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Fuel Tank Safety "SFAR 88"

B 747-200 Trans World Airlines

In den vergangenen 40 Jahren traten insgesamt 27 Explosionen an den Kraftstoffbehälter der Flugzeuge auf. Dies waren 14 Explosionen bei Passagierflugzeugen und 13 Exploisionen bei Militärflugzeugen. Der spektakulärste Fall war hierbei der B 747 Absturz der TWA kurz nach dem Start.

 

Im Juli 1996 wartete an einem heißen Sommerabend eine   B 747 der TWA mit der Flugnummer 800 auf dem Kennedy Airport in New York auf den Start. An Bord sind 212 Passagiere und

18 Besatzungsmitglieder mit dem Flugziel nach Paris. Doch durch fehlendes Gepäck verzögert sich der Abflug. Während der Wartezeit lässt der Pilot die Triebwerke weiter in Betrieb, damit die unter dem Kraftstoffmittelbehälter liegende Klimaanlage ihre geforderte Leistung erbringen kann. Schließlich startet TWA 800 mit einer Stunde Verspätung. Kurz darauf sieht der Pilot eines anderen Flugzeuges ganz in der Nähe eine Explosion am Himmel und er muss mit ansehen, wie die B 747 mit 230 Menschen an Bord in das Meer stürzt.

Zusammenfügung der Wrackteile

Da zunächst die Absturzursache völlig unklar ist, entwickeln sich verschiedene Vermutungen über deren Ursache. Im Vordergrund stehen die Explosion einer Bombe, der Treffer einer Rakete oder die Explosion eines Kraftstoffbehälters, mit einem Kraftstoffdampf-Luftgemisch. Aber auch durch die darauf folgenden intensiven Untersuchungen konnte keine eindeutige Ursache festgestellt werden.

 

Da die Absturzursache lange Zeit unklar war, wurde die US-Behörde NTSB (National Transportation Safety Board) mit den Untersuchungen beauftragt. Auf deren Forderung wurden die Wrackteile des Flugzeuges Stück für Stück aus dem Meer geborgen und in einer Halle wieder detailgetreu zusammengesetzt.

 

Nach umfangreichen Untersuchungen, die über vier Jahre dauerten, stellte die NTSB ihren Untersuchungsbericht im August 2000 vor. Darin wurde veröffentlicht, dass die Unfallursache eine Explosion von Kraftstoffdampf-Luftgemisch im Kraftstoffmittelbehälter des Flugzeuges war.

Zusammenfügung der Wrackteile

Auslösende Faktoren hierzu waren die geringe Menge von Restkraftstoff im Mittelbehälter, eine kontinuierliche Aufheizung des Restkraftstoffes durch die unter dem Behälter liegende Klimaanlage des Flugzeuges, sowie der Kurzschluss eines defekten Kabels. Weil die Flugstrecke von New York nach Paris für eine B 747 vergleichsweise kurz war, mussten die Kraftstoffbehälter nicht voll sein. Der Kraftstoffmittelbehälter beinhaltete statt 50 000 nur 200 Liter Kerosin. Doch während das Flugzeug mit den in Betrieb befindlichen Triebwerken auf den Start wartete, erhitzte sich der Kraftstoffmittelbehälter durch die unter ihm liegende Klimaanlage auf 36° C, und das Kerosin im Behälter begann zu verdampfen, wodurch ein explosives Kraftstoffdampf-Luftgemisch entstand.

 

Gefährlich wurde es aber erst, nachdem das Flugzeug abgehoben hatte. Da während des Steigfluges der umgebende Luftdruck stetig abnahm, wurde die vorhandene Luft aus dem Kraftstoffbehälter gepresst. Dadurch befand sich nach geringer Zeit immer weniger frische Luft und immer mehr Kerosindampf im Kraftstoffmittelbehälter.

