Możemy policzyć za Millera
Z płk. rez. prof. dr. hab. inż. Tadeuszem Niezgodą, kierownikiem
Katedry Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wojskowej Akademii Technicznej w
Warszawie, rozmawia Piotr Falkowski.
Na apel do wiodących ośrodków naukowych w Polsce zajmujących się
mechaniką o podjęcie badań naukowych nad katastrofą smoleńską w ramach Komitetu
Mechaniki PAN Wojskowa Akademia Techniczna odpowiedziała w zasadzie jako jedyna.
Jakie jest stanowisko Wydziału Mechanicznego w tej sprawie?
– Nasza odpowiedź jest niezmiennie taka sama. Znając intencje rektora, żeby w
obszarze nauki dawać dużą swobodę badawczą w zakresie posiadanych kompetencji,
odpowiedziałem zgodnie z prawdą, że zespół, którym kieruję, jest w stanie
przeprowadzić analizę uderzenia skrzydła samolotu w drzewo. Posiadane
kompetencje i uczciwość badacza były podstawą mojej odpowiedzi. Jak mógłbym
kłamać, udawać, że nie możemy się tym zająć, skoro takie możliwości posiadamy?
Znam prof. Witolda Gutkowskiego, przewodniczącego Komitetu Mechaniki Polskiej
Akademii Nauk, który sformułował zapytanie do dziekanów wydziałów mechanicznych
politechnik. Rozmawiałem z nim i wiem, że był zdziwiony tym, że tylko WAT
odpowiedziała. Dyskutowaliśmy na ten temat i doszliśmy do wniosku, że faktycznie
niewiele jest zespołów, które w sposób wiarygodny mogłyby odtworzyć symulacyjnie
ten proces. Wiele z nich ma różnego rodzaju oprogramowanie, które mogłoby być
wykorzystane do badań symulacyjnych, ale to jest tylko narzędzie, do którego
niezbędne są wiedza i doświadczenie. Ta sytuacja przypomina trochę użytkowników
nowoczesnych telefonów komórkowych, które mają setki możliwości, a przeciętny
użytkownik wykorzystuje tylko niewielką liczbę funkcji. Ponadto, gdy się jest
świadomym swoich kompetencji, to pojawia się ciekawość badawcza. Mój mistrz i
nauczyciel gen. Sylwester Kaliski [profesor i rektor WAT w latach 1967-1974,
później minister nauki] mawiał: "Jeżeli działasz cały czas po bezpiecznej
stronie, to nic nie osiągniesz, czasem trzeba dać się ponieść fantazji". Od
siebie dodam, że ta fantazja powinna jednak mieć gdzieś na końcu szansę na
sukces. Więc my, stosując się do tej zasady, gdy dostrzeżemy szansę, to robimy
wszystko, aby osiągnąć cel. Prowadzimy różne ważne prace na potrzeby gospodarki
i sił zbrojnych, a ostatnio także o istotnym znaczeniu dla kraju. Na przykład
opracowaliśmy unikalną konstrukcję wagonów do przewozu ciężarówek typu TIR, po
to by wreszcie była możliwość zrealizowania znanego hasła "TIR-y na tory".
Wcześniej tym hasłem operowano bez pokrycia, bo w kraju takiej konstrukcji,
która spełniałaby tzw. skrajnię kolejową, po prostu nie było. Mamy ciekawość
badawczą i świadomość naszych możliwości, które zostały zweryfikowane w praktyce
i na tej zasadzie gotowi jesteśmy zająć się też uderzeniem skrzydła samolotu w
brzozę w katastrofie smoleńskiej.
Nie ma Pan Profesor wątpliwości, że jest to temat, którym warto się
zajmować?
