Kraków 2017-03-02
Jak pogoda wpływa na podróż samolotem?
Część 1.
W 50-latach XX wieku pojawiło się określenie samolot myśliwski działający w każdych warunkach atmosferycznych. To że powyższe stwierdzenie nie jest prawdziwe postaramy się przedstawić w tym tekście, chociaż bardziej chcemy zwrócić uwagę na loty komercyjne. A to dlatego, że lotnicy w samolotach bojowych muszą legitymować się nienagannym zdrowiem, a w dodatku przechodzą długie i trudne szkolenia. Natomiast pasażer wsiadający na pokład samolotu komercyjnego nie musi nawet przedstawiać zaświadczenia od lekarza, że może odbyć przelot samolotem.
Co jakiś czas w prasie i w telewizji pojawia się informacja tego typu; w dniu 12 sierpnia samolot linii X lecący z miejscowości A do miejscowości B (np. z Bostonu do Sacramento w Kalifornii) wpadł w silne turbulencje. Rannych zostało 22 pasażerów. W wyniku silnych wstrząsów stewardesa doznała wstrząsu mózgu i urazu szyi. Samolot wylądował bezpiecznie, ale jego lot powrotny został odwołany. O zdarzeniu informuje stacja ABC. Sytuacje takie zdarzają się niezwykle rzadko, ale jednak występują.
Turbulencje wzbudzają obawy, a nierzadko i strach. Bywają jedną z podstawowych przyczyn, dla których część osób nigdy nie wsiądzie na pokład. Nawet osoby, które często latają mają pewne obawy, bo nikt z nas nie lubi wstrząsów i drgań samolotu, będąc kilka tysięcy metrów nad ziemią.
Ale nie zaczniemy teraz wyjaśniać; czym są turbulencje, bo to jest skok do głębokiej wody bez przygotowania. Dlatego zaczniemy od historii. Tak naprawdę badania nad turbulencją w czasie lotu rozpoczęto pod koniec 50-lat XX wieku, kiedy to do lotnictwa komercyjnego szeroko weszły jetliners: Boeing B707, Douglas DC-8, Convair CV-660 i inne. Do tej pory samoloty komercyjne latały z prędkościami 300-400 mil/h i na pułapach do 20 000 ft (6 096 m). W samolotach często mocno trzęsło, a pasażerowie czasami używali torebek. Wraz z rozpoczęciem ery odrzutowej linie lotnicze przekonywały pasażerów, że samoloty teraz latają szybciej i wyżej, a lot jest niezwykle spokojny. Na pokładzie można układać domki z kart, a szampan z kieliszka się nie wyleje. Sami do końca nie byli świadomi co przyniesie nowy rodzaj transportu komercyjnego. A problem nie dotyczył samych turbulencji.
Zjawisko Duch Roll.
Nowe jetliners otrzymały skośne skrzydła, które umożliwiły loty z prędkością przelotową rzędu 600 mph (965,61 km/h). Jednak skośne skrzydła w wydatny sposób ujawniły zjawisko Duch Roll, które w samolotach o prostych skrzydłach praktycznie nie występowało. Zjawisko występuje podczas lotu i polega na tym, że po zakończeniu wykonywania skrętu, kiedy pilot obrał już nowy kurs, ogon samolotu może zacząć „zamiatać”, a samolot zaczyna się kołysać z boku na bok z przechyłami do +/-10 stopni. Firma Boeing miała już duże doświadczenie z tym zjawiskiem, z uwagi na eksploatację bombowców B-47, B-52. Dlatego opracowano automat, który stabilizował te niekorzystne ruchy. Automaty te zastosowano także w jetliners.
Opór falowy.
Kolejnym problemem okazało się lokalne przekraczanie prędkości dźwięku na skrzydłach i usterzeniu, z uwagi na lot z prędkością około 800-900 km/h. Skośne skrzydła pozwoliły zbliżyć się do prędkości naddźwiękowej, ale ujawniły także nowe, niepożądane zjawiska. Jednym z nich jest opór falowy. Z uwagi na to, że skrzydło w pobliżu kadłuba jest znacznie szersze, to tutaj najpierw dochodzi do lokalnego przekroczenia prędkości dźwięku, a w efekcie skrzydło traci część siły nośnej. Na końcu skrzydła jeszcze tego zjawiska nie ma, bo skrzydło jest tutaj węższe. W efekcie powstaje dźwignia, której rezultatem jest opuszczanie nosa samolotu w dół. Aby opanować tę tendencję, konstruktorzy opracowali poziome usterzenie „pływające”. Polega ono na tym, że w trakcie lotu można zmienić kąt zaklinowania usterzenia poziomego w zależności od warunków lotu. I to rozwiązanie zdaje egzamin.
Wędrówka środka parcia.