 

Als sich 13 Minuten nach dem Start das Flugzeug in einer Höhe von etwa 3960 Meter befand, entzündete ein Kurzschluss eines defekten Kabels das Kraftstoffdampf-Luftgemisch und der Kraftstoffmittelbehälter explodierte. Die Wucht der Detonation war so stark, dass das Flugzeug in der Mitte auseinander gesprengt wurde. Der vordere Teil des Flugzeuges stürzte in die Tiefe. Der hintere Teil des Flugzeuges, mit den noch im Betrieb befindlichen Triebwerken, stieg weitere 30 Sekunden in die Höhe, bevor er auch in das Meer fiel.


Unfallablauf TWA Flight 800
Explosion des Kraftstoffmittelbehälters

Ein weiterer Vorfall ereignete sich nicht im Flug, sondern während der Betankung am Boden. So wurde im März 2001 eine von Thai Airways betriebene B 737 durch eine Explosion und nachfolgendem Feuer am International Airport in Thailand zerstört.

 

Nach Untersuchungen gab die US-Behörde NTSB bekannt, dass kurz nach Beginn des Auftankens der Tragflächenbehälter, der Kraftstoffmittelbehälter explodierte. Explosionsursache war eine erfolgte Zündung des Kraftstoffdampf-Luftgemisches im Kraftstoffmittelbehälter.

Totalschaden nach Explosion

Die Quelle der Zündenergie welche zur Explosion führte, konnte nicht mit Gewissheit bestimmt werden, aber die wahrscheinlichste Quelle der Explosionsauslösung waren die Kraftstoffpumpen. Zum Zeitpunkt der Explosion liefen die Pumpen ohne einen Kraftstoffdurchfluss "trocken"  und liefen heiß, da die Kühlung durch den gepumpten Kraftstoffdurchfluss fehlte.

 

Aufgrund von Vorfällen dieser Art, gaben die amerikanischen und europäischen Luftfahrtbehörden eine Reihe neuer Vorschriften  heraus, welche den Umgang mit Fluzeugkraftstoffbehältern betreffen.

 

Forderungen der Luftfahrtbehörden

 

Zur Erhöhung der Sicherheit von Kraftstoffanlagen der Flugzeuge durch durch nachträgliche Untersuchungen des bestehenden Sicherheitsniveaus und der Durchführung erforderlicher sicherheitsrelevanter Maßnahmen, gab die amerikanische Luftfahrtbehörde FAA (Federal Aviation Adminisstration) im Mai 2001 eine erste umfassende Vorschrift, die SFAR 88 (Special Federal Aviation Regulation No. 88)  heraus. Das Hauptaugenmerk dieser Vorschrift ist die Vermeidung möglicher Zündquellen und die Vermeidung eines zündfähigen Gemisches durch Stickstoffeinblasung in die Kraftstofftanks.

 

Diese Vorschrift fordert...

 

...von den Flugzeug- und Komponentenherstellern:

 

Die Überprüfung ihrer konstruierten Kraftstoffsysteme und Komponenten, sowie die Entwicklung von speziellen Kontrollen und Instandhaltungsmaßnahmen mit der Vorgabe der Gewährleistung einer dauerhaften Sicherheit der Kraftstofftanks.

 

...von den Flugzeughaltern:

 

Die Umsetzung der von den Herstellern entwickelten Maßnahmen in ihren Wartungsprogrammen, sowie die Überprüfung ihrer eigenen Modifikationen auf Aspekte der Vermeidung von Zündquellen.

 

Kerosin - Sauerstoff - Zündquelle

Auslösefaktoren für eine Explosion

 

Kraftstoff "Kerosin" kann je nach Umgebungstemperatur und Flughöhe eine Explosionsgefahr entwickeln.

 

Hierzu müssen die Faktoren Sauerstoff, Kraftstoff und Zündquelle zeitgleich in einem bestimmten Verhältnis zusammentreffen. Fehlt eine dieser Bedingungen, kann es zu keiner Explosion kommen.

 

Mögliche Zündquellen können elektrische oder mechanisch erzeugte Funken sein. Auch Kabelbrände, heiße Oberflächen und statische Entladungen sind mögliche Zündquellen.


