Coming back to the Qantas 30 investigation, the recent ATSB press conference provided new details about the QF30 decompression. First of all, a piece of the oxygen cylinder that exploded in the cargo area below the First Class, smashed through the cabin floor and moved an emergency door (that, anyway, could not open as the latches were still engaged). Most dangerous, is that the explosion, whose cause is still under investigation, affected also other on-board equipments, and in particular the three ILS (Instrumental Landing Systems) and the antiskid. Fortunately, QF30 could land in Manila under VMC condition, performing a visual approach. One might think that even without the ILS a wide-body has plenty of navigation istruments available to perform a safe approach. This is true, nevertheless, landing a damage aircraft into an alternate airfield in bad weather conditions without a functioning ILS would have been much more difficult.

Here's the full media release from the ATSB website (with info about the oxygen masks failure):

Investigation into Boeing 747- 400 depressurisation and diversion to Manila, Philippines
30 July 2008

Introduction

As you are aware the ATSB is leading this safety investigation with the assistance of a number of other organisations and agencies, including the Civil Aviation Authority of the Philippines, the National Transportation Safety Board and the Federal Aviation Administration of the USA, the Civil Aviation Safety Authority of Australia, Qantas and Boeing.
Flight Data Recorder

The data from the flight data recorder has been recovered and downloaded. Initial analysis of the data indicates that the aircraft decent from the decompression event at 29,000 feet to the altitude of 10,000 feet, where no masks are required, took about five and half minutes, with an average descent rate of about 4,000 fpm. The ATSB is still verifying and analysing the data on the recorder.

Door

The ATSB can confirm that it appears that part of an oxygen cylinder and valve entered the passenger cabin and impacted the number 2 right door frame handle, thereby moving the handle part way towards the open position. However, the door handle mechanism has been sheared as it is designed to do if an attempt is made to open the door in flight, so the position of the door handle is not representative of the position of the door lock mechanism or the security of the door. The investigation team have confirmed that the door latches were still engaged. Additionally the door is of the plug-type that first needs to be pulled into the cabin, rotated 90 degrees then pushed out to open. So there was never any danger of the door opening.

Cabin Masks

The investigation team have surveyed the passenger cabin including the oxygen masks. The team found that most of the oxygen masks had deployed correctly from the passenger modules and had been pulled to activate the flow of oxygen to the mask. According to the airline, there were 346 passengers on board. Inspection by the ATSB shows that 484 masks had deployed, that is, dropped from the ceiling. Of those, 418 had been activated by pulling on the mask to activate the flow of oxygen. Only a small number of masks appeared to have had the elastic retaining strap adjusted by the passengers. It also appears that a small number of masks did not deploy from the passenger modules. Investigations into this aspect of the accident are continuing.

Interviews are continuing with the cabin crew in relation to this issue. Additionally, the ATSB is preparing a passenger survey that will be sent to all passengers to gather information about their experience of the event. The ATSB also plans to interview those passengers that encountered specific problems either with the masks or the decompression event.

Oxygen System

The investigation team is still examining the oxygen system, including liaising with the manufacturer to determine if the flow of oxygen was adequate for the five and a half minute descent to 10,000 feet, where the masks were no longer required.

ILS

The team have confirmed that the aircrafts three Instrument Landing Systems (ILS) and the anti-skid system were not available for the arrival and landing at Manila. However, evidence to date indicates that all the aircrafts main systems, including engines and hydraulics were functioning normally. The approach to Manila airport was conducted in visual conditions. It should be noted that other pilot navigation instruments (VOR and NDB) were still available to the crew should the conditions not have been visual. Additionally, Air Traffic Control could have provided radar assistance if the crew had required it.

Flight Crew

From the evidence gathered to date it appears that the flight crew have responded to and managed the emergency situation extremely well. It is apparent that they followed the procedures they have trained for in simulators, which ensured the best possible outcome for the aircraft, the passengers and crew.

Notify ATSB

A reminder that the ATSB requests that any passengers that experienced issues during the flight, or those who photographed or videoed the incident, contacts us via email atsbinfo@atsb.gov.au , telephone: 1800 020 616, or facsimile 02 6247 3117.

