Uçuşta Rezonansa Giren Helikopter Havada Parçalandı

Mürettebatın yeterli rotor dönüsünü muhafaza edememesine yol açan ağır sarsıntı, ana rotor pallerinin aşırı flaplamasına ve sonrasında da ana rotor pallerinin kuyruk bumuna teması ve helikopterin havada parçalanmasına neden olmuştur.

Frank Lombardi, Rotor & Wings International, Nisan/Mayıs 2018

Çeviren: Ercan Caner, Sun Savunma Net, 2 Eylül 2018

Dallas/Fort-Worth Havaalanı yakınlarında deneysel test uçuşu esnasında yere çarparak infilak eden Bell 525 modeli helikopter. Foto: Bell

Bell 525 Helikopter Kazası ve Kırım Raporunun Analizi

Bell 525 Helikopter Kazası ve Kırım Raporunun Analizi

Deneysel test uçuşları yapan Bell 525 modeli bir helikopter, 6 Temmuz 2016 günü, Dallas/Fort-Worth Havaalanı yakınlarında düşer ve iki deneysel test pilotu bu feci kazada hayatlarını kaybederler. Bir görgü tanığı, test uçuşları icra eden helikopterden iki patlama sesi geldiğini ifade eder. Helikopterin parçaları geniş bir alana yayılır.

O zamanki adı Bell Helicopter olan firma, Bell 525 Relentless modeli helikopterini, ilk kez 2012 yılında, Dallas eyaletinde düzenlenen Heli-Expo’da kullanıcıların beğenisine sunmuştur. Süper orta sınıf çift motorlu bir helikopter olarak lanse edilen yeni hava aracının, firma tarafından gururla ifade edilen bir özelliği de geleneksel manuel kontrol sistemleri yerine elektronik uçuş kumanda sistemine (Fly-by-wire) sahip ilk ticari helikopter olduğudur. Helikopter çeşitli görevlerin yanı sıra esas olarak; kıyıdan uzak doğal gaz ve petrol platformlarında kullanım için ideal bir çözüm olarak kullanıcıların beğenisine sunulmaktadır.

Bell 525 modeli helikopter ilk uçuşunu 1 Temmuz 2015 tarihinde gerçekleştirmiş ve sadece bir yıl sonra, 6 Temmuz 2016 tarihinde, yukarıda bahsedilen trajik kaza meydana gelmiştir. Geliştirme maksadıyla icra edilen bir deneysel test uçuşunda Bell 525 prototip helikopteri yere çarparak infilak eder ve iki test pilotu hayatlarını bu korkunç kazada kaybederler.

Bell 525 helikopterinin kaza kırım sonrası görünümü. Foto: Bell

Test uçuşunu başka bir helikopterden takip etmekte olan helikopterin pilotları, Bell 525’in ana rotor pallerinden bir tanesinin koparak ayrıldığını ve saniyeler sonra da ana rotorun kuyruk bumuna temas ettiğini gördüklerini rapor etmişlerdir.

16 Ocak 2018 tarihinde, kazadan yaklaşık olarak iki yıl sonra NTSB (National Transportation Safety Board – Ulusal Ulaşım Güvenlik Kurulu), kaza kırımla ilgili ayrıntılı raporunu yayınlar; raporda mürettebat ve helikopterin kaybına neden olan kazanın temel nedeninin aşırı sarsıntı olduğu belirtilmektedir.

NTSB tarafından hazırlanan rapor, kazayla ilgili bütün bulguları öylesine ayrıntılı ve titiz bir şekilde açıklamaktadır ki başladıktan sonra sadece 21 saniye süren ve felaketle sonuçlanan olay, bu kadar ayrıntının arasında gözden kaçırılabilir. Kaza nedeniyle yaşamlarını kaybeden Bell firmasının test pilotları Erik Boyce ve Jason Grogan’ın da çok büyük deneyim ve disiplinlerine rağmen, bu kısa sürede başlarına gelen karmaşık fiziksel olayın ne olduğunu anlayabilecek çok az zamanları vardır.

Kaza sonrası gövdeden ayrılan helikopterin ana rotor pallerinden bir tanesi.