Dokumentation zur Durchführung der SFAR 88

 

Die entsprechenden Vorschriften für die Arbeit am Flugzeug oder dessen Komponenten sind aus den gültigen "Wartungs- und Überholungshandbüchern", sowie den "Job Card´s" zu entnehmen.

 

So gibt der Flugzeughersteller Airbus für das jeweilige Flugzeugmuster sogenannte FAL´s (Fuel Airworthiness Limitations) heraus.

 

Der Flugzeughersteller Boeing gibt für seine Flugzeugmuster AWL´s (Airworthiness Limitations), CMR´s (Certification Maintenance Requirements) und MPD´s (Maintenance Planning Data) heraus.

 

Auslösefaktoren für eine Explosion des Kraftstoffbehälters

In der Flugzeugwartung ist in den Bereichen der Kraftstoffbehälter ein besonderes Augenmerk auf entstandene Schäden und deren mögliche Ursache zu richten. So sind beispielsweise folgende Gegebenheiten oft die Ursache von Unfällen oder besonderen Vorkommnissen:

Schadensfindungen im Flugzeug

Auswahl von Kontrollen zur SFAR 88

Durch gezielte Kontrollvorgaben in der Flugzeugdokumentation werden an SFAR 88 relevanten Bauteilen und Systemkomponenten mögliche Schäden entdeckt. So können beispielsweise folgende Schäden auftreten:

 

Fuel Pumps (Kraftstoffpumpen)

 

  • Interne Komponenten der Leitradverdrahtung als Quelle von Funkenschlag.
  • Beschädigungen an externen Kabeln und korrodierten Anschlüssen führen zur Funkenbildung.
  • Vermeidung des Betriebes der Kraftstoffpumpen in leeren Kraftstoffbehältern.

 

Quantity System (Vorratsanzeige)

 

  • Schadhafte Isolierung der Kabel und korrodierte Anschlüsse.
  • Ungeschützte Verlegung von Kabeln der Vorratsmessanlagen mit Hochspannungsleitungen.
  • Verschmutzungen in den Kraftstoffbehältern führen zum Aufbau von Kurzschlüssen.

 

Bonding Straps ( Massekabel)

 

  • Versagen wegen Korrosion oder unsachgemäßer Befestigung.
  • Versagen wegen mechanischer Abnutzung auf Grund von Bewegungen.

 

Pneumatic System (Luftversorgung)

 

  • Durch Leckagen an der Luftversorgung werden die Strukturteile der Kraftstoffbehälter erhitzt.

 

Vorgaben an das Luftfahrtpersonal

Alle Wartungs- und Überholungsarbeiten am Flugzeug müssen immer nach gültigen Vorschriften wie beispielsweise...

 

...AMM (Aircraft Maintenance Manual)

 

...CMM (Component Maintenance Manual)

 

...JOB CARD (Arbeitskarte / Arbeitsauftrag)

 

...MPD (Maintenance Planning Data)

 

Abweichungen, auch von geringfügiger Art, von den in der Dokumentation aufgeführten Vorgaben, sind nicht erlaubt. Ergeben sich aber trotzdem bei der Arbeitsdurchführung mit einer Dokumentation Unklarheiten, so darf die Arbeit niemals auf Vermutungen oder Annahmen weitergeführt werden. In solchen Fällen müssen immer die vom Flugzeughalter autorisierten Bereiche, oder auch zusätzlich die Hersteller des betroffenen Flugzeuges informiert werden, um die erforderliche Dokumentation zu erhalten, um die richtige Ausführung der Arbeit sicherzustellen.

 

Beispiele von Änderungen für die Flugzeugwartung auf Grund der SFAR 88

  • Verbesserte Anweisungen zum Thema "bonding", sowie regelmäßige "bonding checks".
  • Leckagekontrolle am Kraftstoffmittelbehälter, Zustand der Dampfsperren und Tropfschutz Abdeckungen.
  • Kontrolle vor dem Schließen der Kraftstoffbehälter "FQI probe gap check" durchführen.
  • Vor dem Schließen der Kraftstoffbehälter "bonding check" und "control of foreign objects" durchführen.
  • Dichtkontrollen nach Störungen an einem "hot air duct" in der Nähe von Kraftstoffbehälter.
  • Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen an Kraftstoffpumpen nur gemäß CMM.
  • Maßnahmen zum Vermeiden von Trockenlaufen der Kraftstoffpumpen gemäß AMM.
  • In sicherheitsrelevanten Bereichen redundante Auslegung von "bonding leads".
  • In SFAR 88 relevanten Bereichen vermehrte Anweisungen zur Durchführung von Doppelkontrollen.

