Катастрофа Boeing 707 в Лусаке

Вид на излом заднего лонжерона правого стабилизатороа

По согласованию с властями Замбии, часть обломков, включая правый стабилизатор с его винтовым подъёмником, а также системой питания отправили в Великобританию для более тщательного изучения.

Обломки доставили в Фарнборо, где их рассмотрели металлурги с Royal Aircraft Establishment и Boeing Company. Было определено, что разрушение верхнего пояса (хорды) заднего лонжерона возникло задолго до катастрофы, при этом усталостная трещина зародилась в верху 11-го отверстия для крепления обшивки и она не была вызвана коррозией, наоборот, коррозия появилась уже после появления и разрастания трещины. Помимо основной трещины, на другой стороне 11-го отверстия позже появилась ещё одна, которая стала расти, пока не достигла края конструкции. Рост трещины поначалу происходил быстро, пока она не достигла 2 мм, после чего стал снижаться и при длине 7 мм относительно стабилизировался, составляя в среднем 1 мм каждые 125 циклов. Затем в одном из полётов конструкция стабилизатора подверглась значительной нагрузке, в результате чего трещина увеличилась сразу на 21 мм, после чего рост опять вернулся к 1 мм на 125 полётов, что продолжалось в течение 200 циклов, пока трещина не достигла 60 % от поперечного сечения, после чего дальнейший рост происходил скачкообразно, пока не произошло разрушение лонжерона. По оценке специалистов, всего рост трещины происходил в течение 7200 циклов (полётов), в том числе последние 3500 циклов трещина проходила уже через весь верхний край заднего лонжерона. При изучении заднего лонжерона были обнаружены ещё несколько небольших усталостных трещин, хотя проверка металла показала, что он соответствует всем установленным требованиям. По предварительной оценке, после разрушения верхнего пояса заднего лонжерона борт G-BEBP совершил ещё не менее 100 рейсов, пока в роковом полёте по причине статической нагрузки не произошло разрушение верхней хорды переднего и нижней заднего лонжеронов с отделением стабилизатора[9][12].

Далее в авиакомпании начали проверять свой воздушный флот и на одном из B707-436 у 11-го отверстия в верхнем поясе заднего лонжерона правого стабилизатора также обнаружили усталостную трещину, которая по форме была точь-в-точь как на разбившемся самолёте[13].

Для выяснения причин происшествия корпорация Boeing Company начала программу испытаний, целью которых было определить, как распределяются нагрузки по конструкции стабилизатора, особенно на задний лонжерон. В качестве образцов взяли два стабилизатора (левый и правый) от двух уже выведенных из эксплуатации B707-436, при этом первый самолёт имел наработку 56 227 часов и 20 052 цикла, а второй — 54 086 часов и 19 991 цикл. Нагрузки на конструкцию создавались с помощью пяти гидравлических домкратов под каждым стабилизатором[14]. В ходе этих испытаний моделировались 4 ситуации[15]:

• Полёт с выпущенными на 50° закрылками (имитация посадки);
• Полёт с выпущенными на 50° закрылками (имитация крутого ухода на второй круг);
• Набор высоты
• Нисходящий воздушный поток

Также в тестах воспроизводили ситуацию с постепенным разрушением верхнего пояса заднего лонжерона. В итоге испытателям удалось добиться разрушения конструкции стабилизатора, при этом рисунок трещин был идентичен трещинам на отделившемся стабилизаторе борта G-BEBP[15].

Далее были проведены испытания стабилизатора самолёта B707-300 в аэродинамической трубе, при этом особенно изучался полёт самолёта при посадочной конфигурации с полностью выпущенными закрылками. Результаты показали, что отделение стабилизатора произошло при аэродинамической нагрузке 75 % от максимально допустимой, но если бы экипаж отклонил рули высоты вверх, нагрузка возросла бы ещё на 20 %. Также выяснилось, что когда находящийся в посадочной конфигурации B707-300 выполняет поворот при заходе, попавшие в спутный след от крыла стабилизаторы начинают сильно колебаться с частотой до 5 Гц, что дополнительно увеличивает нагрузку на них. Конструкторы не знали об этом моменте, когда создавали хвостовое оперение для данной модели, и не учитывали его; это же может объяснить быстрый рост трещины в лонжероне борта G-BEBP[16].