Kolejną sprawą jest środek parcia. Środek parcia to taki wirtualny punkt, który pokrywa się idealnie ze środkiem ciężkości samolotu. Jest tak do momentu, kiedy samolot nie leci z maksymalną prędkością. Wówczas środek ciężkości (o zwrocie skierowanym do dołu) pozostaje w swoim miejscu, a środek parcia (o zwrocie skierowanym do tyłu) wędruje nieznacznie do tyłu. Pojawia się dźwignia i samolot pochyla nos do dołu. Temu zjawisku przeciwdziała „pływające” usterzenie poziome. W samolocie Concord zastosowano przetaczanie paliwa między zbiornikami, co ma wyważyć samolot. W dodatku jest bardzo ważne, aby rozkład pasażerów i towarów będących na pokładzie był jak najbardziej równomierny.
Jeszcze nie wpadliśmy w turbulencje, a mamy już kilka niepożądanych zjawisk. FAA zawracała uwagę na to, aby załogi jetliners były jak najlepiej wyszkolone. Dlatego nakazywano załogom ćwiczyć ekstremalne sytuacje w powietrzu. Między innymi wychodzenie samolotu z przechyłu na skrzydło wynoszącego 90 stopni, co w locie rejsowym nie występuje (nie powinno wystąpić). Uczono załogi pilotowania samolotów z wyłączonymi wszystkimi stabilizatorami, wzmacniaczami układu sterowania i autopilotem. Lecz kiedy doszło do kilku katastrof w trakcie lotów szkolnych, nieco odpuszczono, i ekstremalne sytuacje ćwiczono na znacznie wyższych pułapach.
Jednak wystąpiły kolejne katastrofy w lotach rejsowych. Na szczęście samoloty posiadały już czarne skrzynki (rejestratory lotu) i ofiara złożona z pasażerów i załóg nie poszła na marne. Do współpracy wciągnięto NACA-NASA i zaczęto się baczniej przyglądać zjawiskom występującym na pułapie 6 000 – 12 000 m. Stwierdzono wówczas że zewnętrzne siły oddziałujące na samolot mogą być z każdej możliwej strony i to o znacznych wartościach.
Rodzaje chmur.
Nawet jeśli byśmy nie chcieli, to musimy przyjrzeć się trochę chmurom i innym zjawiskom pogodowym, które mają wpływ na lotnictwo. Podstawowym wydawnictwem w zakresie morfologii chmur jest Międzynarodowy Atlas Chmur wydany przez Światową Organizację Meteorologiczną (WMO). Nazwa „Rodzaje chmur” jest umowna i niezwykle szeroka. Obejmuje nie tylko rodzaje chmur, lecz także chmury stratosferyczne oraz zjawiska szczególne i chmury towarzyszące chmurom troposferycznym. Są na przykład „chmury ścieżki statków morskich”, które powstają pod wpływem gazów i pyłów wydobywających się z kominów statków morskich. Są one bardzo dobrze widoczne na zdjęciach satelitarnych, zwłaszcza w pobliżu lądów. Ogólnie można wymienić ponad 20 podstawowych rodzajów chmur. Nas oczywiście interesują te chmury które są w jakikolwiek sposób powiązane z lotnictwem, dlatego zaczniemy od smugi kondensacyjnej.
Smuga kondensacyjna.
Smuga kondensacyjna jest chmurą, która powstaje poprzez skroplenie pary wodnej utrzymującej się w powietrzu w stanie przechłodzonym na wysokości kilku kilometrów nad ziemią. Dzięki aerozolowi, jakim są spaliny (niezależnie czy z samolotu z silnikami turboodrzutowymi, czy z silnikami tłokowymi), ich drobiny stanowią jądra kondensacji. Na tych jądrach szybko wytrąca się para wodna, która szybko zamarza. Powietrze zawsze zawiera pewną ilość pary wodnej. Im wyższa jest temperatura powietrza, tym zawartość wody może być większa. Dlatego w naszym klimacie łatwiej zaobserwować smugi kondensacyjne latem. Tworzą się one na pułapie 5 000 – 15 000 m. Przy sprzyjających warunkach mogą utrzymać się nawet 24 godziny. Dla meteorologów chmura taka należy do typu cirrocumulus, a dokładnie cirrus aviaticus. Ktoś może zapytać – dlaczego para wodna na takich wysokościach jest przechłodzona? Zjawisko przechłodzenia pary wodnej w atmosferze jest możliwe, ponieważ na tak duże wysokości docierają tylko śladowe ilości pyłów.
Kuzynki.
Osoby, które trochę interesują się lotnictwem, na pokazach lotniczych mogły zaobserwować smugi powstałe na końcach skrzydeł, w ich samych narożach lub rzadziej na krawędzi spływu skrzydła. Nazywa się je kuzynki lub ang. contrail cousins. Są one podobne do smug kondensacyjnych, ale mechanizm ich powstawania jest inny i ich żywot jest znacznie krótszy. Kuzynki powstające w wyniku silnych zaburzeń ciśnienia powietrza. Jak tylko ciśnienie się wyrówna znikają.
Smugi chemiczne.
