Estate 1999
Dimensione spazio-temporale minima di azioni correttive di traiettoria in cortissimo finale
Il titolo provocherà forse curiosità dal momento che l'argomento non mi pare che sia stato trattato in precedenza su documenti o pubblicazioni tecniche di una certa rilevanza e diffusione.
L'unico documento che riporta una serie di concetti per il controllo di aeromobili da trasporto risale a diversi anni or sono. Era intitolato:
AWARENESS OF STRESSES ASSOCIATED WITH APPROACHES AND LANDINGS UNDER MARGINAL CONDITIONS
Il documento era stato redatto nel 1981 da J.S.Clauzel, Flight Safety Manager di McDonnell-Douglas, aveva lo scopo di sensibilizzare gli equipaggi di condotta alla necessità di riattaccare in certe condizioni e lo faceva attraverso una serie di interessanti considerazioni tecniche. Esso è riproposto in questo stesso numero di airmanship on line.
Ma quello di cui voglio parlare è qualcosa di più specifico che può fornire un ulteriore riferimento per la costruzione personale di un atteggiamento mentale che faccia interrompere un avvicinamento deteriorato, particolarmente in vicinanza della pista.
E' un argomento che avevo nel mio archivio mentale da molti anni e non ho mai avuto la possibilità di inserirlo nelle pubblicazioni tecniche di cui mi sono occupato perchè c'erano cose più urgenti di cui parlare ed anche perchè mi sembrava di affrontare un concetto talmente basilare da essere considerato offensivo nei confronti di colleghi professionalmente consolidati.
Quindi mi scuso con chiunque ritenga che sto proponendo l'acqua calda ma credo che diversi eventi dimostrino la necessità di parlare di questo argomento.
La definizione del titolo "dimensione spazio-temporale minima di azioni correttive di traiettoria" può essere riassunta in modo estremamente sintetico con "bit di correzione" e con queste parole la chiamerò d'ora in avanti per brevità.
Quando ci si riferisce alla manovrabilità di un aeromobile si intende un complesso di caratteristiche che comprendono anche questo "bit di correzione". Le caratteristiche di manovrabilità della macchina sono diverse per le diverse aree dell'inviluppo operativo ed è un attività specifica del pilota collaudatore esplorare queste aree e spingersi ai limiti dell'inviluppo stesso.
Quello di cui mi occuperò in questa esposizione è la manovrabilità riferita ad un segmento estremamente preciso, circoscritto e vincolato ad un punto del terreno, il punto di contatto con la pista in atterraggio.
Il segmento di traiettoria che ci interessa e quello di avvicinamento finale che precede il contatto. Diciamo da 200 piedi al contatto, un tratto rettilineo lungo circa 1200 metri che viene percorso in 15-25 secondi in base alla velocità d'avvicinamento, inclinato di 3 gradi (una pendenza del 5%) che termina su un punto della pista che si incontra dopo 300 metri dall'inizio della stessa.
La visione del movie-clip dell'MD-11 che atterra ad Hong Kong disponibile sul sito www.airdisaster.com (che ora è divenuto: Chris's Airplane Website) è stato un altro elemento che mi ha spinto a parlare di questo sarchiapone ribattezzato "bit di correzione".
Chi non ha visto il movie-clip può collegarsi con il sito suddetto e scaricarsi questa interessante testimonianza.
Quello che si vede sono la manciata di secondi prima del contatto di un MD-11 in finale per la pista 13 del vecchio aeroporto di Hong Kong, gli ultimi100 ft circa.
Dal video si può dire con certezza che l'aereo sta manovrando per raggiungere l'allineamento con il centro pista con rotazioni del muso verso sinistra.
Questa rotazione è il risultato di azioni sul volantino e sul timone (piede sinistro) per tentare un rientro prima del contatto.
I movimenti del timone verso sinistra accentuano l'inclinazione delle ali che viene compensata da ampi movimenti del volantino (alettoni e spoilers visibili sull'ala destra) per recuperare l'eccesso di "left bank".
Poco prima del contatto l'aereo assume un assetto leggermente più cabrato rispetto al tratto precedente ma è inclinato a sinistra e tocca il suolo con il carrello sinistro seguito dalle ruote di destra molto vicine al bordo destro della pista, certamente entro la pavimentazione di cemento.
L'estremità dell'ala sinistra e la cappottatura del motore sinistro appaiono molto vicine al terreno nel momento del contatto. Un contatto che solleva una notevole fumata di gomma fusa.
Poi l'aereo si stabilizza al suolo e recupera la zona centrale della pista.
