為什麼飛機在萬米高空可以飛行,而在高原上卻動力不足呢?

2020-12-22 優美生態環境保衛者

去過青藏高原的朋友們,肯定對那裡稀薄的空氣印象深刻,稍有運動量較大的行為,甚至有人停下來不動,都會大口地喘氣,有時還會出現眩暈、噁心等感覺,這就是高原反應的典型反應。不但人類在高原上如此,飛機在高原上也會出現「高原反應」,無論是在高原上起飛或者降落,飛機的運行都要比海拔的平原地區困難得多。那麼,為什麼飛機在空氣更加稀薄的萬米高空能夠順暢飛行,在高原上卻動力不足呢?

飛機能夠起飛,其原理簡單來說,就是通過發動機提供的推力,以及機翼上下緣產生的空氣壓力差提供的升力來實現的。我們通過飛機機翼的橫截面可以看出,其上側邊緣的弧度要明顯比下側的大,當飛機向前行進時,機翼會將前方的氣流分為上下兩股,由於上方弧度大,因此氣流所通過的路程要比下方遠,空氣的流動速度也較快,按照伯努力定理,上方氣流對機翼產生的壓力也較小,這樣對機身來說,就產生了一個向上的「託舉力」,這個向上的升力確保飛機能夠順利升空。

當機翼的面積增大時,對機身產生同樣大小的升力,所需的迎角也就越小,飛機也越容易爬升,與此同時,飛機所受到的空氣阻力也相應增大,在一定程度上阻礙了飛機的爬升。因此,在飛機的設計階段,必須在飛機的發動機推力、機翼面積和角度方面取得一定的平衡,以取得最理想、最經濟的飛行迎角和升阻比,即保證在單位推力之下有較高的行進速度,又確保升力的增大要有效大於阻力增大的程度,即高效的升阻比。

根據機場海拔高度的不同,我們將機場劃分為兩大類別,即高原機場和非高原機場,二者以海拔1500米為界,而在高原機場中又將海拔大於2438米的稱為高高原機場,之所以這麼劃分,是因為飛機在不同海拔高度起飛或者降落,其困難程度有著明顯的區別。之所以會產生這樣的差別,主要原因有以下幾個方面:

一是高海拔地區空氣稀薄,對發動機工況產生嚴重影響。拿平均海拔4000米以上的青藏高原來說,上面的空氣密度僅是海平面的60%左右,而飛機的發動機必須依靠吸進大量的空氣才能有效運轉,在高原條件下,燃料的燃燒效率明顯下降,所以無論是起飛還是降落,在增速、減速方面所需要的時間就越長,所以高原機場的跑道要比平原機場長得多。

二是低密度的空氣使得飛行的機動性減弱。由於空氣密度較低,飛機在機場或者近機場的低空,在相同速度下機翼上下側所提升的壓力差變小,升力或者負升力下降,這就使得飛機調整機翼與水平面的角度所帶來的爬升、緩降的效果,明顯低於平原機場,而且飛機在圍繞機場做旋轉時,轉彎半徑變大。

三是飛機要確保正常飛行,必須對相應的結構進行調整優化。比如,要強化發動機進氣扇和其它旋翼的旋轉速度、安裝更多的葉片、開啟增升裝置等,這樣在無形中又會增加飛機的負荷,也增大了前進時的阻力,致使發動機的有效推力降低,所以調整優化的過程就是在這一對矛盾中尋求最佳的平衡點,這也是為什麼高原機場通常都是起降經過一定改造的「高原專用飛機」的原因。

四是高原機場的自然環境也相對惡劣。比如晝夜溫度大,經常出現大風、降雨和濃霧等問題,加上周圍的地形也相對複雜,對空氣的流動也會造成很多疊加影響,因此容易產生風切變、亂流等情況,對飛機的正常起飛和降落產生較大幹擾。

相比之下,飛機在萬米高空,雖然空氣變得更加稀薄,但是飛機已經更得了很高的速度,在這種情況下,一方面發動機使用很小的功耗,就可以克服較小的空氣阻力。另一方面,在高速狀態下,一點兒迎角就可以產生較大的升力,從而與重力相平衡。因此,在萬米高空,飛機所受到的各方面阻力都變得更小,即使發動機由於空氣密度大幅減小而帶來推力的衰減,但也足以能夠維持飛機水平和垂直方向上的受力平衡。

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