Prędkość samolotu, liczba Macha, prędkość dźwięku

Opublikowane przez AskeF w dniu

Prędkość samolotu, liczba Macha, prędkość dźwięku

Czy zastanawialiście się kiedyś, z jaką prędkością lata samolot? Co to tak na prawdę oznacza, kiedy kapitan samolotu liniowego ogłasza na wysokości przelotowej, że poruszamy się z prędkością 820 km/h na wysokości 11 000 metrów?

Oczywiście, wyżej wymienione informacje są przedstawiane pasażerom samolotu w formie „zrozumiałej” dla zwykłego śmiertelnika, w popularnie używanych jedostkach. W końcu, jeśli przekazywany jest komunikat, który ma trafić do adresata, to musi mieć on formę dla niego zrozumiałą. Zresztą konia z rzędem temu, kto tych komunikatów słucha, oprócz… oczywiście pozytywnie zakręconych na punkcie latania.

Kwestie różnych prędkości, z jaką samolot się porusza, wcale nie są takie proste i jednoznaczne. No bo w ogóle dlaczego zamiast tych wszystkich skomplikowanych wskaźników opartych o działanie rurki pitota nie zastosować nawigacji GPS (nawet tej wbudowanej w posiadany smartfon), która przecież pokaże miejsce, w którym się znajdujemy, kierunek w jakim zmierzamy i prędkość, z jaką się poruszamy. Nowocześnie, prosto i sprawnie!

Samolot jednak, w stosunku do wszystkich innych środków lokomocji poruszających się po ziemi, rządzi się innymi prawami. W skrócie: po to, by utrzymać się w powietrzu potrzebna jest pewna prędkość (nazwijmy ją bezpieczną), aby zadziałały wszystkie siły pozwalające maszynie latającej poruszać się w trówymiarowej przestrzeni. I im większy lub szybszy jest samolot, tym ta prędkość będzie większa. Mało tego, prędkość o której mówimy, nie może być prędkością względem ziemi (ang.: GS – ground speed), tylko w stosunku do „opływających” samolot mas powietrza. Dlaczego to takie ważne? Dlatego, że musimy uwzględnić prędkość poruszającego się powietrza, czyli wiatru.

Weźmy dla przykładu małą Cessnę C150 lecącą z średnią prędkością przelotową 70 węzłów. Przyjmijmy, że wiatr na wysokości przelotowej będzie wiał z prędkością 30 węzłów. Czy będziemy lecieć z wiatrem, czy prosto pod wiatr, prędkościomierz za każdym razem pokaże 70 węzłów, bo samolot porusza się względem opływających go mas powietrza. Natomiast nawigacja oparta o wskazania GPS pokazałaby odpowiednio: 100 i 40 węzłów. Gdyby opierać się wyłącznie na GPS, to przy wskazaniu wynoszącym 40 kt, powinny się zapalić wszystkie czerwone lampki, bo samolot nie powinien się już utrzymywać w powietrzu z uwagi na brak siły nośnej…

Przy wykonywaniu lotu VFR, w mojej opinii, nie ma ważniejszego wskaźnika niż prędkościomierz oparty na zasadzie działania rurki pitota. I to jest tak zwana prędkość przyrządowa IAS (ang.: Indicated AirSpeed).

Niestety zarówno otaczająca nas atmosfera, jak i sam przyrząd do pomiaru prędkości nie zachowują się idealnie. Błędy wskazań znaczenie wzrastają z zwiększoną prędkością (np. powyżej 300 węzłów) oraz wysokością lotu. W związku z powyższym, wprowadza się szereg korekt i poprawek. Poprawki dotyczą błędu przyrządu, ciśnienia, gęstości i ściśliwości powietrza. Po ich uwzględnieniu otrzymujemy tzw. prędkość TAS (ang.: True AirSpeed). Różnice w wartości można śledzić na przykład na FlightRadar24. Wybierając na przykład któryś z liniowych rejsów międzykontynentalnych (jak poniżej) widać, że IAS wynosi 249 węzłów, podczas gdy TAS 480 węzłów. A dodatkowo mamy też podaną prędkość w stosunku do ziemi: GS = 529 węzły.

