-「孩子,你知道飛機腦袋上尖尖的東西是什麼咩?」
-「是雷達咩?」
-「NO~」
-「那是機炮?」
-「NO~」
-「我知道了,是天線!」
-「(╯‵□′)╯︵┻━┻」
這是普通讀者和普通娃的對話
-「爸爸,你知道飛機腦袋上尖尖的東西是什麼咩?」
-「別吵」
-「是雷達咩?」
-「安靜」
-「那是機炮?」
-「噓」
-「是天線對不對!」
這是佛系讀者和普通娃的對話
-「孩子,你知道飛機腦袋上尖尖的東西是什麼咩?」
-「是空速管。」
-「……」
這是普通讀者和佛系娃的對話
嘎嘎。
能不能hold住佛系冷酷臉,關鍵看你是不是技術流呀!
對於飛行來說,最重要的飛行參數莫過於高度、速度和升降速度,準確測量這些參數對於判定飛行狀態和正確操作飛機都有十分重要的意義。要準確測量這些參數,需要依賴一套完整的全靜壓系統,特別是其中一個小小的部件——空速管。空速管雖然不起眼,卻是飛機上最重要的傳感器之一。在1996年2月6日,土耳其伯根航空301號班機,一架波音757客機,因為空速管被昆蟲築巢堵塞,在從聖多明各機場起飛5分鐘後墜毀,機上189人無一生還。看來這小小的空速管好似隱藏了很深的玄機,那我們就來揭它開背後的奧秘。
各種類型的空速管
飛行的高度和速度無法直接地測量,卻可以通過測量大氣參數間接獲得。飛機一般在對流層和同溫層底層飛行,在這一區間裡,大氣的壓力隨著高度的升高有遞減的趨勢,且每一高度上氣壓與高度值都存在一一對應關係,那麼通過測量當前高度的氣壓可以間接推算出當前高度值。然而在不同季節和不同地區氣壓與高度的對應關係並不一致,為了滿足飛機儀表標準化需求,必須按統一標準的大氣物理性質進行換算,因而國際民航組織(ICAO)制定了國際標準大氣(ISA)。國際標準大氣(ISA)以北半球中緯度地區大氣物理性質的平均值為依據並加以適當的修正而制定,只要以國際標準大氣為依據,那麼氣壓與高度之間就有確定的對應關係,由測量的氣壓值對應得到的高度值就是飛機當前的標準氣壓高度。標準氣壓高度是國際上通用的高度,主要防止同一空域、同一航線上的飛機在同一氣壓面上飛行時兩機發生相撞。
當氣流相對於飛機運動時,在正對氣流方向的飛機表面,氣流完全受阻,氣流的動能轉化為壓力能和內能,此處的氣壓會升高。當前高度的真實氣壓為靜壓,迎風表面測得的氣壓為總壓,又稱全壓,全壓與靜壓之差為動壓。若不考慮空氣壓縮性,認為空氣的密度和溫度基本不變,動壓與空速的平方成正比。按照標準大氣條件下動壓與空速的關係,測量當前動壓而得到的空速為指示空速。指示空速又稱錶速,未經過任何補償,只是近似反應當前的真實空速。
殲10戰鬥機的空速管特寫 陳肖/攝
空速管是測量當前高度的靜壓和飛行全壓的裝置。空速管通常裝在機身前部的兩側或者機頭正前方,有的機型裝在機翼或尾翼上,也有些機型將空速管和測量迎角用的迎角探測器組合安裝在機頭的兩側。空速管朝向飛機飛行方向安裝,以便準確測量相對氣流方向的速度。
空速管一般由兩個同心圓管組成,內圓管為全壓管,外套管為靜壓管。內圓管在前端開有總壓孔用來採集迎面氣流的全壓,外套管在管壁均勻開有一排靜壓孔用以採集當前高度的靜壓。需要說明的是,並不是只有空速管可以採集靜壓,機身兩側還有獨立的靜壓口專門採集靜壓;另外有些機型的空速管沒有靜壓管,只能採集全壓,而用機身兩側的靜壓口採集靜壓。空速管內部還有電加溫裝置,以防止在空速管內凝結的水汽結冰堵塞空速管。
使用膜盒壓力表測量外套管氣壓可直接得到靜壓,測量內外套管的壓力差可得到動壓,也可以測量外套管的氣壓變化率得到靜壓變化率。如果將測量靜壓、動壓和靜壓變化率的三塊膜盒壓力表的刻度分別改為標準大氣條件下與之對應的高度、速度和高度變化率,那麼指針指示的就是當前的標準氣壓高度、指示空速和升降速度。傳統的機械式高度表、速度表和升降速度表的工作原理就是這樣的。
