Как устроено воздушное судно, что помогает ему преодолевать гравитацию, в какой части авиалайнера безопаснее при турбулентности, как крылатую машину защищают от непогоды и молний, что произойдет, если не включить авиарежим на телефоне, почему нельзя открывать окно и что скрывает «черный ящик»? Отвечает эксперт Егор Разумовский, аспирант аэрокосмического факультета Пермского Политеха.
От аэродинамики до черного ящика: 10 самых популярных вопросов о самолетах
Каждый год миллионы людей выбирают самолеты для деловых поездок и путешествий. Но что мы на самом деле знаем о том, как эти воздушные корабли обеспечивают нашу безопасность и комфорт в небе?
Freepik
Содержание
Самые популярные вопросы об устройстве самолета.
Из чего состоит самолет?
Конструкция любого самолета включает в себя несколько взаимосвязанных элементов. Так, фюзеляж — это основа корпуса, в которой размещаются пассажиры, груз и экипаж, обеспечивая прочность и аэродинамику. Крылья, оснащенные элементами управления (элероны, закрылки), создают подъемную силу, необходимую для полета. Тягу обеспечивают авиационные двигатели, в частности газотурбинные, представленные различными типами. Хвостовое оперение, состоящее из вертикального и горизонтального стабилизаторов, отвечает за устойчивость и управление направлением. Шасси обеспечивает взлет и посадку, а разнообразие систем, включая авионику, гидравлику, электрооборудование и жизнеобеспечение, гарантирует функциональность и безопасность полета.
«В современных воздушных суднах используются композиционные материалы, алюминиево-литиевые сплавы и титан. Композиционные материалы, заменяющие металлы и сплавы на их основе, обеспечивают высокую прочность, жесткость и устойчивость при низкой плотности, таким образом снижая расход топлива. Алюминиево-литиевые сплавы легче обычного алюминия и более устойчивые, что увеличивает их срок службы. Титан применяется в зонах высоких температур (двигатели), демонстрируя превосходную термостойкость и прочность», — рассказывает Егор Разумовский.
Как самолет побеждает гравитацию?
Самолет держится в воздухе благодаря подъемной силе, возникающей из-за разницы в давлении над крылом и под ним. Крыло имеет особую форму (аэродинамический профиль) — верхняя поверхность более выпуклая, чем нижняя. Обтекая его, воздушный поток над его верхней частью проходит более длинный путь, чем снизу. Чтобы потоки встретились одновременно, скорость воздуха сверху должна быть выше.
Законцовки крыльев (винглеты, шаркилеты) играют важную роль в снижении расхода топлива. Они уменьшают вихреобразование на концах крыльев, которое создает дополнительное сопротивление воздуха.
Разные крылья самолетов обусловлены их назначением. Например, крылья истребителя маневренные, с малой площадью и большой стреловидностью, что обеспечивает высокую скорость и управляемость, но ухудшает взлетно-посадочные характеристики. Ярким примером считается самолет, разработанный по стелс-технологии, – F-117 Night Hawk. Он был снят с производства в США в 2008 году по причине малой маневренности.
Крылья пассажирского лайнера, наоборот, имеют большую площадь и меньшую стреловидность для повышения подъемной силы при взлете и посадке, а также для экономичного крейсерского полета. Их задача — эффективность и плавность, а не маневренность.
Форма фюзеляжа также направлена на снижение лобового сопротивления и увеличение подъемной силы, что позволяет летать быстрее и эффективнее.
По словам эксперта, птица, хотя и вдохновляла первых авиаконструкторов, не является идеалом для современных самолетов, поскольку теплокровные используют более сложные механизмы.
Почему окна в самолете закрыты «навсегда»?
Открыть окно в самолете невозможно из-за огромной разницы в давлении между кабиной, где поддерживается комфортное давление, и внешней средой на большой высоте. При попытке открыть окно возникнет резкий перепад давления, что приведет к взрывной декомпрессии. Это может повредить конструкцию авиалайнера, выбросить незакрепленные предметы и пассажиров наружу, а также вызвать кислородное голодание из-за резкого падения уровня кислорода.
Почему самолеты летают на высоте 9-12 км?
Оптимальная высота для полета пассажирских или грузовых лайнеров — диапазон 9–12 км. Этот выбор обусловлен рядом факторов.
- Во-первых, на этих эшелонах воздух значительно менее плотный, что приводит к уменьшению силы сопротивления и, как следствие, к снижению расхода топлива, поскольку двигателям требуется меньше энергии для поддержания заданной скорости.
- Во-вторых, полет над облаками и зонами турбулентности обеспечивает более комфортное путешествие.
- В-третьих, большая высота дает экипажу больше времени для принятия решений в непредвиденных обстоятельствах.
- Наконец, использование попутных струйных течений, характерных для больших высот, позволяет увеличить скорость и дополнительно сэкономить топливо.
Авиарежим: что произойдет, если не выключить телефон в самолете?
Использование сотовых телефонов на борту не рекомендуется из-за потенциальных помех для навигационного и коммуникационного оборудования.
