Fant hittil ukjent materialdefekt bak motorfeil i Air France-fly: Kan gi flyindustrien et nytt, stort problem

Hendelsen over Grønland i 2017 huskes kanskje best for de dramatiske bildene og filmene av den eksploderte motoren på Air France-flyet av typen A380-800 tatt fra innsiden av kabinen kort tid etter ulykken.

Ulykken skjedde over innlandsisen 30. september under en flytur fra Paris til Los Angeles, hvor de 497 passasjerene og 24 besetningsmedlemmer hørte et kraftig smell etterfulgt av skjelving, og kunne se at store deler av motor nummer 4 - den ytterste på høyre side av flyet - forsvant.

Den påfølgende flerårige jakten på vraket, der danske GEUS spilte en viktig rolle i bergingen, er tidligere beskrevet på ing.dk.

De ble funnet i løpet av flere ekspedisjoner, inkludert en dramatisk reise til innlandsisen der det 150 kg tunge «fan hub» ble lokalisert og gravd opp fra en dybde på fire meter ved hjelp av motorsager, spader, varmekanon og en elektrisk kran.

Kan redde hundrevis av liv

Nå viser det seg at delene som er funnet har hjulpet etterforskerne med å avdekke en hittil helt ukjent feilkilde og dermed kanskje være i stand til å redde hundrevis av menneskeliv i fremtiden.

Ifølge den franske havarikommisjonens sluttrapport viser metallurgiske studier av bruddflater en raskt utviklende metallutmattelse, «cold dwell fatigue», som man aldri har sett før i den aktuelle titanlegeringen, som har blitt brukt i luftfartsindustrien siden 1960-tallet.

Havarikommisjonen vurderer at forekomsten av den nye feilen kan skyldes at utviklingen går i retning av større og større flymotorer.

«Tendensen til å forstørre motorviftebladene for lavere drivstofforbruk, kan føre til at motordesignere prøver høyere akseptable spenningsnivåer for å begrense vekten til disse motorene. Dette kan føre til økt risiko for at det oppstår en cold dwell fatigue-revne i en makrosone,» skriver etterforskerne blant annet.

Fløy i nesten to timer

Air France-flyet var på første halvdel av turen da mannskapet under en rutinemessig endring av flyhøyde hørte en høy eksplosjon og umiddelbart oppdaget asymmetrisk fremdrift, mens feilmeldinger om første motorstopp og deretter svikt kom nesten samtidig.

Skadene på motoren til høyre kunne ikke sees fra cockpiten eller halekameraet, men bilder fra en passasjers mobiltelefon overbeviste pilotene om at de ikke bare hadde opplevd en vanlig motorfeil, men en såkalt «uncontained engine failure».

Flymotorer er designet for å eksplodere forover eller bakover i tilfelle en ulykke, slik at det forsterkede motordekselet ikke bryter gjennom. Hvis dette skjer, er det svært farlig, da deler kan skade vingene og drivstofftankene.

I dette tilfellet skjedde det i ett av de vanskeligere områdene - nemlig på turen over Atlanterhavet, hvor rullebaner som kan romme verdens største fly er mangelvare.

For det franske flyet var Grønlands Kangerlussuaq nærmeste flyplass. Men pilotene valgte å ikke lande her fordi de var i tvil om flyet var mer skadet enn de kunne fastslå fra cockpiten, noe som kunne kompromittere manøvreringsevnen under landing.

Kangerlussuaq har fjell i nærheten, kun én innflyvning, og en bane som vil være for kort med sviktende klaffer.

I stedet valgte de Goose Bay i det arktiske Canada, der flyet landet trygt knappe to timer etter eksplosjonen i motoren. Passasjerer kunne føres videre til det vestlige USA etter et lengre opphold i kabinen.

Deler kan ikke undersøkes for utmattelse

Ulykken forårsaket stor kontrovers, både på grunn av det dramatiske hendelsesforløpet og den relativt nye og spektakulære typen involverte fly. Det motorprodusenten umiddelbart mente var mest sannsynlige forklaring var at motoren hadde blitt skadet under vedlikehold.

Som et resultat ble motoren til et annet fly som hadde fløyet i et visst antall timer - ulykkesflyet hadde fløyet litt over 27.000 timer siden 2011 - inspisert for skader. Ingen ble funnet. Et nytt design av manipulerbare deler ble også laget slik at de var lettere å betjene av mekanikere.

