Perché i piloti non distinguono più l'alto dal basso nelle nuvole? (Disorientamento spaziale)

Disorientamento spaziale

In una nube, un pilota può perdere il senso dell'alto: è il disorientamento spaziale. Sembra impossibile. Penseresti di accorgerti di essere sottosopra. La notte del 16 luglio 1999, un piccolo monomotore volava verso est lungo la costa del Connecticut, verso Martha's Vineyard.

Ai comandi c'era John F. Kennedy Jr., con 2 passeggeri. Aveva circa trecentodieci ore di volo, di cui circa cinquantacinque ore notturne. Non era ancora abilitato al volo solo strumentale. Quella notte non c'era tempesta.

C'erano però foschia e buio. Altri piloti sull'acqua non vedevano alcun orizzonte. A circa 11 chilometri dall'isola, sul mare aperto, l'aereo iniziò una serie di virate. Poi entrò in una virata a destra sempre più inclinata, e il muso si abbassò. Alla fine della discesa, scendeva a circa millequattrocentotrenta metri al minuto, più di quattromilasettecento piedi al minuto.

L'ultima risposta radar arrivò alle ventuno e quaranta, a millecento piedi, circa trecentoquaranta metri sul mare. Morirono tutte e 3 le persone a bordo. Trovarono schiacciato un piccolo registratore collegato alle radio, senza nulla registrato: nessuno può sapere esattamente cosa provò negli ultimi minuti. Com'è possibile che chi è ai comandi non senta l'aereo precipitare verso il mare?

E quanto può controllarlo quando il mondo esterno scompare? Nel 1954, ricercatori misero 20 piloti in una nube artificiale e cronometrarono quanto restassero in controllo. Torneremo su ciò che trovarono. Prima, un pilota su una sedia rotante e un volo del 1929 che cambiò il volo per sempre.

Il pilota sulla sedia rotante

Nel millenovecentoventisei, a Crissy Field di San Francisco, William Ocker, pilota militare, sedeva su una sedia rotante. Capitano David Myers, medico di volo, condusse il test. Era una sedia Barany usata dai medici per testare l'equilibrio. Ocker chiuse gli occhi; Myers la girò.

Ocker ignorava se la sedia girasse e in che direzione. Provarono altro. Misero in una scatola da scarpe con lucina un indicatore che mostra quando l'aereo vira. Ocker guardava solo nella scatola, mentre la sedia girava.

Capiva ormai direzione e velocità. Il corpo fallì; lo superò uno strumento semplice. Per anni Ocker spinse l'esercito ad addestrare piloti al volo strumentale. Col tenente Carl Crane scrisse nel 1932 "Blind Flight in Theory and Practice".

Nel 1943, un anno dopo la sua morte, l'esercito standardizzò i suoi metodi per tutti i piloti. Le forze aeree usano ancora simulatori rotanti: gli allievi piloti provano in sicurezza le illusioni a terra. Vediamo nell'orecchio perché il corpo sbaglia.

Il giroscopio nel tuo orecchio

A terra, il senso di alto e basso viene soprattutto dagli occhi. La FAA, ente che regola l'aviazione negli Stati Uniti, dice che fino al 90 per cento dell'orientamento viene da ciò che vediamo. Il resto viene da pelle, muscoli, articolazioni e un piccolo organo profondo in ciascun orecchio. È l'apparato vestibolare, il sistema dell'equilibrio dell'orecchio interno.

Ha 2 tipi di sensori. Il primo rileva le rotazioni. Immaginate 3 minuscoli anelli pieni di liquido, ad angolo retto fra loro. Sono i canali semicircolari.

1 per annuire, 1 per scuotere la testa, 1 per inclinarla verso la spalla. Quando la testa inizia a ruotare, il liquido resta indietro, come il caffè in una tazza girata all'improvviso. La tazza gira, il caffè per un attimo resta fermo. Il ritardo piega minuscoli peli che segnalano al cervello la rotazione.

È ingegnoso, ma ha 2 debolezze. La prima è il movimento lento. Se una virata inizia abbastanza dolcemente, liquido e peli si muovono appena. Se l'aereo s'inclina lentamente e senza scatti, il pilota potrebbe non sentirlo. I manuali usano circa 2 gradi al secondo come regola pratica.

Poco sotto questa velocità, le ali possono inclinarsi di 20 o 30 gradi in 15 secondi senza che il pilota senta nulla. Al buio, in laboratorio, si possono notare brevi movimenti più lenti di 1 grado al secondo. Ma dipende da quanto dura il movimento. E una cabina non è un laboratorio silenzioso. La seconda debolezza è il tempo.

