Cosa succede se un aereo passeggeri continua a volare?

Man mano che si sale nell'atmosfera, l'aria diventa più rarefatta. Da un lato, un'atmosfera più sottile è eccellente per gli aerei dal punto di vista della resistenza dell'aria significativamente inferiore all'aereo. Tuttavia, l’altitudine alla quale volano gli aerei è letale anche per gli esseri umani, sebbene questa situazione venga superata pressurizzando la cabina. Volare in alto ha anche il vantaggio di sorvolare il maltempo e i temporali che imperversano più in basso nell’atmosfera terrestre.

Nei vecchi aerei senza

o una fornitura di ossigeno per i piloti, l’aereo non poteva volare oltre il punto in cui i piloti potevano respirare. Oggi molti aerei commerciali possono volare a 42.000 piedi, mentre alcuni aerei da combattimento militari possono raggiungere i 70.000 piedi. Ma perché gli aerei commerciali non volano nemmeno più in alto di 42.000 piedi, e cosa accadrebbe se lo facessero? Ecco cosa succede quando gli aerei si avvicinano ai limiti di servizio.

Quanto in alto volano gli aerei commerciali?

La maggior parte degli aerei commerciali oggi vola tra i 35.000 e i 42.000 piedi. Espresso in miglia, cioè compreso tra 6,6 e 8 miglia sopra il livello del mare. Per riferimento, la montagna più alta degli Stati Uniti è il Denali in Alaska, ora rinominato a livello federale come Monte McKinley, che raggiunge i 20.310 piedi. Il Monte Everest è la montagna più alta del mondo e si erge a 29.029 piedi sopra il livello del mare.

Gli aerei della generazione precedente come i vecchi Airbus A330, A320 e Boeing 777 sono pressurizzati a circa 8.000 piedi sopra il livello del mare. Gli aerei widebody dell'attuale generazione, l'A350 e il Boeing 787 Dreamliner, sono pressurizzati a 6.000 piedi. Questa maggiore pressione nella cabina consente una guida più confortevole per i passeggeri.

Tra i 35.000 e i 42.000 piedi, l’aria è così rarefatta che i passeggeri non riescono a respirare abbastanza ossigeno e soccomberebbero rapidamente all’ipossia. La cosiddetta zona della morte per l'alpinismo è intorno ai 26.000 piedi; al di sopra di questo, le persone hanno bisogno di ossigeno supplementare. Tuttavia, c’è ancora abbastanza aria perché i motori di alcuni aerei commerciali possano respirare e funzionare a 42.000 piedi. Ma man mano che l’aereo sale ulteriormente nell’atmosfera, anche i motori moriranno di fame.

Volare alto

I moderni aerei da combattimento possono volare più in alto dei moderni aerei commerciali. Ad esempio, l’aereo da caccia F-35 Lightning II ha una quota di servizio di 50.000 piedi. L'F-22 Raptor è l'aereo da caccia dedicato al dominio aereo dell'aeronautica degli Stati Uniti ed è stato il primo aereo da caccia di quinta generazione ad entrare in servizio. Ha una quota di servizio di oltre 65.000 piedi e si ritiene che la sua quota assoluta (l'altitudine massima che può raggiungere) sia di oltre 70.000 piedi.

Negli anni '50, gli Stati Uniti costruirono il razzo ipersonico sperimentale North American X-15 per esplorare il volo nello spazio. L'aereo a razzo volò ai margini dello spazio e contribuì ad addestrare gli astronauti statunitensi, tra cui Neil Armstrong. Quell'aereo non solo stabilì il record di velocità (ancora imbattuto) di Mach 6,7, ma volò anche a 354.000 piedi. I razzi spaziali sono in grado di volare direttamente attraverso l’atmosfera terrestre e raggiungere la velocità di fuga.

Esempio di massimali di servizio:
Aereo-razzo X-15 nordamericano:	Raggiunti 354.000 piedi
Aereo da caccia F-22 Raptor:	65.000 piedi (si presuppone che sia superiore a 70.000 piedi)
Aerei commerciali:	Da 35.000 a 42.000 piedi

Ma i normali aerei passeggeri non sono aerei da combattimento o aerei a razzo e sono in grado di volare tra i 40.000 e i 45.000 piedi. Questo può essere inferiore per alcuni aerei commerciali, a seconda del peso dell’aereo e delle condizioni ambientali. Se un aereo commerciale sale troppo in alto, raggiungerà un punto chiamato “Coffin Corner”. Il Coffin Corner è il punto in cui si incontrano lo stallo a bassa velocità dell’aereo e il buffet ad alta velocità. A questo punto, l'aereo non potrà più mantenere l'altitudine e inizierà a scendere. Tre fattori determinano l’altitudine massima di un aereo.

Spinta del motore

Uno dei tre fattori limitanti è la spinta del motore dell’aereo. Ad un certo punto, l'aria ad alta quota diventa così rarefatta che non riesce a passare abbastanza aria attraverso il motore affinché possa produrre abbastanza spinta per mantenere l'aereo in salita. Il motore è limitato in quota e non è più in grado di raggiungere una velocità di salita di almeno 300 piedi al minuto.

Anche l'altitudine e la densità dell'atmosfera sono influenzate dalla temperatura. Se è una giornata calda con un alto livello atmosferico, l'aria sarà più rarefatta. Man mano che l'aria si riscalda, diventa più sottile. Pertanto gli aerei hanno un'altitudine massima più elevata nelle giornate fredde.

