Stawiam na inżynierię odwrotną
Czwartek, 22 listopada 2012 (02:05)Z ppłk. dr. inż. Andrzejem Morką z Wojskowej Akademii Technicznej rozmawia Piotr Falkowski
Kiedy rozmawialiśmy w kwietniu z prof. Tadeuszem Niezgodą o możliwościach Katedry Mechaniki i Informatyki Stosowanej w badaniu katastrofy smoleńskiej, to były to w zasadzie rozważania na temat możliwości symulacji komputerowych jako takich. Ale już na konferencji smoleńskiej przedstawił Pan w imieniu zespołu ciekawy referat. Co udało się w tym czasie zrobić?
- Jeszcze wiosną spotkaliśmy się z profesorami Piotrem Witakowskim i Andrzejem Wiśniewskim z komitetu organizacyjnego konferencji. Oni nas przekonali do zaangażowania się w imię prawdy. Poprosili nas o przygotowanie wstępnych analiz, a my się zgodziliśmy. Sprawą katastrofy musimy niestety zajmować się trochę z doskoku, w czasie wolnym od innych, bieżących obowiązków, ale szczęśliwie w ciągu tych kilku miesięcy udało się w kilkuosobowym zespole uzyskać przed konferencją pewne rezultaty. Mamy narzędzia, umiejętności, pewien zasób doświadczenia wokół tej tematyki. Nasza motywacja jest przede wszystkim naukowa. Tam, gdzie jest problem, wokół którego toczy się dyskusja, rolą uczonych jest zaspokojenie ciekawości, pomoc w wyjaśnieniu wątpliwości. W przypadku katastrofy widoczne są bardzo rozbieżne opinie i rezultaty analiz. Chcieliśmy się do tego włączyć w tej dziedzinie, na której się znamy.
Uważa Pan, że konferencja była udana?
- To dość trudne pytanie. Konferencja była dość szeroka tematycznie, więc trudno mi oceniać referaty z dziedzin, na których się nie znam. Szczerze mówiąc, mam wrażenie, że niektóre referaty cechowała nadmierna kategoryczność wniosków, niczym nieuzasadnionych. Nauka jednak opiera się na wątpliwościach, a nie perswazji. Obalanie teorii i budowanie nowych jest motorem rozwoju. Oczywiście były też bardzo ciekawe, wartościowe i inspirujące wystąpienia. Najbliższy nam problemowo był referat prof. Wiesława Biniendy. Możemy ze sobą nawiązać dyskusję naukową i to było chyba też widoczne podczas konferencji.
Można odnieść wrażenie, że Pan podjął polemikę z jego wynikami.
- Podstawą rozwoju nauki jest dyskusja oparta na argumentach właściwych określonej dyscyplinie wiedzy. Moje wystąpienie było, jak sądzę, rozpoczęciem dyskusji, nawiązaniem, uzupełnieniem, nie negowaniem czyjejkolwiek pracy i kompetencji. Porozmawiajmy, jakie przyjęto założenia, jakie teorie, jakie narzędzia, co i dlaczego właśnie tak należy zrobić. Nie mam żadnych kompleksów w dyskusji nad tematyką, na której się znam, i na mnie nie robi wrażenia profesor ze Stanów Zjednoczonych. Po prostu dyskutujmy, a z tego urodzi się na pewno nowa jakość w odniesieniu do samodzielnych wysiłków, bo każdy pewne sprawy rozwiąże lepiej, a inne gorzej.
Dialog został nawiązany?
- Trochę żałuję, że prof. Binienda nie był osobiście na konferencji, tylko występował przez łącze wideo. Można byłoby wówczas bezpośrednio porozmawiać o szczegółach, ale kierownik naszej katedry prof. Niezgoda, jak wiem, otrzymał korespondencję e-mailową od prof. Biniendy z zaproszeniem do współpracy. Wiemy, że on ma nowe pomysły badawcze. Od konferencji minęło kilka tygodni. Mam nadzieję, że będziemy się nadal kontaktować.
Czym właściwie różni się Państwa podejście od symulacji prof. Biniendy?