Dopo circa 10-20 secondi di rotazione costante, il liquido raggiunge gli anelli. I peli si raddrizzano e la sensazione di girare svanisce. State ancora girando, ma il corpo dice che vi siete fermati. Quando vi fermate davvero, il liquido oscilla al contrario e sembra di girare nell'altra direzione.

Il secondo sensore sono gli organi otolitici, o otoliti. Qui i peli sensoriali stanno sotto minuscoli cristalli, più pesanti del gel circostante. Quando inclinate la testa, la gravità tira i cristalli e piega i peli. Gli otoliti indicano quindi il basso.

Ma non distinguono gravità e accelerazione. Accelerando in avanti, i cristalli scivolano indietro, come se reclinaste la testa. Un manuale dell'aeronautica statunitense dice che, solo dagli otoliti, trovare il vero basso è quasi impossibile. A terra, gli occhi chiariscono di solito questi segnali contrastanti.

In una nube o su un mare buio, di notte, non hanno riferimenti.

L'illusione dell'inclinazione e la spirale della morte

Portiamo questi limiti nella cabina, dentro una nube. Un'ala scende lentamente, sotto la soglia dell'orecchio interno. Il pilota non sente nulla. E nemmeno gli otoliti lo avvertono.

In una virata uniforme e bilanciata, la forza della virata e la gravità diventano un'unica forza verso il sedile. Così il basso percepito continua a puntare al pavimento dell'aereo. Se nessuno corregge l'inclinazione, le ali producono meno portanza verso l'alto e il muso scende. L'aereo accelera e perde quota.

Vedendo scendere l'altimetro, l'indicatore di quota, il pilota spesso tira i comandi per alzare il muso. Ma farlo con l'aereo inclinato stringe ancora la virata. La discesa diventa più ripida e veloce. I piloti la chiamano spirale della morte.

È una virata rapida, stretta e in discesa, non una vite: le ali producono ancora portanza. Un opuscolo FAA dice che la spirale della morte è più comune della vite. Nella spirale il pilota sente la discesa, non la virata, e può credere di precipitare diritto. Supponiamo che se ne accorga e raddrizzi bruscamente le ali.

Il fluido nei canali si sposta e il corpo dice che l'aereo inclina dall'altra parte. Così il pilota inclina di nuovo l'aereo, tornando nella virata iniziale. Si chiama the leans, l'illusione di inclinazione, che la FAA considera la più comune in volo. Una circolare FAA cita un ampio sondaggio: il 45 per cento tendeva a inclinarsi dall'altra parte dopo aver raddrizzato le ali.

E il 39 per cento si sentiva in volo rettilineo e livellato mentre virava. C'è un'altra illusione, quando l'aereo accelera. Una spinta in avanti fa arretrare i cristalli degli otoliti e il pilota sente salire il muso. È l'illusione somatogravica.

Chi sente salire il muso può spingerlo verso terra durante decollo o riattaccata. Notate cosa manca: rotazione e vertigine. Il disorientamento spaziale spesso non è vertigine. Il corpo spesso non va nel panico. Comunica con calma la risposta sbagliata.

178 secondi

Questo ci riporta ai 20 piloti nella nube artificiale. Nel 1954, l'Università dell'Illinois cercò di insegnare a piloti senza addestramento strumentale a uscire vivi da una nube. Prima misurò quanto restassero in controllo senza aiuto. Lo finanziò una fondazione dell'AOPA, associazione americana di proprietari e piloti di aeromobili. Erano 20 piloti dai 19 ai 60 anni. 19 avevano licenza privata, 1 era studente, nessuno aveva volato con gli strumenti.

Volavano su un Beechcraft Bonanza, comune quadriposto, con un istruttore. Finestre di plastica ambra e occhiali blu lasciavano vedere il pannello, non l'esterno. I ricercatori coprirono anche l'orizzonte artificiale, lo strumento che mostra un'immagine del cielo. Era come entrare in una nube quasi senza riferimenti. 19 su 20 entrarono in una spirale della morte.

Il ventesimo alzò il muso così bruscamente da sfiorare lo stallo. La perdita di controllo più rapida arrivò dopo 20 secondi. La più lunga durò 480 secondi, cioè 8 minuti. La media fu di centosettantotto secondi, meno di tre minuti.

Quel numero entrò poi nell'addestramento al volo come "centosettantotto secondi per vivere". Ma era una media su 20 persone, con un intervallo enorme. Un articolo recente data perfino lo studio al 2003, ma risale al 1954. Poi venne la parte citata meno spesso.