Sarsıntı, helikopterlerin ayrılmaz bir özelliğidir ve bütün helikopterlerde kaçınılmaz olarak sarsıntı mevcuttur. Helikopter üzerindeki bütün dönen sistemler, helikopterlerdeki sarsıntıların temel kaynağıdır. En fazla sarsıntı ana rotor sistemindedir ve yoğunluk irtifası, hava hızı ve ağırlığın artması ile yükselen, RPM (Rotation Per Minute- Dakikada Devir Adedi) ile ana rotor pallerinin sayısının çarpımı ile bulunan bir sarsıntıya neden olur. Kaçınılması mümkün olmayan bu aerodinamik fenomenin şiddeti, hava hızı ile doğru orantılıdır. Helikopterlerde, ana rotor pallerinden sonra en fazla sarsıntı ve titreşime neden olan ikinci sistem ise kuyruk rotor palleridir. Sonra sırayı, gövde boyunca uzanan ve ana rotor tarafından yaratılan sarsıntılardan da etkilenen, kuyruk rotor pallerine dönüyü ileten kuyruk rotor sürücü şaftları almaktadır.

Helikopterlerin sarsıntıya eğilimli oldukları herkes tarafından bilinen bir gerçektir. Fakat daha az belirgin olan ise, sertifikasyonun gerektirdiği gibi komponentler arasında görülebilecek rezonans frekanslarını ortadan kaldırmak veya azaltmak maksadıyla, mühendislerin komponentler arasında daha uzun mesafeler kullanmalarıdır.

Helikopterler söz konusu olduğunda, sarsıntının yanı sıra yer rezonansı da pilotlar tarafından oldukça iyi bilinen bir problemdir. Fakat bu yazının konusu sarsıntı ve uçuşta meydana gelen rezonanstır.

Kazanın Gerçekleştiği Test Uçuşu

NTSB raporunun yayınlanmasından sonra Bell firmasının yaptığı yazılı açıklamada da ifade edildiği gibi; Bell 525 prototip helikopteri, kazanın meydana geldiği uçuşta, deneyimli iki test pilotunun komutasında; helikopter yüksek sürat, yüksek güç ve ağırlık merkezi önde (CG-Center of Gravity) iken meydana gelen, tek motor arızası acil durumundan kurtulma manevrasının uçuş karakteristiklerini belirlemek maksadıyla bir test uçuşu icra etmektedir.

NTSB raporunda da belirtildiği gibi kaza öncesi Bell 525 helikopteri, yüksek hız, güç, gross ağırlık ve ileri ağırlık merkezinde meydana gelen tek motor arızasında, kurtarma manevrasını simüle etmektedir. Foto: Bell

Manevra esnasında en son olarak; motorlardan bir tanesinin rölantiye alınarak, tek motor arızasının simüle edilmesi planlanmıştır. Test esnasında önce helikopterin sürati, o günkü performans hesaplamasına göre aşılmaması gereken hız limiti olan (Vne-Velocity Never Exceed) 185 knot’a getirilir. Tek motor rölantiye alınır, beklendiği gibi ana rotorun dakikada devir adedi (RPM-Rotation Per Minute) düşer ve pilot, kollektifi bastırmadan önce belirlenmiş olan bir saniye süre boyunca bekler. Kollektifin aşağı bastırılması nedeniyle RPM düşmesi %92’de durur, fakat tekrar dönmesi gereken %100 RPM geri gelmez. Bu yüksek hava hızı ve düşük RPM şartlarında, helikopterde aniden beklenmeyen bir sarsıntı başlar.

Bell firmasının raporunda; sonrasında sarsıntının, NTSB raporunda da belirtildiği gibi kollektif kumanda kolunda oluşan istem dışı salınımlar dâhil, biyomekanik bir geri besleme döngüsü olarak, artarak kokpit içine yayıldığı ifade edilmektedir. Hava aracının stabilizasyon sistemi de geri besleme döngüsüne katkı sağlamıştır. Sarsıntı hızla artar ve kurtarma manevrasının başlatılmasından yaklaşık olarak 12 saniye sonra, ana rotor RPM’i %80’nin altına düşer, artık ana rotor palleri normal dönü düzleminde hareket etmemektedir, salınımın şiddetiyle ana rotor palleri helikopterin kuyruk bumuna temas eder ve sonrasında hava aracı havada parçalanır.

