Отрасль, работающая на трёх единицах, которые никто больше не использует
Навигация в авиации использует морские мили для расстояния, узлы для скорости, футы для высоты ниже полётных эшелонов и число Маха для скорости вблизи и выше скорости звука — ни одна из них не является единицей СИ и ни одна не изменится в ближайшем будущем. Каждая из них сохранилась по конкретной, обоснованной причине, а не только из-за инерции, и стоит разобраться в каждой причине отдельно.
1929: морская миля становится единым числом во всём мире
До 1929 года «морская миля» означала немного разные расстояния в разных странах — британская адмиралтейская миля составляла 6 080 футов (1 853,18 м), американская морская миля была 1 853,248 м, и другие морские державы имели свои значения, все приблизительно соответствующие длине одной минуты широты, но не согласовывающиеся друг с другом. Первая Международная чрезвычайная гидрографическая конференция, состоявшаяся в Монако в 1929 году, установила единую международную морскую милю ровно в 1 852 метра. Принятие было постепенным, а не одновременным: Соединённые Штаты перешли на международное значение 1 июля 1954 года, а Великобритания не отказалась от адмиралтейской мили до 1970 года. Сегодня морская миля определяется одинаково везде, где работают авиация и мореходство, хотя она не является единицей СИ и сам Буклет СИ принимает её для использования «с Международной системой единиц» скорее как дополнение, чем как её часть.
Почему именно 1 852 м — не произвольное круглое число
Морская миля не произвольна в том смысле, в каком произвольна статутная миля. Она установлена так, чтобы приблизительно соответствовать одной минуте дуги вдоль меридиана земной поверхности — одной шестидесятой части одного градуса широты. Это даёт её прямую, практическую выгоду, которую наземная миля не имеет: навигатор, измеряющий расстояние в 60 морских миль вдоль шкалы меридиана карты, также точно отсчитывает один градус широты, так что расстояние и положение используют одну и ту же шкалу. Шестьдесят морских миль на градус, 360 градусов на полную окружность меридиана Земли, даёт 21 600 морских миль × 1 852 м ≈ 40 003 км за полярную окружность — близко к, хотя и не совсем, длине меридиана, которая использовалась для первоначального определения метра в 1790-х годах, потому что Земля не является идеальной сферой и первоначальное определение метра использовало немного другое измерение дуги меридиана. Удобство морской мили геометрическое, а не десятичное: она напрямую связана с широтой, которую навигатор на самом деле пытается определить.
Узел: скорость с уже встроенной геометрией
Узел — это просто одна морская миля в час: 1 узел = 1,852 км/ч точно = 0,514444 м/с (периодическая дробь) = 1,15078 миль/ч (1 852 ÷ 1 609,344). Поскольку морская миля — это одна минута широты, судно или самолёт, развивающие скорость 1 узел в течение одного часа, преодолели одну минуту широты за этот час — прямая связь между показанием скорости и изменением положения на карте, отмеченной в градусах и минутах. Эта связь — это вся причина существования единицы: узлы делают счисление пути (оценку положения по скорости, курсу и прошедшему времени без спутникового позиционирования) арифметически непосредственным способом, которым км/ч относительно карты на основе метра не является.
Число Маха: отношение, а не скорость
Число Маха не является фиксированным значением в км/ч или миль/ч — это отношение скорости объекта к локальной скорости звука, и скорость звука в воздухе зависит от температуры, а не от высоты или давления напрямую:
a = √(γRT)
где T — абсолютная температура, γ — отношение удельных теплоёмкостей для воздуха (≈1,4) и R — удельная газовая постоянная для воздуха. Высота имеет значение только потому, что температура падает с высотой в тропосфере. На уровне моря при условиях Международной стандартной атмосферы (15°C, 288,15 K), скорость звука составляет примерно 340,3 м/с (1 225 км/ч, 761 миль/ч). На тропопаузе, примерно на высоте 11 км, где температура МСА упала до −56,5°C (216,65 K), она снижается до примерно 295,1 м/с (1 062 км/ч, 660 миль/ч) — примерно на 13% медленнее, исключительно из-за разницы в температуре. Практическое следствие: самолёт, поддерживающий постоянное число Маха, не поддерживает постоянную истинную воздушную скорость по мере набора высоты, потому что скорость, против которой измеряется число Маха, сама по себе снижается.
Скорость звука на двух высотах
| Высота | Температура МСА | Скорость звука | Мах 1 в км/ч |
|---|---|---|---|
| Уровень моря | 15°C (288,15 K) | 340,3 м/с | 1 225 км/ч |
| Тропопауза (≈11 000 м) | −56,5°C (216,65 K) | 295,1 м/с | 1 062 км/ч |
Именно поэтому указатель числа Маха и датчик воздушной скорости крейсирующего самолёта расходятся с высотой, и почему «скорость звука» — это только одно число для указанной температуры — цитирование Маха 1 как «1 225 км/ч» без указания высоты — это цитирование значения на уровне моря, которое не сохраняется на больших высотах.
Футы, по-прежнему, почти везде
Выше переходной высоты самолёты летают на полётных эшелонах — высотах, отсчитываемых от стандартной отметки давления 1013,25 гПа (29,92 дюймов рт.ст.) вместо локального уровня моря — и полётные эшелоны указываются в сотнях футов: FL350 означает высотомер, установленный на стандартное давление, показывающий 35 000 футов. Это подлинный пережиток, а не округление для удобства, которое этот сайт обходит стороной: более ранняя статья на этом сайте отмечает авиационную высоту в футах как одну из имперских единиц, которые сохранились в иных случаях метризованных странах, и это остаётся справедливым. Однако это не универсально. Китай, Россия, Монголия, Северная Корея и Таджикистан — признанные исключения: Китай, в частности, использует метры для своих полётных эшелонов по всему своему воздушному пространству (эшелон может быть объявлен как «1 200 метров» вместо номера полётного эшелона), а Россия использовала высоты на основе метров ниже своей собственной переходной высоты в течение десятилетий, прежде чем переходить на футы для международной совместимости RVSM в 2010-х годах. Каждый другой государственный член ИКАО и вся международная авиадиспетчерская связь используют футы. Всемирный стандарт для единиц высоты в авиации существует — это просто не метр.
Три единицы, три отдельных обоснования
Ни одна из этих единиц не сохранилась чисто на инерции. Морская миля сохранилась, потому что она напрямую связана с широтой. Узел сохранился, потому что он наследует это свойство для счисления пути. Футы для полётных эшелонов сохранились в основном потому, что инфраструктура — карты, фразеология авиадиспетчерской службы, авиационные приборы — подавляюще основана на футах во всём мире и изменение потребовало бы одновременной, точной координации всех странах воздушного пространства одновременно, переключающиеся затраты без преимущества безопасности достаточно крупны, чтобы это оправдать. Число Маха сохранилось, потому что это на самом деле не единица скорости вообще; это отношение, которое описывает положение самолёта относительно локального звукового барьера, что случается быть физически релевантной величиной для высокоскоростной аэродинамики, а не артефактом истории, как две другие.