Technologia

Tajemnice samolotów

Numer 9/2020
Powierzchnie służące do sterowania samolotem. Powierzchnie służące do sterowania samolotem. Infografika Marcin Karaś
Jak to możliwe, że cięższy od powietrza samolot odrywa się od ziemi? Co utrzymuje go w powietrzu? Dlaczego słychać w nim dziwne dźwięki? Czy turbulencje mogą spowodować katastrofę lotniczą? Czy okna w samolocie pękają?
Przepływ ­powietrza po klapach FowleraInfografika Marcin Karaś Przepływ ­powietrza po klapach Fowlera
Wysuwane w części ogonowej ­samolotu BAe 146 hamulce aerodynamiczne.Wikimedia Commons Wysuwane w części ogonowej ­samolotu BAe 146 hamulce aerodynamiczne.
Klapy, ­sloty (skrzela) i spoilery.Infografika Marcin Karaś Klapy, ­sloty (skrzela) i spoilery.
Turbina napędzająca awaryjną pompę hydrauliczną i pośrednio awaryjny generator prądu.Wikimedia Commons Turbina napędzająca awaryjną pompę hydrauliczną i pośrednio awaryjny generator prądu.
Rozkład sił działających na samolot, aby stabilnie unosił się w powietrzu. I zmiana sił przy pochyleniu samolotu w wyniku działania siły zewnętrznej (dół).Infografika Marcin Karaś Rozkład sił działających na samolot, aby stabilnie unosił się w powietrzu. I zmiana sił przy pochyleniu samolotu w wyniku działania siły zewnętrznej (dół).
Powstawanie turbulencji.Infografika Marcin Karaś Powstawanie turbulencji.
Zawór regulacji ciśnienia wewnątrz kadłuba.Wikimedia Commons Zawór regulacji ciśnienia wewnątrz kadłuba.
materiały prasowe

Na samolot – jak na wszystko, co znajduje się w zasięgu pola grawitacyjnego Ziemi – działa siła ciążenia. Aby utrzymać go w powietrzu, musimy wygenerować siłę przeciwną. W tym przypadku chodzi o siłę nośną. Powstaje ona dzięki skrzydłom i to one, a nie silniki, są niezbędne do tego, by samolot nie runął na ziemię. Doskonale widać to na przykładzie szybowców – nie mają silnika, a potrafią krążyć w powietrzu godzinami.

Aby wytworzyła się siła nośna, musi wystąpić przemieszczanie w powietrzu, gdyż siła ta jest wynikiem odpychania się samolotu od powietrza przemieszczanego w dół za sprawą skrzydeł. Im szybciej porusza się samolot, tym więcej powietrza odpycha, co generuje przeciwną siłę nośną zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona. W powstawaniu optymalnej siły nośnej pomaga odpowiednie ukształtowanie skrzydła, które jest uwypuklone w górę.

Klapy wysuwane ze skrzydeł zwiększają ich powierzchnię i zmieniają kształt na bardziej wypukły, co pozwala na utrzymanie siły nośnej na odpowiednim poziomie w tych fazach lotu, w których zależy nam na jak najmniejszej, ale bezpiecznej prędkości, czyli przy starcie i lądowaniu. Sloty wysuwane z krawędzi natarcia skrzydeł odpowiednio ukierunkowują napływające od przodu powietrze, by można było bezpiecznie zwiększyć kąt jego napierania, generując tym samym większą siłę nośną przy mniejszej prędkości.

Siedząc w samolocie w okolicach skrzydeł, widzieliście zapewne wysuwające się z nich w górę płaskie powierzchnie. Są to tzw. spoilery. Ich wysunięcie powoduje zmniejszenie siły nośnej na skrzydle i znaczne zwiększenie oporu. Pomagają zwiększyć prędkość opadania lub ją zmniejszyć, gdy są wysuwane symetrycznie na obydwu skrzydłach. A podczas wprowadzania lub wyprowadzania samolotu z zakrętu pozwalają utrzymać odpowiednią koordynację zakrętu przez zwiększenie oporów na tym skrzydle, którego lotka idzie w górę.