空速管、靜壓口、膜盒式儀表以及連接它們的氣壓管路共同組成了全靜壓系統。老式的小飛機往往只有一套全靜壓系統;老式的大型飛機上正副駕駛分別使用各自獨立的一套全靜壓系統,並且兩套系統之間有轉換開關,以方便一方的全靜壓系統故障時可以迅速切換至另一套系統。現代飛機全靜壓系統中使用數字傳感器將空速管和靜壓口採集的氣壓數據轉換為數位訊號,使用大氣數據計算機(ADC)處理這些數位訊號,並用電纜線代替氣壓管路進行信號傳遞,並使用數字顯示器進行顯示。典型飛機有三套獨立的ADC,正副駕駛各使用一套ADC作為各自電子顯示器的數據源,另外一套作為備用數據源。然而可以想像,一旦飛機上的電源失效,ADC及電子顯示器就會停止工作,所以現代飛機都會保留一套傳統的全靜壓系統作為備用,使用的是傳統的氣壓式高度表和指針式空速表。
飛機停方式,空速管都要被保護套套住,以免有昆蟲或者其他雜物堵塞空速管。
指示高度和指示空速是將靜壓和總壓依據標準大氣條件換算得到的,並沒有進行修正。一方面大氣數據不僅包括全壓、靜壓數據,還包括總溫數據;另一方靜壓口測量的靜壓並不會完全等於飛機外的靜壓,飛機的迎角、側滑、襟翼和起落架位置等因素都會影響靜壓的測量,因此需要對靜壓源誤差進行校正。大氣數據計算機(ADC)會採集以上所有數據進行計算,完成數據的校正。
傳感器輸送至ADC的信號應當為數位訊號。以空速管為例,靜壓管和總壓管感應到的氣壓信號應當通過壓阻式傳感器或者壓頻式傳感器轉換為數位訊號再輸送至ADC。同時總溫信號、迎角信號、側滑角信號、以及襟翼和起落架位置信號等都需要輸入ADC進行運算,最終得到校正後的較為準確的高度、空速及升降速度。
ADC計算的數據一方面傳送到各儀表,比如在正副駕駛員飛行儀錶板上的主飛行顯示器上顯示,供駕駛員了解當前飛行狀態;另一方面通過數據總線傳輸到其他設備,比如飛行數據記錄系統、自動駕駛系統等。
按照飛機維護手冊,當飛機在地面停放時必須將空速管加上保護堵蓋,以防進入外來物將空速管堵塞。保護堵蓋帶有一條鮮豔的紅色飄帶,印有「起飛前取下」字樣,以提醒機務人員在飛機起飛前及時取下。在飛機進行地面清潔或者噴漆時,空速管和靜壓口都要進行保護。另外靜壓口和空速管附近的蒙皮區域為為氣動敏感區域,必須保持光滑無損傷,以免影響全靜壓的測量精度。
另外飛機的整個大氣數據系統在指定周期內必須進行測試校準。一般使用大氣數據模擬器來模擬特定高度和空速下的大氣數據特性,即大氣的動壓和靜壓,並將模擬的大氣與飛機空速管相連接,讓飛機全靜壓系統採集大氣數據並進行運算,檢查確認駕駛艙儀表的讀數與模擬器製造的大氣數據特性是否一致,並進行校準。
圖中為空中巴士A380的空速管和攻角葉片,氣流從該設備右邊流入,左邊流出。
我們再來回顧伯根航空757客機墜毀的案例。失事的客機曾在聖多明各機場停留了三個星期,這三個星期裡飛機的空速管始終未被套上保護蓋。而飛機在機場被閒置或等候任務時,必須為空速管加上保護堵蓋,機務人員的失誤給了當地的胡蜂以可趁之機,這種胡蜂極有可能在這段時間內在空速管內築巢,造成了空速管的堵塞,因而造成了飛機下次運行時錯誤的空速顯示。
當然機長還是要承擔主要的責任,因為他在起飛滑行階段發現自己的儀表顯示的空速信息錯誤時,沒有及時終止起飛,這屬於嚴重違規行為。可能他對自己過於自信,認為可以在空中把問題解決掉,但卻要以機上189人的生命為賭注。飛機升空後,主駕駛空速表讀數看似回復正常,但機長並沒有確認正副駕駛的空速表讀數哪個正確,而是接通了自動駕駛,使得自動駕駛儀按照主駕駛空速表錯誤的讀數引導飛機飛行,在此期間機長始終沒有對空速做出正確判斷。雖然副駕駛和機械師做出了正確的判斷,但副駕駛並沒有及時接管飛機,只是在引導機長進行正確操作。而機長慌亂中錯誤操作飛機,最終造成了飛機失速墜毀。
波音777的空速管位於機首下部
同年的10月,秘魯航空603號班機,同樣是波音757客機,再次上演了這樣的悲劇。這次事故的起因是勤務人員在進行飛機清潔後忘記將覆蓋在靜壓口上的膠帶除下,且機長在起飛前檢查時也沒有發現,導致飛機升空後無法獲取準確的靜壓數值,因而高度、速度信息顯示失靈,最終導致飛機墜毀。
從這兩起空難中我們可以看出,雖然起因是小小的失誤,但最終的結果卻是由多個人為差錯造成的。事故的原因不是單一的,往往涉及許環節,就類似一條事故鏈,而只要有人將任何一個環節截斷,災難就不會發生。