Si può aggiungere che il rateo di discesa è elevato.
La spinta non ha un valore adeguato alla manovra.
Il vento ha influenzato la manovra di rientro.
Questo è quello che è possibile rilevare tecnicamente osservando il fatto rappresentato da questo breve flash.
Per noi (flight operations safety & quality assurance - anno 1995) che abbiamo avuto modo di conoscere i dettagli di un evento esattamente sovrapponibile è possibile raccontare altri fatti e rilevare altri fattori causali che andremo a riferire per stimolare l'interesse di chi svolge attività operativa.
Ma lo faremo dopo aver capito che cosa è il "bit di correzione".
Ognuno di noi si comporta istintivamente quando cammina o corre a piedi e vuole rientrare su una traiettoria dopo aver, ad esempio, evitato un ostacolo. Qualche passo e un paio di secondi sono generalmente sufficienti.
Lo stesso avviene quando andiamo in bicicletta. Lo spazio di rientro è di alcuni metri.
In automobile aumentando la velocità aumenta progressivamente in termini quasi esponenziali la distanza necessaria per il rientro su una traiettoria; il tempo rimane sostanzialmente invariato. Consideriamo ovviamente una condotta coordinata e non una manovra di emergenza. Ma anche in una condizione di emergenza non si può andare al di sotto di uno spazio fisico e di un tempo che dipendono dalla manovrabilità e dalla stabilità della macchina.
Le traiettorie sono tanto più vincolanti quanto più il mezzo possiede elevate quantità di moto (massa per velocità). E' nota l'importanza dello stare in traiettoria nei circuiti automobilistici. E' noto anche che un enorme nave da trasporto ha una così bassa manovrabilità che l'impostazione di uno specifico percorso richiede anticipi che vanno da diversi minuti per leggere accostate ad alcune ore per una inversione di rotta completa.
Nel disastro del Titanic, in quello dell'Andrea Doria e in quelli di diverse super-petroliere negli ultimi anni, comandanti e ufficiali di bordo non avevano chiare in mente tutte le implicazioni di queste caratteristiche, una carenza di "seamanship".
Ma è meglio salire sull'aereo.
Il pilota percepisce un eventuale scostamento laterale o verticale da questa linea ideale attraverso molti elementi visivi esterni o strumentali interni.
Supponiamo che a 200 piedi di altezza l'aereo è allineato sul bordo destro della pista e sta dirigendosi verso di esso (a causa di un vento non adeguatamente corretto in precedenza oppure al termine di un percorso curvo come quello di una virata base da un circuito a vista).
Questo scostamento innesca una sequenza di comportamenti dell'uomo e della macchina che possono essere elencati come segue.
(uomo)
- Percezione - lo scostamento come segnale visivo colpisce i recettori sulla retina, passa attraverso il nervo ottico e raggiunge l'area cerebrale dedicata.
- Elaborazione/Decisione - il segnale nervoso attiva i centri di memoria a corto e a lungo termine e attraverso meccanismi di retroazione viene riconosciuto come scostamento. Viene riconosciuta la necessità di un'azione correttiva e valutata la sua entità attraverso altre aree di memoria ed altri circuiti di retroazione.
- Azione - il risultato viene inviato al sistema neuromuscolare per l'attuazione dei movimenti specifici sui comandi di volo (volantino-pedaliera-manette motori).
(aeromobile)
- Movimento delle superfici di comando - variazione della spinta dei motori.
- Variazione dell' assetto laterale, longitudinale, trasversale - variazione di velocità.
- L'aeromobile inizia a percorrere una traiettoria in aria diversa.
- L'aeromobile è prossimo alla traiettoria richiesta.
(uomo)
- Percezione - che lo scostamento si è ridotto.
- Elaborazione / Decisione - che tale riduzione di scostamento richiede una manovra di smorzamento.
- Azione - conseguente sui comandi.
- E così via fino al ripristino della condizione corretta.
Questa sequenza, illustrata in modo abbastanza elementare, si svolge in intervalli temporali di diversi secondi.
Con una velocità di finale di 60 - 80 m/s ed una velocità discensionale di 12-15 piedi al secondo, da 200 piedi (circa 1200 metri di distanza dal contatto) al suolo la sequenza si sviluppa su una distanza di alcune centinaia di metri e si ha, nella migliore delle ipotesi, una sola scarsa possibilità di riportare un grande aeromobile su una traiettoria corretta, pur se è di soli 20-30 metri fuori asse pista.
Migliore delle ipotesi vuol dire che il pilota ha buone doti psico-dinamiche e motorie, ha familiarità con la macchina e con l'ambiente, la macchina ha buone caratteristiche di manovrabilità, non ci sono venti significativi o windshear, e c'è buona visibilità.
