Про туман у кабіні літака або аварійна точка роси на практиці

Якщо ви коли-небудь цікавились характеристиками домашнього термогігрометра або метеостанції, то, напевно, бачили там дивний параметр: Точка роси. Логічно можна вважати, що це пов'язано з температурою та вологістю. Але більшість із нас не переймаються, що таке точка роси, вважаючи її чимось вузькоспеціалізованим – лише для агрономів чи будівельників.
Однак це фізичне явище стало одним з "діючих осіб" на щастя не катастрофи, але хвилюючої драми в повітрі, правда зі щасливим фіналом, під час однієї з найнеймовірніших авіапригод, де з'єдналися з одного боку недбалість одних, що компенсувалося самопожертвою та самовладанням інших.

Драма на висоті 5000 метрів

10 червня 1990 року рейс British Airways 5390 вилетів із Бірмінгема. На висоті трохи більше 5 кілометрів у кабіні пілотів сталося не передбачуване: ліве лобове скло вилетіло назовні. Капітана Тіма Ланкастера миттєво витягло потоком повітря з крісла, і він опинився зовні літака, притиснутий до фюзеляжу, зачепившись лише ногами за штурвал.
Але в перші секунди другий пілот Алістер Аткінсон навіть не бачив, що сталося з його колегою. Кабіну миттєво заповнив густий білий туман, який усі прийняли за дим від пожежі.

Хронологія

0 секунд: Скло вилітає. Тиск у кабіні (де він підтримується, як на висоті 2000 м) миттєво падає до розрідженого забортного рівня.
0.1 - 0.5 секунди: Відбувається «вибухова декомпресія». Повітря у кабіні різко розширюється. Температура падає з комфортних +20°C до крижаних негативних значень за частки секунди.
1 – 5 секунд: Кабіна повністю затуманюється. Видимість падає майже до нуля. Пілоти дезорієнтовані. Саме в цей момент спрацювала та сама фізика точки роси.
10 – 15 секунд: Туман так само раптово зникає. Стає кришталево ясно, дуже холодно і дуже галасливо. Капітан висить зовні, а другий пілот починає екстрене зниження.

Бортпровідник Найджел Огден вбіг у кабіну і встиг схопити капітана за пояс. Вітер був такий сили, що Найджела теж почало витягувати, але він обмотав руку ременем крісла.
Тіло капітана притисло до фюзеляжу зовні. Його очі були відкриті, він не моргав, він постійно бився об корпус потоком крижаного повітря, що набігав з шаленою швидкістю, і екіпаж був упевнений, що він мертвий.
Другий пілот Алістер Аткінсон наказав на відпускати капітана ні за яких обставин. Якби його відпустили, тіло могло потрапити у двигун, що призвело б до катастрофи всього літака.

Фізика процесу: чому пішов «дим»?

Щоб зрозуміти, що сталося, потрібно розібратися в трьох "китах": температурі, тиску та точці роси.

Повітря — це губка (гігроскопічна суміш газів). Воно містить у собі невидиму водяну пару. Чим тепліше повітря, тим більше пари повітря може в собі «розчинити». Точка роси — це та температура, до якої потрібно охолодити конкретний об'єм повітря, щоб воно більше не могло утримувати в собі вологу у вигляді газу. У цей момент зайва волога перетворюється на рідкі краплі — росу чи туман.

Адіабатичне розширення

У випадку з літаком, спрацював закон, який ми часто спостерігаємо у побуті (наприклад, коли ми швидко відкриваємо пляшку холодної газировки). При різкому падінні тиску газ (повітря у кабіні) починає розширюватися. На розширення витрачається внутрішня енергія, і газ миттєво остигає.

До аварії: Повітря в кабіні мало температуру +20°C та певну вологість. Його точка роси була, нехай, +8°C. Поки в кабине тепліше +8°C, пар невидимий.
У момент аварії: Тиск падає, повітря розширюється і остигає до -15°C за частки секунди.
Перехід порога: Температура "пролітає" позначку +8°C (точку роси) і падає нижче. Вся пара, яка була в кабіні, перетворюється на мільярди мікроскопічних крапель води. Це і є білий туман. Але він існує недовго.

Чому туман розвіявся?

Ви запитаєте: якщо в кабіні залишилося холодно (нижче за точку роси), чому туман тоді пропав?

Тут втрутилася сухість стратосфери. Тепле та вологе повітря з Бірмінгема просто видуло в дірку від скла. Його замінило забортне повітря. На висоті 5 км вологи майже немає. Це повітря настільки сухе, що його точка роси знаходиться десь у районі -40°C. Коли таке сухе повітря увірвалося в кабіну, воно миттєво ввібрало у собі краплі туману і випаровувало їх.

Навіщо нам це знати?

Коли ви дивитеся на гігрометр у своїй квартирі і бачите там "точку роси", пам'ятайте:

Якщо температура поверхні (наприклад, вашого вікна або кута стіни) стане нижчою від цього значення — там неминуче з'явиться вода (конденсат). Це перший сигнал появи плісняви. Це той самий кордон, де невидимий газ перетворюється на реальну проблему.

Історія рейсу 5390 — це екстремальна ілюстрація того, як швидко природа може перейти цей невидимий кордон, один із самих ~~трешевих~~ наочних уроків аеродинаміки та термодинаміки в історії.

P.S.1 Другий пілот зміг здійснити аварійну посадку в Саутгемптоні. На диво медиків, Тім Ланкастер вижив. Він провів за бортом на крижаному вітрі (біля -17°C) і за нестачі кисню більше 20 хвилин. Він відбувся обмороженням, з переломами руки та пальців, але вже через 5 місяців знову повернувся до польотів.

P.S.2 Розслідування виявило наступне.
За добу перед польотом лобове скло міняли. Механік підбирав болти «на око», порівнюючи їх зі старими. Він використовував 84 болти, діаметр яких був на 0,66 мм менший за норму, і ще кілька, які були коротшими на 2,5 мм. Тим самим серйозно послабив кріплення. Але це було б ще півбіди. На цьому типі літака скло кріпилося зовні. Коли літак набрав висоту, внутрішній тиск просто видавило скло, оскільки тонкі болти не витримали навантаження.