يُعد فهم تفاصيل الغلاف الجوي أمراً بالغ الأهمية بالنسبة للرحلة المأهولة لأنّه يوفر الوسيط الذي تتحرك من خلاله الطائرة، كما يختلف الرفع الذي توفره الأجنحة والسحب الذي تتعرض له الطائرة اختلافاً كبيراً باختلاف الارتفاعات.
أساسيات الطيران وطبقات الجو
في الواقع كان السير فرانك ويتل متحمساً إلى حد كبير لتصميم محرك نفاث نظراً لرؤيته القائلة بأنّ الطائرات ستكون قادرة على الطيران بشكل أسرع، وأكثر كفاءة على ارتفاعات أعلى بسبب انخفاض كثافة الهواء، ولم تسمح محركات الاحتراق الداخلي في ذلك الوقت بالارتفاعات العالية للطيران لأنّ نقص الأكسجين كان يتسبب في تجويع المحركات وبالتالي تقليل إنتاج الطاقة.
إنّ الغلاف الجوي عبارة عن جلد مائع يحيط بالأرض بأكملها إلى حوالي (500 ميل) فوق السطح، بحيث يقاس بالحجم، ويتكون الغلاف الجوي عند مستوى سطح البحر من (78%) نيتروجين و(20.9%) أكسجين و(0.9%) أرجون و(0.03%) ثاني أكسيد الكربون وأثر غازات أخرى، وما يصل إلى حوالي (50 ميلاً) يكون تكوين الهواء ثابتاً إلى حد ما، باستثناء الاختلاف في بخار الماء والذي يعتمد على درجة الحرارة المحيطة.
كلما زادت سخونة الهواء زادت كمية بخار الماء الذي يمكنه حمله ولهذا يمكن رؤية الأنفاس في صباح بارد حيث يتشبع الهواء البارد عند درجة الحرارة المنخفضة هذه، ولا ترتفع الغازات الأثقل إلى ارتفاعات عالية بحيث يتألف الغلاف الجوي إلى حد كبير فوق (50 ميلاً) من الهيدروجين والهيليوم، كما تم استنفاد الأكسجين الذي يزيد ارتفاعه عن (18000 قدم) بدرجة كافية لمنع الإنسان من التنفس، وبالتالي يتم توفير الأكسجين ميكانيكياً إلى المقصورة.
عند حوالي (100000 قدم) يكون الأكسجين منخفضاً جداً بحيث لا يسمح بالاحتراق حتى في المحركات النفاثة الأكثر تقدماً، في خطوط العرض ذات درجات الحرارة المنخفضة يُعرف (36000 قدم) من الغلاف الجوي عموماً باسم طبقة التروبوسفير، كما تنخفض درجة الحرارة في طبقة التروبوسفير من حوالي (20 درجة مئوية) عند مستوى سطح البحر إلى (-53 درجة مئوية).
التروبوبوز هو حد افتراضي بين طبقة التروبوسفير السفلى والستراتوسفير الأعلى وفي الستراتوسفير تكون درجة الحرارة ثابتة في البداية ثم ترتفع إلى حوالي (-20 درجة مئوية) عند (35 ميلاً)، والتروبوبوز الفاصل ليس خطًا واضحاً ولكنّه حد افتراضي يتراوح من حوالي (30000 قدم) فوق القطبين إلى حوالي (54000 قدم) فوق خط الاستواء.
نتيجةً لذلك تكون درجة الحرارة في الستراتوسفير أكثر دفئًا بشكل طبيعي فوق القطبين منها فوق المناطق المدارية، نظراً لأنّ ارتفاع التروبوبوز فوق المناطق المدارية يسمح بانخفاض درجة الحرارة أكثر قبل الوصول إلى منطقة درجة الحرارة الثابتة في الستراتوسفير، وينقسم الغلاف الجوي إلى مناطق أخرى مثل الغلاف الجوي الوسيط والميزوسفير والغلاف الحراري والغلاف الخارجي.
ومع ذلك فإنّ هذه المناطق خارج نطاق الطائرات التجارية ومعظم الطائرات المقاتلة وبالتالي لن يتم التعامل معها، ولاحظ السير فرانك ويتل في الأصل فإنّ الظروف الجوية لها تأثير كبير على أداء الطائرات:
- تؤثر الظروف المحيطة المحلية للهواء على أداء الرفع والسحب والمحرك، وعلى وجه الخصوص يحدد ضغط الهواء المحلي وكثافته ودرجة حرارته خصائص الأداء.
- تتحرك الطائرة بالنسبة إلى كتلة السوائل التي تتحرك بدورها بالنسبة إلى سطح الأرض ويقدم هذا مشكلات ملاحية تتطلب معدات خاصة على متن الطائرة؛ للتحكم في سرعة الرحلة واتجاهها.
- قد تؤدي التغيرات في درجات الحرارة داخل الغلاف الجوي إلى أنماط مناخية معاكسة، مثل الرياح القوية أو الاضطرابات، أو العواصف الرعدية أو الأمطار الغزيرة أو الثلوج أو البرد أو الضباب، بحيث تؤثر هذه المعايير على الأحمال المطبقة على الطائرة وسلامة وراحة الركاب.