- My podjęliśmy trochę inny problem niż prof. Binienda. On przedstawił gotowe rozwiązanie finalnego zagadnienia uderzenia skrzydła w brzozę. Tymczasem wiemy, jak trudno jest dotrzeć do źródłowych informacji o budowie skrzydła, o właściwościach materiałów. Zadaliśmy sobie pytanie, jak zmiana pewnych szczegółów wpływa na rozwiązanie. I okazuje się, że one mają znaczenie. Każda symulacja, jak już mówiłem, zawiera pewne uproszczenia. Bywa, że ktoś popatrzy na rysunek i uzna, że fragment blachy ma 2 mm grubości, a inny, że półtora. Jeden uwzględni otwory w użebrowaniu skrzydła, a drugi nie. Istnieje również wiele metod łączenia poszczególnych elementów w modelu numerycznym. Otóż takie szczegóły mogą zmieniać siłę, która oddziałuje na brzozę, nawet dziesięciokrotnie. To samo dotyczy brzozy. Też można ją bardzo różnie modelować.
No właśnie, okazuje się, że brzozy bardzo się różnią, a na konferencji padły nawet amerykańskie nazwy odmian: słodka, żółta i jeszcze inne.
- Mówił o tym prof. Chris Cieszewski. Jak zauważyłem, korzystał on ze źródeł, do których również dotarliśmy, ale to badania dotyczące odmian występujących w Ameryce Północnej. My szukaliśmy jeszcze innych źródeł, m.in. posiadanych przez Instytut Technologii Drewna. W Polsce ukazało się kilka monografii traktujących o tej tematyce. Na konferencji pokazałem tabelę zbierającą dane z tych wszystkich źródeł i niestety one bardzo różnią się od siebie. Poza tym te właściwości zmieniają się w zależności od pory roku. Inne są też na gołym pniu, a inne tam, gdzie odrastają gałęzie czy sęki. A zatem modelowanie brzozy jako struktury zupełnie jednorodnej nie jest do końca poprawne. Tak naprawdę należałoby pojechać do Smoleńska, obejrzeć dokładnie brzozę, która miała być uderzona przez skrzydło samolotu, i sprawdzić, jaką budowę ma w miejscu przecięcia.
Biegli prokuratury pobrali z niej nawet próbki.
- Tu bym uważał, bo jeżeli one leżą w magazynie, to szybko wysychają i zmieniają swoje właściwości. Do badań nie trzeba zresztą używać tego konkretnego drzewa, które stało się czymś w rodzaju pomnika. Natomiast należy ściąć w kwietniu w Smoleńsku jakąś podobną brzozę, rosnącą w pobliżu. Wystarczy bloczek, który należy jak najszybciej dostarczyć do laboratorium. Z tym że tu pojawia się jeszcze jeden problem. Otóż na WAT do tej pory nie zajmowaliśmy się badaniami drewna. Z przeglądu literatury wiemy, że do tego potrzeba specjalnego osprzętu, chociażby kosztujących kilkadziesiąt tysięcy złotych szczęk do próby rozciągania. Mamy odpowiednią maszynę, wartą miliony, ale brakuje do niej tych szczęk. Trzeba byłoby je kupić albo podjąć współpracę z ośrodkiem, który nimi dysponuje.
Widziałem, że właśnie prof. Binienda robił jakieś próby ściskania czy rozciągania kawałka brzozy w swoim laboratorium...
- To ciekawe. Chętnie się dowiemy szczegółów. Ale ogólnie rzecz biorąc, jesteśmy przygotowani, żeby stworzyć model cyfrowy smoleńskiej brzozy, co pokazała nasza prezentacja na konferencji. Potrzeba na to pewnych środków, przedsięwzięć, ale nie tak dużych.
Przejdźmy zatem do skrzydła. Tu chyba jest trudniej?