Ana rotor pallerinin havada temas ettiği helikopterin kuyruk bölümü,
kaza yerinden 1500 feet uzaklıkta bulunmuştur. Foto: Bell

Bilim ve Helikopter Rezonansı

Helikopter üzerinde çok fazla dönen sistem ve komponentlerin olması, farklı karakteristiklerde sarsıntı ve titreşim problemlerine neden olmaktadır. Helikopter sarsıntıları; rotor yapısal bütünlüğü, parça/sistem ömürleri, yangın duvarları, yapısal elemanları ile mürettebat/yolcu konfor ve hava aracının kontrolünü olumsuz yönde etkileyen faktörlerin başında gelmektedir.

Gelişmiş helikopter tasarımları sayesinde sarsıntı seviyeleri büyük oranda düşürülmesine rağmen, halen helikopterlerdeki genel sarsıntı seviyesi (Yaklaşık olarak 0.05 – 0.1 g), sarsıntı seviyeleri 0.01 g’den daha düşük olan jet motorlu uçaklara nazaran önemli oranda büyüktür. Tamamen ortadan kaldırılamasa da bu sarsıntı seviyesini asgari seviyeye düşürmek, helikopter uçuş emniyeti ve hava aracı sistem ve komponentlerinin faydalı ömürleri açısından çok önemlidir.

Sarsıntı, helikopterlerin ayrılmaz bir özelliğidir ve bütün helikopterlerde kaçınılmaz olarak sarsıntı mevcuttur. Helikopter üzerindeki dönen sistemler, helikopterlerdeki sarsıntıların temel kaynağıdır. En fazla sarsıntı ana rotor sistemindedir ve yoğunluk irtifası, hava hızı ve gross ağırlığın artması ile yükselen, RPM (Rotation Per Minute- Dakikada Devir Adedi) ile ana rotor pallerinin sayısının çarpımı ile bulunan bir sarsıntıya neden olur.

Kaçınılması mümkün olmayan bu aerodinamik fenomenin şiddeti, hava hızı ile orantılıdır. Helikopterlerde, ana rotor pallerinden sonra en fazla sarsıntı ve titreşime neden olan ikinci sistem ise kuyruk rotor palleridir. Sonra sırayı, gövde boyunca uzanan ve ana rotor tarafından yaratılan sarsıntılardan da etkilenen, kuyruk rotor pallerine dönüyü ileten kuyruk rotor sürücü şaftları almaktadır.

Kazayı gören bir tanık, iki patlama sesi duyduğunu ve pilot tarafından
yapılabilecek hiçbir şeyin olmadığını ifade etmiştir. Foto: Bell

Helikopterlerin sarsıntıya eğilimli oldukları herkes tarafından bilinen bir gerçektir. Fakat daha az bilinen bir gerçek, sertifikasyon gereklerine uyabilmek maksadıyla; komponentler arasında görülebilecek rezonans frekanslarını ortadan kaldırmak veya azaltmak için, mühendislerin komponentler arasında daha uzun mesafeler kullanmalarıdır.

Helikopterler söz konusu olduğunda, sarsıntının yanı sıra ‘‘yer rezonansı’’ da pilotlar tarafından oldukça iyi bilinen bir problemdir. Fakat bu yazının konusu sarsıntı ve uçuşta meydana gelen rezonanstır.

Rezonans, bir sistemin, titreşim frekansı kendi doğal frekansı ile eşleşen bir dış kuvvete maruz kaldığında titreşim büyüklüğünün artma eğilimidir, diğer bir ifadeyle; birbirleri ile ilişkili küçük kuvvet ve etkilerin toplanarak bir araya gelmesiyle daha büyük etkiler yaratmasıdır. Bu aslında hepimizin henüz çocukken, oyun alanında bir salıncakta sallanırken öğrendiğimiz basit bir olayın ayrıntılı olarak açıklamasıdır. Salıncağın ileri-geri frekans aralığında, bacaklar uygun zamanda enerji ekleme maksadıyla kullanıldığında, salıncağın giderek daha yükseklere ulaştığı herkes tarafından bilinen ve kolayca öğrenilen bilimsel bir gerçektir.