The investigation will need time to review and analyse the evidence collected to date and to plan and undertake further evidence gathering and analysis. It is difficult to say how long an investigation such as this will take. However, a preliminary factual report will be released by the ATSB within about 30 days and, should the need for urgent safety action by any agency be identified, the ATSB will immediately notify the relevant agencies who are best placed to address the issue. At this point, unless there is any significant development in the investigation, further media conferences are not anticipated and further information will be released as part of the ATSBs preliminary report.
Media Contact: George Nadal during business hours & after hours duty officer: 1800 020 616

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The only known problem so far, deals with an unusual cavitation damage of both high pressure (HP) fuel pumps from the engines, The cavitation is consistent with low fuel pressure at the inlet, that might have resulted in a reduced fuel flow.
According to the SB (that did not lead to any operational change ) the investigation continues in order to understand the dynamics of the fuel as it flows from the tank to the engine and in order to identify any restriction in environmental conditions similar to those experienced by the BA038 during its flight from Beijing to London at altitudes around 40.000 ft.

Les sujets abordés sont nombreux :

• principe des hydrofoils et historique
• choix des profils : NACA 0015 et EPPLER 817
• réalisation d'une petite maquette "2D" pour test de profils de foils
• mesure de portance et trainée
• simulations numériques avec Fluent et Xfoil
• présentation très complète de la cavitation, avec nombreuses vidéos dont une rare de supercavitation (source inconnue):
   

  (regardez bien le profil horizontal : plat dessus, concave en dessous, rien à voir avec un profil "aérodynamique" classique...)

Le travail est d'excellente qualité et donne une très bonne vision globale de la problématique. Le seul reproche que je ferai est que les simulations et tests concernent des vitesses trop basses (10 m/s, 20 noeuds ...) par rapport aux challenges actuels.

Cavitation - a common problem in pumps and control valves - causing serious wear and tear and damage. Under the wrong condition, cavitation will reduce the components life time dramatically.

What is Cavitation?

Cavitation may occur when the local static pressure in a fluid reach a level below the vapor pressure of the liquid at the actual temperature.

According to the Bernoulli Equation this may happen when the fluid accelerates in a control valve or around a pump impeller.

The vaporization itself does not cause the damage - the damage happens when the vapor almost immediately collapses after evaporation when the velocity is decreased and pressure increased.

Avoiding Cavitation

Cavitation can in general be avoided by

• increasing the distance between the actual local static pressure in the fluid - and the vapor pressure of the fluid at the actual temperature

This can be done by:

• reengineering components initiating high speed velocities and low static pressures
• increasing the total or local static pressure in the system
• reducing the temperature of the fluid

Reengineering of Components Initiating High Speed Velocity and Low Static Pressure

Cavitation and damage can be avoided by using special components designed for the actual rough conditions.

• Conditions as huge pressure drops can - with limitations - be handled by Multi Stage Control Valves
• Difficult pumping conditions - with fluid temperatures close to the vaporization temperature - can be handled with a special pump - working after an other principle than the centrifugal pump.

Increasing the Total or Local Pressure in the System

By increasing the total or local pressure in the system, the distance between the static pressure and the vaporization pressure is increased and vaporization and cavitation may be avoided.

The ratio between static pressure and the vaporization pressure, an indication of the possibility of vaporization, is often expressed by the Cavitation Number.

Unfortunately it may not always be possible to increase the total static pressure due to system classifications or other limitations. Local static pressure in the component may then be increased by lowering the component in the system. Control valves and pumps should in general be positioned in the lowest part of the systems to maximize the static head.

This is common for boiler feeding pumps receiving hot condensate (water close to 100 ^oC) from a condensate receiver.

Reducing the Temperature of the Fluid

The vaporization pressure is highly dependable of the fluid temperature. Water, our most common fluid, is an example:

As we can see - the possibility of evaporation and cavitation increases dramatically with the water temperature.

Cavitation can be avoided by locating the components in the coldest part of the system. By example it is common to locate the pumps in heating systems at the "cold" return lines.

The same is the situation for control valves. Where it is possible they should be located on the cold side of heat exchangers.

La légende dit "Comparatif des écoulements sur les anciens profils à 53 noeuds. le faible écart entre simulation numérique et expérimentation en tunnel de cavitation est riche d'enseignements."

Traduction : "les anciens profils sont bon à jeter pour franchir 50 noeuds, et l'EPFL a un bon code de CFD pour en calculer de meilleurs". Allez les gars, faites nous un beau profil supercavitant sur le bas du foil ...