Abbiamo preso come esempio 200 piedi perchè erano i minimi di ceiling con i quali operammo per oltre 20 anni nell'aviazione di tutto il mondo. All'inizio di queste operazioni non c'erano adeguate procedure e ripartizione di compiti tra i membri di condotta che permettessero di evitare alcune trappole comportamentali frequenti nelle operazioni in bassa visibilità.
Di tanto in tanto qualcuno completava l'avvicinamento avendo stabilito il contatto visivo al di sotto del minimo richiesto. L'atterraggio avveniva perchè l'aereo era perfettamente stabilizzato o perchè l'autopilota aveva lavorato correttamente.
Qualche volta l'aeromobile arrivava ai 200 ft spostato lateralmente e la visione repentina delle luci di pista condizionava molti piloti a tentare di recuperare la traiettoria corretta.
Molti di questi tentativi finirono fuori pista con esiti spesso disastrosi.
La mancanza di visibilità è un elemento ambientale negativo e la dimensione dell'azione correttiva si amplia notevolmente.
Venti significativi e windshear sono l'altro elemento ambientale che altera le dimensioni del "bit di correzione". Anche in questo caso incidenti disastrosi, di cui uno molto recente, testimoniano l'impossibilità di qualsiasi accoppiata pilota-aeromobile di venir fuori indenni dall'incontro di windshear. Allora bisogna evitare l'incontro.
Se il pilota è educato a selezionare gli stimoli, ad interpretarli correttamente, è addestrato ai comportamenti più appropriati per la situazione incontrata, quindi ha esperienza di situazioni precedenti analoghe, i tempi di reazione diminuiscono; ma l'esperienza di precedenti situazioni può essere fatta solo sperimentandole frequentemente e non è il caso di farlo in operazioni di linea.
Lo scopo dell'addestramento è invece quello di far riconoscere quando non si può e non si deve proseguire in una traiettoria non corretta e come anticipare la decisione di fronte a condizioni ambientali penalizzanti.
Se l'aeromobile è una versione "stretched" (allungata) che accentua il ritardo tra movimento delle superfici di comando e variazione di assetto, lo spazio per la correzione di traiettoria e il tempo per effettuarlo è maggiore; in realtà aeromobili come l'MD11 o altri tipi in versioni stretched, diffusi prevalentemente dalla McDonnell-Douglas, hanno questa peculiarità dovuta alla dimensione non eccessiva delle superfici di comando rispetto al braccio di leva tra esse ed il baricentro; il B747 compensa la lunghezza con un significativo sovradimensionamento delle superfici di comando.
Alla configurazione d'atterraggio ha una manovrabilità superiore a quella di molti narrow-bodies. Ed ha velocità d'avvicinamento inferiori di 15 nodi rispetto all'MD11.
Parlando di velocità dobbiamo considerare la presenza eventuale di componente di vento in coda che accentua la velocità rispetto al suolo e la velocità discensionale con aumento degli spazi in cui si svolge la suddetta sequenza.
Tutti questi elementi concorrono a far individuare per ogni possibile combinazione uomo-macchina-ambiente, cioè pilota, aeromobile, condizioni dell'ambiente antistante la pista e la pista stessa, un elemento minimo di spazio percorso e tempo trascorso tra la prima percezione di scostamento dalla traiettoria ottima per raggiungere il punto di contatto e la posizione e il momento in cui tale scostamento è annullato.
Questo elemento minimo è l'entità indicata nel titolo e ribatezzata "bit di correzione".
Il suo valore è tale che il pilota di linea non può presentarsi al di sotto di 400 piedi (o poco meno in avvicinamenti curvilinei) se non è perfettamente stabilizzato sul prolungamento dell'asse pista.
Per gli scostamenti verticali il discorso ha elementi analoghi con diversità di aspetti tra gli scostamenti al di sopra e al di sotto della traiettoria.
Se l'aeromobile è alto gli elementi da considerare sono la limitazione della velocità discensionale (variometro non superiore a 1000 ft/m) il setting di motore e la velocità, la presenza di windshear, la lunghezza di pista e lo stato della pista, ecc.
Se l'aeromobile è al di sotto della traiettoria intervengono considerazioni di separazione dal terreno e da ostacoli.
In ogni caso il "bit di correzione" ha sempre valori significativi rispetto al poco spazio e al poco tempo, disponibile in cortissimo finale, per recuperare la traiettoria corretta.
