The AAIB's findings into last spring's devastating lightning strike on a London GC K-21, when two people parachuted to safety, are now public. S&G reports on what can be learned

THE LIGHTNING strike which last year destroyed a K-21 in mid-air has been described by the Air Accidents Investigation 
Branch as a "rare example of an extremely high-energy strike to a completely unprotected structure". 
Although glider accidents are usually investigated by the BGA, the AAIB took an interest in this incident because a helicopter crash in 1995 had previously raised fears that international standards of lightning protection are inadequate. 
The investigation into the mid-air destruction of the K-21, GBP, was carried out by the AAIB's Peter Claiden, who is also a Dunstable glider pilot. The report has led to two safety recommendations (see p7). The first, that manufacturers develop new ways of protecting gliders from lightning strikes is strongly backed by the BGA Technical Committee (see p29). The second asks the Civil Aviation Authority to give serious consideration to the findings as part of an international review of aircraft lightning standards. If the AAIB view prevails, what happened to GBP will make more aircraft safer across the world. 
The significance of the GBP incident last April lies in the nature and severity of the strike and new research into how often such hits occur, as well as in changes to the construction of many modern aircraft. 
Certificated fixed-wing aircraft and helicopters (not gliders) are required to survive lightning strikes without significant damage; the standard is meant to protect against 98 per cent of cloud-to-ground strikes, assuming that ten per cent of these are of positive 
polarity (ie, discharge positive current). 
Positive strikes are often more damaging than 
negative ones; and recent 
research suggests that the proportion of positive strikes can be more than ten per cent. In the storm which hit GBP, 66 per cent of strikes were positive. Furthermore, tests and calculations indicate that the energy level of the strike on the K-21 was eight or nine times higher than that tested for in the present international standards. The peak current was thought to be in excess of 300,000A. Such energy levels, the AAIB says, raise concerns about the ability of lightning-certificated aircraft to withstand such strikes without significant damage. 

Key factor 
K-21s are constructed almost entirely of glass reinforced plastic (GRP) with foam or honeycomb-filled sections bonded together - composite materials which do not conduct electricity. Elevator, aileron and airbrake control systems include metal levers, push/pull rods and bellcranks. In common with most sailplanes, there is no designed-in lightning protection. 
The key factor in GBP's destruction was a high-energy strike on a metallic control system within a composite structure. In conventional "metal" 

aircraft, the lightning current is generally conducted through the metallic structure; the current density is generally low except near the lightning's entry point and the path of conduction does not usually fail, so lightning arcs do not form. Such arcs, where the current jumps creating light, heat and shock waves, led to the in-flight disintegration of GBP. But composite materials such as carbon fibre reinforced plastic (CFRP) are being increasingly used in other types of aircraft, including passenger jets, as well as gliders. Although CFRP conducts electricity, it is more resistive than an aluminium alloy push-rod believed to have conducted all of the strike's energy within the K-21 wing. 
At the time of the accident, 15 strikes in 20 minutes were recorded within 25km of the main wreckage site. The first, at17.08hr 57.5sec, was a positive discharge in excess of 80,000A which is thought to have hit GBP. 
The result was devastating (see The final minutes of GBP, bottom right). The charge entered the left wing and tray- elled through the aileron system before exiting the right wing (see diagram top right). Almost all the right wing, the outer section of the left wing and the centre part of the fuselage detached in flight. The main spar connection remained and was later easily derigged. Most of the structure was recovered and examined at Farnborough. Four main areas of the glider had fragmented or been directly affected by internal over- pressure in flight: the fuselage centre section; the right wing tip and the areas aft of the main spar at the inboard end of both ailerons. Most bonded joints in the wings, and the bonded seams in the centre of the fuselage, separated along the adhesive lines. Both canopies had remained securely closed, but all the perspex was shattered. 

