Vliegtuig mag scheuren, maar binnen de tolerantie

Vliegen wordt veiliger dankzij technische verbeteringen en analysemethoden. Safe life werd fail safe, maar aandacht voor menselijk falen blijft geboden.

Dat vliegen veiliger zou zijn dan autorijden is net zo'n vreemde bewering als zeggen dat het bed een gevaarlijk transportmiddel is omdat de meeste mensen in bed overlijden. Per gemaakte passagierskilometers vallen in de luchtvaart minder doden dan bij het automobilisme. Maar dat zegt niets over het risico van autorijden: elke automobilist kan het risico van zijn gerij op bijna elk moment tot vrijwel nul terugbrengen. Die mogelijkheid heeft een vliegtuigpassagier niet, zelfs piloten kunnen de goede afloop van een begonnen vlucht maar heel beperkt beinvloeden.

Wel staat vast dat het vliegen steeds veiliger wordt. Op het totaal van de gemaakte vluchten wordt het aantal geslaagde vluchten steeds groter. De belangrijkste oorzaak van ongelukken is zonder twijfel menselijk falen: aircrew error. Direkt daarachter komen, volgens de jaarlijkse analyses van de ICAO, het weer en de geheimzinnige factor 'hit high ground'. De beveiliging tegen de meest algemene risico's kwam afgelopen zaterdag in deze krant ter sprake. Hier de techniek achter de cijfers.

Opmerkelijk is dat het aantal fatale ongelukken dat voortkomt uit constructiefouten (motorstoring daargelaten) in de loop van de jaren minimaal is geworden. (In 1988 bijvoorbeeld was er maar een ongeluk te wijten aan 'structural failure' en 31 aan 'aircrew error'.) Gedeeltelijk hangt dat samen met de definitie van 'fataal ongeluk': dat is een ongeluk waarbij minstens een vliegtuiginzittende door dat ongeluk het leven verliest. Toen twee jaar geleden de ene na de andere overjarige Boeing schade opliep door metaalvermoeiing kwam dat niet of nauwelijks in de statistiek omdat er geen mensen bij omkwamen.

Niettemin hebben de vliegtuigconstructeurs een indrukwekkende prestatie geleverd. Het is verhelderend, en ten dele onthutsend, na te gaan langs welke weg dat resultaat is bereikt. Niets eenvoudiger dan dat: enige weken geleden hield Fokker-constructeur ir. P.A. van der Schee ter gelegenheid van zijn benoeming tot deeltijd hoogleraar aan de Technische Universiteit Delft een rede die de historie van de vliegveiligheid tot onderwerp had. In Delft licht Van der Schee zijn intreerede toe.

De constructieve veiligheid is in de loop van de decennia beurtelings verbeterd en opnieuw in gevaar gebracht. Was eenmaal een zekere graad van veiligheid bereikt dan kwamen er weer nieuwe eisen, nieuwe materialen, of nieuwe motoren die stuk voor stuk hun eigen, meestal nog onbekende, neveneffecten hadden.

ROMEINEN

Wie de historie van de vliegveiligheid behandelt hoeft niet met Babyloniers, Phoeniciers of Romeinen te beginnen. Hij start bij de gebroeders Wright. De veiligheid van hun vliegtuigjes kwam vooral van intuitie en materiaalgevoel, maar toch schijnen, zegt Van der Schee, de broers al een succesvolle sterkteproef op de vleugelconstructie te hebben uitgevoerd. In foto's uit 1914 ziet men de uitvoering van een vleugelbuigproef bij de jonge onderneming Fokker die het voltallig personeel op een (omgekeerde) vleugel zette om te kijken of die het houden kon.

Vooral in de beginjaren van de burgerluchtvaart veranderen vliegtuigontwerpen ingrijpend. De vliegtuigen worden sneller, kunnen hoger vliegen en meer lading meevoeren. Geleidelijk worden ze ook uit andere materialen opgetrokken. Hout, linnen en staal maken plaats voor lichtmetaal (zoals in de DC3 Dakota die al in 1935 verscheen).

