ATR: aileron reversal in condizioni di ghiaccio

Tutti conosciamo la fama dell'ATR in condizioni di ghiaccio (ved. questo post), ma il primo vero incidente mortale che ha coinvolto un ATR 72 (ed è tuttora l'incidente con il più alto numero di vittime di un ATR 72 in tutto il mondo) fu quello del volo American Eagle 4184. Si tratta di un volo di linea che si schiantò il 31 ottobre 1994 a causa di ghiaccio formatosi sulle ali.

A causa del maltempo l'aeroporto di Chicago ebbe problemi di gestione del traffico, costringendo i Controllori di volo a far attendere l'ATR alla quota di 10.000 ft (3.000 m). Durante l'attesa, l'aereo attraversò una zona di pioggia gelata (forma di precipitazione atmosferica solida formata da palline di ghiaccio omogeneo dure, che cadono da una nube, generalmente altostrati o nembostrati).

Accumulo di ghiaccio come visto dai piloti

In seguito fu autorizzato a scendere alla quota di 8,000 ft (2.400 m) per poi essere messo nuovamente in attesa. Ad un certo punto i piloti intervennero ritraendo i flap che avevano precedente esteso per far abbassare l'assetto del velivolo. Subito dopo uno strano rumore fu captato dal Cockpit Voice Recorder, seguito da un brusco rollio che fece disinserire il pilota automatico.

Condizioni di Severe Icing come visto sull'Ice Evidence Probe

I dati di volo hanno in seguito dimostrato che l'ATR compì un avvitamento pieno prima che l'equipaggio riuscisse a riprendere il controllo del velivolo nonostante la rapida discesa; tuttavia, poco dopo si verificò un altro avvitamento.

Il National Transportation Safety Board ha stabilito che la probabile causa di questo incidente è stata la perdita di controllo dell'aereo, attribuibile all'improvvisa ed inaspettata inversione del movimento di un alettone dovuta alla formazione di una lastra di ghiaccio, nonostante il sistema di de-icing fosse in funzione.

I piloti di ATR sperimentano uno stallo da icing condition durante il type rating sui simulatori. L'obiettivo è quello di dimostrare quanto sia incontrollabile il velivolo in una situazione del genere, soprattutto per le continue cadute d'ala. Inizialmente è quasi inspiegabile l'incontrollabilità del velivolo (almeno così è stato per me), ma uno dei fattori che lo rende incontrollabile è proprio l'aileron reversal, unito al fatto che l'ATR ha essenzialmente comandi "manuali", e quindi nessun asservimento idraulico o forza che non sia quella dei piloti. L'unico servo che aiuta i piloti è una spring tab sugli alettoni stessi che funziona per semplice effetto aerodinamico (si muove in maniera contrapposta all'allettone stesso). Sugli ATR il trim degli ailerons agisce proprio sulla spring tab dell'alettone sx. La spring tab aumenta il controllo alle basse velocità. Tutti i piloti di ATR sanno che all'aumentare della velocità aumenta anche il controllo del rollìo (gli alettoni diventano meno duri proprio per questo effetto aerodinamico delle tabs).

Dettagli dell'alettone sx

Questo significa che l'effetto peggiore del ghiaccio è quello di alterare l'abilità al controllo del velivolo, peggiorare l'efficacia delle superfici di comando e quindi l'handling ed il feedback che i piloti normalmente ricevono dai comandi stessi.

L'Aileron Reversal (inversione degli alettoni, o più tecnicamente in inglese "Aileron Hinge Moment Reversal") avviene a causa dell'accumulo di ghiaccio dietro i de-ice boots. Ben dietro i de-ice boots... davanti agli alettoni stessi con conseguente disturbo del flusso d'aria sugli alettoni. Questi vengono mantenuti in posizione dall'autopilota fino alla sua disconnessione (quello che è successo nel volo dell'American Eagle). I test hanno dimostrato che la posizione dell'accumulo di ghiaccio dietro i de-ice boots è dovuta principalmente all'estensione dei flap (infatti i boots sugli ATR sono stati successivamente modificati). Quando si vola con una configurazione di flap 15 ad una velocità vicina alla VFE (velocità massima flap estesi), il risultato è un AOA locale negativa della parte iniziale sul dorso dell'ala (Il dorso dell'ala è più esposto al ghiaccio). Questo fenomeno non è sempre ben capito da tutti i piloti.

