Pilotinfo

Popel ze sopky v motorech letadel

Přidáno: 29. Listopad 2017Autor:

Není to tak dávno, kdy mrak sopečného popela prakticky zastavil většinu letů nad Evropou. Od té doby se mnozí z nás ptají, co vlastně může způsobit sopečný popel v leteckých motorech, zejména těch proudových. Zkusíme se tedy podívat, proč z bezpečnostních důvodů letecké společnosti nyní nelétají na Bali, kde hrozí erupce jedné tamní sopky po několika desítkách let.

motor Cessny Citation poškozený sopečným popelem

motor Cessny Citation poškozený sopečným popelem

Nebezpečí číhá ve vzduchu

Prvním důvodem je laicky řečeno to, jak sopečný popel obsahuje mnoho velmi malých a tvrdých částic, takže působí jako „smirkový papír“. A jako abrazivum se také tak chová. Pokud poletíme déle než 5 minut v oblasti, kde se v ovzduší vyskytuje silnější koncentrace sopečného popela, ten začne postupně „obrušovat“ horní vrstvu barvy na povrchu letounu a velmi brzy celý nástřik může nenávratně poškodit. V praxi to často znamená pro leteckou společnost investovat do nového nástřiku letadla, což jej spolehlivě „uzemní“ na 3-5 dnů a to je velmi drahé. K tomu malé částice takového popela obsahují rovněž řadu prvků způsobujících korozi – například kyselinu sírovou,různé oxidy síry a další podobné látky.

Hlavním důvodem je ale působení sopečného popela na proudové motory letadel. Největším nebezpečím je podle motorářského experta Paula Baumfortha spolupracujícího s firmou Rolls-Royce teplota tavení sopečného popela v rozmezí mezi 990 až 1080°C. Právě vysokotlaká část proudových motorů pracuje v rozsahu teplot kolem 2000°C. Uveďme si jednoduchý příklad. Pokud vlétneme do oblasti s vyšší koncentrací sopečného popela, za zhruba 20 vteřin se začne snižovat výkon motorů.  Ty nasávají velké množství vzduchu se sopečným popelem . Jeho tavení bývá dílem okamžiku a spolehlivě se usazuje na horkých částech motoru: na tryskách vstřikování paliva, na stěnách spalovací komory a hlavně na lopatkách vysokotlaké turbíny. Nejdříve se jen projeví nepravidelnými dodávkami paliva, což může způsobit tzv. pumpáž a motor je třeba ihned vypnout. V dnešní době to spolehlivě udělá automatický systém ovládání motorů a posádka má hned plné ruce práce. Pokud ale dojde doslova k zalepení vstřikovacích trysek paliva a tím zhasnutím plamene, motor ihned vysadí.

Problém řeší vědci i v Praze

Celá věc je ovšem mnohem hlubší, podařilo se mi získat zajímavé informace od pana Radka Mušálka z pražského Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR. K uvedenému tématu mi poslal dále uvedené informace. Je zde jeden zajímavý materiálový aspekt spojený rovněž s tzv. CMAS (nejde pouze o vulkanické písky, ale obecně o nízkotavitelné mikroskopické pevné částice v atmosféře (typicky například pouštní písek), které způsobují v provozních podmínkách v turbínách velké potíže. Dovolím si proto malou exkurzi z našeho pohledu a samozřejmě půjde také o velmi zjednodušenou zkratku – téma je opravdu složité, už jenom proto, ze těchto CMAS materiálů je celá řada (složení písku nad Arizonou je jiné, než nad Mongolskem nebo Austrálií. Částice pocházející z vulkanické činnosti jsou samozřejmě také jiné. V principu mají ale velmi podobné účinky).

V současné době jsou komponenty v horké části motoru opatřovány tzv. termálními bariérami (TBC), které umožňují pracovat s vyšší “turbine inlet temperature” (uvádí se až o několik set stupňů celsia), což výrazně zvyšuje efektivitu motoru. V principu se jedná o kombinaci porézní keramické vrstvy, která má nízkou teplotní vodivost a kovové vazné mezivrstvy, která zlepšuje adhezi a chrání materiál lopatky proti korozi. TBC se standardně připravují dvěma hlavními technologiemi – tzv. plazmovým stříkáním (tím se zabýváme u nás) nebo tzv. PVD depozicí. Aby tyto vrstvy spolehlivě fungovaly, musí mít odolnost proti termomechanickému namáhání, tzn. nesmí praskat při ohřátí (vrstva a součást mají různé součiny teplotní roztažnosti) a nesmí prasknout vlivem mechanického namáhání (například vlivem odstředivých sil působících na rotující lopatku). Vrstva také nesmí degradovat v důsledku působení vysoké teploty po dlouhou dobu (např. opakované dálkové lety) nebo naopak teplotních šoků (např. start letounu). Takovéto ochranné vrstvy jsou dnes součástí každého moderního motoru a jde o prověřenou spolehlivou technologii. Problém nastane v okamžiku, kdy dojde k nasátí CMASu do turbíny a jeho depozici na povrch součástí s povlaky/nástřiky. Dochází totiž k penetraci roztavené nízkotavitelné fáze do pórů ochranné vrstvy, čímž vrstva ztrácí svoji poddajnost a po ochlazení dochází ke vzniku pnutí (v důsledku rozdílné teplotní roztažnosti) a degradaci nástřiku (delaminace, odhalení substrátu, akcelerace koroze, apod.). Tento jev může být až překvapivě rychlý a pro vrstvu destruktivní. Součást, která přijde o TBC vrstvu je pak vystavena vyšší teplotě, než na jakou byla projektována, a může dojít například k urychlenému creepu lopatky (prodloužení vinou součinnosti teploty a odstředivých sil) a “škrtnutí” lopatky o stator, zadření motoru apod.