Pertanto ed in conclusione si deve essere consapevoli che insistere nell'avvicinarsi al terreno equivale a cacciarsi in un imbuto senza via d'uscita ed è un procedere su una traiettoria balistica e non controllata.
In quel caso l'opzione go-around (riattaccare) costituisce un'apertura che libera dalla difficoltà di recuperare la traiettoria spaziale precisa e rigida che porta al contatto. La traiettoria di riattaccata è un cono che si amplia verso la direzione del volo e verso l'alto, che allontanando l'aereo dal terreno consente la progressiva diminuzione dei vincoli di correzione; la riattaccata si attua con una specifica e assimilata sequenza di comportamenti che semplificano una situazione altrimenti incontrollabile.
Alcune frequenti obiezioni: "A me è capitato di non essere perfettamente centrato in corto finale, a volte il vento, a volte esci da una procedura non precision, ma non ho avuto mai grossi problemi, ho fatto in tempo a rientrare, magari ritardando il contatto!"
Ritardare il contatto, mangiarsi la pista perchè non si è avuta la possibilità fisica di ridurre il "bit di correzione" e non toccare entro la zona prevista ha provocato molti incidenti da overrun. Gli aeromobili non erano tutti alti e veloci, erano invece disallineati e i piloti hanno continuato nella ricerca del contatto, dilazionandolo, con risultati disastrosi.
Nel caso di Hong Kong il pilota non ha avuto questa tentazione ma l'esito poteva essere ugualmente disastroso.
" Riattaccare ogni volta che uno non è perfettamente stabilizzato vorrebbe dire atterrare anche mezz'ora dopo perchè l'ATC ti fa passare avanti un sacco di aeroplani, negli USA poi è ancora peggio, e poi il carburante. E dopo 10-12 ore di volo sai che allegria! In fondo ci vuole anche un pò di manico!"
Sono frasi sentite troppe volte. Esse esprimono incapacità di interpretare il ruolo di comando, non corretta percezione degli obiettivi, tendenze ad assumere rischi per pressioni esterne, in definitiva ignoranza di molti dei vari mattoni che costituiscono l'edificio dell'airmanship.
In molti incidenti i fattori umani rappresentati da atteggiamenti mentali come quelli ricordati sono denominati: complacency, get-homitis syndrome, compulsion to land, macho attitude, management pressure (maintain schedule, save fuel, etc.).
Quindi bisogna prima togliersi di dosso queste incrostazioni comportamentali e poi si riuscirà ad avere una visione più corretta della dimensione minima spazio-temporale per una correzione di traiettoria in cortissimo finale.
Molti incidenti dell'aviazione di linea mondiale e diversi incidenti di aeromobili immatricolati in Italia hanno avuto tra i fattori causali sequenze dei comportamenti uomo-macchina non adeguate alla situazione.
Parleremo in dettaglio di alcuni incidenti che sono riportati in forma sinottica nell'elenco della scorsa edizione di airmanship on line (per rivederli web.tiscalinet.it/flysafe/spring99/articoli/incidenti1.html).
Ora torniamo alla storia dell'MD11 in atterraggio ad Hong Kong.
La ripresa fu effettuata dalla terrazza di uno dei palazzi che circondano la zona antistante l'estremità occidentale dell'aeroporto.
Tutti i voli venivano regolarmente sorvegliati dall'Autorità aeroportuale di Hong Kong perchè molti piloti, dopo aver allineato l'aereo nel tratto finale, provenienti dalla precedente virata, tendevano ad arrivare piuttosto bassi non rispettando le indicazioni del PAPI (Precision Approach Path Indicator) e andando al di sotto del margine di sicurezza dagli ostacoli (i palazzi appunto).
Quindi questo atterraggio non passò inosservato (e il filmato lo dimostra).
L'Autorità aeroportuale notificò al rappresentante locale della Compagnia che l'aeromobile aveva danneggiato tre luci laterali di pista. Il danno era stato accertato con un'ispezione in pista effettuata dopo aver constatato il tipo di contatto e la traiettoria seguita.
L'evento andava ad aggravare una situazione già segnalata dall'Autorità con un rapporto alla Compagnia riguardante frequenti infrazioni al rispetto delle traiettorie da parte dei suoi aeromobili (MD11).
Questo rapporto giunse alla Direzione Operazioni Volo e all'Ente Sicurezza solo in seguito ad un sollecito fatto con toni ultimativi dall'autorità di Hong Kong. La Compagnia rischiava la sospensione delle operazioni se non avesse provveduto a correggere la situazione.
Una cosa che destò perplessità era l'assenza di qualsiasi segnalazione da parte dei piloti dei fatti indicati dall'Autorità aeroportuale.
