Защо е толкова трудно да летят самолети на голяма надморска височина?

Повечето граждански самолети не е необходимо редовно да летят на най-високата височина, на която физически могат – но това понякога е така за Военновъздушните сили на САЩ. От многото самолети, преминали през арсенала на Военновъздушните сили на САЩ през десетилетията, двата, които са били най-трудни за летене, са общоприетите разузнавателни самолети U-2 Dragon Lady и SR-71 Blackbird, пише за TNI адвокатът Харисън Кас.

Двата самолета са изключително различни на пръв поглед. U-2 е тромав дозвуков самолет с тесен фюзелаж и изключително дълги крила. Blackbird е неговата противоположност, с широко тяло, тесни крила и огромен турбореактивен двигател от двете страни – по-близък на външен вид до научнофантастичен космически кораб, отколкото до типичен изтребител. И въпреки очевидните си разлики, U-2 и SR-71 имат нещо важно общо: и двата са проектирани да работят на изключително големи височини от 70 000 до 80 000 фута (21 330–24 380 м), което прави пилотирането им много по-трудно, отколкото с типичен самолет.

Какво се счита за полет на голяма височина?

Като цяло, колкото по-технически усъвършенстван е един самолет, толкова по-високо във въздуха може да лети.

Типичен малък граждански витлов самолет като Cessna или Beechcraft ще достигне максимална височина около 15 000 фута. Гражданските търговски самолети като Boeing 737 или Airbus A320 имат експлоатационни тавани от около 40 000 фута, въпреки че са склонни да летят в диапазона от 30 000 фута. Повечето изтребители достигат максимална височина около 50 000 фута, докато някои могат да достигнат до 60 000 фута.

Ограничаващият фактор за височината на самолета е плътността на въздуха. На по-ниски височини въздухът е по-плътен, което означава, че когато самолетът лети, има повече физически въздух, който да се тласка върху крилата и да генерира подемна сила. От друга страна, има и повече въздух на пътя, което прави самолетите по-малко икономични по отношение на горивото. Това е една от причините търговските самолети да летят на 30 000 фута или повече; горивната ефективност е ключова част от уравнението за печалба на авиокомпанията.

С разреждането на въздуха обаче крилата на самолета произвеждат по-малко подемна сила, дори при същата въздушна скорост. С други думи, с увеличаване на височината на самолета, неговата „скорост на срив“ - минималната скорост, с която може да поддържа равен полет, преди да загуби подемна сила и да падне - обикновено се увеличава. От друга страна, максималната индикирана въздушна скорост на самолета остава относително фиксирана. Това означава, че с нарастването на височината на самолета, диапазонът на скорост, с който може безопасно да лети, става все по-тесен.

Какво е "Ъгълът на ковчега"?

С приближаването на самолета до служебния му таван, границата между максималната му безопасна скорост и долната му граница на скоростта на срив става все по-тясна – джоб, неофициално известен на пилотите като "ъгълът на ковчега" заради опасността от летене в него. В този тесен джоб самолетът трябва да лети достатъчно бързо, за да избегне срив, но достатъчно бавно, за да избегне структурни и аеродинамични проблеми. С толкова тесни граници пилотите трябва да летят с точна прецизност, с минимално място за грешки.

В долния край на диапазона на скоростта е рискът от срив. Когато това се случи, признаците са веднага очевидни за пилота: люлеене, нестабилни контролни входове, спускане на носа и (особено при агресивни входове на кормилото) възможно преобръщане. Това е доста опасна ситуация, тъй като пилот без реагиращи контроли може да загуби контрол над самолета - особено със самолет, толкова тромав като U-2. Възстановяването изисква понижаване на носа - само че на голяма височина самолетът има малко излишна тяга за разгръщане и ледниково ускорение, така че корекцията за понижаване на носа може да доведе до голяма загуба на височина. Въпреки това, понижаването на носа и добавянето на мощност, точно както би направил студент по летене в Cessna, е стандартният протокол за възстановяване.

В горния край на скоростния диапазон е рискът от максимална скорост. Когато самолетът се приближи до критичното си число на Мах, локалният въздушен поток над крилото достига свръхзвукови скорости, при което се образуват ударни вълни. Това нарушава плавния въздушен поток, увеличава рязко съпротивлението и премества центъра на налягането. Ефектите са удари, вибрации в управлението и внезапно накланяне на носа надолу. Превишаването на скоростта също така представлява редица опасности, включително структурно напрежение, трептене на контролните повърхности, отделяне, предизвикано от удар, и евентуално пълна загуба на контрол над самолета. За да се възстановят от това, пилотите трябва да намалят тягата и внимателно да се наклонят нагоре, като потенциално използват скоростната спирачка, където е уместно.

Кои самолети изпитват "ъгъла на ковчега"?

Най-добрите примери за самолети, действащи в „ъгъла на ковчега“, са U-2 Dragon Lady, който остава в експлоатация (макар и на път да се изтегли), и SR-71 Blackbird, който е пенсиониран от военните през 1998 г. и от НАСА през 1999 г. Конструкциите на двата самолета – и двата използвани за наблюдение на земята далеч под нас – изискват те да работят възможно най-високо, за да се гарантира, че могат да наблюдават възможно най-голямо количество земна площ. Голямата надморска височина е и полезен защитен механизъм над вражеска територия; тя дава на самолета предимство срещу ракети, изстреляни от вражеска противовъздушна отбрана далеч под нас. U-2 се движи с много по-ниски скорости и е сравнително лесен за сваляне със съвременни ракети земя-въздух; Много по-голямата скорост на Blackbird му позволяваше лесно да изпреварва наземните ракети по време на експлоатацията си.

Като аеродинамичен принцип, „ъгълът на ковчега“ може да засегне всеки самолет. Търговските самолети, които експлоатират с тежки товари и на високи височини, трябва да внимават за управлението на скоростта си. Същото важи и за B-52 Stratofortress на голяма височина. Пилотите, които летят с тези самолети, трябва да бъдат особено внимателни как маневрират и да запазват енергията, необходима за възстановяване. Пилотите трябва да следят скоростта, теглото и ъгъла на атака и постоянно да обръщат внимание на всяко усещане за подкосяване в контролните входове.

Феноменът „ъгъл на ковчега“ обаче не е често срещан проблем за авиационната индустрия. За разлика от U-2 и SR-71, чиято ефективност зависи от височината им, повечето самолети имат малко основателни причини редовно да превишават границите си – и в процеса да излагат пилотите и пътниците си на неприемливи нива на опасност.