Dalším problémem například je, že CMAS depozity za zvýšené teploty korozně napadají keramickou vrstvu, která pak mění své fázové složení a mikrostrukturu, což ji dále degraduje. Celá problematika je nicméně velmi složitá a po erupci sopky na Islandu je na výzkum v této oblasti celosvětově v našem materiálovém oboru upřena opravdu velká pozornost.

popel v proudovém motoru

popel v proudovém motoru

Co ale dělat za letu?

Jak ale můžou piloti za letu takové situaci zabránit, vždyť meteorologické radary celé řady typů nemají šanci rozeznat ty maličké částečky sopečného popela, jejichž velikost je v několika mikrometrech? Za letu tomu už zabránit nelze, jediným řešením je varování posádek letadel řídícími letového provozu s následným uzavřením celé oblasti pro leteckou dopravu a to se nyní na Bali právě stalo. Ostatně to platí i pro klasické pístové letecké motory. Své o tom ví jeden Skot, jeho Cessna 172 se dostala před pár lety nedaleko Islandu do oblasti zasažené sopečným prachem. Motor se po chvíli začal přehřívat, jeho chod byl nepravidelný a na poslední chvíli se mu podařilo přistát na jedné polní cestě. Po přistání zjistil, že se sopečný prach díky své jemnosti bez potíží dostal i přes dvojitý filtr přímo do válců motoru. Bohužel, motor musel být vyměněn v polních podmínkách a téměř zoufalý aviatik přespával u letounu ve stanu, než se po čtyřech dnech a po výměně motoru mohl vydat zpět na domácí letiště.

sopečný prach v leteckém motoru

sopečný prach v leteckém motoru

Ohrožena je i klimatizace letounů

Pěknou „paseku“ může napáchat sopečný popel i v systému klimatizace letounu. Postupně celý systém zanáší, což způsobuje jeho nižší účinnost a přehřívá jej. Systém výměníků tepla je sledován elektronikou a pokud se přehřívá, musí posádka letounu rychle reagovat a co nejdříve přistát na nejbližším letišti, jak nedávno uvedl pan Stephen Wright z technické univerzity v Leedsu. Sám dříve pracoval jako letecký konstruktér a upozornil i na další nebezpečí: tyto výměníky tepla jsou u mnoha typů letadel instalovány v blízkosti hlavní nádrže paliva a tak může dojít k jejímu výbuchu, pokud by posádka problém za letu nedokázala vyřešit.

Problémy měl i Concorde

V 80. letech minulého století letěl jeden nadzvukový dopravní Concorde s cestujícími na exkluzivním letu kolem světa pro jednu britskou cestovní kancelář. Při letu právě v oblasti Indonésie, když už letoun letěl v podzvukovém režimu (Mach 0,95), tak piloti i palubní inženýr krátce zaznamenali menší pokles výkonu dvou motorů,ale za chvíli bylo vše v normálu . Uvedli to ovšem do letových záznamů a po návratu do Londýna v rámci pravidelné údržby našli mechanici ve spolupráci s experty firmy Rolls Royce velmi malé částice sopečného popela. A tak z preventivních důvodů byl letoun čtyři dny odstaven z provozu a byly vyměněny všechny jeho motory, to vše platila pojišťovna. Po jejich demontáži u výrobce jeho technici objevili další zbytky sopečného popela právě ve vysokotlaké části motoru a všem bylo jasné: taková výměna byla opravdu nutná. Lak letounu naštěstí poškozen nebyl.

Ze seriálu o leteckých nehodách je znám případ letounu Boeingu 747 společnosti British Airways letící dne 24.6.1982 na lince do Perthu v Austrálii. Po dotankování paliva v Kuala Lumpuru ve stoupání vlétli do oblaku sopečného popela ze sopky Mount Galunggung na Jávě, ovšem posádce to řídící nesdělili. Začalo to zápachem dýmu v kabině a končilo postupných vysazením všech motorů za letu! Z letounu se stal jen velký kluzák a jak víme, po vyklesání do nižší letové hladiny a vylétnutí z oblasti se sopečným popelem se posádce postupně podařilo všechny motory nahodit a přistát nouzově v Jakartě. Známy jsou ale i další podobné případy.

I když letecké společnosti často kritizují příslušné vládní úřady až za příliš přísný zákaz letů podle jejich názoru v nehorázně velké letové oblasti, bezpečnost cestujících je prostě na prvním místě a to platí i pro nynější situaci na Bali. A není ohrožena jen doprava cestujících, ale také nákladu. Například plných 40% německého exportu je závislých na letecké dopravě a to také není zanedbatelný fakt.

Tematicky související články

Leave a Reply