- I my, i prof. Binienda odwołujemy się do pewnej ukraińskiej strony internetowej, na której jest dość dokładny rysunek skrzydła Tu-154. To niestety jedyne źródło wiedzy i jak na razie nie wiemy, gdzie szukać dalszych danych. Referat prof. Aleksandra Olejnika z Wydziału Mechatroniki i Lotnictwa, byłego prorektora naszej uczelni, przedstawił jedną z dróg, mianowicie: mamy drugi samolot, mamy wrak, z którego można odtworzyć oryginalną geometrię, pomimo deformacji. Jeśli chodzi o dokumenty, rysunki konstrukcyjne, to żadnych źródeł nie mam. Chyba, że uda się wydobyć coś od strony rosyjskiej. Ale wydaje mi się, że tamta strona prowadzi po prostu taką politykę, sprzedawała gotowe produkty, ale szczegółowa dokumentacja zostawała u wytwórcy. Tak było też z rakietami przeciwlotniczymi, które zostały po Układzie Warszawskim w Polsce, kompletnie bez dokumentacji. Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia w Zielonce musiał samodzielnie identyfikować skład mieszanki paliwowej do tych rakiet, aby określić warunki jej dalszego przechowywania. Tak więc ścieżka rosyjska wydaje mi się najmniej realna. Stawiam raczej na reverse engineering (inżynieria odwrotna). Profesor Olejnik pokazał, jak robiono to w latach 90. w przypadku samolotów bojowych. Jest to droga kosztowna, ale skuteczna.
Czego brakuje modelom takim jak profesora Biniendy?
- Nie twierdzę, że czegoś brakuje. Gdy się patrzy na przekroje tego skrzydła, to jest to konstrukcja niezmiernie skomplikowana. Tam są zbiorniki paliwa, pompy, podłużnice, układy sterowania klapami, są rozmaite wzmocnienia, montowane też różnymi sposobami. Tysiące śrub, wkrętów, nitów. I nie chodzi tu nawet o to, jakie jeszcze detale należy do modelu dodać, bo można by tak robić w nieskończoność, ale raczej, jak lepiej ten model uprościć, tak by wciąż rozwiązanie postawionego zagadnienia symulacyjnego było poprawne. To znaczy, aby model był możliwie prosty do analizy, a maksymalnie odtwarzał realne skrzydło w sytuacji jego zderzenia z drzewem. Profesor Binienda zdecydował się na pewne uproszczenia. My natomiast pokazaliśmy, że te uproszczenia, które moglibyśmy zastosować, bardzo mocno wpływają na rezultat. Otwiera się etap mrówczej pracy sprawdzania każdego uproszczenia po kolei, czy i jak ono wpływa na rozwiązanie. Jeżeli nie wpływa albo wpływa nieznacznie, to możemy to uproszczenie zastosować, w przeciwnym wypadku model należy uszczegółowić. My zaproponowaliśmy pewien test weryfikacji tych uproszczeń.
No właśnie, w referacie jest pokazany taki test. Tam jest coś w rodzaju brzozy i ona całkowicie rozcina skrzydło, sama zaś się nie łamie.
- Bo to nie jest brzoza. To tzw. belka nieodkształcalna. Naprawdę coś takiego nie istnieje. Możemy sobie wyobrazić, że zamiast prawdziwej brzozy, z myślą o testowaniu uproszczeń, wstawiamy taką nieskończenie twardą i sztywną przeszkodę. To jest moim zdaniem bardzo dobry test. Rejestruje siły działające pomiędzy skrzydłem a przeszkodą przemieszczającą się z zadaną prędkością. Oczywiście to nie jest symulacja tego, co się stało w Smoleńsku. Tam zresztą, według raportu Millera, nie tylko skrzydło się złamało, ale i samo drzewo. Jeżeli tak naprawdę było, to znaczyłoby, że mamy do czynienia z przypadkiem szczególnym, granicznym. To powoduje, że symulacja musi być szczególnie ostrożna. Mogło być też tak, że brzoza tylko znacznie uszkodziła skrzydło, a złamały je na przykład siły aerodynamiczne.
No dobrze, kiedy już będziemy mieli taki najlepszy możliwy model, to jaka właściwie będzie jego wiarygodność? Czy on rozstrzygnie spór o brzozę?