Spoilery spełniają bardzo ważną funkcję po przyziemieniu samolotu, gdy wszystkie wysuwają się pod maksymalnym kątem. Ich działanie jest podwójne: powodują zmniejszenie siły nośnej, dzięki czemu samolot może większym ciężarem osiąść na kołach, przez co można skuteczniej wykorzystać ich hamowanie, oraz zwiększają opór aerodynamiczny, co także pomaga w zatrzymaniu samolotu.

Spoilery nie są jedynymi urządzeniami wykorzystywanymi do wyhamowania samolotu. W samolocie BAe146 w części ogonowej umieszczono znacznych rozmiarów hamulec aerodynamiczny w postaci wychylanych symetrycznie na boki płyt, które niezwykle skutecznie zwiększają opór aerodynamiczny, nie wpływając na siłę nośną.

Koła

Każdy samolot operujący na pasach startowych wyposażony jest oczywiście także w koła. W zależności od masy może posiadać trzy lub więcej goleni podwozia, z których każda ma zazwyczaj minimum dwa koła, by utrata powietrza w jednym z nich nie uniemożliwiała bezpiecznego prowadzenia samolotu na ziemi. Przednia goleń, podobnie jak koła w samochodzie, służy do sterowania maszyną na ziemi. Operuje się nią w ograniczonym zakresie za pomocą orczyka, tego od steru kierunku, i w większym zakresie „kierownicą”, czyli specjalną dźwignią (kołem) w kokpicie, znajdującą się zazwyczaj po zewnętrznej stronie fotela pilota. Podczas rozbiegu do startu i po lądowaniu, gdy samolot porusza się ze znaczną prędkością, większy wpływ na jego kierunek ma ster kierunku i wtedy faktycznie spełnia on funkcję bardziej adekwatną do swojej nazwy. Kierownica nie zawsze jest zdublowana, czasami występuje jedynie po stronie kapitana. Tak wyposażony samolot podczas kołowania zawsze musi być sterowany właśnie przez niego. Ale nawet jeśli kierownica znajduje się po obydwu stronach kokpitu, procedury niektórych linii lotniczych z nieznanych mi powodów zakładają, że na ziemi samolotem zawsze steruje kapitan.

W samolotach z rozbudowanym wielogoleniowym podwoziem możliwe jest sterowanie częścią głównych goleni, by ułatwić pokonywanie ciasnych zakrętów. Koła samolotów wyposażone są w bardzo skuteczne hamulce, by zapewnić bezpieczne zatrzymanie samolotu podczas normalnej eksploatacji oraz w razie konieczności zatrzymania awaryjnego przy przerwanym starcie, gdy trzeba unieruchomić te kilkadziesiąt czy kilkaset ton rozpędzonych do 300 km/h na pozostającym przed samolotem odcinku pasa. Wypełnią one swoje zadanie, jednak często po tak intensywnym hamowaniu osiągają temperatury, które generują dym, a nawet płomienie. Czasami powodują zapalenie się niektórych elementów podwozia i konieczność interwencji straży pożarnej. Oczywiście potem trzeba je wymienić, łącznie z zazwyczaj uszkodzonymi podczas tej operacji kołami lub oponami. Systemy hamulcowe są wyposażone w system zapobiegający ich zablokowaniu przy intensywnym hamowaniu, podobny do znanego z samochodów ABS-u.

Okna

Zwłaszcza te w kokpicie mają dość zaawansowaną budowę. Są ogrzewane, by nie dopuścić do osadzania się na nich lodu, skutecznie ograniczającego widoczność. To zresztą niejedyny powód ich ogrzewania. Zazwyczaj składają się bowiem z dwóch warstw szkła, między którymi znajduje się jeszcze jedna, z tworzywa sztucznego. Całość ma grubość kilku centymetrów, by wytrzymać zderzenie z ptakiem lub uderzenia gradu podczas lotu z prędkością kilkuset kilometrów na godzinę – podgrzanie okien zwiększa elastyczność, co pomaga w tego typu zderzeniach.