Damage and failures 

Damage resulted from three different direct effects of the strike: Joule heating as the current passed through conductive parts of the glider; localised heat damage where lightning arc roots attached; and structural damage caused by lightning arcs and their resulting shock waves and overpressures within the enclosed volumes of the wings and fuselage. 
Such arcs ionise the air and almost instantaneously produce extremely high gas temperatures which may be in the region of 50,000" F. In addition, heating damage and failures are likely to occur wherever resistance is high compared to the current flowing. This happens especially at bearings and joints, with further arcs (and their consequent shocks and overpressures) forming in the opened gaps between the linkages. The large mechanical forces generated by the intense magnetic fields associated with such high currents may also make linked components separate -as happened with the linkages in GBP's aileron system - and so induce further arcs. 
The strike damaged only the aileron system - not the adjacent airbrake system or the elevator and rudder controls. The aileron system, linked by self-aligning ball or plain bearings and by Hotellier ball and socket joints, included three aluminium alloy rods in each wing. The centre rod from the right wing was burned and eroded at each end close to its jointed connections, which were missing, and had, unusually, been "crushed" because of the intense magnetic field generated by conducting the current. The end result was an almost solid, irregularly-shaped "bar" (pictured below right). This deformed rod, which probably reached no more than 200° C, is thought to have conducted all the current. 
The lowermost of three bolts attaching this system to the steel bracket which supported the aileron bellerank had reached a temperature in the region of 1,000° C, and melted (pictured below left). From the damage to this bolt and the pushrod, the energy level of the strike was calculated as at least eight to nine times higher than specified international lightning protection standards for aircraft. 


GBP's final few minutes

A LARGE area of bad weather with heavy falls of snow and sleet was slowly 
approaching Dunstable airfield from the north. K-21 GBP had been on a training flight for about an hour and was soaring in 2-3kt up, in clear air, back along the front edge of the cloud line. 
At around 17:09 hrs, it turned away to return to the airfield. Shortly afterwards, at c. 2,500ft agl - 300ft above cloudbase - and an estimated 800 yards from cloud, the glider was hit by lightning. Large sections of its airframe disintegrated. 
The Basic Instructor, Peter Goldstraw, heard a "very loud bang" and then the cockpit felt "very draughty"; he believes he may have briefly lost consciousness. 
He felt dazed and remembers slowly becoming aware that this was "a real emergency requiring unpleasant and decisive action". 
He shouted to the pupil, Graham Cooper, to bale out. Unable to hear him, he did so anyway. The instructor followed, but was surprised when he realised he had not needed to jettison the canopy. Both parachutes opened by an estimated 1,800ft agl. The student landed 
on the roof of a disused petrol station and escaped major injury. The instructor landed in a field, breaking his ankle; and "sooting" damaged his jacket, parachute pack and hair. The hearing of both pilots was affected. 
Few people saw the actual strike, but many witnessed its immediate aftermath: large items of slowly-falling debris, parachutes, the fuselage descending vertically at high speed and a ball of smoke and fine debris where the glider had been. 
As the lightning flashed there was an extremely loud crack; many witnesses said it was the loudest sound they had ever heard. 


How the hit happened

ELECTRIC charges within clouds are produced by complex processes of freezing and melting and by movements of raindrops and ice crystals. A lightning flash starts with the formation of an ionised column of air, called a leader, which travels out from a region where the electric field is strong enough to begin to break down the air. 
A naturally-occurring lightning strike begins when an aircraft intercepts a lightning leader. The leader's electric field intensifies around the aircraft extremities and then new discharges (called "junction leaders”) emanate from these areas. One or more junction leaders connects with the lightning leader at the "switching point", and creates the "entry point" (the initial lightning attachment point). At the same time, more junction leaders are propagated from other extremities and travel towards a region of opposite 
polarity (the earth or another cloud charge 
region), creating the "exit point(s)". Entry and exit points occur on surfaces such as nose, wing, empennage tips and tail. 
An aircraft-induced strike (see above) results when the aircraft enters an electric field associated with charged cloud regions - which can extend up to. 10km from the cloud - and the field intensity around its extremities is sufficient to trigger bi-directional leaders. These link regions of opposite polarity and again conduct lightning currents through the aircraft. It is not known if GBP intercepted a strike, or if it induced one, but the effects would be similar. 
On take-off (1610 hr) the K-21 pilot reports that the cumulus was spaced two to three miles apart in an otherwise clear sky and was not greatly developed. The forecast (below) proved reasonably accurate, with warnings of severe turbulence, lightning and hail in the vicinity of cu-nims. 

