Kodėl keleiviniai lėktuvai negali pakilti į didesnį nei 13 km aukštį?

Pripratimas prie technologijų yra keisčiausia žmogaus savybė. Žmonės sėdi 12 kilometrų aukštyje ir renkasi, kokį filmą žiūrėti, dirba arba bando įsitaisyti miegui. Jokios baimės, jokio susižavėjimo ir net akimirkai niekas nesusimąsto, koks didžiulis pasiekimas yra tai, kad galime pigiai pakilti į tokį aukštį, pasiekti tokį greitį, be sustojimų keliauti tokį atstumą ir net nesijaudinti dėl saugumo.

Embraer E195 ir Boeing 737  gali pakilti į 12 km aukštį, Airbus A220 ir A320 kyla puskilometriu aukščiau, o 747 ir A380 pasiekia 13 km aukštį. Tai, aišku, ne visi komerciniai keleiviniai lėktuvai pasaulio danguje, bet ir kiti savo skrydžio aukščiu neišsiskiria. Aišku, rastume išimčių – gražuolis (ir greituolis) Concorde kadaise galėjo pakilti į didesnį nei 18 km aukštį. Tuo tarpu propeleriniai ATR 72 bei De Havilland Canada Dash 8 nesiartina ir prie 8 km ribos. Bet nepaisant šių išimčių, absoliuti dauguma šiuolaikinių komercinių lėktuvų keliauja 9-13 km aukštyje.

Kodėl lėktuvai nesirenka žemesnio aukščio?

Kildamas lėktuvas sudegina daugiau degalų. Negana to, fiuzeliažas didesniame aukštyje yra labiau apkraunamas, nes slėgis viduje yra žymiai aukštesnis nei išorėje. Įvykus dekompresijai keleiviai ir, svarbiausia, įgulos nariai turi greitai užsidėti deguonies kaukes, nes didesniame aukštyje oras yra labai retas. Tai kodėl lėktuvai vos atsiplėšę nuo žemės skuba į tokį aukštį?

Tam yra kelios priežastys. Visų pirma, didesnis skrydžio aukštis yra saugesnis. Sunkūs audros debesys nekelia problemų aukštai skrendantiems lėktuvams. Be to, sugedęs orlaivis turi geresnes galimybes surasti tinkamą oro uostą neplanuotam tūpimui – tiesiog kelionė žemyn iš didesnio aukščio trunka ilgiau ir net visiškai sugedus varikliams nusklesti galima toliau. Galiausiai, tokiame aukštyje nesutiksi paukščių, o ir lėktuvų eismas gali būti saugiai paskirstytas didesnėje erdvėje.

Bet yra ir dar viena labai svarbi priežastis, kodėl komerciniai lėktuvai kyla taip aukštai – degalų sąnaudos. Tarkime, kad temperatūra ant žemės (0 metrų virš jūros lygio) yra 15°C – oro tankis čia sieks apie 1,23 kg/m³. Tuo tarpu 10 km aukštyje temperatūra jau bus apie -50°C, o oro tankis – 0,41 kg/m³. Tris kartus retesnis oras sukuria mažiau trinties su lėktuvo fiuzeliažu, todėl orlaivis skrenda lengviau ir sunaudoja mažiau degalų. Arba, minėto viršgarsinio Concorde atveju, skrenda greičiau ir ne taip stipriai įkaista nuo trinties su oru.

Kodėl lėktuvai neskraido aukščiau?

Jei retas oras padeda sutaupyti degalų, tai kodėl lėktuvai nekyla dar aukščiau? Oro tankis 15 km aukštyje yra dvigubai mažesnis nei ties 10 km virš jūros lygio. Jei 1965-1979 metais gamintas Concorde galėjo kilti į 18 km aukštį, kodėl šiuolaikiniai komerciniai lėktuvai nepasiekia nei 15 km?

Reikėtų nepamiršti, kad oras lėktuvams yra reikalingas. Reaktyviniai varikliai (priešingai nei raketiniai) vis tiek kvėpuoja oru. Be to, būtent oras tekėdamas apie sparnus kuria keliamąją jėgą. Paprastai tariant, kuo lėktuvas greitesnis, tuo tie oro srautai yra stipresni ir tuo didesnė keliamoji jėga kuriama. Concorde buvo išskirtinai greitas keleivinis laineris, todėl jis galėjo skristi retesniame ore, išlaikydamas reikalingą keliamąją jėgą. Palyginimui, kreiserinis Concorde greitis siekė 2,158 km/val, o modernaus Boeing 747-8 – 914 km/val. Todėl pirmasis stabiliai skrido ir retame ore 18 km aukštyje, o antrasis nenori nuo žemės atsiplėšti per daugiau nei 13,1 km.

Beje, būtent dėl to straipsnio pradžioje paminėti turbopropeleriniai ATR 72 bei De Havilland Canada Dash 8 nepakyla nei į 8 km aukštį – propeleriai efektyviau iriasi per tankesnį orą.

Didesnis skrydžio aukštis reikalauja tvirtesnio fiuzeliažo. Keleiviai negali visą skrydį sėdėti su deguonies kaukėmis, todėl lėktuvai yra hermetizuoti ir viduje palaikomas patogus oro slėgis – maždaug toks, kokį sutiktume 2-2,4 km aukštyje. Kuo lėktuvas kyla aukščiau, tuo didesnis slėgių skirtumas plėšo fiuzeliažą.

Galiausiai, didesniame aukštyje žmonės gauna dar didesnę radiacijos dozę. Saulė iš esmės yra branduolinis reaktorius, kuris spjaudosi vėžį sukeliančia jonizuojančia radiacija. Nuo jos mus saugo Žemės atmosfera, tačiau pakilus į didesnį aukštį tarp mūsų ir nesvetingo kosmoso lieka plonesnis ir retesnis apsauginės antklodės sluoksnis. Būtent dėl to Concorde salone buvo radiacijos lygio matuokliai, kurie perspėdavo įgulą, kai dėl neįprastai didelio Saulės aktyvumo radiacijos lygis viduje tapdavo pavojingas sveikatai. Taip nutikus Concorde leisdavosi į žemesnį nei 14 km aukštį.

Beje, įdomus faktas – nors radiacinis fonas Concorde salone skrydžio metu buvo aukštesnis nei lėtesniuose, žemiau skraidančiuose lėktuvuose, keleiviai vis tiek gaudavo mažesnę radiacijos dozę, nes kelionė trukdavo žymiai trumpiau.

Taigi, komerciniai lėktuvai įprastai laikosi 9-13 km aukščio, nes oras ten yra pakankamai retas, kad pavyktų išlaikyti žemas degalų sąnaudas, bet pakankamai tankus, kad sparnai ir valdymo paviršiai veiktų tinkamai. Be to, debesys lieka žemai po lėktuvo pilvu, prireikus galima pasiekti daugiau oro uostų, o ir keleiviai jaučiasi patogiai ir nėra maudomi radiacija.