Почему самолёты не могут взлететь при сильной жаре

Приход лета в некоторые жаркие уголки нашей планеты приносит с собой не только изнурительный зной, но и задержки рейсов в аэропортах. Например, в Фениксе, штат Аризона, температура воздуха на днях достигла +48°С и авиакомпании были вынуждены отменить или перенести свыше 40 рейсов. В чём причина? Разве самолёты не летают в жару? Летают, но не при всякой температуре. По сообщениям СМИ, жара представляет особую проблему для самолётов Bombardier CRJ, максимальная рабочая температура взлёта для которых составляет +47,5°С. В то же время, большие самолёты от Airbus и Boeing могут летать и при температуре до +52°С градусов или около того. Разбираемся, чем вызваны такие ограничения.

bombardier-crj700s

Принцип подъёмной силы

Прежде чем пояснить, почему не каждый борт способен взлететь при высокой температуре воздуха необходимо осознать сам принцип, как летают самолёты. Конечно, каждый помнит ответ ещё со школы: «Всё дело в подъёмной силе крыла». Да, это верно, но не очень убедительно. Чтобы действительно понять законы физики, которые здесь задействованы, нужно обратить внимание на закон импульса. В классической механике импульс тела равен произведению массы m этого тела на его скорость v, направление импульса совпадает с направлением вектора скорости.

На этом этапе вы можете подумать, что речь идёт об изменении импульса самолёта. Нет, вместо этого рассмотрим изменение импульса воздуха, набегающего на плоскость крыла. Представьте себе, что каждая молекула воздуха — это крошечный шар, который соударяется с самолётом. Ниже приведена диаграмма, которая показывает этот процесс.

Принцип действия подъёмной силы: крыло набегает на молекулы воздуха и толкает их вниз. Они, в свою очередь, толкают крыло вверх. Вектор движения крыла на схеме: справа налево

Принцип действия подъёмной силы: крыло набегает на молекулы воздуха и толкает их вниз. Они, в свою очередь, толкают крыло вверх. Вектор движения крыла на схеме: справа налево

Движущееся крыло сталкивается с воздушными шарами (то есть, молекулами воздуха). Шары изменяют свой импульс, что требует приложения силы. Поскольку действие равно противодействию, сила, которую крыло прикладывает к шарикам воздуха, имеет ту же величину, что и сила, с которой сами шарики воздействуют на крыло. Это приводит к двум результатам. Во-первых, обеспечивается подъёмная сила крыла. Во-вторых, появляется обратная сила — тяга. Вы не можете достичь подъёма без тяги.

Чтобы генерировать подъёмную силу, самолёт должен двигаться, а чтобы увеличить его скорость, вам нужна большая сила тяги. Если быть более точным, то вам потребуется ровно столько тяги, сколько нужно, чтобы сбалансировать силу сопротивления воздуха — тогда вы летите с той скоростью, с которой хотите. Как правило, эту тягу обеспечивают реактивный двигатель или пропеллер. Скорее всего, вы могли бы использовать даже ракетный двигатель, но в любом случае — вам нужен генератор тяги.

При чём здесь температура?

Если крыло сталкивается всего с одним шариком воздуха (то есть молекулой), это не приведёт к большой подъёмной силе. Чтобы увеличить подъёмную силу нужно много столкновений с молекулами воздуха. Добиться этого можно двумя путями:

  • двигаться быстрее, увеличивая число молекул, которые входят в контакт с крылом в единицу времени;
  • сконструировать крылья с большей площадью поверхности, потому что в таком случае крыло будет сталкиваться с большим числом молекул;
  • ещё один способ увеличения площади поверхности соприкосновения — использовать больший угол атаки за счёт наклона крыльев;
  • наконец, можно добиться большего числа столкновений крыла с молекулами воздуха, если плотность самого воздуха выше, то есть, количество самих молекул в единице объёма больше. Иными словами, увеличение плотности воздуха повышает подъёмную силу.

Этот вывод подводит нас к температуре воздуха. Что представляет собой воздух? Это множество микрочастиц, молекул, которые движутся прямо вокруг нас в разном направлении и с разной скоростью. И эти частицы сталкиваются друг с другом. По мере повышения температуры средняя скорость движения молекул также увеличивается. Увеличение температуры приводит к расширению газа, и одновременно — к уменьшению плотности воздуха. Вспомните, что нагретый воздух легче холодного, именно на этом явлении выстроен принцип воздухоплавания шаров-монгольфьеров.

Итак, для большей подъёмной силы нужна либо более высокая скорость, либо большая площадь крыла, либо больший угол атаки молекул на крыло. Ещё одно условие: чем выше значение плотности воздуха — тем больше подъёмная сила. Но верно и обратное: чем меньше плотность воздуха, тем меньше подъёмная сила. И это актуально для жарких уголков планеты. Из-за высокой температуры плотность воздуха слишком низкая для некоторых самолётов, её недостаточно, чтобы они могли взлететь.

Конечно, можно компенсировать снижение плотности воздуха за счёт увеличения скорости. Но как это осуществить в реальности? В таком случае необходимо устанавливать на самолёт более мощные двигатели, либо увеличивать длину взлётно-посадочной полосы. Поэтому для авиакомпаний гораздо проще некоторые рейсы просто отменить. Или, по крайней мере, перенести на вечер, раннее утро, когда температура окружающей среды буде ниже максимально допустимого предела.

БОЛЬШЕ ИНТЕРЕСНОГО:

Источник: Wired