Belangrijk is ook het verschijnen van de drukkajuit: de cabine die, terwille van het comfort van de passagiers, met compressoren op druk wordt gehouden en dus vooral in hogere luchtlagen een overdruk heeft ten opzichte van de omgeving.

Tegenover dit alles stonden ontwikkelingen op het gebied van statica (het onderzoek naar het evenwicht in de krachten en spanningen die in een constructie heersen) en aerodynamica (onderzoek naar luchtweerstand en effect van luchtstromingen) en aandacht voor de elastomechanica van de constructies. Dankzij de elasticiteit van de contructie, realiseerde men zich te laat, kunnen vleugels op diverse wijzen vervormen (buigen en torderen) en in trilling raken. Treedt er koppeling op tussen de verschillende trillingsvormen (zoals bij flutter) dan kan de trilling fataal versterkt worden en vleugels doen afbreken.

In 1953 verschijnt de eerste uitgave van de Amerikaanse luchtwaardigheidsregels voor civiele vliegtuigen, de Civil Air Regulations (CAR4b). Opmerkelijk daarin is het verschijnen van statistiek, kans en waarschijnlijkheid. Ongewenst hoge belastingen worden niet uitgesloten maar in een bepaalde aanvaardbare (uiterst lage) frequentie geaccepteerd.

Een hoofdstuk apart in de historie van de vliegveiligheid vormt de metaalvermoeiing. Onder invloed van wisselende spanningen kan een metalen constructie (huid en-of spanten) gaan scheuren. Dat manifesteert zich vooral bij onregelmatigheden in de geometrie van de constructie: bij gaten (nagelgaten) en scherpe overgangen. Het fenomeen raakte in de belangstelling toen in de jaren vijftig twee Comets voortijdig naar beneden kwamen. De Comet was het eerste verkeersvliegtuig met straalmotoren, ontworpen voor grote hoogte. Het effect van de overdruk in de drukkajuit was daar groter dan men gewend was en door de optredende extra spanningen (die zich concentreerden rond de cabineramen) ontstonden vermoeiingsscheuren die door de belendende rompspanten niet werden tegengehouden of opgevangen. ''De scheuren konden onstabiel doorgroeien.'' (Dat zo'n minimale overdruk in de cabine zo'n groot effect heeft komt vooral door de grote diameter van de vliegtuigromp. De trekspanning in de romphuid is daarmee recht evenredig. Om dezelfde reden mogen grote fietsbanden niet hard worden opgepompt.) Hier stuitte de vliegtuigindustrie dus op de eindige leeftijd van een vliegtuig. In eerste instantie is daarop gereageerd door in de luchtwaardigheidsregels voortaan het begrip safe life te hanteren. In essentie werd daarbij voor de diverse constructiedelen berekend wanneer op zijn vroegst (bij normaal gebruik) scheurtjes konden ontstaan. Voor dat kritieke moment moest zo'n onderdeel dan vervangen zijn. In de praktijk bleek het volstrekt onmogelijk de veilige levensduur te voorspellen en het safe life concept wordt vandaag alleen in uitzonderlijke gevallen geaccepteerd.

Het nieuwere fail safe concept steunt zwaar op regelmatige inspectie en onderhoud. Men accepteert het verschijnen van scheurtjes en ontwerpt het vliegtuig zo dat extra parallel gelegen constructiedelen de taak van gebroken onderdelen tijdelijk (tot aan de eerstvolgende inspectie) kunnen overnemen. 'Schadetolerant', heet dat. Pas in de jaren zeventig is het nieuwe concept volledig uitgewerkt en kwamen er regels voor de berekening van de inspektie-intervallen.

LANGZAME SCHEURGROEI

In dezelfde periode ontwikkelde men een variant op het fail safe concept: het langzame scheurgroei concept. De schadetolerantie moet hier komen van een beheerste, langzame scheurgroei en voldoende reststerkte in het scheurende constructiedeel (en niet van extra paralelle delen). Dit concept dankt zijn toepassing aan de vorderingen op het gebied van breukmechanica en het gebruik van computers.