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Soffitti di servizio delle varianti del Boeing 787 Dreamliner
Boeing 787-8	43.100 piedi
Boeing 787-9	43.100 piedi
Boeing 787-10	41.100 piedi

Il motore Rolls-Royce Trent 1000, che è uno dei due motori che alimentano il Boeing 787 Dreamliner, è progettato per funzionare ad altitudini massime di 45.000 piedi durante il normale servizio. Nel frattempo, la tangenza del Boeing 787-8 e 787-9 è di 43.100 piedi, mentre la variante più grande del Boeing 787-10 ha una tangenza leggermente inferiore di 41.100 piedi.

Differenziale di pressione in cabina

Un altro fattore limitante è la differenza di pressione in cabina. Come affermato in precedenza, gli aerei commerciali sono pressurizzati tra i 6.000 e gli 8.000 piedi. Per raggiungere questo obiettivo, l'aria compressa riscaldata viene fornita dai motori nella cabina dell'aereo. Forzando l'aria nella cabina, la pressione dell'aria aumenta, consentendo ai passeggeri di respirare normalmente.

Ciò ha l'effetto di creare una differenza di pressione tra l'interno della cabina e l'esterno. La differenza di pressione massima tra l'interno e l'esterno della fusoliera varia a seconda dell'aereo, ma i valori tipici variano tra 7,8 psi e 9,4 psi. Questo è un limite generalmente raggiunto quando un aereo sale a circa 43.000 piedi. Quindi, anche se i motori dell’aereo fossero in grado di fornire la spinta necessaria per salire più in alto, l’aereo alla fine supererebbe il suo differenziale di pressione massimo, provocando un cedimento strutturale della fusoliera.

Vicino

L'Airbus A320 ha una pressione differenziale massima possibile di 9 psi e una pressione differenziale negativa massima di -1 psi. L'impostazione della valvola di sicurezza è a 8,6 psi, a quel punto la valvola di sicurezza inizierà a funzionare. Questo è quasi l'opposto di ciò che deve affrontare un sottomarino con la sua profondità di schiacciamento o collasso. Se un sottomarino continua a scendere, la pressione esterna dell'acqua diventa così grande che il sottomarino imploderà.

Angolo della bara o atteggiamento aerodinamico

SecondoSKYbary, l'angolo della bara (o angolo Q) si riferisce al punto in cui il confine dell'inviluppo di volo, definito da uno stallo ad alta incidenza, si interseca con quello definito dal numero di Mach critico. In altre parole, è quando la velocità di stallo di un velivolo ad ala fissa, veloce ma subsonico, si avvicina al numero di Mach critico, rendendo molto difficile mantenere l’aereo in volo stabile.

Quando l'aereo si avvicina all'angolo della bara, si trova a un'altitudine dove qualsiasi variazione di velocità comporterebbe il superamento dell'uno o dell'altro dei suoi limiti. Nel caso più critico, la semplice virata dell’aereo potrebbe comportare il superamento di entrambi i limiti contemporaneamente. Quando si opera a questo limite, anche incontrare turbolenze potrebbe comportare una variazione “oltre i limiti” della velocità relativa. A Coffin Corner, l'aereo non può accelerare, rallentare o salire. L'unico modo per i piloti di mantenere l'aereo in volo in sicurezza è ridurre l'altitudine.

Tre fattori che limitano l’altitudine dell’aereo:

• Spinta del motore ridotta
• Differenziale di pressione in cabina
• Coffin Corner (o altitudine aerodinamica o Q corner)

In altre parole, questa è la regione o velocità in cui qualsiasi velocità maggiore causerà la separazione del flusso sulle ali e l'aereo perderà portanza. In alternativa, qualsiasi velocità inferiore causerà lo stallo dell'aereo e gli farà perdere quota. In ogni caso, l'aereo cadrà dal cielo e i piloti avranno un controllo minimo o nullo sull'aereo colpito. In genere, viene utilizzato un margine di 1,3 g per determinare l’altitudine aerodinamica massima del velivolo.

Il caso del volo Pinnacle Airlines 3701

La caduta degli aerei commerciali dal cielo a causa del superamento della loro altitudine massima non è solo teorica. Nel 2004, ciò accadde dopo che il volo Pinnacle Airlines 3701 cadde dal cielo dopo aver volato fino a 41.000 piedi. Il volo 3701 era un Bombardier CRJ200 che volava senza passeggeri a bordo, solo due piloti. Questo è stato un esempio di mancanza di professionalità e non sarebbe accaduto se fossero state seguite le procedure, o anche se le caratteristiche di sicurezza dell’aereo non fossero state ignorate.

Il piano di volo del volo 3701 indicava che avrebbe volato a circa 33.000 piedi. Tuttavia, i piloti del Bombardier CRJ200 hanno richiesto l'autorizzazione per salire a 41.000 piedi, che è l'altitudine operativa massima della serie Bombardier CRJ. Il controllo del traffico aereo ha concesso l'autorizzazione e poi ha chiesto il motivo. Il capitano rispose: "Non abbiamo passeggeri a bordo, quindi abbiamo deciso di divertirci un po' e di venire quassù". I piloti hanno cercato di testare i limiti del CRJ.

I sistemi antistallo dell’aereo si sono attivati ​​più volte e i piloti hanno ripetutamente ignorato la funzione automatica di abbassamento del muso dell’aereo che avrebbe aumentato la velocità e impedito lo stallo. L'NTSBha scritto, "...entrambi i motori si sono spenti dopo uno stallo aerodinamico indotto dal pilota e non è stato possibile riavviarli." I piloti hanno recuperato l'aereo con i motori spenti e poi si sono tuffati per cercare di riavviarli. Non hanno avuto successo e l'aereo si è schiantato, uccidendo entrambi i piloti.