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。
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