Gli stessi piloti ricevettero circa 4 ore su una semplice procedura di fuga. Togliete le mani dalla barra, rallentate e lasciate volare l'aereo. Poi usate solo timone e piccolo ago di virata per una dolce virata di centottanta gradi, tornando indietro. Nella prova finale, ogni pilota eseguì la procedura 3 volte, per 60 tentativi. L'unico errore fu di un pilota che dimenticò di regolare la potenza e perse quota lentamente.

Cambiò ciò di cui si fidavano. Prima seguivano le sensazioni, poi un ago sul pannello, con le mani lontane dai comandi. Anche addestrati, passare dal corpo agli strumenti non è immediato. Una circolare FAA dice che anche piloti qualificati agli strumenti possono impiegare fino a 35 secondi a riprendere il pieno controllo dopo aver perso di vista il suolo.

L'orizzonte artificiale coperto dai ricercatori è il più importante. Perché fidarsi di lui quando non del corpo?

Strumenti giroscopici: come una trottola mantiene la rotta

Parte da un giocattolo. Fate girare una trottola: resta sulla punta. Una ruota che gira resiste all'inclinazione. I manuali dei piloti chiamano rigidità nello spazio: un giroscopio che gira mantiene la direzione, qualunque cosa accada intorno.

Nel 1852, il fisico francese Léon Foucault lo chiamò giroscopio, da parole greche per "cerchio" e "osservare". Lo usò per mostrare che la Terra gira sotto di esso. La ruota fa anche qualcosa di strano. Spingetela: non s'inclina dove spingete.

Invece, gira di lato, come se la spinta arrivasse un quarto di giro più tardi. Si chiama precessione. Montate una ruota veloce in una struttura che lasci l'aereo ruotare liberamente intorno. Inclinando le ali, l'aereo fa ruotare l'involucro attorno alla ruota, che resta livellata.

Collegate un'immagine dell'orizzonte alla ruota: ottenete un indicatore di assetto, o orizzonte artificiale. Mostra il simbolo dell'aereo contro una linea livellata con l'orizzonte reale. È un orizzonte da portare in una nube. In molti piccoli aerei, una pompa del vuoto del motore aspira aria nello strumento e fa girare la ruota.

A differenza del fluido nell'orecchio, la ruota non svanisce dopo 20 secondi. Non è perfetta: dopo forte accelerazione o lunga virata può sbagliare qualche grado per circa 1 minuto, ma non svanisce come l'orecchio interno. Ma qualcuno doveva portare quella ruota in aereo.

Senza toccare i comandi: il primo pilota automatico

All'inizio del Novecento, l'inventore americano Elmer Sperry costruì bussole giroscopiche per navi da guerra. Il figlio Lawrence voleva mettere giroscopi sugli aerei. Il diciotto giugno millenovecentoquattordici ebbe l'occasione in Francia. Sulla Senna, vicino a Parigi, si teneva una gara di sicurezza aeronautica.

Lawrence Sperry, 21 anni, volò su un idrovolante Curtiss col suo stabilizzatore giroscopico. Passando davanti ai giudici, tolse le mani dai comandi. Il meccanico Emil Cachin uscì e camminò sull'ala. L'aereo s'inclinò, lo stabilizzatore lo raddrizzò da solo.

Sperry vinse 50.000 franchi. Nel millenovecentodiciotto, la sua società collaudava un indicatore di virata per piloti. Lawrence Sperry non visse per vedere il volo cieco diventare normale. Nel dicembre 1923, il suo aereo precipitò nella nebbia sulla Manica: morì a 31 anni.

La causa resta ignota.

24 settembre 1929: il primo volo cieco

Negli anni 1920, chi entrava nella nebbia rischiava di perdere il controllo. Più volte, chi perdeva il suolo entrava in spirale e precipitava. Ocker e il suo collega, il tenente Carl Crane, lanciarono perfino piccioni bendati dall'aereo. Senza vista, gli uccelli perdevano l'orientamento come i piloti in nube.

Nel 1926, Daniel Guggenheim creò un fondo di 2,5 milioni di dollari per rendere il volo più sicuro. Uno scopo era volare sicuri nella nebbia. A Mitchel Field, vicino New York, fondò il Full Flight Laboratory. Il collaudatore era l'ufficiale dell'esercito Jimmy Doolittle.

Doolittle si esercitò più di 100 volte con un cappuccio di tela sull'abitacolo. Usava nuovi strumenti, e 3 contavano più degli altri. Primo, un altimetro Paul Kollsman, molto più preciso degli standard dell'epoca. Secondo, un orizzonte artificiale di Elmer Sperry Jr., fratello minore di Lawrence.