Na oknach w kokpicie zamontowane są wycieraczki i używamy ich czasami przy silnym deszczu. Oprócz tego mamy instalację natryskującą specjalny płyn hydrofobowy, który powoduje, że krople wody lepiej spływają po szybie. Można ją porównać do „niewidzialnej wycieraczki” nanoszonej na szyby samochodów. Okna w kokpicie są otwierane. Można je otworzyć podczas lotu na mniejszej wysokości po wyrównaniu ciśnienia między wnętrzem i otoczeniem samolotu. To opcja przewidziana na wypadek wystąpienia gęstego zadymienia w samolocie w wyniku pożaru.

Parę słów należy poświęcić oknom w kabinie pasażerskiej. Nie są one tak mocne jak te w kabinie pilotów, ponieważ nie są narażone na spotkanie z ptakami czy gradem, ale również muszą być wytrzymałe z racji różnic ciśnienia po obu stronach, generujących nacisk rzędu kilkuset kilogramów na pojedyncze okno. Składają się z warstw, które nie są ze sobą połączone. Ponieważ ciśnienie w przestrzeni między tymi warstwami trzeba wyrównywać z tym w kabinie pasażerskiej, w każdym oknie znajduje się niewielki otwór – owa tajemnicza dziurka, o którą często mnie pytają. Podczas startu i lądowania nakazuje się pasażerom odsłonięcie okien, by w razie konieczności awaryjnego opuszczenia samolotu pasażerowie i obsługa lepiej orientowali się w terenie.

Niepokojące odgłosy

Podczas lotu słychać szum powietrza opływającego samolot z prędkością kilkuset kilometrów na godzinę, dźwięk wydobywający się z turboodrzutowych silników oraz, w samolotach turbośmigłowych, hałas generowany przez potężne śmigła. Czasami podczas startu silniki turboodrzutowe wydają wyraźny dźwięk przypominający piłę do drewna. Potrafi on być naprawdę głośny, lecz zanika wraz z nabieraniem wysokości. Wywołuje go interferencja między dźwiękami generowanymi przez poszczególne łopatki silnika. Każda z nich wywołuje falę uderzeniową, gdyż jej końcówki poruszają się z prędkością ponaddźwiękową. Te pojedyncze odgłosy z każdej łopatki powinny zlewać się w całość, ale drobne różnice między nimi generują wspomniany odgłos kojarzący się z piłą do drewna. Nie stanowi on żadnego zagrożenia dla silnika, a jedynie powoduje dyskomfort akustyczny. Jest słyszalny zazwyczaj z przodu samolotu. Niektóre linie lotnicze szukają sposobu na jego wytłumienie, np. poprzez zamianę miejscami łopatek na obwodzie wału.

Osoby siedzące w okolicach skrzydeł mogą usłyszeć dźwięk pracujących napędów klap czy podwozia. Pasażerowie popularnego A320 pytają, skąd bierze się dźwięk przypominający szczekanie psa, dobiegający spod podłogi w środkowej części samolotu. Otóż jest on spowodowany pracą specjalnego urządzenia, będącego jednocześnie turbiną i pompą układu hydraulicznego – PTU (Power Transfer Unit). W A320 są dwa „główne” systemy hydrauliczne, a zadaniem wspomnianego urządzenia jest przejęcie funkcji zapewnienia ciśnienia w jednym z nich przy wykorzystaniu ciśnienia z drugiego na wypadek awarii pompy zasilającej dany system. Ten charakterystyczny odgłos nie oznacza jednak, że doszło do awarii silnika. Urządzenie to może pracować tymczasowo podczas wyłączania silników, gdy jedna z pomp jeszcze zapewnia właściwe ciśnienie, a druga już nie. Czasami także odzywa się przy operowaniu klapami czy podwoziem. Poza tym przy uruchamianiu silników włącza się automatycznie w ramach testu.

Jeśli z okolicy drzwi będzie dobiegać głośny świszczący dźwięk, to znaczy, że podczas ich zamykania uszczelka nie trafiła dokładnie na miejsce na całej swej długości i powietrze ucieka poprzez powstałą szczelinę. Tu także nie ma powodów do obaw.