Profilo alare con bassa incidenza, comincia ad esserci un accumulo di ghiaccio dietro il de-ice boot che sporca l'aerodinamica sul dorso dell'ala

Il roll-up dell'alettone è quindi associato al volo in condizioni di ghiaccio sufficientemente gravi da provocare il congelamento delle gocce d'acqua dietro le superfici protette dai sistemi di protezione antighiaccio. Il ghiaccio di questo "flusso di ritorno" forma creste che non possono essere rimosse dai sistemi antighiaccio. Queste creste possono causare la separazione del flusso che può provocare un ribaltamento dell'alettone.

Aumentando l'angolo di attacco come potrebbe accadere retraendo i flaps, il ghiaccio sul dorso dell'ala arriva a sporcare il flusso fino all'alettone che viene trascinato dalla turbolenza stessa. 

L' Aileron Reversal può avvenire anche senza accumulo di ghiaccio, per esempio ad angoli di attacco molto elevati nella fase di stallo. Non a caso i Memo Items dello Stallo fanno riferimento già dal titolo al "Recovery after stall or abnormal roll control".

Per garantire che ciò non accada ad angoli di attacco inferiori, sugli ATR sono stati installati dei generatori di vortici davanti agli alettoni per ritardare questo fenomeno. Ciò è stato inizialmente fatto sul -72 per la certificazione e poi successivamente anche come miglioramento sul -42.

Installazione dei Vortex Generators tra bordo di attacco e alettoni

I test e le analisi di volo hanno dimostrato che i generatori di vortice hanno migliorato significativamente l'efficacia degli alettoni riducendo la gravità del ribaltamento degli alettoni con formazione di ghiaccio asimmetrica durante il freezing rain.

I test vengono effettuati simulando con un KC dei supercooled water droplets

In normali operazioni, è obbligatorio mantenere una configurazione pulita (Flap UP) quando si è in icing condition. Come detto in precedenza, con flap 15 l'aereo ha un assetto più basso che consentirebbe l'accumulo di ghiaccio dietro i de-ice boots. Una volta con i flap 15 in condizioni di ghiaccio, non bisogna retrarli assolutamente (per non fare appunto la fine dell' American Eagle 4184).

Nella nuova checklist del Severe Icing si nota una minimum speed aumentata a più 30 nodi rispetto all'amber bug  (se i flap sono già estesi a 15 invece il manuale consiglia di volare all'amber bug). Il settaggio su MCT e 100% RPM si riferisce essenzialmente al fatto che serve la massima potenza per tenere le velocità minime e che la massima velocità di rotazione dell'elica ostacola la formazione di ghiaccio sulle pale. La cosa da notare però è la voce che dice di staccare l'autopilota tenendo i comandi ben fermi. Il motivo l'abbiamo essenzialmente descritto sopra; staccando l'autopilota (AP) l'equipaggio sente sui comandi cosa sta succedendo all'aereo. Quando  si stacca l'AP bisogna tenere i comandi fermi in quanto l'autopilota potrebbe aver già cominciato a contrastare un Aileron Reversal. Ovviamente la checklist continua tenendo sempre in considerazione lo stall recovery e soprattutto vietando la retrazione dei flap se ancora in condizione di ghiaccio. Se il ghiaccio permane fino all'atterraggio, bisogna fare un reduced flap landing mantenendo i flaps a 15.

Anche nella procedura dello Stallo viene vietata la retrazione dei flap. Ovviamente non ha senso retrarre i flap rimettendo dallo stallo (anzi, bisogna metterli  per i manuali ATR), ma viene preso in considerazione come probabile causa di stallo anche il ghiaccio, motivo per cui a maggior ragione non si ritraggono i flaps.