– Wcześniej katastrofa pod Gibraltarem budziła ogromne emocje. Oglądałem
przynajmniej dziesięć poważnych programów z dziesięcioma różnymi tezami. Można
mieć tylko różne odczucia, która jest najbardziej prawdopodobna, bo tego nikt
nie jest w stanie zweryfikować. W przypadku Smoleńska jeszcze jest taka
możliwość i trzeba ją wykorzystać. Poza tym zginęli też ludzie, których znałem,
i pewne moje emocje również grają rolę. Najlepiej znałem gen. Tadeusza Buka,
dowódcę Wojsk Lądowych. Bardzo mi odpowiadał mentalnością, chęcią działania, był
konkretny, bardzo chciał pomóc naszym żołnierzom w Afganistanie. Zgłaszał nam
różne pytania i zamierzenia. Były one zawsze zorientowane na żołnierzy, na ich
bezpieczeństwo. Z tych względów, jak sądzę, laboratorium w Instytucie Logistyki
naszego wydziału nosi jego nazwisko.
Jakie są te możliwości badawcze WAT, w tym Pana katedry?
– Może nasze parterowe budynki przypominające baraki nie są zbyt imponujące, ale
w środku często mają znakomity sprzęt na poziomie światowym. Kiedyś był naszym
gościem prof. Jerry Wekezer z Florida State University, ośrodka, z którym ściśle
współpracowaliśmy i współpracujemy. Mówił po paru latach, że podczas tych
pierwszych wizyt tylko nam współczuł i widział w nas kopciuszków. A w ubiegłym
roku przyjechał i po zapoznaniu się z bazą oraz dorobkiem badawczym stwierdził,
że teraz to on czuje się jak kopciuszek. Obecnie mamy wszystko, co jest
potrzebne do badań: aparaturę, sprzęt, oprogramowanie, no i oczywiście
kompetentnych i doświadczonych badaczy. Nie narzekamy, że posiadany sprzęt nie
jest najnowszy, bo wciąż nie wyczerpaliśmy jego możliwości. Przeprowadzamy
symulacje i analizy numeryczne zarówno w skali makroskopowej (np. konstrukcje
stentów kardiochirurgicznych, osłon balistycznych pojazdów itd.), jak i w skali
mikroskopowej, takie jak symulacje mikrostruktury ceramiki czy materiałów
magnetoreologicznych (elastomery zmieniające sztywność pod wpływem pola
magnetycznego). Zaproponowaliśmy niedawno innowacyjną konstrukcję modułu
pontonowego mostu kasetowego na przeprawę, która może być wykorzystana w wojsku,
ale również przy powodziach i tworzeniu doraźnych przepraw przez rzekę. Mamy
dużą liczbę medali z różnych krajowych i zagranicznych wystaw oraz nagród,
patentów, wdrożeń. Jest u nas atmosfera pracy. Mamy dobry zespół w katedrze, na
który składają się doświadczeni badacze i znakomita młodzież, głównie
doktoranci. Mamy też doświadczenia związane z lotnictwem. Robiliśmy na przykład
symulacje zachowania podwozia samolotu podczas lądowań czy też projekty
dotyczące obudów i samych silników lotniczych. Nie prowadzimy tylko badań
aerodynamicznych, które pozostawiamy kolegom z Wydziału Mechatroniki i
Lotnictwa.
Czego można się dowiedzieć dzięki symulacjom komputerowym? Czy model
matematyczny może wiernie opisać skomplikowane, bardzo chaotyczne procesy, jak
zderzenia?
– Zanim do tego przejdziemy, chciałbym pokazać kilka przykładów. Wykonaliśmy
cały cykl badań zakończony opracowaniem bardzo prostego i taniego panelu, który
– nałożony na barierki drogowe – zwiększa bezpieczeństwo uczestników ruchu
drogowego. Podczas uderzenia w barierkę średnio 40 proc. energii kinetycznej
pochłaniają barierki, a 60 proc. konstrukcja samochodu. Po założeniu tych paneli
ta proporcja odwraca się: barierka pochłania więcej niszczącej energii niż
pojazd, a ponadto łagodzi uderzenie tak, że pojazd nie jest odrzucany na jezdnię
pod nadjeżdżające samochody. Otóż żeby otrzymać pożądane rozwiązanie
konstrukcyjne, to zamiast wykonywać setki zderzeń samochodu z barierkami (co
jest kosztowne), zastosowaliśmy do badań symulację komputerową. Pobraliśmy model
geometryczny z ogólnodostępnej bazy danych o pojazdach, w tym przypadku był to
samochód suzuki swift i taki samochód użyliśmy do crash-testów w Przemysłowym
Instytucie Motoryzacji (PIMOT). Następnie opracowaliśmy wszystkie elementy
niezbędne do przeprowadzenia symulacji numerycznej i przeprowadziliśmy tzw.
