为什么飞机在万米高空可以飞行,而在高原上却动力不足呢?
去过青藏高原的朋友们,肯定对那里稀薄的空气印象深刻,稍有运动量较大的行为,甚至有人停下来不动,都会大口地喘气,有时还会出现眩晕、恶心等感觉,这就是高原反应的典型反应。不但人类在高原上如此,飞机在高原上也会出现“高原反应”,无论是在高原上起飞或者降落,飞机的运行都要比海拔的平原地区困难得多。那么,为什么飞机在空气更加稀薄的万米高空能够顺畅飞行,在高原上却动力不足呢?
飞机能够起飞,其原理简单来说,就是通过发动机提供的推力,以及机翼上下缘产生的空气压力差提供的升力来实现的。我们通过飞机机翼的横截面可以看出,其上侧边缘的弧度要明显比下侧的大,当飞机向前行进时,机翼会将前方的气流分为上下两股,由于上方弧度大,因此气流所通过的路程要比下方远,空气的流动速度也较快,按照伯努力定理,上方气流对机翼产生的压力也较小,这样对机身来说,就产生了一个向上的“托举力”,这个向上的升力确保飞机能够顺利升空。
当机翼的面积增大时,对机身产生同样大小的升力,所需的迎角也就越小,飞机也越容易爬升,与此同时,飞机所受到的空气阻力也相应增大,在一定程度上阻碍了飞机的爬升。因此,在飞机的设计阶段,必须在飞机的发动机推力、机翼面积和角度方面取得一定的平衡,以取得最理想、最经济的飞行迎角和升阻比,即保证在单位推力之下有较高的行进速度,又确保升力的增大要有效大于阻力增大的程度,即高效的升阻比。
根据机场海拔高度的不同,我们将机场划分为两大类别,即高原机场和非高原机场,二者以海拔1500米为界,而在高原机场中又将海拔大于2438米的称为高高原机场,之所以这么划分,是因为飞机在不同海拔高度起飞或者降落,其困难程度有着明显的区别。之所以会产生这样的差别,主要原因有以下几个方面:
一是高海拔地区空气稀薄,对发动机工况产生严重影响。拿平均海拔4000米以上的青藏高原来说,上面的空气密度仅是海平面的60%左右,而飞机的发动机必须依靠吸进大量的空气才能有效运转,在高原条件下,燃料的燃烧效率明显下降,所以无论是起飞还是降落,在增速、减速方面所需要的时间就越长,所以高原机场的跑道要比平原机场长得多。
二是低密度的空气使得飞行的机动性减弱。由于空气密度较低,飞机在机场或者近机场的低空,在相同速度下机翼上下侧所提升的压力差变小,升力或者负升力下降,这就使得飞机调整机翼与水平面的角度所带来的爬升、缓降的效果,明显低于平原机场,而且飞机在围绕机场做旋转时,转弯半径变大。
三是飞机要确保正常飞行,必须对相应的结构进行调整优化。比如,要强化发动机进气扇和其它旋翼的旋转速度、安装更多的叶片、开启增升装置等,这样在无形中又会增加飞机的负荷,也增大了前进时的阻力,致使发动机的有效推力降低,所以调整优化的过程就是在这一对矛盾中寻求最佳的平衡点,这也是为什么高原机场通常都是起降经过一定改造的“高原专用飞机”的原因。
四是高原机场的自然环境也相对恶劣。比如昼夜温度大,经常出现大风、降雨和浓雾等问题,加上周围的地形也相对复杂,对空气的流动也会造成很多叠加影响,因此容易产生风切变、乱流等情况,对飞机的正常起飞和降落产生较大干扰。
相比之下,飞机在万米高空,虽然空气变得更加稀薄,但是飞机已经更得了很高的速度,在这种情况下,一方面发动机使用很小的功耗,就可以克服较小的空气阻力。另一方面,在高速状态下,一点儿迎角就可以产生较大的升力,从而与重力相平衡。因此,在万米高空,飞机所受到的各方面阻力都变得更小,即使发动机由于空气密度大幅减小而带来推力的衰减,但也足以能够维持飞机水平和垂直方向上的受力平衡。