Fakat hava aracı sarsıntı analizi, hava aracı bir değil, altı derecelik hareket sığasında hareket ettiğinden çok daha karmaşıktır. Geliştirme esnasında yapılan bilgisayar modellemesi ve sarsıntılı masa testlerine rağmen, ilk testlerde helikopteri böylesine felakete götürecek bir sarsıntı seviyesine çıkaracak sonuçlar ne yazık ki tespit edilememiştir.

NTSB tarafından hazırlanan rapora göre; sabit yüksek hız ve düşük rotor RPM kombinasyonu ‘‘makas modunda’’ bir sarsıntının başlamasına neden olmuştur. Bu modda, ana rotor palleri tıpkı bir makasın bıçakları gibi açılıp kapanmaya başlamıştır. Ana rotor pallerinde oluşan bu hareket, mastın saniyede altı kez tekrarlanan (6 Hz.) ileri geri sallantısına neden olmuştur. Mastın bu sallantısı da helikopter ana gövdesinin dikey olarak bükülmesine neden olmuş ve helikopterin burun ve kuyruk kısmı 6 Hz. frekansında aşağı yukarı hareket ederken, pilotlar bu dikey hareketi, koltuklarında aynı frekansta birebir yaşamışlardır.

Solda helikopter kumanda sitemleri: Saykılık, Kollektif ve Pedallar. Sağda helikopter ana rotor sistemi.

Hava Aracının Kontrolünde Kapalı Döngü

Pilotlar bir hava aracını normal olarak; hava aracının mevcut durumunu analiz ederek, gerekli kumanda girdisini sağlayarak, hava aracının tepkisini değerlendirerek ve sonrasında da algıladıkları herhangi bir hatayı düzeltmek için yeni bir kumanda girdisi vererek, sürekli bir ‘‘kapalı döngü’’ ile kontrol etmektedirler. Pilotların yaptıkları kumanda hareketleri ‘‘girdi/kazanç’’ olarak adlandırılmaktadır.

Bell 525 modeli helikopter, mekanik uçuş kontrol bağlantıları yerine elektronik kontrol sistemi ile donatıldığından, pilot kumanda girdileri sinyal işlemcilerine gönderilmekte ve burada uçuş kontrol bilgisayarı tarafından yorumlanmaktadır. Müteakiben uçuş kontrol bilgisayarları elektronik sinyaller göndererek akçüatörlerin ne kadar hareket edeceğini ve her bir kontrol yüzeyi veya motordaki girdi/kazanç seviyesini belirlemektedir.

Elektronik uçuş kontrol teknolojisinin avantajlarından bir tanesi; kontrol sistem mühendislerinin, hava aracında arzu edilmeyen hareketleri artırabilecek ve pilot tarafından başlatılabilecek bir salınıma neden olan, hava aracının arzu edilen tepkisi dışına çıkan pilot kumanda girdilerini tasarımla ortadan kaldırabilmesidir. Uçuş kontrol bilgisayarları, bilinen sistem sarsıntı modlarını hesaba katmak ve bunları harekete geçirecek olan pilot kumanda girdilerini filtrelemek maksadıyla da kullanılabilirler. Bilgisayarlar tarafından gönderilen elektronik sinyaller, hava aracı kumanda özelliklerini olumsuz yönde etkilemeyecek şekilde çok dikkatli tasarlanmalıdırlar.

Kazanın meydana geldiği helikopterde, prototip hava aracının kollektif kumandasında herhangi bir filtreleme yoktur. Pilot, Bell 525 helikopterinin kumandalarını sabit tutarken, pilot koltuklarında da biyomekanik geri besleme veya NTSB raporunda ifade edildiği şekilde; hava aracı hızlanmasının neden olduğu istemsiz pilot uzuv hareketlerinden kaynaklanan istem dışı ve kontrolsüz kontrol girdileri olarak algılanacak şekilde, kollektif kumanda aynı 6 Hz. frekans bandında aşağı-yukarı hareket etmiştir.