- إنّ وجود الأوزون المركب الكيميائي على ارتفاعات عالية يمنع ضغط المقصورة مع الهواء المحيط كما يقدم هذا المصمم مشاكل إضافية مع تكييف الهواء والوقاية من فشل كابينة الضغط.
العلاقة بين الهواء والطيران
الهواء: هو عبارة عن سائل قابل للضغط أي يمكن أن يتغير في الحجم والضغط على عكس السوائل غير القابلة للضغط إلى حد كبير، كما تسمح انضغاطية الهواء بتغيير الشكل والقص أي التدفق تحت أصغر تغيرات الضغط، كما أنّ العلاقة بين الضغط p ودرجة الحرارة T والحجم v تحكمها معادلة الغاز المثالية:
Pv = R * T
حيث أنّ (R) هو ثابت الغاز العام (287.07 J / kg / K) وتقاس درجة الحرارة بالكلفن (T°+ 273)، ومن أجل توحيد الحسابات المتعلقة بالغلاف الجوي، اختارت منظمة الطيران المدني الدولي تعريفاً للغلاف الجوي القياسي ينص هذا على “أنّ الهواء غاز جاف تماماً بدرجة حرارة عند مستوى سطح البحر تبلغ (15 درجة مئوية) وضغط (101.3 كيلو باسكال)، وبالنسبة لأول (11000 كيلومتر) أي في طبقة التروبوسفير يُفترض أنّ تتغير درجة الحرارة بمعدل زوال ثابت يبلغ (-6.5 درجة مئوية / كم)، ثم تظل ثابتة عند -56.5 درجة مئوية في طبقة التروبوسفير (11000 – 20000 كم) وثم يزيد بمعدلات مختلفة في الستراتوسفير”.
مقياس آخر مهم لرحلة الطائرات هو اللزوجة الديناميكية “للالتصاق” بالهواء والذي يؤثر على مقاومة الهواء المفروضة على الطائرة، كما أنّ اللزوجة الديناميكية هي ثابت التناسب بين القوة لكل وحدة مساحة المطلوبة لقص الأوراق المختلفة فوق بعضها البعض وتدرج السرعة بين الطبقات، وفي الضغوط العادية تعتمد اللزوجة الديناميكية بشكل عام على درجة حرارة الهواء فقط.
كما إنّ الظروف الجوية المحلية هي السبب في أنّ مهندسي الطائرات والطيارين يفرقون بين كميات السرعة الجوية الحقيقية (TAS)، والتي يتم قياسها بالنسبة للهواء غير المضطرب وسرعة خيالية تسمى السرعة الجوية المكافئة (EAS)، وهذا الأخير ذو أهمية قصوى لتصميم الطائرات لأنّه يحدد القوى التي تعمل على الطائرة، و(TAS) و(EAS) متكافئان عند مستوى سطح البحر في الغلاف الجوي القياسي لكنهما يختلفان في الارتفاع.
عندما تتحرك الطائرة عبر كتلة من الهواء الساكن في البداية، فإنّها تضفي زخماً على جزيئات الهواء المحيطة من خلال التأثير والاحتكاك، كما يمكن تخيل أنّ الجزيئات الأولى التي تصطدم بالطائرة تلتصق بسطح الطائرة، وبالتالي فهي ثابتة فيما يتعلق بالطائرة، وكل وحدة حجم من الهواء تم تسريعها إلى سرعة الطائرة (V) تم نقلها بالتالي إلى طاقة حركية تبلغ:
q = ½ P V ^ 2
حيث يُعرف q بالضغط الديناميكي وعادةً ما يتم التعبير عن الكميات الديناميكية الهوائية مثل الرفع والسحب كمعلمات غير أبعاد، أي أنّها مقسمة حسب منطقة الجناح والضغط الديناميكي لإعطاء معامل الرفع ومعامل السحب، كما يُعد الشكل غير الأبعاد للمعلمات مهماً لأنّه يسمح بمقارنة الأداء بين الأجنحة المختلفة التي تعمل بسرعات طيران مختلفة أو ظروف كثافة مختلفة.
وبالتالي لكي تولد طائرة ذات معامل رفع ومنطقة جناح نفس القوى الديناميكية الهوائية على ارتفاع كما هو الحال عند مستوى سطح البحر، ويجب أن تحلق الطائرة بسرعة تحافظ على ثبات الضغط الديناميكي بغض النظر عن أي اختلاف في كثافة الهواء.
وبالتالي إذا كانت الكثافة على ارتفاع الطيران هي P وكانت السرعة الجوية المقاسة بواسطة أدوات التحكم على متن الطائرة هي (TAS)، فعندئذٍ يتم تحديد السرعة المكافئة عند مستوى سطح البحر بكثافة (Pο) من خلال:
EAS = TAS √ P / Pο
ملاحظة:“TAS” هي اختصار لـ “true airspeed” و”EAS” هي اختصار لـ “equivalent airspeed”.