Det franske havarikommisjonen, som den tilsvarende danske hadde oversendt saken til, var imidlertid ikke fornøyd før de hadde sett alt vraket. Derfor ble en ukjent mengde millioner brukt på det svært vanskelige søket.

I fjor sommer klarte de endelig å finne det største stykket, som ifølge kommisjonen avslørte at motorprodusentens teori var feil.

I deres rapport står det klart at det er tydelige tegn på en hittil nærmest ubeskrevet form for metallutmattelse, «cold dwell fatigue». Den er kjent fra noen titanlegeringer, men aldri før funnet i den - for luftfartsindustrien - godt kjente Ti-6-4.

Hva verre er: Det er ingen ikke-destruktive måter å undersøke kritiske deler av sprekkdannelsen som kan føre til katastrofale brudd mye raskere enn for mer vanlig metallutmattelse, og helt uten forvarsel, som i tilfelle over Grønland.

De eksisterende stresstestene fra produsenten er uegnet, da de har kortere varighet med større belastning og på mindre materialbiter enn hva som er tilfelle når motorene brukes i praksis.

Flere feil med større titanblokker

Ifølge materialforsker Thomas Lundin Christiansen ved DTU, minner problemet om noe som har vært en enorm og kostbar hodepine for vindturbinindustrien de siste årene.

De store vindturbinene har vist seg å lide av store sammenbrudd i hovedlagrene, som sannsynligvis skyldes oppskalering.

– I dette tilfellet er det snakk om en av de mest klassiske titanlegeringene, og spesielt i luftfartsindustrien er den veldig godt testet. Derfor er jeg litt overrasket over at dette har skjedd, sier han.

Den såkalte cold dwell-utmattelsen, som innebærer et delvis sprøtt brudd som løper raskt og fasettert som et knust vindu, er ganske ubeskrevet i litteraturen - i det minste for den anvendte titanlegeringen som vanligvis antas å være motstandsdyktig.

Imidlertid, forutsatt at de franske ulykkesetterforskerne har rett i sin analyse, kan det vise seg å være et stort problem i fremtiden, der store deler kan knekke mye raskere enn de er godkjent for.

Årsaken er ikke, som man skulle tro, at større og større motordeler utsettes for større krefter når de beveger seg. I stedet kan det være at de blir maskinert ut av større titanblokker, som inneholder andre svakheter enn mindre blokker.

– Hvis du har et veldig stor komponent, begynner du også med et mye større utgangspunkt, og så har du en annen startstruktur. Det er her det kan være noen problemer med disse makrosonene. Men jeg synes det er komplisert, sier Christiansen.

Flere fly kan fly rundt med «cold fatigue» akkurat nå

Han kan ikke forklare hvorfor fenomenet bare har blitt sett én gang i løpet av over 50 års flyvning med Ti-6-4. Men etter hvert som motorene blir større, er det ikke usannsynlig at vi ser det igjen.

– Det er små feil i alt teknisk materiale. Det er kjent og noe du designer for, så man har en sikkerhetsmargin. Dette gjelder også titanlegeringer. Det betyr at du vet hvor lang tid du har før situasjonen blir kritisk. Problemet her er at det her gikk ekstra raskt. De designet etter de klassiske utmattelsesberegningene, men denne nye mekanismen - hvis det er den som har skylden - går mye raskere. Da må du designe i henhold til det, sier materialforskeren.

– Kan flere fly potensielt fly rundt med den slags skader akkurat nå?

– Ja, det kan de faktisk, sier Christiansen.

– Og vi kan ikke undersøke det?

– Nei, det kan vi ikke, sier han.

–Og det er til og med en mekanisme som ikke er fullstendig forstått. Og det er ikke utenkelig at oppskalering kan føre til dette. Hvis rapporten holder vann, er det potensielt et problem for luftfartsindustrien, sier Christiansen.

Det franske havarikommisjonen anbefaler luftfartsmyndigheter å sørge for at fremtidige konstruksjoner av komponenter tar hensyn til problemet med cold dwell fatigue, samt finne en måte å undersøke eksisterende komponenter for sprekkdannelse på.

I følge ulykkesetterforskningen var det rent flaks at vrakdeler fløy opp og ned i stedet for til høyre og venstre mot kabinen og vingen. Hadde det skjedd, ville flyet sannsynligvis ha krasjet på innlandsisen.

Denne artikkelen ble først publisert på Ingeniøren for deres abonnenter. Den er tilgjengelig på norsk for abonnenter av Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.