Bell 525 helikopteri elektronik uçuş kumanda sistemi pilot iş yükünü azalmak ve
uçuş emniyetini artırmak maksadıyla hava aracına takılmıştır. Foto: Bell

Ana rotor pallerinde, istem dışı kollektif hareketlerinin kontrol döngüsüne geri beslemeden kaynaklanan hücum açısı değişiklikleri, makas modundaki sarsıntıya enerji ekleyerek katkıda bulunmuş ve pilot koltuklarında hissedilen dikey sarsıntıyı giderek daha da artırmıştır. Kaza kırım incelemesi sonunda, pilotların dikey eksende 3G kadar kuvvete maruz kaldıkları böyle bir durumda titreyen göstergeleri ve düşen ana rotor RPM’ini algılayamadıklarına karar verilmiştir.

Örneğin, darbeli rüzgâr vb. gibi, pilot kumandası dışındaki etkilerden kaynaklanan ivmelenmeleri sönümleyerek hava aracına kumanda etmeyi kolaylaştıran Hava Aracı Durum ve Baş Referans (AHRS-Attitude and Heading Reference System) sistemi de 6 Hz. frekans  aralığındaki dikey ve yatay gövde bükülmelerini, helikopterin yalpa çemberinden kaynaklanan hareketler olarak algılamış ve bu harekete tepki olarak, kendi 6 Hz. kontrol girdilerini sağlamış, fakat ne yazık ki bu müdahale, helikopterde oluşan makas modundaki salınımın daha da kötüleşmesine neden olmuştur.

2016 yılı Temmuz ayında meydana gelen kaza kırım sonrası Bell 525 test uçuş programına,
2017 yılı Temmuz ayında kaldığı yerden devam edilmiştir.

NTSB raporunda ‘‘pallerin normal düzlem dışında hareketleri’’ olarak ifade edilen olay, Bell firması tarafından, 4 Hz. frekans aralığında dönmekte olan ana rotora uygulanan, 6 Hz. frekans bandındaki kollektif girdileri nedeniyle ‘‘paller arası itki değişmeleri’’ olarak açıklanmaktadır. Normal ve değişmeyen bir itki artışı ve pallerin eşzamanlı bir konilemesi yerine, salınımlı kollektif girdileri, değişen pal aerodinamik kuvvetleri üretmiş bu da kaza geçiren helikopteri takip eden ve izleyen helikopter pilotları tarafından da görülen, ana rotor pallerinin dönüşleri esnasında, normal hareket düzleminin dışına çıkmalarına neden olmuştur.

Bell 525 helikopterinin uçuş testlerine 2017 yılı Temmuz ayında yeniden başlanmıştır. Helikopterin uçuşa elverişlilik sertifikasının 2019 yılında alınması planlanmaktadır. NTSB raporunda, uçuş testleri icra edilen helikopterlerin, kokpit içinden bilgi toplanabilmesi maksadıyla bir ses ve/veya uçuş veri kayıt cihazı ile donatılması gerekliliği vurgulanmıştır.

Yapılan testlerde ana rotor pal dönüsü %100 iken, bütün uçuş rejimlerinde, rotor sarsıntı seviyelerinin normal olduğu belirlenmiştir. Fakat kaza kırım geçiren helikopterde, güç kaybı sonrasında gözlenmesi gereken, ana rotorun normal yavaşlama/hızlanması gerçekleşmemiştir ve yüksek ileri hızda ana rotor RPM’nin %92’de kalması kazanın ana oluş nedenlerinden bir tanesidir.

Bell 525 helikopteri elektronik uçuş kumanda sistem esaslarına 6 Hz. bandı yakınlarındaki sarsıntıları hedefleyerek filtreleyen bir özellik ilave edilmiştir. Mevcut saykılık kontrol filtreleri de AHRS sistemindeki filtre oranlarına ayarlanmış ve derinleştirilmiştir.

Kaza mahallinden bir görüntü. Foto: Bell

Bell, gelecekte icra edeceği tek motor uçuş testlerini %95-100 RPM aralığında yapmayı planlamakta ve helikopterlere, RPM belli bir değerin altına düştüğünde, farklı bir ses tonu ile ikaz eden bir sistem ve tek motor modunu otomatik olarak sonlandıran bir özellik eklemeyi planlamaktadır.