walidację modelu numerycznego. Po tym uwiarygodnieniu modelu numerycznego
zastosowaliśmy go do generowania przebiegu zderzenia samochodu z barierką w
różnych konfiguracjach. Jak się okazało, wyniki symulacji numerycznych dla
przypadków, które zostały poddane eksperymentowi zderzenia, były bardzo podobne
do sfilmowanego prawdziwego crash-testu w PIMOT. Nie zawsze tak być musi. Czasem
różnice mogą być znacznie większe, bo realne samochody zawsze nieco różnią się
od projektu z fabryki. Po pierwsze, są ich bardzo różne wersje i nie wszystkie
elementy zostały zamodelowane, a po drugie, ulegają różnym zmianom
eksploatacyjnym, korozji części itd. Ale w naszych badaniach dla oszacowania
ilości energii przejmowanej przez barierkę to wystarczyło. Koszt jednego
eksperymentu dla uderzenia w barierkę pod kątem (najczęściej takie przypadki
występują w praktyce) to około 100 tys. zł, a symulacja nie kosztuje tak wiele.
Można więc wypróbować różne warianty na drodze symulacji numerycznych, a do
kosztownego eksperymentu wziąć tylko te najbardziej obiecujące, co znakomicie
obniża koszty. Inny przykład, gdzie symulacja pozwala rozwiązywać ultratrudne
zagadnienie, to badania odporności balistycznej, czyli wytrzymałości pancerzy.
Kiedy pocisk uderza w pancerz, to prędkości odkształceń, które tam zachodzą, są
ogromne. Podczas eksperymentu niewiele można zaoberwować. Model pozwala
zobaczyć, jak pocisk się porusza, poznać jego erozję, tor, gdzie i jak się
zatrzyma. Przy projektowaniu pancerzy można spokojnie, siedząc przy komputerze,
dobierać parametry poszczególnych warstw (w przypadku złożonych konstrukcji
wielowarstwowych), ich sklejenia itd. I dokładnie widać, jak pocisk porusza się,
jak zmienia się jego prędkość i energia kinetyczna oraz jak jest zatrzymywany
przez pancerz. Potem wystarczy tylko wybrane rozwiązanie zweryfikować, to znaczy
wykonać strzelanie na poligonie. Podobnie projektujemy też kamizelki
kuloodporne. Z naszego doświadczenia wynika, że realne konstrukcje i materiały
zachowują się tak jak obrazy na ekranie otrzymane w wyniku obliczeń
numerycznych.
W kontekście katastrofy podważa się często wartość modelowania
komputerowego.
– A nasz kolega prof. Jerzy Małachowski podczas pobytu na Florydzie na podstawie
symulacji komputerowych doszedł do wniosku, że wyniki badań eksperymentalnych
amerykańskich kolegów są błędne. I okazało się, że miał rację, choć próbowano go
przekonać, że ma błąd w obliczeniach. Symulacje okazały się lepsze niż
tradycyjne metody. A chodziło o wytrzymałość budowanego mostu, którego budulec,
tj. beton, miał lepsze właściwości, niż wynikało z norm.
Jak teraz można te doświadczenia wykorzystać do badania na przykład
zderzenia skrzydła samolotu z brzozą w Smoleńsku?