«Теоретически сигналы от множества устройств могут создавать помехи, затрудняющие работу систем управления полетом и связь с диспетчерами. Хотя современные самолеты хорошо защищены от электромагнитных помех, риск, пусть и небольшой, но существует. Авиарежим отключает радиомодуль телефона, предотвращая передачу сигналов. Игнорирование этой меры, вероятно, не приведет к катастрофе, но может вызвать сбои в работе чувствительной электроники, создавая дополнительную нагрузку на экипаж и наземные службы», — говорит Егор Разумовский.
Миф о зависании: что на самом деле происходит, когда самолет «замирает» в небе?
Для авиалайнера, в отличие от вертолета или коптера, «зависание» в воздухе, то есть полная остановка и сохранение положения, неосуществимо. Воздушному судну для поддержания полета нужно постоянно находиться в движении вперед.
По словам эксперта, существует близкое к этому состояние, когда самолет летит на минимальной скорости, достаточной для создания подъемной силы, компенсирующей силу тяжести. Это состояние часто называют полетом на сваливание или околосрывным режимом.
При достижении критического угла атаки происходит срыв потока. Воздушный поток перестает плавно обтекать верхнюю поверхность крыла, образуются турбулентные завихрения, и подъемная сила резко падает. Воздушное судно теряет управление и начинает падать. В этом режиме пилоту необходимо очень точно контролировать скорость и угол атаки, чтобы сохранять равновесие и избежать сваливания.
Турбулентность: где в самолете безопаснее всего?
Турбулентность — это хаотичные движения воздуха, вызывающие резкие изменения скорости и направления ветра, что приводит к тряске самолета. Различия в ощущении турбулентности в разных зонах самолета объясняются факторами, связанными с особенностями конструкции и удаленностью от центра масс. Хвостовая часть, будучи наиболее удаленной, испытывает усиленные колебания. Средняя часть, напротив, отличается наибольшей устойчивостью, и места считаются наиболее безопасными.
Воздействие аэродинамических сил также играет свою роль: крылья испытывают нагрузки, связанные с подъемной силой, фюзеляж подвержен боковым порывам ветра, а хвостовое оперение, стабилизируя полет, также может испытывать значительные нагрузки. Неодинаковая жесткость конструкции в разных зонах также влияет на амплитуду колебаний.
Как поддерживается климат в самолете?
На больших высотах атмосферное давление и температура значительно ниже, чем на уровне моря, что делает пребывание там без специальной поддержки невозможным. В самолете комфортные условия обеспечиваются системой кондиционирования и наддува.
Воздух для наддува забирается из компрессоров двигателей. Он горячий и находится под высоким давлением. Затем он охлаждается в системе кондиционирования, где регулируется температура и влажность. Далее подготовленный воздух поступает в салон, создавая избыточное давление, близкое к давлению на высоте 2-2,5 км над уровнем моря. Это позволяет пассажирам нормально дышать и не чувствовать дискомфорта.
В случае разгерметизации, когда давление в салоне резко падает, автоматически выбрасываются кислородные маски. Пассажирам необходимо быстро надеть их, чтобы избежать кислородного голодания. Быстрое снижение температуры также может быть опасным, поэтому важно следовать инструкциям экипажа и сохранять спокойствие.
Экстренное снижение самолета на меньшую высоту, где давление выше, считается стандартной процедурой при разгерметизации.
Молния и лед: как самолеты справляются с плохой погодой?
Защита самолета от молнии обеспечивается конструкцией, работающей как клетка Фарадея: алюминиевый корпус проводит ток молнии по поверхности, минимизируя воздействие на внутренние системы и пассажиров.
Для защиты от обледенения используются противообледенительные системы, включающие нагрев передних кромок крыльев и оперения горячим воздухом от двигателей, а также обработку поверхностей специальными жидкостями, препятствующими образованию льда.
«Композитные крылья самолета защищают от обледенения с помощью интересной технологии. В структуру крыла вживляют углеродные волокна. При подаче электрического тока они нагреваются и растапливают образующийся лед. Этот эффект основан на законе Джоуля-Ленца, согласно которому ток, проходящий через углерод, выделяет тепло», — говорит эксперт.
Что такое черный «черный ящик» в самолете?
Бортовой самописец состоит из двух блоков — FDR и CVR. Регистратор полетных данных (FDR), фиксирует скорость, высоту, перегрузки, положение рулей и обороты двигателя. Эта информация позволяет восстановить траекторию и действия экипажа. Речевой блок (CVR) записывает все звуки в кабине, включая переговоры и предупреждения, для выявления ошибок и проблем. Анализ «черного ящика» предоставляет данные для расследования авиационных происшествий, разработки рекомендаций и повышения безопасности полетов.
«Вопреки своему названию, "черный ящик" на самом деле ярко-оранжевый или красный. Это сделано для того, чтобы его было легче найти после авиакатастроф. Яркий цвет значительно повышает заметность устройства среди обломков и в труднодоступных местах как на суше, так и в воде», — добавляет Егор Разумовский.
Название «черный ящик» исторически связано с первыми моделями, которые были темного цвета, но современное оборудование намеренно окрашивают в заметные оттенки, чтобы ускорить поисковые операции.