 

Fuel Airworthiness Limitations

"Fuel Airworthiness Limitations" (AWL´s) fallen in zwei Kategorien. Dies sind die "Airworthiness Limitation Instructions" (ALI´s) und die "Critical Design Configuration Control Limitations" (CDCCL´s).

 

Eine "ALI" ist eine Vorgabe für eine vorgeschriebene Wartung oder Inspektion SFAR 88 relevanter Bereiche und Bauteile.

 

Zusätzlich können weitere erforderliche Verfahren zur Anwendung kommen, um sicherzustellen, dass nachgewiesene unsichere Zustände bei der Wartung, Reparatur oder Änderung nicht in diese mit einfließen können.

 

"ALI´s" werden nach einem festgelegten Intervall kontrolliert. Dies kann nach "flight hours", "flight cycles" oder "calendar time" sein.

 

Critical Design Configuration Control Limitations

CDCCL´s sind Hinwqeise zur Vermeidung von möglichen Zündquellen in der Auslegung einer Kraftstoffanlage. Dadurch soll das Entstehen von nicht sicheren Zuständen des Flugzeuges vermieden werden.

 

Mögliche Zündquellen können beispielsweise durch eine Veränderung der Originalauslegung bei Arbeiten im Bereich oder an Bauteilen der Kraftstoffanlage ausgehen, die nach Änderungen, Reparaturen oder Wartungsarbeiten eingetreten sein können.

 

CDCCL´s sind keine Kontrollen, sondern sie geben Auskunft über Maßnahmen, wenn an SFAR 88 relevanten Bauteilen Arbeiten vorgenommen werden.

 

Beispiel für eine CDCCL

In bestimmten Fällen kommt eine CDCCL zur Anwendung, wenn der Flugzeughalter beispielsweise eine Kraftstoffpumpe ausgetauscht hat, deren Austausch "critical design" Eigenschaften aufweist.

 

Wird beim Austausch der Pumpe das vorgesehene Massekabel nicht an die Struktur angeschlossen und dementsprechend auch keine Durchgangsprüfung vorgenommen, so besteht ein nicht sicherer Zustand für Flugzeug und Passagiere.

 

Das entsprechende CDCCL gibt nun den Hinweis auf den Wiedereinbau und die Durchgangsprüfung des Massekabels nach dem Pumpenwechsel. Dadurch wird wieder ein sicherer Zustand hergestellt.

 

In einem CDCCL wird also nicht die Vorschrift zur Installation der Pumpe beschrieben. Diese ist aus den bei der CDCCL aufgeführten Referenz zum AMM oder CMM zu entnehmen.

 

Vermeidung von Explosionsgefahren

Neben der Vermeidung von Zündquellen kann die Explosionsgefahr der Kraftstoffbehälter auch durch deren Anreicherung mit Stickstoff erfolgen.

 

Das Gas Stickstoff ist der Hauptbestandteil in der Atmosphäre. Der Anteil beträgt darin 78,1%. Stickstoff ist ein farbloses, geruchloses und nicht brennbares Gas. Verbrennungsvorgänge werden durch seine inerte Eigenschaften nicht unterhalten.

 

Die Bezeichnung "Stickstoff" kommt von "ersticken", wie beispielsweise von Flammen oder Bränden. Stickstoff setzt somit auch die Zündfähigkeit von extrem explosiven Gasgemischen herab, wenn es mit diesen vermischt wird.

 

Durch die Anreicherung von Stickstoff in den Kraftstoffbehältern des Flugzeuges kann beispielsweise das Niveau des Kraftstoffmittelbehälters einer B 747 von "high flammability" auf das der Tragflächenbehälter, auf "low flammability" gesetzt werden.

