpieczni.

Oprócz lekko zaczernionego od wysokiej temperatury lakieru wyładowanie prawie w ogóle nie pozostawia śladów na poszyciu. W przypadku nowych modeli samolotów, zbudowanych z nieprzewodzących prądu elektrycznego materiałów kompozytowych, konstruktorzy muszą wplatać specjalną metalową siatkę, która odprowadzi ładunek – w przeciwnym razie kadłub mógłby się uszkodzić w miejscu uderzenia gromu.

Sprawdź, o czym jeszcze można przeczytać w nowym numerze "Świata Wiedzy 10/2016"

Martin Scheuermann spędził ponad chmurami prawie 1,5 roku swojego życia. Obecnie ten były pilot wojskowy testuje wszystko, co Airbus chciałby wprowadzić na niebo: od nowych urządzeń, po całe samoloty. Znalazł dla nas chwilę, między dwoma lotami.

Jakie to uczucie, gdy olbrzymi samolot pasażerski po raz pierwszy odrywa się od ziemi?

- To bardzo szczególny moment, na który tysiące fachowców pracują przez długie lata. My, jako załoga, na oczach wszystkich wkraczamy na nieznany obszar - ponieważ udowadniamy, że nowa konstrukcja rzeczywiście potrafi się wzbić w powietrze.

Przed tym debiutem nie ma żadnej próby generalnej, musimy więc mieć duże zaufanie do pracy innych. Jasne, zanim ta chwila nastąpi, na danym modelu samolotu odbywamy tysiące lotów w symulatorze, ale w ten sposób można zbliżyć się do rzeczywistości zawsze tylko w ograniczonym stopniu.

Dlatego też za pierwszym razem lecimy jedynie przez 4-5 godzin i wykonujemy standardowe manewry. Bardziej wymagające testy przeprowadzane są dopiero wtedy, gdy z ziemi nie obserwują nas już ­tysiące gapiów.

Co jest takim bardziej wymagającym testem?

Chociażby świadomie spowodowane przeciągniecie. Wywołujemy je, lecąc na przykład tak wolno, że skrzydła nie wytwarzają już wystarczającej siły nośnej. Wtedy zaczynamy spadać i musimy odzyskać kontrolę nad samolotem. Dla nas to tylko fizyka w praktyce, ale dla pilotów liniowych - prawdziwy koszmar.

Oczywiście oni również potrafią sobie poradzić w takiej sytuacji, lecz w ich przypadku znacznie wcześniej uruchomiłoby się w kokpicie wiele alarmów. My z kolei, krok po kroku, zbliżamy się do granicy - od tego zależy nasze życie.

Czy nigdy nie odczuwa Pan nieprzyjemnego ściskania w dołku?

Musimy być w stu procentach skoncentrowani na zadaniu. W naszym kokpicie w wielu sytuacjach panuje inny rodzaj napięcia niż u kapitana latającego na trasach długodystansowych, który w trakcie przelotu z reguły korzysta z autopilota.

Co jakiś czas doprowadzamy do sytuacji niebezpiecznych, w których samolot zachowuje się inaczej, niż było to zamierzone, na przykład gdy z prędkością 550 km/h wchodzimy w ostry zakręt i, podobnie jak na karuzeli łańcuchowej, poruszamy się z przyspieszeniem 2,5-krotnie większym od ziemskiego.

Ale nawet jeśli samolot przechyli się wtedy bardziej, niż sądziliśmy, zawsze mamy bufor bezpieczeństwa, w ramach którego możemy odpowiednio zareagować.

Czy testowane samoloty można rozpoznać po wyglądzie?

Często latamy w barwach Airbusa, ale niekiedy także konkretnych linii lotniczych. Nie wyróżniamy się zatem zbytnio. Znakiem rozpoznawczym jest na pewno dziwne zachowanie: możemy się na przykład wznosić lub zniżać szybciej niż pozostali.

Ostatnio łatwo było nas rozpoznać po nietypowym działaniu w Keflaviku na Islandii. Są tam dwa przecinające się pasy do lądowania i często wieje wiatr z prędkością 50 km/h. Wszyscy inni startują i lądują pod wiatr, my mieliśmy go z boku, aby udowodnić, że można sterować samolotem nawet w najtrudniejszych warunkach.

Ale co, jeśli okaże się to jednak niemożliwe? Istnieje wtedy jakiś plan awaryjny?

W trakcie testów krytycznych zawsze mamy na sobie kaski oraz spadochrony. Wyskoczenie ze spadochronem jest jednak tylko teoretyczną drogą ewakuacji – nie mogę się przecież katapultować jak w myśliwcu! Musiałbym w trakcie szybkiego opadania przejść wraz z kolegami kilkanaście metrów na tył samolotu do włazu awaryjnego, przecisnąć się przez niego, a wypadając, prawdopodobnie uderzyłbym w bok samolotu.

Zatem lepiej będzie, jeśli utrzymam samolot pod kontrolą – a dotychczas zawsze mi się to udawało.

Co dzieje się z samolotami po zakończeniu testów?

Wszystko, co zniszczymy, na przykład układ hamulcowy albo elementy konstrukcyjne samolotu, można naprawić. Obecnie, aby testować nowe komponenty, korzystamy z najstarszego A320 sprzed prawie 30 lat. Zadania takiego samolotu nie zawsze są ekscytujące: gdy używany jest na przykład do konfiguracji systemu wentylacyjnego kabiny samolotu, wtedy po zakończeniu testów bez problemu można go sprzedać.

Zupełnie nowy model pojawia się na rynku co 10–15 lat. Co więc Pan robi w tym czasie?

Wszystkie samoloty są nieustannie udoskonalane. Obecnie testuję pięć typów samolotów jednocześnie: od A319neo po ­A350-1000. Czasem sprawdzamy układy hamulcowe, innym razem zupełnie świeżą konstrukcję – i to na długo przed pierwszym oficjalnym lotem. Właściwie to pracy jest coraz więcej, ponieważ za sprawą postępu technicznego nowe modele pojawiają się szybciej niż kiedyś.

Konsultacja naukowa: dr Tomasz Greczyło, Wydział Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Wrocławskiego.

Sprawdź, o czym jeszcze można przeczytać w nowym numerze "Świata Wiedzy 10/2016"