چرا هواپیماها در گرمای شدید قادر به پرواز نیستند؟!

هواپیماها برای به پرواز در آمدن و ماندن در آسمان نیاز به یک پیش‌رانش داشته و هوایی که در زیر بال‌های هواپیما به حرکت در می‌آید، همین نقش را ایفا می‌کند.
علت پرواز هواپیماها و ماندن آنها در هوا، حرکت هوا در زیر بال‌های آنها است.

هنگامیکه هوا گرم می‌شود، انبساط یافته و بناربراین مولکول‌های کمتری در زیر بال هواپیما وجود خواهند داشت.

وقتی که این نیرو یا پیشرانش کم باشد، نیاز به موارد دیگری مانند طی کردن مسافت زیاد بر روی باند فرودگاه به هنگام پرواز، مسافت زیاد برای فرود و سرعت بالا برای فرود نیز افزایش یافته و روی هم رفته کار را برای پرواز هواپیما سخت می‌کند.
همچنین درجه حرارت بالا به این معناست که هواپیما باید در ارتفاع کمتری پرواز کند.
برای جبران این مشکلات هواپیما به نیروی پیش‌برنده بیشتر و بال‌های بزرگتری نیاز خواهد داشت و احتمالا گیر کردن جت‌های کوچک که قدرت پیشرانش کمتری دارند، در گرما و حرارت بیشتر خواهد شد.
در برخی فرودگاهها که آب و هوای غالبا گرم دارند، بسیاری از پروازها (اما نه همه) برای غلبه بر مشکل گرما، در شب و صبح زود انجام می‌شود. آنها همچنین برای پروازهای طولانی مدت خود به استفاده از هواپیماهای بزرگتر که در گرمای زیاد دارای محدودیت نیستند تمایل دارند.
شرکت‌های هواپیمایی برای غلبه بر مشکل گرما می‌توانند با فروش بلیط کمتر و خالی ماندن صندلی‌های هواپیما و کمتر شدن بار مسافران به سبک‌تر شدن وزن آن کمک کنند.
آنها همچنین می‌توانند مخزن سوخت خود را به طور کامل پر نکنند و سپس در جایی خنک‌تر شروع به سوختگیری مجدد کنند.
در سال ۲۰۱۷ بیش از ۴۰ پرواز به دلیل گرمای شدید هوا در فینیکس آمریکا که شاهد گرمای ۵۰ درجه سانتیگرادی هوا بود، لغو شد.
جای تعجب بود که لغو این پروازها در نتیجه داغ شدن بیش از حد هواپیماها یا سوء عملکرد موتورهای آنها نبوده است، بلکه هوایی که بیش از حد معمول گرم باشد مانع از بلند شدن هواپیماها می‌شود.

اما چرا هواپیماها نمی‌توانند در گرمای شدید به پرواز دربیایند؟ رسیدن به پاسخ این سوال به برخی دانش‌های اساسی در مورد چگونگی تولید هواپیماها و اینکه چگونه عوامل محیطی می‌توانند بر نحوه پرواز آنها تأثیر بگذارند، نیاز دارد.

یک هواپیما چگونه به هوا بلند می‌شود؟

جواب: تنها فرآیند اساسی که هواپیماها را قادر به پرواز می‌کند، توانایی تولید نیروی بالابر کافی است. نیروی بالابرنده هنگامی ایجاد می‌شود که یک جسم جامد ‌مانند یک بال در جریان هوا تداخل ایجاد کند. در مورد هواپیماها، شکل بال و سطح مقطع آن هوا را به سمت پایین منحرف می‌کند و باعث می‌شود که هواپیما به سمت بالا رانده شود. این اثر نتیجه مستقیم قانون عمل و عکس العمل سوم نیوتن است.

در مثال هواپیما، یک بال شیب‌دار با ذرات هوا برخورد می‌کند و مسیر جریان و سرعت نسبی آنها را تغییر می‌دهد. بالا و زیر سطح بال در هدایت جریان هوا برای تولید نیروی بالابر کمک می‌کنند. در یک پرواز عادی، نیرو به طور معمول به سمت پایین هدایت می‌شود، در نتیجه هواپیما به سمت بالا رانده می‌شود.

شکل یک بال، جریان هوا را به سمت پایین هدایت می‌کند و یک نقطه فشار بالا در زیر بال ایجاد می‌کند. در مقابل، قسمت بالایی بال، فشار نسبتاً کمتری دارد. دلیل این امر این است که هوای زیر بال مسافت کمتری را در همان زمان طی می‌کند و در نتیجه کندتر حرکت می‌کند و بنابراین به طور نسبی چگالی بالاتری دارد.

این تغییر سرعت هوا، عامل اصلی است که به نیروی بالابری کمک می‌کند تا هواپیما را در هوا معلق نگه دارد. نکته مهم در معلق ماندن هواپیما در هوا توانایی آن در حفظ اختلاف فشار زیر و روی بال است.

تولید نیروی بالابرنده کار سختی نیست. یک هواپیما با حرکت رو به جلو به طور طبیعی می‌تواند در شرایط مناسب پرواز کند. با این حال، در شرایط نامناسب، هواپیما برای پرواز با مشکل روبرو خواهد شد.