• des pages spécifiques à chacun des 3 projets de l'Hydroptère (.ch et maxi)
• des nouvelles brèves à la manière d'un blog, mais toujours sans flux RSS hélas...
• une petite appli permettant de voir un modèle d'Hydroptère en 3D (mais c'est franchement pas terrible, on peut faire beaucoup mieux que ça ;-) )
• de nombreuses informations montrant que la collaboration Hydroptère/EPFL est en très bonne voie, où j'ai par exemple trouvé cette image très intéressante d'un test en tunnel de cavitation de l'empennage, autour de 50 noeuds

on voit que des nappes de bulles de cavitation recouvrent la moitié de la surface du safran, alors que les foils horizontaux semblent épargnés, sauf à l'extrémité. Peut-être le safran a-t-il quelques degrés d'incidence qui expliquent ceci, ou alors son profil n'est-il pas optimal à ces vitesses : son bord d'attaque plus arrondi que les foils horizontaux pourrait expliquer cette différence.

Pour les curieux, cette page montre des photos de plusieurs types de cavitation

Esta es la imagen del Virtual Earth de Microsoft que deja al descubierto el submarino con misiles balísticos de la clase Ohio, en el dique seco de la base naval de Kitsap-Bangor, en el estado de Washington, a escasos 20 kms. de Seattle, al otro lado del Puget Sound. En el circulito amarillo, se puede apreciar justo, lo que está cubierto en la foto del recuadro, arriba a la izquierda, del 2003; el USS Virginia en construcción: la hélice de 7 palas del submarino de propulsión nuclear.

Y lo ha descubiero un tío buscando una nueva casa online en esa zona, un tal Dan Twohig, un oficial de cubierta en un ferry de ese estado. Hizo el descubrimiento a primeros de julio, buscando una casa más cerca de su trabajo, 50 kms. al este de Seattle, en el Virtual Earth, un servicio de mapas similar al Google Maps and Earth. El vive en North Bend, justo la localización de la famosa serie de TV de los 90 de David Lynch, "Twin Peaks". Luego colgó el descubrimiento en su blog MonsterMaritime y, a finales de agosto, la historia se extendió por todo el ciberespacio.

Los diseños de las hélices han sido secretos muy bien guardados desde la Guerra Fría. Suele ser típico cubrirlas con lonas o quitarlas, directamente, cuando están fuera del agua. El diseño de las hélices es una parte integrante de la habilidad de un submarino para no ser detectado cuando navega, asegurándose así un patrullaje sigiloso sin desvelar su posición a los barcos en superficie.

El descubrimiento ha disparado el debate en los medios sobre si a los servicios de satélite de mapas de Google y Microsoft se les debería o no permitir capturar y publicar imágenes de las instalaciones militares confidenciales de USA [P-18SEP]. La base naval de Bangor forma parte de las Instalaciones de Armas Estratégicas del Pacífico (SWFPAC), que posee el arsenal de armas nucleares más grande de USA. Al dar cuenta del hecho, el periódico Navy Times citaba al analista de inteligencia militar Nathan Hughes, de Stratfor, que decía que mostrar la hélice era un gravísimo error que había comprometido "la tecnología naval sensible". Un portavoz del Pentágono decía que el departameno de Defensa no tenía política -o autoridad legal- para exigir la eliminación u oscurecer las imágenes aéreas comerciales o de satélite.

Twohig comentaba en su blog: "Puedes usar el zoom o moverte por toda la base echando un vistazo realmente cercano a los búnkers y polvorines donde guardan las armas nucleares. El gobierno USA debería vigilar mejor estos temas". Este descubrimiento se ha producido prácticamente a la vez que el del analista de armas nucleares Hans Christensen en Google Earth que mostraba una imagen aérea de la nueva clase de submarinos nucleares chinos Jin, que puede disparar misiles balísticos intercontinentales que pueden alcanzar la costa de USA, al sur de la isla de Dalian [P-14AGO].

Un artículo, posteado en la página web del museo, del comisario de Historia Naval del Museo Nacional de Historia de USA, Paul Forsythe Johnston, deja muy clara en qué consiste la importancia del diseño de las hélices y los torbellinos de propulsión que generan (tip vortex flowfields; ¿algún experto en dinámica de fluidos?): "Cuando las hélices alcanzan una velocidad determinada, las palas empiezan a crear un vacío parcial que despide burbujas de aire. Este estado se conoce como cavitación. Las burbujas hacen mucho ruido y las hélices son diseñadas y modeladas para reducir esa cavitación y aprovecharse de otras leyes relevantes de la física todo lo que puedan, para procurar mantener, a la vez, velocidades decentes sin descubrir su posición".

