Полетная высота

Современные пассажирские авиалайнеры, оснащенные реактивными двигателями, основную часть времени в полете проводят на высоте около 10 км, а точнее — от 9 до 12 км. Если некоторые военные самолеты могут летать на высоте в 20 — 30 км, то пассажирским авиалайнерам приходится иметь дело с такими факторами, как экономическая эффективность и безопасность полетов.

Во-первых, это невыгодно с точки зрения расхода топлива. Чем больше высота полета, тем больше топлива надо израсходовать, чтобы её набрать. Однако полет на более низкой высоте не позволит сэкономить на керосине из-за высокого лобового сопротивления. Сила сопротивления воздуха прямо пропорциональна его плотности. На высоте 1 км плотность воздуха составляет 91% от его плотности на уровне моря. На высоте 5 км — 60%, а на 10 км — всего 34%.

Во-вторых, на низкой высоте возникает риск встречи с птицами, квадрокоптерами, вертолетами и турбовинтовыми самолетами малой авиации, что не очень благоприятно сказывается на безопасности. Кроме того, в случае одновременного отказа всех двигателей авиалайнер тем дольше сможет планировать, чем выше он находился в момент обнаружения неисправности. С высоты 10 км современные авиалайнеры могут планировать на расстояние до 150 — 200 км. О подобных прецедентах можно почитать здесь.

В третьих, низкая высота полета не позволила бы авиалайнерам избегать попадания в грозовые тучи, а повреждения градом в авиации носили бы куда более массовый характер. 10 км — это граница тропосферы и стратосферы, здесь самолетам практически не угрожают погодные явления, а турбулентность — минимальна.

На высоте 15 км плотность воздуха примерно вдвое ниже, чем на высоте 10 км. Казалось бы, можно сэкономить ещё больше топлива за счет снижения лобового сопротивления, однако слишком низкая плотность воздуха на большой высоте приводит к критическому снижению подъемной силы. Для того чтобы скомпенсировать этот эффект, современным авиалайнерам пришлось бы развивать значительно более высокую скорость и преодолевать звуковой барьер, на что они не рассчитаны конструктивно.

На высоте 15 — 18 км могли совершать рейсы Конкорд и Ту-144, но дороговизна эксплуатации этих сверхзвуковых моделей не позволяла им конкурировать с «традиционными» дозвуковыми авиалайнерами. К примеру, билет на Конкорд в одну сторону из Нью-Йорка в Лондон в 2000-м году стоил ~ 10 тыс. долларов, в пересчете на современные деньги это около 17 тыс. долларов.

Самые высокогорные поселения в мире находятся на высоте около 5000 метров над уровнем моря. Выше люди не живут хотя бы по той причине, что воздух становится слишком разреженным: для долговременного нахождения на большей высоте в атмосфере просто недостаточно кислорода.

Альпинисты начинают активно использовать баллоны с кислородом во время восхождения начиная с высоты ~ 7000 метров. Современные пассажирские самолеты летают ещё выше, однако нехватки кислорода люди на борту не испытывают. Предлагаю разобраться, как решена проблема с воздухом для дыхания в коммерческих авиалайнерах.

Итак, основную часть времени в полете авиалайнеры проводят на высоте около 10 км, это обусловлено экономическими факторами, о которых можно почитать здесь. На данной высоте концентрация кислорода такая же, как и у поверхности земли — около 21%. А вот атмосферное давление составляет всего около ~ 210 мм рт. ст. против среднестатистических 750 мм рт. ст., что считаются нормой на земле. Иными словами, плотность воздуха здесь недостаточная для дыхания, в таких условиях человек может потерять сознание уже через 2 минуты.

Регуляторы в области авиации, такие как FAA, требуют от производителей самолетов, чтобы давление воздуха в салоне авиалайнера во время полета соответствовало атмосферному давлению на высоте не более 2400 метров, то есть не ниже 570 мм рт. ст. Считается, что это та граница, выше которой люди с не самым крепким здоровьем начинают испытывать недомогание.

У современных моделей авиалайнеров давление на борту может превышать и 600 мм рт. ст., однако чем больше разница между давлением внутри и снаружи самолета, тем прочнее, а значит и тяжелее должна быть конструкция планера. Для того чтобы обеспечивать минимальное давление в 580 мм рт. ст. на высоте 10000 метров, салон и кабину пилотов в авиалайнерах стали делать герметичными еще в начале 1940-х годов.

Разумеется, того кислорода, что есть на борту во время взлета, недостаточно для всего перелета, а значит, необходимо было создать систему для «проветривания» салона. Возить с собой баллоны с воздухом слишком накладно, так что пришлось искать способ, как превратить воздух за бортом во что-то подходящее для дыхания. И здесь на выручку пришли реактивные двигатели. Своими вращающимися лопастями они сжимают поступающий воздух (то есть увеличивают давление), что позволяет в последствии эффективнее его сжигать в камерах сгорания.

Для системы вентиляции салона стали отбирать часть воздуха из компрессора, установленного перед двигателем. Этот воздух после сжатия имеет температуру свыше 200°C, а потому сначала его остужают в специальном теплообменнике. Затем воздух подается в систему рециркуляции, а оттуда попадает в салон. Для полноценного проветривания необходимо не только подавать свежий воздух, но и куда-то убирать «старый». Эту задачу решили путем установки выпускного клапана в хвостовой части фюзеляжа.

И всё-таки воздух в самолете нельзя назвать идеальным, ведь его влажность обычно находится около отметки в 20%. Для сравнения, средняя влажность воздуха в Сахаре составляет 25%, а в чилийской пустыне Атакама, которая считается самой «сухой» на Земле — 17%. Столь низкая влажность воздуха в салоне авиалайнера объясняется тем, что разреженный и очень холодный (около -50°C) воздух на высоте 10 км не способен удерживать большое количество влаги, а после нагрева в компрессоре дополнительно высушивается. Впрочем, непосредственно для самолета это только на пользу: низкая влажность препятствует появлению конденсата и следующей за ним коррозии.