SETINGGI-tinggi kapal terbang di udara, ia tidak akan mampu ke angkasa. Hal ini disebabkan oleh had-had tertentu yang membatasi ketinggian yang boleh dicapai.
Istilah ‘terbang’ untuk objek yang dikuasakan oleh enjin memerlukan persekitaran berudara dalam atmosfera bumi. Tanpa udara, prinsip asas penerbangan seperti daya angkat, daya tujah dan kawalan arah pergerakan tidak dapat dilakukan.
Atmosfera bumi terdiri dari-pada beberapa lapisan yang dipisahkan dengan ketinggian berbeza. Troposfera merupakan lapisan paling bawah berada pada altitud 0 hingga 12,000 meter (m) dari aras laut. Fenomena cuaca seperti hujan dan ribut sering berlaku di sini.
Lapisan kedua, stratosfera terletak antara 12,000 hingga 50,000 m. Di sini, terdapat lapisan ozon yang berfungsi menyerap sinaran ultraviolet untuk melindungi bumi daripada radiasi berbahaya. Pada ketinggian ini, tiada gangguan cuaca seperti ribut atau awan tebal.
Seterusnya mesosfera iaitu lapisan atmosfera pada ketinggian 50,000 hingga 85,000 m. Suhu persekitaran di sini sangat rendah.
Keadaan ini menjadikan lapisan ini adalah lapisan paling sejuk dalam atmosfera bumi. Hanya kapal terbang khas yang boleh beroperasi di lapisan ini.
Disebabkan perbezaan ketinggian antara lapisan atmosfera, setiap satu mempunyai ciri-ciri unik yang mempengaruhi penerbangan yang berkaitan dengan ketumpatan, suhu dan tekanan udara.
Ketumpatan udara memainkan peranan penting dalam penerbangan kerana ia mempengaruhi daya angkat yang dihasilkan oleh sayap.
Dalam troposfera, ketumpatan udara adalah tinggi dan ini dapat memberi daya angkat yang mencukupi untuk membolehkan kapal terbang terbang dengan lancar.
Keupayaan enjin dalam lapisan ini juga optimum kerana udara yang padat dapat membekalkan oksigen yang mencukupi untuk pembakaran bahan api bagi menghasilkan daya tujah yang stabil.
Oleh sebab itu, kebanyakan pesawat komersial dan kargo direka untuk beroperasi di troposfera bagi mengoptimumkan penggunaan bahan api dan kecekapan penerbangan.
Misalnya, kapal terbang komersial seperti Boeing 737 dan Airbus A320 terbang pada ketinggian ini semasa fasa pelayaran.
Namun, apabila kapal terbang naik ke altitud yang lebih tinggi seperti dalam stratosfera, ketumpatan udara semakin berkurang dan hal ini menjadikan daya angkat semakin lemah.
Maka, bagi memastikan prestasi optimum dalam atmosfera berketumpatan rendah, kapal terbang yang beroperasi di lapisan ini perlu direka dengan sayap lebih nipis serta enjin yang cekap seperti kapal terbang Concorde yang boleh terbang dalam kelajuan supersonik.
Pada lapisan atmosfera yang lebih tinggi seperti mesosfera, udara menjadi terlalu nipis untuk menyokong penerbangan konvensional.
Pada ketinggian ini, keupayaan enjin jet tidak lagi berfungsi kerana kandungan oksigen dalam udara hampir tiada yang menyebabkan pembakaran bahan api tidak dapat berlaku.
Sebagai contoh, kapal terbang pengintip Lockheed U-2 dapat berada di altitud ini disebabkan enjin yang direka untuk beroperasi dalam keadaan udara berketumpatan rendah.
Enjin ini bukan sahaja cekap dalam penggunaan bahan api tetapi juga mampu menghasilkan daya tujahan yang mencukupi untuk mengekalkan kestabilan penerbangan pada ketinggian melebihi 21,000 m. Selain itu, ia juga mempunyai sayap lebih panjang untuk mengekalkan daya angkat.
Suhu udara juga berubah mengikut ketinggian dan mampu mempengaruhi prestasi enjin. Dalam troposfera, suhu menurun secara beransur-ansur dengan ketinggian iaitu kira-kira 6.5 darjah celcius (°C) bagi setiap kilometer yang dinaiki. Keadaan ini menyebabkan udara menjadi lebih sejuk dan boleh menjejaskan kecekapan enjin jet terutamanya dalam keadaan cuaca ekstrem.
Bagi kapal terbang yang beroperasi pada altitud tinggi, biasanya dilengkapi dengan sistem pemanasan bahan api untuk mengelak pembekuan.
Dalam mesosfera, suhu menurun ke tahap yang sangat sejuk dan boleh mencapai -90°C. Keadaan ini boleh menyebabkan pembekuan pada bahagian mekanikal kapal terbang jika berada pada ketinggian tersebut terlalu lama. Oleh itu, kapal terbang komersial tidak direka untuk beroperasi dalam lapisan ini.
Tekanan udara semakin berkurang dengan ketinggian. Hal ini memberikan cabaran dalam reka bentuk kapal terbang dan sistem sokongan penumpang di dalamnya.
Dalam troposfera, tekanan udara relatif lebih tinggi berbanding lapisan atas membolehkan sistem tekanan kabin berfungsi dengan lebih mudah.
Kapal terbang komersial seperti Boeing 787 Dreamliner dilengkapi dengan sistem kawalan tekanan kabin canggih yang dapat mengekalkan tekanan dalaman seperti berada di ketinggian 1,800–2,400 m iaitu lebih kurang antara 74.9 kPa hingga 76.1 kPa, walaupun terbang pada ketinggian 12,000 m.
Tetapi, apabila kapal terbang naik ke stratosfera atau lebih tinggi, tekanan udara luar menjadi sangat rendah dan ini menyebabkan sistem tekanan kabin perlu beroperasi pada tahap maksimum bagi memastikan keselesaan dan keselamatan penumpang.
Sebagai contoh, kapal terbang Concorde menggunakan sistem pengawal tekanan yang lebih kompleks bagi mengelak kesan negatif akibat tekanan udara rendah pada ketinggian lebih 18,000 m.
Jika tekanan terlalu rendah, risiko kekurangan oksigen (hipoksia) boleh berlaku. Hipoksia boleh menyebabkan pening, kekeliruan dan dalam kes lebih ekstrem, kehilangan kesedaran.
Oleh itu, dalam kapal terbang penumpang moden, topeng oksigen kecemasan akan diturunkan secara automatik jika tekanan kabin jatuh di bawah paras selamat.
Bagi kapal terbang Lockheed U-2 yang beroperasi pada altitud tinggi, juruterbang perlu memakai sut bertekanan khas bagi mengelakkan risiko hipoksia serta penyahmampatan yang boleh berlaku pada altitud ekstrem.
Maka disebabkan had-had yang ada ini, ketinggian yang dapat dicapai oleh kapal terbang adalah terbatas. Sekalipun terdapat usaha-usaha untuk mengatasi batasan tersebut, ia mungkin agak sukar dilaksanakan.
- Penulis memiliki Sarjana Muda Kejuruteraan (Mekanikal-Aeronautik) dari Universiti Teknologi Malaysia (UTM) dan pernah berkhidmat di Hornbill Skyways Sdn Bhd.