Turbulencje

Jednym z powszechnych zjawisk, na które narażone są samoloty, jest tytułowa turbulencja. To nic innego jak nieuporządkowany przepływ powietrza, który wstrząsa przelatującym samolotem. W jakich zatem warunkach powstają turbulencje? Na pewno wszyscy kojarzą piękny słoneczny dzień, gdy na niebie widać tylko mniejsze lub większe chmurki kłębiaste. Powstają one w wyniku unoszenia się powietrza rozgrzanego nad niektórymi miejscami na powierzchni ziemi. Wznoszące się powietrze ochładza się i w pewnym momencie osiąga tzw. punkt rosy. Para wodna wtedy kondensuje się w postaci mikroskopijnych kropelek wody i powstają widoczne białe kłęby chmur. To znak, że w takich chmurach, ich okolicach i pod nimi można się spodziewać turbulencji. Dzieje się tak dlatego, że wychłodzone powietrze opada z powrotem ku powierzchni ziemi, najczęściej obok chmury. Przelatujący przez taki obszar samolot natrafia zatem na powietrze przemieszczające się raz w górę, raz w dół. Jest to oczywiście mniej lub bardziej nieprzyjemne dla pasażerów. Zazwyczaj takich obszarów się jednak nie omija, gdyż nie są one niebezpieczne, a samolot musi zachować jakąś trajektorię lotu, np. dolatując do lotniska lub z niego odlatując.

Opisane powyżej chmury widać czasami na ekranach radarów pogodowych w samolotach. W taki sam sposób powstają chmury burzowe, które są bardziej rozwiniętymi, czasami ogromnymi chmurami kłębiastymi. Są one bardzo dobrze widoczne na ekranach radarów z racji dużej ilości wody występującej w takiej chmurze w postaci kropelek. W takie chmury nie wlatujemy, ponieważ turbulencja może być tam bardzo duża.

Turbulencje mogą się też pojawić, gdy dwie różne masy powietrza przemieszczają się jedna nad drugą w różnych kierunkach i z różną prędkością. Lub gdy warstwa powietrza przemieszcza się nad warstwą nieruchomego powierza. Wtedy na ich styku powstają zawirowania, które powodują wznoszenie i opadanie przelatującego przez nie samolotu albo jego potrząsanie, gdy zawirowania są małe i następują szybko jedno po drugim. Sytuacja taka może wystąpić na różnych wysokościach i zazwyczaj nie da się jej przewidzieć ani ocenić intensywności turbulencji na radarze pogodowym lub obserwując przestrzeń przed samolotem. Nawet jeśli w wyniku takiego przemieszczania się powietrza powstają chmury warstwowe. Na dużych wysokościach prądy powietrzne mogą uzyskiwać znaczne prędkości, nawet do kilkuset kilometrów na godzinę. Są to tzw. prądy strumieniowe – jet stream. Powodują one najgroźniejszy rodzaj turbulencji, czyli turbulencje czystego nieba (CAT – Clear Air Turbulence). Nie tworzą się przy tym żadne chmury i obecnie nie ma możliwości wykrywania takich turbulencji. A ponieważ mogą one występować na bardzo dużym obszarze i rzucić samolotem ze znaczną siłą w dół, nawet o kilka kilometrów, są określane niezbyt fortunnie mianem „dziur powietrznych”.

Innymi czynnikami wpływającymi na powstawanie turbulencji na dużych wysokościach są wysokie góry. Na małych wysokościach zaś – np. podczas podejść do lądowania lub startów – przepływ powietrza mogą zaburzyć przeszkody terenowe lub budynki. Na koniec warto nadmienić, że chociaż dla pasażerów i pilotów wszelakie turbulencje są niekomfortowe, to niezwykle rzadko mogą doprowadzić do katastrofy. Ostatni taki wypadek zdarzył się kilkadziesiąt lat temu.

Kpt. Dariusz Kulik

Fragmenty pochodzą z książki kapitana Dariusza Kulika „Turbulencja”.

01.09.2020 Numer 9/2020

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną