Problematiche di crash 1

PROBLEMATICHE DI CRASH
Parte I
Dispense del corso di Strutture e Materiali Aerospaziali II
Vittorio Giavotto - Chiara Bisagni
Anno Accademico 2003-2004
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Strutture e Materiali Aerospaziali II - Anno 2003/2004
Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633
I-1
THE SIGNIFICANCE OF
CRASHWORTHINESS
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
Politecnico di Milano
•THE IDEA OF CRASHWORTHINESS
•HISTORICAL BACKGROUND
•HELICOPTERS AND LIGHT AEROPLANES
•TRANSPORT AEROPLANES
•FULL SCALE TESTS
•NUMERICAL ANALYSIS
•BIOMECHANICS
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I-2
THE IDEA OF CRASHWORTHINESS
PREVENTION
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•
•
The idea that occupants must survive crashes is a relatively new
concept
The basic idea of safety was Accident Prevention
Prevention of flight accidents became very effective: nowadays
flight is acceptably safe, safer than road transport
The probability of a flight accident, per passenger×mile or per takeoff, is very low but not null
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I-3
THE IDEA OF CRASHWORTHINESS
PROTECTION
•
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•
•
•
Safety can be substantially improved by protecting occupants in
crashes
Prevention and Protection are the two fundamental issues of safety
The protection of the occupants is committed to the airframe, that
therefore must be crashworthy
Crashworthiness becomes a novel design requirement
Advancements in crashworthiness demand a well balanced growth
in technology, legislation and public consciousness
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I-4
SYSTEMS INTERACTING IN A CRASH
in t e r n a l o r g a n s
hum an body
c a b in in t e r io r
p r o t e c t iv e c e ll
f u e l/e le c t r ic a l s y s t e m
e x te rna l struc ture
im p a c t e d s u r f a c e
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I-5
HISTORICAL BACKGROUND
•
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1940s
1952
1960
•
•
•
•
•
1964
1967
1972
1972
1980s
•
•
1986
1980s
Hugh De Haven Pioneer Research
NACA Aircraft and Fire Tests, Lewis
US Army Transportation Research Command
initiates a long range program
FAA Full Scale Tests on Transport Planes
US Army Crash Survival Design Guide
US Army MIL-STD-1290
Start of NASA/FAA Co-operative Effort
GASP/NTSB Study on General Aviation
Crashworthiness
Controlled Impact Demonstrator (CID)
FAA/NASA Full-Scale Test Program
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I-6
1960 US ARMY LONG RANGE PROGRAM
early evidence from accident investigation reports
The following factors should be addressed in the initial
aircraft design:
1 Crash Resistance of Aircraft Structure - The ability of the airframe to
maintain living space
2 Tiedown Strength - The strength of the linkage preventing occupants,
cargo, or equipment from breaking free
3 Occupant Acceleration During Crash - The intensity and duration of
accelerations experienced by occupants
4 Postcrash Hazards - The threat to occupant survival posed by fire,
drowning, entrapment, etc.
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I-7
HELICOPTERS (AND LIGHT AEROPLANES)
•
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•
•
Crashworthiness Standards are consolidated, and mandatory in the
Military field
The Civil Standard are propelled by the successful application of
the Military ones
Typical crash scenario includes autorotation with or without
antitorque control
Potentially survivable crashes include:
– predominant vertical velocity impacts
– longitudinal impact into a rigid wall (12.2 m/s, with cabin
shortening 15%)
– low angle missed approach
– turnovers (not less than 2×360° with structural integrity)
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I-8
PREDOMINANTLY VERTICAL (FROM AUTOROTATION)
Direction Along Aircraft
Axis
Velocity Change
(m/s)
Vertical (downward)
12.80
Lateral
9.14
Longitudinal (forward)
Cockpit
Passenger compartment
15.24
15.24
Resultant vector
15.24
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I-9
LOW ANGLE MISSED APPROACH
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•
•
Soil
Aircraft Pitch
Aircraft Roll
Aircraft Yaw
Flight Path Angle
Longitudinal impact Speed
Impact Sink Speed
Loose Plowed
5° nose down
±10°
±20°
- 8° down
30.48 m/s
4.27 m/s
The risk may come from a possible tendency that may
cause high accelerations and hazards
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I - 10
THE MOST DEMANDING STRUCTURAL PERFORMANCE
COMES FROM THE HIGH ENERGY IN VERTICAL IMPACTS
The impact energy is absorbed, with controlled displacement, by:
•
•
•
The Landing Gear
- normal stroke
- extra stroke
The Subfloor Structure
The Crew and Passenger Seats
Seats are designed and tested to standard acceleration pulses
applied to the floor attachments.