Overigens zijn er inmiddels nieuwe materialen beschikbaar (zoals moderne koolstofcomposieten en het door de Delftse universiteit ontwikkelde ARALL) die erg vermoeiingsongevoelig zijn en een prettig lage scheurgroeisnelheid bezitten. Karakteristiek voor de geschiedenis van de vliegveiligheid is dat de nieuwe materialen ook weer tegelijk heel nieuwe, zwakke punten hebben. Composieten absorberen water en koolstof-composiet kan, door inslag van hagel, stenen of gereedschap, inwendige schade oplopen zonder dat dat aan de buitenzijde zichtbaar wordt. Maar het is, zegt van der Schee, nu juist de taak van de constructeur zo te ontwerpen dat de gunstige eigenschappen van nieuwe materialen optimaal benut worden zonder dat de zwakke eigenschappen schade kunen toebrengen.

Hiermee is een al even spannend hoofdstuk opengeslagen: dat van de aanvallen op de constructie-integriteit door 'motordesintegratie' en vogelaanvaringen.Vliegtuigen worden waar mogelijk zo ontworpen dat ze de inslag van motoronderdelen die een uiteenspattende motor verlaten kunnen opvangen zonder dat de algehele integriteit van de constructie of de bestuurbaarheid verloren gaat. Van der Schee wijst er op dat een 'veilige vluchtvoortzetting' na een aanvaring met een extreem zware vogel (zwaarder dan de meer algemene 4-ponds vogel) niet voor 100 procent kan worden gegarandeerd. Ook hier hanteert de constructeur noodgedongen 'kans en waarschijnlijkheid'. Het is ondoenlijk de cockpitramen zo sterk te maken dat adelaars en moddervette keizerpinguins er nooit doorheen komen.

De luchtreiziger die motordesintegratie of vogelaanvaring meemaakt zal opmerken dat deze incidenten een bijzonder aspect hebben: ze doen de overdruk pardoes wegvallen. Ook op deze plotselinge 'decompressie-situatie', die weer heel aparte belastingen opwekt, is het vliegtuigontwerp berekend.

Niettemin blijft de overlevingskans van een luchtreiziger een statistische grootheid. Geaccepteerd wordt dat cruciale systemen (bijvoorbeeld besturingssystemen) volledig uitvallen met een frequentie van eenmaal per miljard vlieguur. (Een vliegtuig als een Boeing 747 vliegt overigens niet gauw meer dan 60.000 uur) Een dergelijk lage waarschijnlijkheid heeft men weten te bereiken door de meeste systemen in veelvoud uit voeren of zo te ontwerpen dat ze elkaars functie gedeeltelijk kunnen overnemen. Zo kunnen bij het uitvallen van het hoogteroersysteem (dat zich in de staart bevindt) vaak de trimvoorzieningen van het vliegtuig (onderdeel van de vleugels) de hoogteroerfunctie overnemen.

Van der Schee wil niet constateren dat de constructie-veiligheid van passagiersvliegtuigen inmiddels groot genoeg is (''uiteindelijk beslist daarover in wezen de samenleving'') maar vindt het toch zinvol de aandacht te concentreren op de factor 'menselijk falen'.

Automatisering en computerisering kan hier veel bereiken. Het probleem is dat technische mankementen die tijdens de vlucht aan het licht komen (zoals bij die Boeing 737 van Aloha die in 1988 door vermoeiing boven Hawai een deel van zijn romp en een hele stewardess verloor) een grote indruk maken op de samenleving, al veroorzaken ze nog zo weinig slachtoffers. Alleen daarom al is het wenselijk naar nog veiliger vliegtuigontwerpen te streven.

Nederland kent inmiddels een levendige quotumhandel. In 1990 is er in totaal circa 220 miljoen kilo verhuurd. Bij het Produktschap Zuivel hebben zich 3260 verhuurders en 5130 huurders gemeld. Het verschil tussen het aantal huurders en verhuurders ontstaat doordat verhuurders hun quotum aan meerdere huurders verhuren. Gemiddeld verhuren de verhuurders 65.000 kilo melk; de huurders huren gemiddeld 41.000 kilo.