– Po pierwsze, pewne sprawy są już nie do odtworzenia, ponieważ do takiej
idealnej symulacji należałoby wiedzieć, że będzie katastrofa, przebadać skrzydło
i brzozę. Widziałem kiedyś geometrię wypracowanego skrzydła w myśliwcu MiG-21 i
to już nie było to, co na rysunku konstrukcyjnym. Po prostu eksploatacja
spowodowała, że blachy się trochę trwale przemieściły, były jakieś naprawy. To
wszystko mogło się dziać i z tym tupolewem. Należałoby znać konstrukcję przed
zniszczeniem. Na to nie mamy żadnych szans. Oczywiście przydatny będzie ten
drugi, bliźniaczy samolot, ale nie jest powiedziane, że on się zupełnie niczym
nie różni. Te egzemplarze mają jednak inną historię eksploatacji i w szczegółach
mogą być różnice. Najlepiej byłoby mieć więc dostęp także do wraku. Osobna
sprawa to drzewo. Jesienią czy zimą żywe drzewo jest zupełnie inne niż wiosną.
Brzoza poza tym ma tę właściwość, że wiosną ciągnie soki. Uwodnione drzewo ma
inne właściwości niż odwodnione. Nie jest też strukturą jednorodną, to znaczy ma
różne właściwości, gdy oddziałuje się na nie w różnych kierunkach, co wynika z
jego włóknistej struktury. Inaczej reaguje na uderzenia prostopadłe, skośne,
jeszcze inaczej na skręcanie. To wszystko trzeba brać pod uwagę. Trzeba mieć
wiarygodne dane wejściowe. Każdy błąd popełniony na początku potem potęguje
rozbieżności między obliczeniami a rzeczywistością. My dysponujemy dwoma
środowiskami używanymi do tych celów: LS-Dyna, którego używał prof. Wiesław
Binienda, i zestawem programów firmy MSC, popularnie nazywanym Nastranem.
Oczywiście trzeba mieć doświadczonych badaczy, którzy te narzędzia informatyczne
potrafią wykorzystywać. Nie chcę oceniać pracy prof. Biniendy, nie twierdzę, że
popełnił jakieś błędy. Ale mógł np. przyjąć jakąś błędną wartość początkową, co
wpłynęło na wynik. To musi być przedmiotem rzetelnej dyskusji naukowej z
udziałem zainteresowanych zespołów naukowych. Profesor Michał Kleiber, prezes
PAN, w ostatnich wystąpieniach wskazuje, że bardzo istotnym zagadnieniem jest
dysponowanie dobrymi i wiarygodnymi danymi. Proponuje również, że z różnych
względów powinien tą sprawą zająć się jakiś zespół zagraniczny. Ja bym jednak
zaproponował, żeby równolegle zrobiła badania jedna czy dwie grupy z Polski. Nie
ma nic lepszego niż konkurencja zespołów. Weryfikacja i prezentacja wyników tych
zespołów powinna wówczas odbyć się w formie dyskusji naukowej na jakimś wspólnym
sympozjum.
Czy te wyniki byłyby wiarygodne? Komisja Millera opierająca się na
zapisach rejestratorów doszła do jednych wniosków, naukowcy współpracujący z
zespołem parlamentarnym do przeciwnych. Da się to jakoś obiektywnie
zweryfikować?
– W odniesieniu do skrzydła i brzozy na pewno tak. Dostalibyśmy wyniki z
prawdopodobieństwem bliskim jedności. Stu procent nigdy nie da się uzyskać.
Zawsze jest pewien błąd wynikający np. z samej metody opartej na dyskretyzacji,
np. ciągłe zjawiska są przybliżane przez miliony małych kroków czasowych. Potem
dochodzi numeryczne rozwiązywanie układów milionów równań z milionami
niewiadomych, a proces ten sam w sobie jest bardzo skomplikowany. Niedawno
symulowaliśmy działanie układu hamulca i same obliczenia na superkomputerze
trwały trzy miesiące. A wcześniej przygotowanie wiarygodnego modelu
numerycznego, wiernie odwzorowującego proces hamowania, dwa lata.
A jeśli te zespoły będą miały inne wyniki?