Vecchia Checklist dove si fa riferimento anche all'Abnormal Roll Control

Un esempio sull'argomento potrebbe essere l'incidente occorso alll'ATR 72-500 (G-COBO) britannico il 21 dicembre 2016 della compagnia Aurigny Air Services in servizio sul collegamento domestico da Guernsey a Manchester. Prima del decollo l’equipaggio era stato informato che nell’attraversamento dell’English Channel avrebbe incontrato condizioni meteo caratterizzate da nuvolosità, precipitazioni e moderate condizioni di ghiaccio.

Il volo era stato autorizzato a livello 170 e subito dopo il decollo era entrato nel fronte nuvoloso ed aveva iniziato ad accumulare ghiaccio sulla struttura. Il sistema antighiaccio era stato attivato.
L’aereo volava alla minimum icing speed che tenendo conto della massa del velivolo era di 165 nodi.

Quando il velivolo stava attraversando il livello 110 nel cockpit si attiva il messaggio di allerta (caution):

              DEGRADED PERF e INCREASE SPEED

I due messaggi significavano un eccessivo drag e una velocità ridotta, come specificato nel Quick Reference Handbook ancora una volta, sia per il DEGRADED PERF che per INCREASE SPEED prevede di sganciare l'autopilota e tenere saldamente i controlli.

Il capitano si rende contocon uno sguardo all’esterno all’ “ice evidence probe” che la struttura sta accumulando ghiaccio e decide di aumentare la IAS (Indicated Air Speed) a 175 nodi e il rateo di salita si riduce da 420 piedi/minuto a 25 piedi al minuto. Il messaggio di allerta si annulla. Da notare che 175 nodi corrispondeva alla velocità suggerita dal QRH (red bug +10 nodi).
Tuttavia il comandante vedendo che l’aereo non saliva come dovrebbe decide di ridurre la velocità di nuovo a 165; in tal modo l’ATR riguadagna quota.

Circa un minuto dopo però l’allarme si attiva di nuovo; l’aereo in quel momento aveva un rateo di salita di 200 ft/minuto. Il comandante riporta la velocità a 175 nodi. L’aereo scende di quota con un rateo discesa di -540ft/min e livella per il momento a FL 120.
Ma il comandante decide di tornare ad una IAS di 165 con relativa ulteriore risalita. Tuttavia appariva evidente che l’aereo aveva difficoltà a salire al livello di crociera assegnato (170). A questo punto l’equipaggio chiede all’ATC di essere autorizzato a mantenere livello 130 , autorizzazione che viene concessa con contemporanea istruzione di dirigersi direttamente al waypoint NORRY. Questo comporta una riprogrammazione del Control Display Unit.

L’emergenza accade ora durante la virata per procedere verso NORRY.
Il velivolo ha un forte sobbalzo, l’autopilota che era stato attivato si disinstalla, si verifica un rollio a sinistra di 32 gradi cui fa seguito un rollio a destra di 38 gradi, seguono altri rollii con repentini sbalzi di quota, la velocità ha forti oscillazioni con variazioni da 190 a 123 nodi.
Seguendo le istruzioni del comandante il co-pilota attiva la procedura dell’ upset recovery e viene ripreso il controllo del velivolo . Il comandante dichiara il MAYDAY e chiede di tornare Guernsey dove atterra senza ulteriori problemi.
Le successive indagini e in particolare l’analisi dell’FDR non evidenzieranno alcuna anomalia o guasti negli apparati e nel velivolo, tranne il particolare che durante la manovra per il recupero del normale assetto i flaps che erano stati estesi a 15 gradi hanno sostenuto una overspeed di 5 nodi.

In definitiva l'aileron reversal indotto dal ghiaccio è un momento di rollio non comandato e potenzialmente incontrollabile causato dalla separazione del flusso d'aria davanti agli alettoni che provoca l'auto deflessione delle superfici di controllo (non alimentate e non asservite come nel caso dell'ATR).

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