不知大家有沒有這個疑問，飛機，尤其是客機，為何要飛那麼高呢？戰鬥機咱們還可以理解，未來戰鬥的要求，但是大家可知道客機一般的飛行高度是多少？國內航班在6800-8000米之間,國際航班要上到9000-11000米。
飛機飛行原理
飛機是重於空氣的飛行器，當飛機飛行在空中，就會產生作用於飛機的空氣動力，飛機就是靠空氣動力升空飛行的。在了解飛機升力和阻力的產生之前，我們還要認識空氣流動的特性，即空氣流動的基本規律。流動的空氣就是氣流，一種流體，這裡我們要引用兩個流體定理：連續性定理和伯努利定理。
流體的連續性定理：當流體連續不斷而穩定地流過一個粗細不等的管道時，由於管道中任何一部分的流體都不能中斷或擠壓起來，因此在同一時間內，流進任一切面的流體的質量和從另一切面流出的流體質量是相等的。
伯努利定理基本內容：流體在一個管道中流動時，流速大的地方壓力小，流速小的地方壓力大。
伯努利定律
看完這兩個定理，大家可以結合自己的生活認真思考一下，在日常生活中，有風的時候，我們會感到有空氣流過身體，特別涼爽；無風的時候，騎在自行車上也會有同樣的體會，這就是相對氣流的作用結果。滔滔江水，流經河道窄的地方時，水流速度就快；經過河道寬的地方時，水流變緩，流速較慢。空氣也是一樣，當它流過一根粗細不等的管子時，由於空氣在管子裡是連續不斷地穩定流動，在空氣密度不變的情況下，單位時間內從管道粗的一端流進多少，從細的一端就要流出多少。
河道與流速
飛機的升力絕大部分是由機翼產生，尾翼通常產生負升力，飛機其他部分產生的升力很小，一般不考慮。從上圖我們可以看到：空氣流到機翼前緣，分成上、下兩股氣流，分別沿機翼上、下表面流過，在機翼後緣重新匯合向後流去。機翼上表面比較凸出，流管較細，說明流速加快，壓力降低。而機翼下表面，氣流受阻擋作用，流管變粗，流速減慢，壓力增大。
這裡我們就引用到了上述兩個定理。於是機翼上、下表面出現了壓力差，垂直於相對氣流方向的壓力差的總和就是機翼的升力。這樣重於空氣的飛機藉助機翼上獲得的升力克服自身因地球引力形成的重力，從而翱翔在藍天上了。
大氣的分層
大氣分層按照大氣在垂直方向的各種特性，將大氣分成若干層次。按大氣溫度隨高度分布的特徵，可把大氣分成對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層。
一般對流層氣象條件複雜，空氣有強烈的對流運動。地面性質不同，因而受熱不均。暖的地方空氣受熱膨脹而上升，冷的地方空氣冷縮而下降，從而產生空氣對流運動。對流運動使高層和低層空氣得以交換，促進熱量和水分傳輸，對成雲致雨有重要作用。對流層中的天氣現象在平流層層很少見。平流層天氣晴朗，大氣透明度好。
飛機飛行的高度一般沒有在平流層，而基本上是在對流層與平流層之間的一個相對穩定強大的對流層頂的附近飛行。這個高度上大氣密度小，比低空飛行省油，雖然有時會受到積雨雲的幹擾，但是相對低空來說大氣條件好了很多。如果在低空的對流層飛行，大家可以試想一下，地形負責的時候，氣流還受地形的影響，這樣會造成飛機的顛簸，有時還遭受到雷擊，這可是不得了的事情。
為何飛機要飛得高
在了解了飛機飛行的基本原理和大氣分層的相關知識後，下面正式來介紹為何飛機要飛的高：
1、從設計方面講，飛機的升力L＝p*Cl*S其中p是動壓，cl是升力係數，s是機翼面積。動壓＝0.5*空氣密度*速度的平方。機翼面積基本是恆定的，cl在襟翼全開(降落)的時候最大可以到3.0，起飛時cl不會用到這個數，大概2.5吧，在平飛的時候，升力係數是多少呢？是0.5到0.7。那麼問題來了平飛時的動壓就應該是起飛時的4到5倍。動壓為0.5*空氣密度*速度的平方。也就是說如果空氣密度不變，飛行速度也就是起飛時的兩倍多左右，起飛速度不過才290km/h，那麼平飛速度才600多？顯然不合適，這個時候發現高空空氣密度稀薄，為保持升力，也即是保持動壓可以將速度提高到1000。這樣由於密度低動壓也不會變。而且高空，摩擦力小，氣動阻力小，這就是高空空氣稀薄省油的道理。
2、高度高容易有足夠的速度以滿足衝壓渦輪的工作，另外空中在起動機失效的情況下也需要足夠的速度才有可能重啟發動機。有些人可能會想，高空空氣稀薄，氧氣含量少，發動機功率會不會下降？其實恰恰相反！
空氣稀薄導致引擎效率降低這個問題在第二次世界大戰期間已經被攻克了，使用的就是所謂的渦輪增壓發動機，這種發動機最早由英國的羅爾斯·羅伊斯發動機公司發明並投入批量生產，後來美國引進了這個技術，廣泛應用於飛機發動機中。
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一般的發動機是自然吸氣的，如果吸入空氣中氧氣含量不足，則會使得燃料燃燒不充分，導致輸出功率降低。而渦輪增壓發動機不一樣，它利用渦輪（相當於空氣壓縮機）把空氣壓縮後再送燃燒室，做個不恰當的比方，假設原來吸入空氣10L，其中氧氣約1L（海平面的話，氧氣佔比21%，約2L，這裡的1L已經考慮了海拔增加的因素），現在利用壓氣機使每次吸入的空氣達到100L，則氧氣約10L，你可以計算一下，與海平面的自然吸氣發動機相比，渦輪增壓發動機吸入的氧氣量實際上是海平面的5倍，這樣燃燒反而更充分，輸出功率可以比原來高得多。
所以，有了渦輪增壓發動機，在高空飛行反而可以提高飛機發動機的功率，而且，出了故障有足夠高度進行自救嘗試，如重啟發動機等。
3、其他客觀因素：比如還有重要的一點應該是低空有鳥襲，民航飛機的發動機都是渦扇的，怕撞到鳥，而軍用的一般是噴氣的，不會太顧慮這點。飛鳥撞機很容易出現航空事故，可別小看鳥撞，各位查下鳥撞的危害就知道了，小編絕不是危言聳聽。
其餘的因素，比如說，高空溫度比較低，可以滿足空調，滑油，液壓油的冷卻降溫。對減少蒙皮摩擦發熱也有一定效果。同時對於飛行員來說，高空可以避開大部分極端天氣，視野好。
以上就是飛機為何在高空飛行的原因，大家看過後有沒理解呢？
本文轉載自公眾號：直觀學機械
文章來源：航空製造網
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風上風雲｜雲端故事
原標題：《為何飛機都要飛那麼高？飛低點一樣可以飛很快啊！》
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