Hava aracı test uçuşu geliştirme safhalarının bir maksadı da normal uçuş zarfını doğru olarak belirlemek maksadıyla, hava aracını manevra sınırlarında uçurmaktır. Fakat helikopterlerin karmaşıklığı da asla göz ardı edilmemelidir ve bazı durumlarda, manevra sınırına doğru yavaşça yaklaşırken dahi bu sınırın istem dışı olarak aşılabileceği asla unutulmamalıdır.

Böyle bir trajedi sonrasında her şeye kaldığı yerden devam etmek kesinlikle oldukça zordur. Fakat havacılık endüstrisinde bugün ulaştığımız seviyeyi, hayatlarını neyin yanlış olduğunu öğrenmek, gerekli düzeltmeleri yapmak, başkalarının acılarına engel olmak ve projenin tamamlanmasını görmek uğruna feda eden Bell test pilotları Boyce ve Grogan gibi, bütün profesyonellerin ilerleme ve mükemmelleşme yönündeki ortak tutkusuna borçluyuz. 

Tacoma Narrows Köprüsünün Çökmesi

Tacoma Narrows Köprüsü, 1 Temmuz 1940 tarihinde Birleşik Devletler’in Washington eyaletinde hizmete girmiştir. O zamanlar dünyanın en uzun üçüncü asma köprüsüdür. İnşa edildiği andan itibaren öylesine belirgin bir aşağı-yukarı oynama hareketi vardır ki inşa edenler ve/veya rüzgârlı havalarda köprüden geçme cesaretini gösteren motor sürücüleri tarafından köprüye ‘‘Galloping Gertie’’ takma adı verilmiştir.

Tacoma Narrows Köprüsü

Yapımı yaklaşık iki yıl süren ve 1 Temmuz 1940 tarihinde trafiğe açılan köprü, sadece dört ay sonra, 7 Kasım 1940 tarihinde saatte 42 mil hızla esen rüzgâr nedeniyle oluşan ve giderek büyüyen burulma sarsıntısına dayanamayarak çökmüştür. Artan salınım, köprünün gerçekten görülmeye değer çöküşüne kadar büyümeye devam etmiştir.

Köprü saatte 120 mil hızla esen rüzgâra dayanacak şekilde imal edilmesine rağmen, henüz inşa halindeyken dahi birçok çalışan, sallantıdan kaynaklanan mide bulantısına engel olmak için limon dilimleri çiğnemektedir.

Bir süre köprünün çökme nedeni; rüzgârın, köprünün doğal frekansı ile rezonansa girmesine bağlanır. Fakat daha derinlemesine bir inceleme ve aerodinamiğin daha iyi anlaşılması sonucunda, meydana gelen olayın; ‘‘sallanma’’ olarak adlandırılan aeroelastik fenomenler sonucunda meydana geldiği ortaya çıkar. Tacoma Narrows Köprüsünün çökmesi olayında, köprünün bükülme hareketinin depolanmış enerjisi üzerine binen ilave aerodinamik kuvvetler, köprünün kendi sönümleme kabiliyeti tarafından giderilememiştir.

Çevirenin Notları: Helikopterlerde yer rezonansı, özellikle tam mafsallı ana rotor sistemlerinde oldukça sık rastlanan bir olaydır ve uçuş okullarında bütün pilot adaylarına ayrıntılı bir şekilde öğretilir.

Tam mafsallı helikopterlerde, düz uçuşta aynı kaldırma kuvvetini sağlayabilmek maksadıyla ilerleyen pal yukarı, gerileyen pal ise aşağı doğru flaplamaktadır. Bütün helikopter pilotları yer rezonansı hakkında ayrıntılı bilgilere sahiptirler. Tıpkı benim gibi. Peki, bu yazıyı neden mi okudunuz? Bilmiyorsanız, tıpkı benim gibi uçuşta da rezonans ile karşılaşabileceğinizi öğrenmek için!

Ben, yazıda anlatılan Bell 525 kaza kırımı sayesinde, uçuş esnasında da bir helikopterin rezonansa girebileceğini, ‘‘toprakları bol olsun ve huzur içinde uyusunlar’’ Bell firmasının deneysel test pilotları sayesinde öğrenmiş oldum. Sizlerin de öğrenmesi ve paylaşması dileğiyle…

Bütün uçuculara emniyetli uçuşlar dilerim.