Typical figures are 30 g, with a rise time of 31 ms
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I - 11
POSTCRASH HAZARDS
IMPACT ON WATER
The flat bottom of the fuselage causes very high pressures at
the very beginning of the impact
Helicopters may tend to roll inverted and sink
POST-CRASH FIRE
Post-crash fire prevention is achieved by the current helicopter
design
No fuel spillage in dynamically survivable crashes
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I - 12
TRANSPORT CATEGORY AEROPLANES
•
The wide fuselage and the large lower uninhabited compartment
allows large deflections without reduction of the living space
•
There is a great potential for acceleration mitigation, and safety,
provided the interior is crashworthy and post-crash hazards are
overcome
•
Post-crash hazards, remaining the major problems to be
addressed, are:
– Ditching
– Fire
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I - 13
DITCHING OF A TRANSPORT AIRCRAFT
CRITICAL PHASES:
Touch down: high pressure due to the large radius of the fuselage
cross section may break the skin
Deceleration on water: any instability in pitch, roll or yaw will end in
a catastrophe; fuselage skin must be integer
Floating: must be long enough to allow safe evacuation of all the
passengers
Ditching in rough sea is still a major hazard
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I - 14
POST- CRASH FIRE
•
Transport Aircraft carry a large amount of fuel in integral wing tanks
•
3 over 4 fatalities in dynamically survivable accidents are due to fire
•
The current post-crash safety relies on rapid evacuation
•
If an external fire develops, the average time available for
evacuation is 130 s
•
Fuselage skin and insulation maintain a survivable space for this
period
•
It must be possible to complete evacuation in 90 s (mandatory)
•
Evacuation is safe only on the side of fuselage with no fire, if any
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I - 15
RAPID EVACUATION (less than 90 s)
•
•
•
Good lay-out of seats and emergency exits
Well trained cabin personnel
Passenger mobility not impaired by:
– injuries
– broken or heavily deformed seats
– failure of interior furniture
Safe evacuation requires crashworthy seats, luggage bins, galleys
The absence of fire makes evacuation much safer
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I - 16
AN INTERESTING EXAMPLE: AVIANCA 052 ACCIDENT
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I - 17
AVIANCA Flight 052 Accident - January 25, 1990
After an aborted landing at JFK, a Boeing 707 run out of fuel and
was forced to land on trees
The crash was severe, possibly outside the standard survivability
envelope
Fire did not develop because fuel was missing
Large number of survivors, considering the severity of impact: 85
over 158, about 54%
The potential increase in survivability in aircraft crashes from
safer fuel tanks is so high that a moderate cost should be
accepted by Airlines and by passengers
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I - 18
PREVENTION OF POST- CRASH FIRE
•
Prevention of post-crash fire is difficult
•
In a crash integral wing fuel tanks are exposed to break and to
deliver a large amount of fuel
•
Any acceptable fire safety improvement should have no cost in
terms of weight or fuel capacity
PROPOSALS
Anti Misting Kerosene: flared out in CID
Bladder Cells: unacceptable weight and capacity penalty
Fuel Tight Compartments: still promising
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I - 19
FULL-SCALE TESTS
Full-scale tests are essential for obtaining accurate realistic data
The high cost of the test article demands reliability and accuracy in
impact conditions
LAUNCHING METHODS
Free flight with remote control: flexible but costly and inaccurate
Cable pendulum: poor accuracy if cables loose tension
A new idea: the LISA launching facility, by CIRA, at Capua, Italy:
the test aircraft is positively guided with the prescribed attitude,
velocity and flight path
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