Terzo, un radiofaro indicava la rotta, letto su uno strumento a lamelle metalliche vibranti. Il ventiquattro settembre millenovecentoventinove, Doolittle decollò su un biplano Consolidated NY-2 con il cappuccio chiuso. Volò circa 15 minuti, virò e atterrò. Non vide mai l'esterno.

Il pilota di sicurezza, tenente Ben Kelsey, sedeva davanti con le mani alzate perché tutti le vedessero. Doolittle scrisse poi che, per quanto ne sapeva, era il primo aereo a decollare, seguire una rotta e atterrare solo con gli strumenti. Nacque una regola per le nubi: credere agli strumenti, non al corpo. Ma avere strumenti e fidarsene sono cose diverse.

Quando le sensazioni del corpo prevalgono sugli strumenti

Un opuscolo FAA dice che il disorientamento spaziale causa il 5-10 per cento degli incidenti dell'aviazione generale, cioè i voli civili non di linea. E circa il 90 per cento è mortale. Nel duemilaventicinque, ricercatori della FAA analizzarono trecentosessantasette rapporti di incidenti mortali dal duemilatre al duemilaventuno. In un gruppo più ampio di trecentonovanta incidenti con disorientamento spaziale, il novantaquattro per cento fu mortale.

Trovarono anche un forte legame con piloti sotto le 500 ore di volo. Il disorientamento spaziale non è comune, ma quando accade è quasi sempre mortale. Il ventitré agosto del duemila, un Airbus A trecentoventi della Gulf Air stava atterrando in Bahrain, di notte, sul mare. L'equipaggio fece un giro stretto e basso vicino alla pista, rinunciò e risalì per riprovare.

Meno di un minuto dopo, l'aereo colpì il mare poco profondo e morirono tutte le centoquarantatré persone a bordo. L'inchiesta concluse che l'equipaggio ebbe probabilmente una forma di disorientamento spaziale. Il comandante potrebbe aver sentito falsamente che l'aereo cabrava. È l'illusione vista prima, che colpisce quando l'aereo accelera e il pilota non vede fuori.

Nel gennaio 2004, un Boeing 737 Flash Airlines decollò di notte da Sharm el-Sheikh, in Egitto, sul Mar Rosso. Circa due minuti e mezzo dopo, precipitò in mare e morirono tutte le centoquarantotto persone a bordo. Gli investigatori egiziani non trovarono prove conclusive di una causa probabile. Gli americani dissentirono: dissero che il disorientamento spaziale era l'unica spiegazione compatibile con le prove. Il BEA francese indicò anche disorientamento e fatica.

Il ventisei gennaio duemilaventi, un Sikorsky S-76 entrò nelle nubi vicino a Calabasas, a ovest di Los Angeles. A bordo c'erano Kobe Bryant, sua figlia Gianna e altre 7 persone. Il pilota, esperto, disse al controllo del traffico aereo che saliva a quattromila piedi, circa milleduecento metri. In realtà aveva appena raggiunto circa settecentoventi metri, duemilatrecentosettanta piedi, e scendeva in virata a sinistra.

Circa 20 secondi dopo urtò un pendio e morirono tutte e 9 le persone. L'NTSB, ente statunitense per la sicurezza dei trasporti, concluse che continuare a volare a vista nelle nubi portò a disorientamento e perdita di controllo. Quando pubblicò le conclusioni, il presidente NTSB Robert Sumwalt disse: "Purtroppo, continuiamo a vedere questi stessi problemi influenzare decisioni sbagliate da parte di piloti altrimenti esperti." Negli incidenti di Bahrain e Calabasas non emersero guasti dell'aereo.

Il corpo raccontava una storia più convincente.

Quando lo strumento stesso si guasta

Un pilota dovrebbe fidarsi sempre degli strumenti? Non ciecamente: anche gli strumenti falliscono. Nei piccoli aerei, una pompa del vuoto guasta può rallentare e deviare i giroscopi. Alcuni hanno una spia: il pilota deve notarla. Un rapporto FAA sui dati AOPA: guasti al vuoto causano circa 3 incidenti annui, circa l'11 per cento d'incidenti da disorientamento; circa il 90 per cento è mortale.