این یک واقعیت شناخته شده است که جو زمین در ارتفاع، بسیار نازک‌تر از جو سطح دریا است. هوا در ارتفاعات از چگالی کمتری برخوردار است و همین امر باعث می‌شود هواپیماها نتوانند به اندازه قرارگیری در ارتفاعات پایین‌تر، نیروی بالابرنده کافی تولید کند.

دلیل اصلی این امر این است که مولکول‌های هوا بسیار بیشتر از هم فاصله دارند؛ به این معنی که هوا یا مقدار مولکول کمتری می‌تواند با بال هواپیما تماس پیدا کند.

بنابراین موتورهای هواپیما برای جبران این امر در ارتفاعات بالاتر باید بیشتر کار کنند تا نیروی رانشی کافی ایجاد کنند و هواپیما بتواند به سرعت حرکت کند تا هوای کافی بتواند از زیر و روی بال عبور کند و فشار مناسب و نیروی بالابر کافی ایجاد شود.

با این حال دقیقاً مانند هوای موجود در ارتفاعات، هوای گرم نیز به همین ترتیب باعث کاهش تراکم هوا می‌شود. با افزایش دما، مولکول‌های هوا با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند و گسترش می‌یابند و تراکم هوای کمتری ایجاد می‌کنند.

در شرایط آب و هوای گرم به مانند هوای موجود در ارتفاعات، هوای کمتر متراکم به این معنی است که هوای کمتری برای فشار آوردن به بال و تولید نیروی بالابر وجود دارد. اگر هواپیما در چنین شرایطی در حال بلند شدن باشد، برای اینکه بتواند به اندازه کافی نیروی بالابر ایجاد کند، باید بسیار سریعتر حرکت کند.

اما این تنها بخشی از داستان است. در این شرایط، کمبود اکسیژن مورد نیاز موتور برای احتراق نیز پدید می‌آید که موجب کاهش توان خروجی موتور می‌شود.

متأسفانه همانطور که بال‌ها در این شرایط دچار افت کارایی می‌شوند، موتورها و پروانه‌های آنها نیز آسیب می‌بینند. به این معنی که موتور نمی‌تواند قدرت رانشی مورد نیاز را تولید کند.

اساساً برای پرواز هواپیماها در سیستم‌های کم‌فشار، به طول باند بیشتری احتیاج است تا هواپیما بتواند سرعت هوای کافی را برای ایجاد اختلاف فشار در زیر و روی بال و تولید رانش ایجاد کند.

با بالا رفتن درجه حرارت، این اثر تا جایی افزایش می‌یابد که پرواز هواپیماها در گرمای شدید خطرناک می‌شود. اگرچه هواپیماها در این شرایط می‌توانند بلند شوند، اما با توجه به طول باند کافی برای ایجاد سرعت، هواپیماها باید بتوانند به اندازه کافی سریع اوج بگیرند تا با موانع انتهای باند برخورد نکنند.

چه اتفاقی می‌افتد اگر در هوای گرم از پرواز هواپیماها جلوگیری نشود؟

اگر هواپیما در ارتفاع زیاد و در آب و هوای بسیار گرم پرواز کند، شرایط، همانطور که قبلاً در مورد آن صحبت شد به شدت بر میزان صعود هواپیما تأثیر می‌گذارد. اگر هواپیما نتواند به اندازه کافی سریع صعود کند، مسیر باند تمام می‌شود و ممکن است هواپیما به موانع انتهای باند پرواز برخورد کند.

بدیهی است که این امر می‌تواند بسیار خطرناک باشد. بنابراین از پرواز هواپیماها در چنین شرایطی جلوگیری می‌شود.

در سال ۲۰۱۲ چهار مسافر که با یک هواپیمای "استینسون ۱۰۸-۳" پرواز می‌کردند، اندکی پس از برخاستن روی زمین سقوط کردند. در فیلم این سقوط، به طرز حیرت انگیزی مشخص است که هواپیما نمی‌تواند نیروی رانش کافی تولید کند و اندکی پس از برخاستن و چند متر ارتفاع گرفتن مجبور به نشستن روی زمین شد که دیر شده بود و با درختان انتهای باند برخورد کرد و خلبان و یکی از مسافران مصدوم شدند.

خوشبختانه در این سقوط کسی کشته نشد، اما این فیلم یادآوری وحشتناکی از این موضوع است که پرواز در هوای گرم و در ارتفاع می‌تواند تأثیرات شدیدی بر توانایی پرواز هواپیما داشته باشد.

هواپیماها وقتی هوا خیلی گرم است باید روی زمین بمانند

در سال ۲۰۱۷ در فینیکس آمریکا، وقتی هوا خیلی گرم شده بود، مقامات به درستی اجازه ندادند هیچ هواپیمایی از فرودگاه این شهر بلند شود.
اکنون با پیش بینی افزایش دمای کره زمین به مرور زمان، مهندسان ملزم به سازگار کردن فناوری های هوافضا با تغییرات آب و هوایی هستند و تا آن زمان، احتمال زمین گیر شدن هواپیماها به دلیل گرمای شدید ادامه خواهد داشت.