Due comandanti incaricati dell'ente sicurezza volo furono inviati ad Hong Kong dal responsabile dell'ente per accertare i particolari della vicenda e per smussare l'atteggiamento ostile dell'autorità locale. Essi confermarono che esistevano prove di quanto veniva contestato. Sappiamo ora che tipo di prove, anche se non sappiano come siano finite sul sito airdisaster.com.
Fu iniziata allora un'indagine che portò a diverse dichiarazioni che rivelarono la realtà vissuta dall'interno dell'aeromobile che aveva danneggiato le luci di pista.
Dopo i racconti aumentarono le perplessità per l'assenza di segnalazioni a riguardo sul giornale di rotta e si intervenne per sensibilizzare i piloti a non trascurare questo aspetto importantissimo della comunicazione.
Restava ancora il mistero dell'assenza di danni alle ruote dell'aereo.
In effetti un'accurata ispezione eseguita dal tecnico di terra ad Hong Kong dopo l'atterraggio non aveva rivelato danni. Però risultò che una ruota fu sostituita in uno scalo successivo. Un altra persona incaricata dall'ente sicurezza volo si recò allora al magazzino dello scalo di armamento dove finivano tutte le ruote sostituite; egli la trovò facilmente per mezzo del part number. Aveva una profonda e netta marcaturta sulla superficie del battistrada che corrispondeva alle dimensioni del supporto metallico frangibile delle luci di pista.
L'ente sicurezza volo prese di nuovo contatto con l'Autorità di Hong Kong e furono illustrati loro i provvedimenti di prevenzione individuati ed adottati tempestivamente.
Sinteticamente si trattava di non mandare ad Hong Kong comandanti di MD11 senza congrua esperienza dell'aeromobile (minimo sei mesi di macchina). Doveva essere effettuato un primo volo in ricognizione ed un secondo volo in occasione del primo controllo di linea. L'atteggiamento dell'autorità di Hong Kong cambiò radicalmente perchè ascoltarono il linguaggio che essi si aspettavano di sentire da chi rappresentava una grande Compagnia, quello dell'assunzione di responsabilità e della sicurezza del volo.
L'evento pose ancora l'accento sulle caratteristiche di manovrabilità dell'MD11 in fase di atterraggio venute alla luce in seguito ad altri incidenti in condizioni analoghe.
Non fu possibile l'analisi di tutti gli elementi di questo evento a causa della non disponibilità della registrazione dei dati di volo per ragioni di tipo organizzativo interno.
Comunque è possibile fare delle considerazioni sulla validità dell'uso dell'automanetta in certe condizioni di vento.
I moderni automatismi di regolazione di spinta sono teoricamente in grado di operare in modo egregio con forti venti e con windshear ma la complessità delle condizioni di vento di bassa quota dovute all'orografia o a fenomeni locali occasionali di varia intensità, non permette di realizzare programmi di intervento automatizzato della spinta idonei a contrastare qualsiasi condizione.
Osserviamo il movie di Hong Kong.
Sappiamo che l'avvicinamento avveniva per pista 13 con vento da Nord-Nord-Ovest, di circa 15 nodi, una condizione nota ai piloti con familiarità dell'aeroporto, che comporta una progressiva diminuzione della componente di vento in coda al di sotto dei 300-200 piedi. Questa condizione provoca momentaneo aumento di IAS (velocità indicata) seguito immediatamente da decadimento di IAS (se non interviene un aumento di spinta) e da abbassamento di traiettoria (se non interviene un supplementare aumento di spinta).
L'automanetta, d'altra parte, non aumenta la spinta a causa dell'iniziale momentaneo aumento della IAS, interviene solo e quando ne sente la diminuzione ma allora è troppo tardi e l'aereo continua a sprofondare con lo stesso elevato variometro.
I piloti che conoscono queste dinamiche meteo locali, presenti più o meno in ogni aeroporto del mondo, ricorrono all'uso manuale del motore per impostare tempestivamente regimi adeguati ancor prima che si manifesti la variazione di velocità.
Questa capacità di anticipare le azioni correttive è dovuta alla acquisizione con l'esperienza di certe percezioni che non possono ancora essere messe a programma in un computer di bordo.
Su aeromobili con control systems di più avanzata tecnologia le azioni correttive sono facilitate ma resta il problema di fondo relativo alla affidabilità di tali sistemi e, sinteticamente, ai problemi di comunicazione uomo-macchina.
Altri incidenti in atterraggio in condizioni di windshear indicano che questi aspetti sono degni della massima attenzione.