 

Die Systeme mit deren Hilfe die Stickstoffeinblasung in die Kraftstoffbehälter durchgeführt wird, fragen die Bezeichnung FRS (Flammability Reduction Systems).

 

Stickstoffeinblasung

Air Separation Module

Durch das Einblasen von Stickstoff in die Kraftstoffbehälter wird das vorhandene explosive Kraftstoffdampf-Luftgemisch durch die Behälterentlüftungen entfernt.

Im Kraftstoffbehälter wird dadurch keine reine Stickstoffatmosphäre geschaffen, sondern es wird der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre im Kraftstoffbehälter von 21% stetig auf annähernd 12% gesenkt. Somit wird die Entflammbarkeit der Behälteratmosphäre stark reduziert.


Erzeugt wird der benötigte Stickstoff durch ein System mit einem oder mehreren Stickstoffgeneratoren. Diese Generatoren, die auch während des gesamten Fluges betrieben werden, tragen die Bezeichnung ASM (Air Separation Module).

B 737 ASM Installation

Nach Forderungen der Luftfahrtbehörden, von einigen Ausnahmen abgesehen, sollen alle neuen Passagier- und Frachtflugzeuge mit einem Sicherheitssystem gegen die Gefahr einer Explosion der Kraftstoffbehälter ausgerüstet werden.


Dies gilt insbesonder für Flugzeuge, die einen Kraftstoffmittelbehälter aufweisen, der durch in seiner Umgebung vorhandenen Klimaanlagen erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist.

Zusätzlich besteht die Forderung der Luftfahrtbehörden dass Flugzeuge die vor 2009 hergestellt wurden, mit einem Sicherheitssystem nachgerüstet werden.


Sicherheitsmaßnahmen für das Wartungspersonal

Gasspürgerät - Explosionssicher

Normalerweise ist gasförmiger Stickstoff nicht gefährlich. Er kann aber in engen Räumen wie Kraftstoffbehälter eine sauerstoffarme Atmosphäre schaffen, die tödlich sein kann. Dieser Zustand des Stickstoffes ist besonders gefährlich, weil er nicht von den menschlichen Sinnen wahrgenommen werden kann und somit Verletzung oder den Tod innerhalb von Minuten verursachen kann. Dieses Gesundheitsrisiko ist aber nicht nur im Kraftstoffbehälter selbst gegeben, sondern auch am Einbauort der Stickstoffgeneratoren selbst.

 

Begeht eine Person einen Kraftstoffbehälter der Stickstoff enthält ohne eine externe Luftversorgung, so kann dies seine Bewusstlosigkeit oder den Tod verursachen.

 

Aus diesen Gründen muss bei einer Begehung der Kraftstoffbehälter ständig belüftet und kontrolliert werden. Die Kontrolle erfolgt mit einem zugelassenem Gasmessgerät um die tatsächlichen %-Anteile von Sauerrstoff und LEL / PPM der Kraftstoffkonzentration zu erhalten.


Fazit

Werden am Flugzeug Arbeiten im Bereich der "Fuel Vapor Area" oder an Bauteilen der "Kraftstoffanlage" durchgeführt, die in den Unterlagen als ALW´s, FAL´s, ALI´s oder CDCCL´s gekennzeichnet sind, so muss immer nach einer zugelassenen Dokumentation wie beispielsweise "AMM", "CMM" oder "JOB CARD" gearbeitet werden. Abweichungen, auch von geringfügiger Art, von den in der Dokumentation aufgeführten Vorgaben sind nicht erlaubt.

 

Ergeben sich aber trotzdem bei der Arbeitsdurchführung mit einer Dokumentation Unklarheiten, so darf die Arbeit niemals auf Vermutungen oder Annahmen weitergeführt werden. In solchen Fällen müssen immer die vom Flugzeughalter autorisierten Bereiche informiert werden, um eine richtige Ausführung der Arbeit sicherzustellen und diese zu dokumentieren.