- To jest bardzo ważne pytanie, ale i dość trudne. Otóż w naszej specjalności, i w zasadzie w całej nauce, podstawą rozwiązania problemu jest model. Nie jesteśmy w stanie opisywać rzeczywistości takiej, jaka ona jest w całej swojej złożoności. Zawsze ją w jakiś sposób przybliżamy, idealizujemy. I te modele mają różną naturę. Jedni budują modele realne np. w skali przestrzennej i je testują, a inni wirtualne. My zaczynamy od modelu fizycznego, czyli gromadzimy pewien zestaw założeń, a inne ignorujemy, co wynika z doświadczenia i charakteru problemu. Potem na tej podstawie budujemy model matematyczny, zapisany w równaniach. Następnie te równania są rozwiązywane za pomocą komputerów. I to jest model numeryczny. Na każdym z tych etapów jest pewna ilość uproszczeń i idealizacji. Na końcu dostajemy więc pewne przybliżenie rzeczywistości. Im bardziej zagadnienie jest ważkie i ma znaczenie dla ludzi, tym większa musi być ostrożność, rzetelność, aby to przybliżenie nie wprowadzało w błąd. Zasada jest prosta: im więcej danych na początku, tym lepszy rezultat na końcu.
A jak ocenić rezultat?
- Proces oceny wiarygodności wyników symulacji nazywa się walidacją. To jest najbardziej istotny element analizy modelu, a zarazem najbardziej kosztowny. I zupełnie nie widowiskowy. To jest żmudne uginanie beleczek, mierzenie naprężeń itp. Tu mamy bardzo złożony przypadek, który wymaga dużo wysiłku, czasu i ostrożności. To nic, że temat ma wymiar polityczny, społeczny czy psychologiczny. Wciąż jest on także wyzwaniem naukowym.
Poza hipotetycznym zderzeniem skrzydła z brzozą jakie jeszcze symulacje można przeprowadzić w ramach badania katastrofy smoleńskiej?
- Mam kilka pomysłów. A powstały one podczas konferencji, w wyniku rodzących się wątpliwości. To zresztą jest wielka zaleta konferencji, gdyż wśród wielu obowiązków trudno byłoby mi przeczytać tyle i dowiedzieć się o katastrofach lotniczych, a tu można skorzystać z tego, co już zrobili inni, przedstawiając tylko wnioski. Otóż mam takie dwa tematy do ewentualnego pogłębienia. Po pierwsze, aerodynamika samolotu po oderwaniu się fragmentu skrzydła. Mnie zdziwiło, jak bardzo niestabilny był ten lot. Przecież to potężna maszyna. I nagle ona robi gwałtowne manewry w powietrzu kilka metrów nad ziemią. Czy to skutek działania sterów i ciągu silnika w wyniku reakcji załogi, czy taka jest budowa samolotu? Na konferencji pokazywano, że samoloty potrafią stracić nawet połowę skrzydła i są w stanie wyrównać lot. Druga sprawa to stopień fragmentacji wraku. Co spowodowało, że tak bardzo się rozpadł? Specjaliści mówią, że to w dużym stopniu zależy od scenariusza uderzenia. Sprawdźmy to więc w naszym przypadku. Czy to się stało od uderzenia w ziemię, czy w inne przeszkody? Powinniśmy w symulacji też uzyskać taką fragmentację. Jeśli nie będzie wychodzić, to trzeba się zastanowić, co dalej. Najmądrzejsza w takich sytuacjach jest metoda eliminacji. Jeśli się stwierdzi coś dziwnego, to nie warto od razu tego rozgłaszać, tylko starać się wykluczyć wszystkie możliwe przyczyny, żeby dopiero po tym stwierdzić, że odkryliśmy coś nowego.
Mógłby Pan przeprowadzić symulację uderzenia samolotu w ziemię?
- Tak, tylko jest ona trudniejsza od zagadnienia skrzydła i brzozy, gdyż mamy znacznie więcej elementów. I brakuje danych. Nie znajdę ich w internecie.
Profesor Marek Czachor proponuje, żeby kupić jakiegoś starego tupolewa, nawet nielatającego, i uderzyć go o ziemię w taki sam sposób, jak to się stało w Smoleńsku, rozpędzając na przykład na szynach.
- Ja, gdybym miał do dyspozycji egzemplarz Tu-154, od razu bym go nie rozbijał, tylko zrobił analizy symulacyjne, a dopiero na końcu eksperyment. Do zbudowania modelu numerycznego trzeba wykonać pomiary, rozłożyć, zajrzeć do środka. Można do tego celu wykorzystać takiego starego tupolewa, na którym wolno zrobić więcej niż w przypadku samolotu o numerze 102.