La cavitation est un phénomène hydrodynamique découvert en 1917 seulement, qui peut apparaitre dès qu'un objet solide se déplace à plus de 15 noeuds dans l'eau. Il est surtout connu dans le domaine des hélices et des aubes de turbine, mais dans un précédent article on a vu que la cavitation empêche aussi des profils hydrodynamiques comme des foils, des quilles ou des gouvernails de fonctionner correctement aux alentours de 50 noeuds et au delà.

bulles de cavitation aux extrémités d'une hélice

Destruction

La cavitation a également un effet destructeur : les pièces solides en mouvement rapide dans l'eau sont gravement dégradées par un effet assez incompréhensible de prime abord. Comment comprendre qu'une hélice en acier puisse être rongée en quelques heures par des bulles de vapeur froide ?

Hélice dégradée par la cavitation

Comme on l'a vu, les bulles se créent dans les dépressions car l'eau est incompressible. Mais les bulles implosent ensuite de façon très brutale dès qu'elles se retrouvent dans une zone où la pression est plus élevée, créant une onde de choc suffisamment forte pour désagréger localement la matière!

Mur du son !

Dans un précédent article , un parallèle a été fait entre le mur du son et la cavitation, ce qui peut sembler un peu audacieux. Cette idée est cependant renforcée dans cette page qui indique que la vitesse du son dans de l'eau contenant entre 10% et 90% de gaz est de 25 m/s environ, soit ... 50 noeuds!

Comment éviter la cavitation ?

Tout comme les avions supersoniques ont des ailes différentes des avions lents, les engins destinés à dépasser 50 noeuds dans l'eau doivent être conçus différemment. Le site de l'entreprise Supramar AG (suisse... encore ...) propose quelques pistes :

1. les bords d'attaque des profils doivent être vifs pour "séparer le flux" sans créer de vaste dépression (voir exemples de profils "SEABUS" de Supramar)
2. on peut injecter de l'air à certains endroits du profil pour permettre à la dépression de se créer sans les inconvénients liés à la cavitation "naturelle".

Ces concepts sont proches de ceux de la supercavitation qui permet à des torpilles russes propulsées par fusée d'atteindre 100 m/s (200 noeuds, ~400 km/h ) sous l'eau !

Le record de vitesse absolu sur l'eau est de 317 noeuds (587 km/h!) , mais "Spirit of Australia" est propulsé par un réacteur d'avion et n'a aucune pièce dans l'eau: il glisse à la surface. Avec simplement une hélice dans l'eau, le record est "seulement" de la moitié : 322 km/h

Pour expliquer la difficulté d'aller vite dans l'eau, j'ai dessiné un profil de foil "pédagogique*" avec SolidWorks et simulé un écoulement d'air et d'eau autour du profil avec FloWorks, le tout en 1h seulement.

fig1 : écoulement d'air à 10m/s (~20 noeuds)

Dans de l'air [fig 1], la différence de pression entre l'extrados et l'intrados est de l'ordre de 40 bars, alors que dans de l'eau [fig 2] elle avoisine 4000 bars à la même vitesse. Donc la portance du foil sera approximativement 100x plus forte dans l'eau que dans l'air à la même vitesse. Pour la même raison, un hydrofoil peut avoir une surface 100x plus petite qu'une aile pour créer la même force à la même vitesse.

fig 2 : écoulement d'eau à 10 m/s (~20 noeuds, 36 km/h)

Le passage à une vitesse de 50 noeuds ne fait que multiplier les faibles effets aérodynamiques par 2.5^2 = 6.25 environ, alors que dans l'eau un phénomène surprenant apparait [fig 3]:

fig 3: écoulement d'eau à 25 m/s (~50 noeuds, 92 km/h)

• Une onde de choc modifie complètement l'écoulement autour du foil.
• de ce fait, n'y a plus de différence de pression notable sur les 2 faces du foil, donc plus de portance !
• Enfin, la densité de l'eau derrière l'onde de choc est très basse. Trop basse pour de l'eau liquide, qui est incompressible : toute la zone en bleu foncé sur la [fig 3] est constituée à 75% de bulles de vapeur qui se forment dans la dépression créé par l'onde de choc.

Ce phénomène s'appelle la cavitation, et il équivaut au mur du son de l'aviation. Il apparait en réalité dès 15 noeuds environ et doit absolument être pris autant au sérieux pour la construction d'un bateau rapide que le mur du son pour un avion de chasse, car, comme nous le verrons dans un prochain article il peut se révéler tout aussi destructeur .

*Note : Le profil n'est pas optimisé ni même bon, il a été dessiné "à main levée" dans un but pédagogique uniquement. Le travail scientifique suivra plus tard...