– Trzeba przeprowadzić dyskusję o metodach, założeniach, przyjętych
uproszczeniach itd. Uczeni są podatni na argumenty. Jeżeli ja mówię, że coś jest
ortotropowe, a nie izotropowe, a drugi zespół przyjął założenie, że jest
izotropowe, to sprawa jest jednoznaczna – musi przyznać racje zgodnie z tym, co
występuje w rzeczywistości. Może dobrze byłoby taką dyskusję prowadzić w formie
seminarium, na którym każdy z zespołów miałby możliwość zaprezentowania swoich
założeń do modelowania i wyników badań materiałów.
Można liczyć, że to ostudziłoby emocje wokół przyczyn katastrofy?
– Gdyby wszystkie strony – od prawa do lewa – doszły do porozumienia, że raport
przygotowany przez te dwa czy trzy zespoły zostanie uznany za ostateczne
rozstrzygnięcie, niezależnie od wyniku, to tak. Ja na pewno nie będę niczego
naciągać. Jestem zbyt dojrzałym badaczem, żeby naciągać wyniki, gdyż byłoby to
nieuczciwe i godziłoby w moją i zespołu reputację. W moim odczuciu, zespoły WAT
cechuje rzetelność, a nie doraźne zapotrzebowanie na wynik. W swojej praktyce
odmówiłem badań przedsiębiorcy, który chciał udowodnić, że nie jego
nierzetelność, a siła wyższa była przyczyną zdarzenia.
To zupełnie inna sytuacja niż w komisji Millera.
– Nie chciałbym się wypowiadać na ten temat, bo też tych wyników tak dokładnie
nie analizowałem. Na pewno rzeczy typowo naukowych w tym nie było. My staramy
się być bardzo ostrożni w naszych działaniach i w wypowiedziach. Niczego nie
mówimy, dopóki nie sprawdzimy w badaniach.
Jakie warunki musiałyby zostać spełnione, żeby Pana katedra mogła
rozpocząć badania symulacyjne związane z katastrofą smoleńską?
– WAT ma dość specyficzną sytuację. Podlegamy dwóm ministerstwom: Obrony
Narodowej oraz Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Pierwsze daje dotację pokrywającą
koszty nauczania studentów wojskowych, a drugie – cywilnych. Pomimo tej –
wydawałoby się – korzystnej sytuacji dotacje pokrywają jednak tylko 40-45 proc.
potrzeb uczelni. Na wszystko inne, jak infrastruktura, remonty, sprzęt, badania
naukowe, musimy zarabiać sami. Dlatego musimy podejmować tematy badawcze, które
przekładają się na środki do życia uczelni. Dzięki wdrażanym projektom możliwe
są wszystkie remonty, prowadzone teraz z rozmachem po latach zastoju. Badania w
zakresie modelowania numerycznego są kosztowne. Nie chcę, żeby mnie źle
zrozumiano, że chcemy zarabiać na tragedii. Nie! To nie jest nasz cel, ale
trzeba oderwać ludzi od innych prac mniej więcej na rok i postawić do tej. Taki
zespół około 6 osób musi przez pół roku czy rok tylko tym zagadnieniem się
zajmować. Ktoś musi zrefundować płace z pochodnymi, materiały, badania,
delegacje itd.
Ile to mogłoby kosztować?
– Średnio taki projekt badawczy mógłby trwać około roku i kosztować około 1,5
miliona złotych.
Jakie jeszcze badania związane z katastrofą mogą być wykonane na WAT,
poza modelowaniem zderzenia z brzozą? Na przykład w zakresie aerodynamiki,
napędów, awioniki czy nawigacji?
– Mamy znakomitego fachowca, prof. Aleksandra Olejnika, specjalistę od
samolotów. Potrafi zaprojektować samolot na drodze teoretycznej, obliczyć
wszystko. Na pewno mógłby tu pomóc. Jest również, jak już wspomniałem, cały
Wydział Mechatroniki i Lotnictwa. WAT jest uczelnią techniczną bardzo
interdyscyplinarną i mamy fachowców w wielu dziedzinach.
Dziękuję za rozmowę.
W rozmowie uczestniczyli dwaj współpracownicy prof. Niezgody: dr hab. inż.
Jerzy Małachowski, profesor WAT, i dr inż. Andrzej Morka, oraz rzecznik prasowy
uczelni Jerzy Markowski.