汽车在高速公路上行驶,需要依靠地面的支撑,克服地面阻力,才能往前行驶;轮船在海上航行,需要海水给它的一个浮力;飞机飞行全部依赖空气获得上升力,飞机才能悬在空中,还可以像汽车一样往前行驶。
既然如此,人类的交通工具,需要依赖于地面、水、空气等介质获得动力,介质的变化对交通工具正常行驶影响很大,如汽车行驶的路面是硬化路面还是松软的沙土,飞机所处的大气环境中,空气含量多少,密度大小等。
地球表面有高原、平原等地貌类型,海拔差别很大,对于我国来说,东部三大平原海拔多在200米左右,而青藏高原却在4000多米,两者相差4000米上下。受地球引力影响,海拔高度不同,空气密度发生很大变化 。大气质量的四分之三集中在近地面层,越往高空空气越稀薄,密度越小。
汽车在启动时要克服地面的阻力,通过多燃烧油发动机获得较大的前行动力,我们经常会看到汽车启动时,油耗数值突然增大,加速过程中油耗也是居高不下,一直到正常行驶后,速度虽然很快,但油量却没有启车时消耗大。这是因为汽车启动以后,获得了较大惯性,启车时把过多油耗能量转储到汽车动力中,油耗就会慢慢降低,最后油耗维持在一定水平。
飞机也是如此,飞机在开始飞行时要克服飞机的重力,才能往上爬高,发动机通过较高的转速,输出较大的功率使得飞机获得最大的升力,飞机才慢慢地离开地面,一旦离开地面以后,地面阻力就会消失,只需要获得飞机升力和前行的动力,飞机就可以慢慢地升高和前行,由于飞行已经有了较大的惯性,飞至上万米高空就会变得轻松了许多。
飞机无论是升至上万米还是上升到几千米,起飞和降落需要输出较高的功率,是飞机能否正常航行的关键。而飞机要正常起飞,从空气中获得的升力尤为重要,而这个升力大小除与飞行的发动机输出功率大小有关,还依赖于空气密度大小,就象乒乓球放在盐水还是普通水中,下浸深度是不一样的。
对于青藏高原海拔4000米的地区,空气密度约为海平面的60~70%,较平原机场下降了30~40%,空气稀薄也会导致飞机获得的升力不足,没有空气的支撑就象水托不住铁球一样,飞机难以升空。其次高原海拔高含氧量低,燃烧不充分,发动机的功率下降40%左右,发动机获得不了较好的动力,起飞困难重重。
为了解决高原地区空气密度小,飞机功率不足两方面的问题,只能提高发动机的功率和增加直升机的叶片数,通过两方面的补偿来抵消高原地区空气稀薄和含氧量低的问题,我们把这种飞机称之为高原专用飞机,例如发动机燃烧同样需要空气,高原空气密度低,就要吸入更多的空气。进气扇和旋翼速度都要提高,或安装更多的叶片,这就需要变速发动机和变速进气扇来适合高原大气环境。
为什么飞机在万米高空可以飞行,而在高原上却动力不足呢?
这是因为飞机起飞时的高度不同,在平原上起飞海拔一般200米左右,升至10000米,而高原机场海拔4000米,飞至10000米,这是两个不同的高度,低海拔起飞空气密度及含氧量正常,发动机输出功率正常,而高海拔大气环境却不同,为此在高原上起飞,飞机动力就出现了不足。
假如飞机都处在高度4000米高空,升至10000米,一个是平原上起飞后获得的惯性的飞机,另一个是处在高原海拔4000米待起飞的飞机,需要发动机输出的功率大相径庭。高原上飞机初始惯性为零,输出的功率出现了不足。
由此看来,飞机初期起飞非常重要,往往决定着这次航行的成功与失败。