Technical view 

IT IS immediately encouraging to learn that this particular strike has been classified as a very rare and abnormal event, with associated energy levels far in excess of those normally considered appropriate for aircraft designers to design to. This is entirely logical when one considers the number of gliders around the world which have for years sniffed around much more powerful cu-nims than we usually get in the UK. 
It is this rarity that has stimulated the intense interest of the AAIB and of scientists whose work involves high- energy electrical discharges. Important lessons can be drawn from their observations which should be of particular interest to glider designers. The BGA Technical Committee strongly endorses the AAIB's findings. 
The electrical energy passed through the wing along the aileron circuit, between the two aileron horns. The aluminium alloy tubular control rods carried the extreme energy relatively well, although they were bizarrely distorted by electro-mechanical forces. associated with the high voltages. 
The explosive damage to the airframe structure was in the region of the pushrods' end fittings which, being made from more electrically-resistant steel, melted in the extreme heat. The ensuing separation of the control circuit drew an arc similar to that commonly seen in arc welding operations, but massively more energetic. 
The shock waves which accompanied the formation of the arcs were strong enough to destroy the local composite structure and to blow the cockpit canopies from their frames. 
Had the control circuits not separated and the arcs not formed, it is likely that the glider would have escaped relatively unscathed; so the question arises as to how this might be achieved. 
One simple solution might be to make the end fittings of the control rods from a more electrically-conductive material such as brass or bronze, so that the energy can be transmitted through the circuit without causing the fittings to heat up and melt. Another solution approaches the problem from the opposite viewpoint, namely making all the control circuits non conductive by using a filament wound kevlar/glass composite control rod tube. Either way, a greater degree of survivability could be achieved. 
We can only hope that glider designers feel it appropriate to pay attention to such details in the future. 
Mike Woollard, Chairman BGA Technical Committee 





昨年春、ロンドンの GC(グライダークラブ) K-21 機が落雷に遭い、2 人がパラシュートで脱出したという壊滅的な事故について、AAIB の調査結果が公表されました。S&G は、何がわかるかについて報告しています。

昨年、空中で K-21 機を破壊した落雷は、航空事故調査局によって「完全に保護されていない構造物に極めて高エネルギーの落雷が起きたまれな例」と説明されています。
グライダー事故は通常 BGA によって調査されますが、AAIB がこの事故に関心を持ったのは、1995 年のヘリコプター墜落事故で、落雷保護の国際基準が不十分であるという懸念が以前に高まっていたためです。

K-21 GBP(以降当該機の呼称をGBPとする) 機の空中破壊に関する調査は、ダンスタブルのグライダー パイロットでもある AAIB のピーター クライデンによって行われました。この報告書は、2 つの安全勧告につながりました (p7 を参照)。 1 つ目は、メーカーがグライダーを落雷から守る新しい方法を開発するというもので、BGA 技術委員会 (p29 を参照) が強く支持している。2 つ目は、民間航空局に、航空機の落雷基準の国際的見直しの一環として、調査結果を真剣に検討するよう求めている。AAIB の見解が採用されれば、GBP で起きたことは、世界中のより多くの航空機をより安全にすることになるだろう。
昨年 4 月の GBP 事件の重要性は、落雷の性質と深刻さ、このような落雷の発生頻度に関する新しい研究、および多くの最新航空機の構造の変更にある。
認定された固定翼航空機とヘリコプター (グライダーではない) は、落雷に対して大きな損傷を受けることなく耐えることが求められる。この基準は、雲対地落雷の 98 パーセントから保護することを目的としており、これらの落雷の 10 パーセントが正極性 (つまり、正電流を放電) であると仮定している。
正極性落雷は、負極性落雷よりも損傷が大きいことが多い。最近の調査によると、正の落雷の割合は 10% を超える可能性がある。GBP を襲った嵐では、66% の落雷が正の落雷だった。さらに、テストと計算により、K-21 への落雷のエネルギー レベルは、現在の国際基準でテストされている値の 8 ～ 9 倍高かったことがわかった。ピーク電流は 300,000A を超えると考えられていた。AAIB によると、このようなエネルギー レベルは、落雷認定を受けた航空機が大きな損傷を受けることなくこのような落雷に耐えられるかどうかについて懸念を生じさせる。