Jest jeszcze coś takiego jak smugi chemiczne lub ślady chemiczne. Należą one do teorii spiskowej, zakładającej że w smugach kondensacyjnych zostawianych przez samoloty znajdują się środki chemiczne mający utajony cel, zwykle militarny. Mają mieć one szkodliwy wpływ na organizmy żywe. Należy domniemywać, że teoria ta powstawała z chwilą wprowadzanie specjalnych paliw dla lotnictwa wojskowego, jak na przykład w USA paliwa JP-6, JP-7, o czym wiele napisałem w innych artykułach.
Chmura konwekcyjna.
Chmura konwekcyjna to rodzaj chmur powstałych w wyniku występującej w atmosferze konwekcji, czyli unoszenia pary wodnej. Gdy prądy wstępujące przekraczają poziom kondensacji tworzy się chmura. Rozmiary tych chmur są bardzo różne. Często chmury takie wywołują przelotne opady. Do chmur tych zaliczamy Cumulus i Cumulonimbus.
Cumulus.
Cumulus to chmura kłębiasta, biała, bardzo malownicza. Należy do chmur troposferycznych i tworzy się w przedziale wysokości 600 - 2 500 m. Chmury te mogą stosunkowo szybko się przekształcić, albo zniknąć, albo rozbudować się.
Cumulonimbus.
Cumulonimbus to chmura kłębiasta deszczowa, rozbudowana pionowo na wysokość kilku lub kilkunastu kilometrów w kształcie wieży. Taka przerośnięta sałata, bądź w postaci bardziej rozbudowanej w piętrze wysokim, przypominająca olbrzymie kowadło lub grzyb. Podstawa chmur tego rodzaju znajduje się na wysokości 2 000 - 3 000 m, natomiast górny ich pułap w strefie międzyzwrotnikowej może przekraczać 20 000 m. Złożona jest w dolnej części z kropel wody, a w górnej z kryształków lodu. Są to chmury najbardziej rozbudowane w kierunku pionowym, dlatego zjawiska fizyczne w nich występujące są bardzo gwałtowne. Chmury tego rodzaju mogą być źródłem gwałtownych opadów deszczu, śniegu lub gradu, którym często towarzyszą burze. Cechą charakterystyczną tego rodzaju chmury jest występowanie silnego wiatru tuż przed rozpoczęciem opadu. Wiatr ten nosi nazwę szkwału. W chmurach tego typu występują bardzo silne prądy wznoszące i zstępujące. Ich prędkość może dochodzić nawet do kilkudziesięciu metrów na sekundę. Spotykane prędkości prądów wznoszących dochodzą do 10-15 m/s, a nawet do 25 m/s (90 km/h), choć ostatnie badania wskazują, że możliwa jest prędkość nawet 50 m/s (180 km/h).
Nimbostratus.
Nimbostratus, czyli chmura warstwowa deszczowa to chmura w postaci ciemnoszarej jednolitej warstwy, zazwyczaj całkowicie zasłaniającej niebo. Złożona jest z kropel wody oraz kryształków lodu. Jej występowaniu towarzyszą ciągłe opady deszczu lub śniegu. Dolna podstawa chmury występuje na wysokości 200-500 m (często pod podstawą występują jeszcze postrzępione przez wiatr chmury na wysokości rzędu 100-200 m, a nawet niżej). Grubość chmury jest bardzo duża i dochodzi do 4 000 – 6 000 m. Często też łączy się z wyżej położoną chmurą altostratusem. Jest to typowa chmura frontalna. Tego rodzaju chmura bardzo utrudnia funkcjonowanie lotnictwa, głównie z uwagi na ograniczenie widoczności. Całkowicie wstrzymuje się loty typu VFR, czyli z widocznością ziemi. Natomiast loty IFR zwykle są prowadzone.
Mgła.
Mgła to krople wody lub kryształy lodu zawieszone w powietrzu. Mgły różnią się od chmur tym, że ich dolna podstawa styka się z powierzchnią ziemi, podczas gdy podstawa chmur jest ponad powierzchnią ziemi. Mgła powoduje ograniczenie widoczności poniżej 1 km. Potocznie o mgle mówimy, gdy widzialność przy gruncie jest znacznie ograniczona, w przeciwnym razie mamy do czynienia z zamgleniem. Mgła potrafi całkowicie sparaliżować funkcjonowanie lotniska. I nie dlatego, że współczesne samoloty komercyjne nie byłyby w stanie wylądować, tylko dlatego, że po wylądowaniu załogi byłyby zupełnie ślepe i nie trafiłyby na stanowisko postojowe na płycie peronowej. Przy widoczności powyżej 75 m ruch na lotnisku zwykle przebiega normalnie. Pierwszym samolotem komercyjnym, który otrzymał automatyczny system lądowania był brytyjski Hawker Siddeley HS-121 Trident oblatany w dniu 9 stycznia 1962 roku.
I jeszcze jedna sprawa dotycząca chmur. Do 50-lat XX wieku sądzono, że powyżej 10 000 m chmury nie występują. Okazało się jednak, że chmury można spotkać nawet na pułapie 20 000 m.
Ciąg dalszy w kolejnym rozdziale.
Opracował Karol Placha Hetman