На какой высоте летают самолёты

Иногда на эшелоне пилоты рассказывают о текущем полёте. Например, высота 11 300 метров, скорость 890 километров в час, температура за бортом -56°C. Если вы летаете несколько раз в год или чаще, то, вероятно, замечали, что от рейса к рейсу значения почти не меняются.

Все три величины связаны между собой. Чем выше летит самолёт, тем разрежённее воздух снаружи и тем меньше керосина требуется на километр пути; максимальную высоту полёта ограничивают крыло и двигатели, которым этот воздух нужен. Полоса, в которой сходятся оба требования, расположена между 10 и 12 километрами, поэтому почти все пассажирские рейсы проходят на этих высотах.

Почему самолёты летают на 10-12 километрах

Плотность воздуха на высоте 11 километров примерно втрое ниже, чем у земли. Вместе с плотностью уменьшается и сопротивление, а значит самолёт летит через менее плотную среду, поэтому расход топлива снижается.

Экономия – не единственная причина. Бóльшая часть погодных явлений – осадков, облачности, турбулентности – остаётся ниже крейсерской высоты, однако вершины мощных грозовых облаков могут подняться выше 12 километров, поэтому такие зоны экипаж облетает. Также высота даёт запас времени при отказе двигателя для снижение к эшелону, на котором хватает тяги оставшегося, занимает минуты.

Само слово «высота» во крейсерского полёта не используется. Выше высоты перехода экипаж переходит на эшелон полёта (FL, Flight Level) – высоту, которую отсчитывают от стандартного давления 1013,25 гектопаскаля, чтобы все самолёты в районе имели единый «уровень земли». Эшелон обозначают в сотнях футов: FL350 это 35 000 футов, или почти 10,7 километра.

Между эшелонами выдерживают вертикальный интервал. В диапазоне от FL290 до FL410 он составляет 1000 футов по правилам сокращённых интервалов вертикального эшелонирования (RVSM, Reduced Vertical Separation Minimum), встречные потоки разводят по чётным и нечётным эшелонам.

Почему нельзя подняться выше

С высотой уменьшается не только сопротивление. Тяга двигателей и подъёмная сила крыла зависят от той же плотности воздуха, поэтому с высотой набор становится всё медленнее: крайнюю тысячу футов самолёт проходит в несколько раз дольше первой.

На большой высоте сужается коридор допустимых скоростей (coffin corner). Снизу его ограничивает скорость сваливания – чем выше, тем быстрее, а сверху максимально допустимое число Маха. Эшелон, на котором этот коридор сжимается до нескольких десятков километров в час, и есть практический потолок самолёта.

Потолок зависит от массы, поэтому на дальних рейсах эшелон меняют во время полёта. С полными баками борт занимает высоту около 9-10 километров, а по мере выработки топлива лайнер становится легче и поднимается на эшелоны выше. Такой ступенчатый набор (step climb) на дальнемагистральном рейсе обычно выполняют несколько раз.

Четыре скорости полёта

Число, которое видит пассажир на экране в спинке впереди стоящего кресла, показывает скорость относительно земли (GS, Ground Speed). В неё входит ветер, поэтому она меняется в течение полёта сильнее остальных.

Также пилоты работают с двумя другими величинами. Приборная скорость (IAS, Indicated Air Speed) измеряет напор встречного потока – от нее зависят подъёмная сила и поведение крыла. Истинная воздушная скорость (TAS, True Air Speed) показывает движение самолёта относительно воздуха.

Примерно на эшелонах 260-300 происходит переход от приборной скорости к числу Маха (M) – отношению скорости самолёта к скорости звука. Узкофюзеляжные лайнеры обычно не превышают 0,78-0,8 Маха (с потолком примерно в 0,82 Маха), дальнемагистральные – 0,82-0,85 (с потолком до 0,9 Маха). Скорость звука зависит от температуры воздуха, и с высотой уменьшается: около 1070 км/ч на эшелоне 350 против 1225 км/ч у поверхности. Поэтому 0,8 Маха соответствуют примерно 850 км/ч истинной скорости.

Разница между истинной и скоростью относительно земли может доходить до нескольких сотен километров в час из-за струйных течений (jet stream) – узких потоков на высоте 9-12 километров, где ветер разгоняется до 150-300 км/ч. На границе струйного течения возникает турбулентность ясного неба (CAT), о которой редакция «Лёгкого неба» рассказывала в статье Почему трясёт в самолёте.

Температура за бортом

В тропосфере температура изменяется примерно на 6,5°C на каждый километр высоты. Например, если у поверхности будет +15°C, к 11 километрам – около -56°C. Выше начинается тропопауза, уменьшение прекращается; в нижней стратосфере температура сохраняется примерно на этом уровне независимо от времени года.

В салоне при этом поддерживается комфортная температура, потому что на большинстве самолётов воздух в него подаётся от двигателей. Отбираемый воздух (bleed air) выходит из компрессора горячим, свыше 200 градусов, поэтому система кондиционирования охлаждает его до перед подачей в салон.

Гораздо важнее наружный холод для топлива. Авиационный керосин Jet A-1 начинает кристаллизоваться около -47°C, кристаллы забивают топливные фильтры, поэтому экипаж следит за температурой топлива в баках. Если она подходит к пределу, есть два способа: снизиться на несколько эшелонов, где воздух теплее, или увеличить число Маха, потому что трение о воздух подогревает обшивку крыла и топливо в крыльевых баках.