重要な要因

K-21 は、ほぼ完全にガラス強化プラスチック (GRP) で作られており、フォームまたはハニカム充填セクションが結合されている。これは電気を通さない複合材料である。エレベーター、エルロン、エアブレーキの制御システムには、金属レバー、プッシュ/プル ロッド、ベルクランクが含まれる。ほとんどのグライダーと同様に、落雷保護は設計に組み込まれていない。
GBP の破壊の主要因は、複合構造内の金属製制御システムへの高エネルギーの雷撃でした。従来の「金属製」航空機では、雷電流は一般に金属構造を介して伝導されます。雷の進入点付近を除いて電流密度は一般に低く、伝導経路は通常は機能しないため、雷アークは形成されません。このようなアークは、電流が飛び跳ねて光、熱、衝撃波を発生させ、飛行中の GBP の崩壊を引き起こしました。しかし、炭素繊維強化プラスチック (CFRP) などの複合材料は、旅客機やグライダーなど、他の種類の航空機でますます使用されています。CFRP は電気を伝導しますが、K-21 の翼内で雷撃のエネルギーをすべて伝導したと考えられるアルミニウム合金のプッシュロッドよりも抵抗が大きいです。事故当時、主な残骸現場から 25 km 以内で 20 分間に 15 回の雷撃が記録されました。最初の放電は17時8分57秒に発生し、80,000Aを超える正の放電で、GBPを直撃したと考えられています。
結果は壊滅的でした（右下のGBPの最後の数分間を参照）。放電は左翼に入り、エルロンシステムを通って右翼から出ました（右上の図を参照）。右翼のほぼ全体、左翼の外側部分、胴体の中央部分が飛行中に分離しました。主桁の接続部分は残っており、後に簡単に取り外すことができました。構造の大部分はファーンバラで回収され、検査されました。グライダーの4つの主要部分が、飛行中に内部の過圧によって破片になったか直接影響を受けていました。胴体中央部分、右翼端、および両エルロンの内側端にある主桁の後方部分です。翼の接着接合部のほとんどと胴体中央の接着継ぎ目は、接着線に沿って分離しました。両方のキャノピーはしっかりと閉じられていたが、アクリル板はすべて粉々に砕けていた。

GBP の最後の数分間

雪とみぞれが激しく降る悪天候の広大な地域が、北からゆっくりとダンスタブル飛行場に近づいていました。 K-21 GBP は約 1 時間訓練飛行を行っており、晴天の中、雲の先端に沿って 2～3 ノットの速度で上昇していた。
17:09 頃、飛行場に戻るために方向転換した。その後まもなく、約 2,500 フィート対地高度 (雲底から 300 フィート上)、雲から推定 800 ヤードの地点で、グライダーは雷に打たれた。機体の大部分が分解した。
基礎教官のピーター・ゴールドストローは「非常に大きな音」を聞き、その後コックピットに「非常に風が吹いた」と感じた。彼は一時的に意識を失ったのではないかと考えている。
彼はぼんやりした感じで、これが「不快で断固たる行動を必要とする本当の緊急事態」だと徐々に認識したことを記憶している。
彼は生徒のグラハム・クーパーに脱出するよう叫んだ。彼の声が聞こえなかったが、とにかく脱出した。インストラクターも後を追ったが、キャノピーを投棄する必要がなかったことに気付き驚いた。両方のパラシュートは推定 1,800 フィートの高度で開いた。生徒は廃ガソリンスタンドの屋根に着地し、大けがは免れた。インストラクターは野原に着地し、足首を骨折。また、「煤」でジャケット、パラシュートパック、髪が損傷した。パイロット 2 人とも聴力が損なわれた。

実際の落雷の瞬間を見た人はほとんどいなかったが、被雷直後の状況を目撃した人は多かった。ゆっくりと落下する大きな破片、パラシュート、垂直に高速で降下する機体、グライダーがいた場所にできた煙と細かい破片。

稲妻が光ると、非常に大きな音がした。目撃者の多くが、これまで聞いた中で最も大きな音だったと語った。

次のページ: 衝突がどのように起こったか、および BGA 技術委員会の評決。ピーター クライデンが BGA カンファレンスで調査結果を発表する予定。詳細は 5 ページを参照。 AAIB の完全なレポートは、www.open.gov.uk/aaib/dec99htm/bga3705.htm でご覧いただけます。




雷撃の発生経緯

雲内の電荷は、複雑な凍結と融解のプロセス、および雨滴と氷晶の動きによって生成されます。雷の閃光は、電場が空気を分解し始めるほど強い領域から広がる、先導線と呼ばれるイオン化された空気柱の形成から始まります。

自然発生的な落雷は、航空機が雷先導線を捕捉したときに始まります。リーダーの電界は航空機の末端付近で強まり、その後、これらの領域から新しい放電（「ジャンクション リーダー」と呼ばれる）が発生します。1 つ以上のジャンクション リーダーが「スイッチング ポイント」で雷リーダーに接続し、「エントリ ポイント」（最初の雷付着点）を作成します。同時に、より多くのジャンクション リーダーが他の末端から伝播し、反対極性の領域（地球または別の雲の電荷領域）に向かって移動し、「出口ポイント」を作成します。エントリ ポイントと出口ポイントは、機首、翼、尾翼の先端、尾部などの表面に発生します。
航空機誘発雷撃（上記を参照）は、航空機が帯電雲領域に関連する電界（雲から最大 10 km まで広がる場合があります）に入り、その末端付近の電界強度が双方向リーダーをトリガーするのに十分である場合に発生します。これらは反対極性の領域をリンクし、再び航空機を通じて雷電流を伝導します。GBP が雷撃を阻止したか、または誘発したかは不明ですが、影響は同様です。
離陸時（1610 時）、K-21 のパイロットは、積雲は 2 ～ 3 マイル間隔で存在し、それ以外は晴天で、あまり発達していないと報告しています。予報（下記）は、積雲付近で激しい乱気流、雷、ひょうが発生するとの警告が出され、かなり正確であることが証明されました。


技術的見解

この特定の衝突が、航空機設計者が設計するのに適切と通常考えられているレベルをはるかに超えるエネルギーレベルを伴う、非常にまれで異常な出来事として分類されたことを知り、すぐに勇気づけられました。これは、英国で通常受けるよりもはるかに強力な積乱雲を何年も嗅ぎ回ってきた世界中のグライダーの数を考えると、完全に理にかなっています。
このまれな出来事が、AAIB と高エネルギー放電に関わる研究に携わる科学者の強い関心を刺激しました。彼らの観察から重要な教訓を引き出すことができ、それはグライダー設計者にとって特に興味深いはずです。BGA 技術委員会は、AAIB の調査結果を強く支持します。
電気エネルギーは、2 つのエルロンホーンの間のエルロン回路に沿って翼を通過しました。アルミニウム合金製の管状の制御棒は、高電圧に関連する電気機械力によって奇妙に歪んでいましたが、極端なエネルギーを比較的うまく運びました。
機体構造への爆発による損傷は、プッシュロッドの端部継手付近で発生しました。プッシュロッドは、より電気耐性のある鋼で作られていたため、極度の熱で溶けてしまいました。その後、制御回路が分離し、アーク溶接作業でよく見られるアークと同様のアークが発生しましたが、そのエネルギーははるかに大きかったです。
アークの発生に伴う衝撃波は、局所的な複合構造を破壊し、コックピットのキャノピーをフレームから吹き飛ばすほど強力でした。
制御回路が分離せず、アークも発生していなかったら、グライダーは比較的無傷で済んでいた可能性が高いため、どうすればそれが可能だったのかという疑問が生じます。
簡単な解決策の 1 つは、制御棒の端部継手を真鍮や青銅などのより電気伝導性の高い材料で作ることです。そうすれば、継手が熱くなり溶けることなく、エネルギーが回路を通じて伝達されます。もう 1 つの解決策は、逆の視点から問題にアプローチします。つまり、フィラメント巻きのケブラー/ガラス複合制御棒チューブを使用して、すべての制御回路を非導電性にします。いずれにしても、より高い生存性を実現できます。
グライダーの設計者が、将来的にはこのような詳細に注意を払うことが適切であると感じることを願うばかりです。
マイク・ウーラード、BGA 技術委員会委員長