Il primo gennaio millenovecentosettantotto, un Boeing settecentoquarantasette dell'Air India decollò di notte da Bombay, oggi Mumbai, sul mare. Gli investigatori incolparono un indicatore d'assetto guasto in virata a destra. Sul mare buio, senz'orizzonte, l'aereo continuò a rollare a sinistra oltre 90 gradi. L'equipaggio non usò altri strumenti per riprendere il controllo, secondo gli investigatori.

Pochi minuti dopo il decollo, l'aereo si schiantò in mare a circa tre chilometri dalla costa e morirono tutte le duecentotredici persone a bordo. 22 dicembre 1999, un Boeing 747 cargo di Korean Air decollò da London Stansted di notte. Nel volo precedente l'indicatore d'assetto del comandante fu segnalato inaffidabile nel rollio. Segnalato correttamente, il guasto restò: a Stansted ripararono il componente sbagliato.

Dopo il decollo, l'indicatore del comandante mostrava ali livellate mentre l'aereo s'inclinava. Un allarme suonò 3 volte: gli strumenti di comandante e primo ufficiale non concordavano. L'ingegnere di volo chiamò: "Bank, bank." Nessun pilota rispose. Il comandante continuò a rollare a sinistra fino a 90 gradi circa.

Colpì il suolo: ali quasi verticali, muso in picchiata di circa 40 gradi. Colpì un campo ai margini del villaggio di Great Hallingbury meno di 1 minuto dopo il decollo. Morirono tutte e 4: 3 dell'equipaggio di volo e un tecnico della compagnia. Per gli investigatori britannici, i piloti reagirono male agli avvertimenti. Inoltre, il primo ufficiale non controllò l'assetto o non avvertì il comandante.

La lezione: "Fidati degli strumenti" non basta. Confrontarli: uno strumento, come l'orecchio interno, può sbagliare. Perciò i grandi aerei hanno più indicatori d'assetto e un orizzonte di riserva. La stessa idea: 2 sensori si controllano nel dispositivo tascabile.

Il giroscopio in tasca

Il telefono ha un giroscopio, ma nulla vi gira dentro. È una minuscola struttura incisa nel silicio e vibra avanti e indietro. Ruotando il telefono, la parte vibrante è spinta di lato. È l'effetto Coriolis, spinta laterale della rotazione. Misuratela e sapete quanto ruota il telefono.

Sommando nel tempo le velocità, ottenete l'angolo del telefono. Ma si somma anche ogni errore e l'angolo deriva lentamente. Perciò i telefoni usano un accelerometro, sensore che percepisce la gravità, per trovare il basso e correggere la deriva, almeno quando sono quasi fermi. Un sensore per ruotare, uno per il basso: la stessa coppia dell'orecchio interno.

L'accelerometro ha la stessa debolezza degli otoliti: non distingue gravità e accelerazione. Le cabine moderne usano AHRS, sigla di sistema di riferimento di assetto e prua. Segue inclinazione e direzione dell'aereo. Invia l'assetto allo schermo principale del pilota, senza ruota rotante. Gli astronauti affrontano il problema dell'orecchio interno al contrario.

In orbita, gli otoliti non sentono più una spinta costante della gravità. Circa il 65-70 per cento dell'equipaggio dello Space Shuttle ebbe malattia da movimento spaziale nei primi 3 giorni. Una spiegazione: il cervello deve reimparare a interpretare i segnali otolitici. Sulla Terra, cinetosi in auto o con un visore di realtà virtuale si spiega spesso così: occhi e orecchio interno non concordano.

Gli uccelli? Le fregate, grandi uccelli marini tropicali, si librano regolarmente nei cumuli, a volte fino a circa 4.000 metri. Un'analisi suggerisce che le loro salite circolari nelle nubi siano naturalmente stabili e non richiedano grandi correzioni. Ma i piccioni bendati degli anni Venti del Novecento persero l'orientamento.

Fidati degli strumenti

Perché in nube i piloti perdono il senso di alto e basso? Perché l'equilibrio è fatto per chi vive a terra, a occhi aperti. Non sente virate lente, dimentica le virate costanti, non distingue gravità e accelerazione. A terra gli occhi compensano; in nube nulla.

La storia del volo nelle nubi è costruire un giroscopio migliore e imparare a credergli. Nel 1954, 20 piloti persero il controllo in meno di 3 minuti, in media. Dopo circa 4 ore di lezioni, gli stessi piloti uscirono sani e salvi in 59 tentativi su 60. Cambiò ciò a cui scelsero di credere quando corpo e strumenti divergevano.

Di nuovo, nel 1999, sul mare buio, gli strumenti dell'aereo molto probabilmente funzionavano. La difficoltà non è vedere, ma credere a ciò che dice il pannello.