Возникает закономерный вопрос: почему за 19-летнюю историю Boeing 707, эксплуатация которого началась в 1958 году, подобных происшествий ранее не случалось? Здесь стоит обратить внимание, что первой моделью этого самолёта была 707-100, у которой, как и у военного «брата» KC-135 (KC-135 не является разновидностью B707!), конструкция горизонтального стабилизатора состоит из двух лонжеронов, каждый из которых имеет два пояса (хорды). Компания Boeing при аттестации 707-го провела серию динамических испытаний, в ходе которых продемонстрировала, что даже после разрушения заднего лонжерона самолёт сможет благополучно продолжать полёт и совершить посадку. Также в этих испытаниях было замечено образование трещины на верхнем поясе заднего лонжерона, однако характер той трещины отличался от случая с катастрофой у Лусаки. Появившаяся позже модель 707-200 отличалась лишь наличием более мощных двигателей, а модель 707-020 (впоследствии B720) — укороченным фюзеляжем, поэтому обе эти модели переняли хвостовое оперение практически без изменений[1][16].

Модель 707-300 отличалась уже удлинённым фюзеляжем и большей площадью крыла, а также увеличенным взлётным весом (а у конвертируемого варианта 707-300C, к которому относился борт G-BEBP, взлётный вес был ещё выше). На этой модели для лучшего управления увеличили и площадь хвостового оперения, из-за чего конструкция последнего стала подвергаться более высоким нагрузкам. Тогда конструкторы изменили конструкцию заднего лонжерона стабилизатора, добавив ему средний пояс, однако проведением усталостных испытаний для новой конструкции пренебрегли. В ходе лётных испытаний была отмечена неудовлетворительная реакция при подъёме, причиной чего была названа недостаточная жёсткость конструкции на кручение; проблему решили увеличением толщины нижней обшивки в прикорневой области, а часть верхней обшивки была заменена с алюминиевой на стальную. Появившаяся следом модель 707-400 по сути отличалась от предыдущей только британскими двигателями Rolls-Royce Conway 508 и при её сертификации в Великобритании также не проводились усталостные испытания хвостового оперения. При этом относительно двух последних моделей стоит отметить, что действовавшие в то время американские и британские правила лётной годности и не требовали проведения особых испытаний на усталость металла[1][16][17].

Инженеры не подозревали, что применение стальной обшивки на самом деле приведёт к повышению нагрузок на задний лонжерон, способствуя его более интенсивному износу, а мнение, что добавление в конструкцию лонжерона среднего пояса увеличит его прочность, окажется ложным[18][11].

Обращает внимание тот факт, что рост трещины происходил в течение примерно 7200 циклов, то есть начался ещё в период эксплуатации во флоте американской Pan American World Airways. Проверка конструкции хвостового оперения должна проводиться при обслуживании по форме «C», но изучение действовавших в Великобритании инструкций для операторов B707 показало, что согласно им при такой проверке не требовалось открытие панелей доступа для осмотра конструкции изнутри. Открытие панелей доступа требовалось при периодической проверке четверти лётного парка, которая по британским правилам проводилась каждые 21 000 часов. Согласно инструкциям, требовалось «осмотреть лонжероны и хорды, стержни и рёбра жёсткости на наличие трещин или ослабленных крепёжных элементов» (англ. Inspect spar and rib chords, webs and stiffeners for cracks or loose fasteners). Авиакомпания Dan-Air соблюдала эти инструкции, причём временной интервал между проверками четверти парка у неё был сокращён до 14 000 часов. Однако проверка действовавшей в авиакомпании рабочей карты по осмотру обнаружила изъян — согласно ей рабочему требовалось осмотреть «всю видимую конструкцию» (англ. all visible structure), но нигде не было прямо указано об осмотре заднего лонжерона. Проверка инструкций у двух других авиаоператоров, один из которых был из США, а другой из континентальной Европы, показала, что они также не содержали прямой ссылки на осмотр заднего лонжерона[19][20].

Уже 18 мая 1977 года, то есть спустя всего 4 дня после катастрофы, всем операторам B707-300/400 было разослано указание об осмотре верхнего пояса заднего лонжерона. Через 9 дней, 27 мая было разослано повторное указание, согласно которому требовалось провести осмотр верхнего пояса заднего лонжерона с применением вихретокового метода, либо с помощью пенетранта[21]. Результаты проверок всех эксплуатируемых на тот момент в мире 521 самолёта B707 с конструкцией хвостового оперения модели 300 показали, что у 38 из них (7,3 % или 1/14 от общего количества) имелись трещины в верхнем поясе заднего лонжерона горизонтального стабилизатора, причём у 4 самолётов потребовалась срочная замена лонжерона[22][20].