(Fot. AskeF.pl)

Poza powyższymi prędkościami, na załączonym zdjęciu, widać jeszcze jeden wskaźnik: liczbę Macha. Przy wyższych prędkościach, konieczne jest posługiwanie się właśnie tą wartością. Liczba Macha określa stosunek prędkości samolotu (TAS) do lokalnej prędkości dźwięku (LSS). Jeśli obiekt poruszałby się z prędkością Mach 1, to jego prędkość zrównałaby się z prędkością dźwięku w ośrodku, w którym się porusza. Co jednak istotne, lokalna prędkość dźwięku zależy od temperatury. A ponieważ ze wzrostem wysokości temperatura maleje, to lokalna prędkość dźwięku też będzie maleć. I tak Mach równe 1 dla temperatury standardowej na poziomie morza (15°C) będzie oznaczać prędkość równą 1225 km/h, podczas gdy na wysokości 11 km już dużo mniej: 1062 km/h.

Dlaczego przy wyższych prędkościach posługujemy się liczbą Macha? Zanim odpowiemy sobie na to pytanie, trochę teorii. Jak wiadomo z aerodynamiki 😉 cząsteczki powietrza opływając płat skrzydła, przyspieszają. Jeśli (tak jak w przykładzie powyżej) samolot leci z prędkością okołodźwiękową (Mach 0,84) to możliwe jest wystąpienie sytuacji, w której powietrze na skrzydle przyspieszy do prędkości Mach równej 1. To z kolei oznacza, że zacznie się na skrzydle wytwarzać fala uderzeniowa, która spowoduje całą serię niekorzystnych zjawisk z nią związanych, a powodujących zmniejszenie siły nośnej, wywołanie buffeting’u czy redukcję efektywności usterzenia ogonowego. W skrócie: efektywność lotu maleje. Aby zapobiec tego typu sytuacjom, wprowadzono pojęcie krytycznej prędkości Macha: MCRIT, która nie powinna być przekraczana. Mając na uwadze, że liczba Macha:

M = TAS/LSS

to widać, że przy utrzymywaniu stałej prędkości TAS i zwiękaszniu wysokości (temperatura maleje, lokalna prędkość dźwięku LSS maleje), liczba Macha będzie rosnąć. To zaś może doprowadzić do przekroczenia MCRIT. Mimo utrzymywania stałej wartości TAS. Dlatego, np. dla B737 już od prędkości Mach 0,615 są włączne automatyczne systemy niwelujące niekorzystne efekty lotu z prędkością okołodźwiękową. Oczywiście w przypadku awarii tego typu urządzeń (dla dociekliwych zwanych z ang.: Mach Trim) konieczne jest obniżenie przez pilota prędkości do wartości niższej niż krytyczna (dla B737 będzie to Mach 0,74). I tutaj następuje odpowiedź na pytanie: ponieważ przyrosty prędkości (TAS/IAS) w okolicach MCRIT nie są proporcjonalne do liczby M, konieczne jest posługiwanie się liczbą Macha, której wartość krytyczna limituje efektywność, a co za tym idzie również opłacalność lotu.

Tworzenie się fali uderzeniowej na skrzydłach przedstawia poniższe zdjęcie:

 

Prędkość samolotu, liczba Macha, prędkość dźwięku

(Źródło: 3.bp.blogspot.com)

Na zakończenie jeszcze jedna ciekawostka do rozważenia. W naszym przykładzie widać różnicę między TAS, a GS. Ta różnica mówi, że samolot ma „wiatr w ogon” o sile 49 węzłów. Na pokazanej wysokości nie jest to jakaś porażająca wartość w stosunku do prądów strumieniowych, których prędkość może przekraczać 150, a czasem nawet 200 węzłów. Wyobraźmy sobie teoretyczną sytuację, w której samolot będzie się poruszać w prądzie strumieniowym o sile 150 węzłów z prędkością TAS jak w naszym przykładzie, czyli 480 kt. Prędkość w stosunku do ziemi będzie wynosić wówczas 630 kt, co oznacza 1167 km/h.

Jaka będzie w tym przypadku liczba Macha i czy samolot przekracza prędkość dźwięku?

Dla dociekliwych kalkulator prędkości dostępny jest tutaj.


2 Komentarze

ozon · 21 listopada, 2017 o 20:23

off topic: czy Twoim egzaminatorem był Daniel?

    admin · 21 listopada, 2017 o 22:30

    Wydaje mi się, że tak.

Dodaj komentarz

Avatar placeholder

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

%d bloggers like this: