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航空小知識:飛機到底“喜不喜歡”風?

添加时间:2019-01-03

摘要:前不久,被網友稱為數十年來最強颱風的山竹來勢洶洶,給我國廣東、海南、廣西等省區造成巨大損失。對於航空運輸業而言,惡劣天氣是造成航班取消、航班延誤、超限事件、重著陸

  
  前不久,被網友稱為數十年來“最強颱風”的“山竹”來勢洶洶,給我國廣東、海南、廣西等省區造成巨大損失。對於航空運輸業而言,惡劣天氣是造成航班取消、航班延誤、超限事件、重著陸等事故徵候的主要誘因。受颱風影響,大量航班取消。在颱風內區可以產生很強的風速,強烈的氣流會讓飛機產生劇烈的顛簸。
  在這樣惡劣的天氣條件下飛行,飛機還可能遭遇到機翼表面結冰、冰雹撞擊、大突風、能見度低等一系列危害飛行的狀況。另外,由於機翼、機身等尖突部位電場很強,當飛機穿越颱風引起的雷雨區時,還有遭遇雷擊的風險。由此看來,飛機與風的故事不得不說。
  風切變:影響飛機飛行的危險因素
  風是最為頻繁常見的氣象條件,季節的轉變或者雷暴的推進等自然現象,都會伴隨強風的產生。除了颱風這樣極端的惡劣天氣條件之外,還有一些其他的“風”也會影響到飛機的飛行安全。
  風切變,英文叫WindShear,是指風速在水準和垂直方向突然變化的一種自然現象,在航空氣象學中把出現在500米以下的空氣層中,在同一高度或不同高度上風向和風速突然發生較大的變化的現象稱為低空風切變。大家知道,飛機是靠機翼與空氣的相對運動產生升力並維持姿態的。所以,飛機最怕的是突然出現的強順風。
  比如空客 A320這類商用飛機降落的速度相當於每小時250公里左右。如果在快靠近地面時突然來了一陣10級順風,機翼上氣流的速度瞬間變成了原來的 60%,升力和機翼的相對氣流速度平方成正比,於是飛機會突然損失60%的升力,導致迅速下墜。
  在巡航階段,風切變一般很難形成嚴重的安全威脅。其原因一個是因為那時候飛機飛得高,真遇上風切變下墜10米或 20米,乘客的感受像坐過山車。飛機會很快自動或者由飛行員手動調節到新的穩定狀況。另一個原因是飛機飛行的速度快,商用飛機巡航速度往往是每小時 800公里左右,一般的風速與之沒法比。但也有例外,比如“晴空紊流”就是一種高空的劇烈風切變,而且往往很難預警。每年都會有一些航班遭遇這種情況產生劇烈顛簸,沒有系好安全帶的乘客有可能會撞到天花板,並因此受傷。所以,飛行過程中全程系好安全帶是必要的。
  那麼風切變為什麼讓人害怕呢?風切變會改變飛機的空速和氣動角,導致飛機所受的氣動力及力矩發生變化,進而影響飛機的飛行特性。飛機在飛行過程中,風速的突然變化作用會產生附加超載,進而使飛行軌跡發生變化。當風場強度較大時,不但會使飛機難於操縱,破壞所要求的飛行品質,而且會產生較大的動態結構載荷,加速結構疲勞損壞。其中對於飛行安全危害最大的是垂直向下的下沖氣流,當垂直突風較強時,飛機的迎角會發生較大變化,容易誘發飛機進入大迎角失速狀態,進而誘發飛行安全事故。大家最擔心的就是飛機在起降階段遭遇劇烈風切變,這時候飛機反應更大,安全處置餘地更小。歷史上因此造成的機毀人亡事故不在少數。據資料記載,1970-1985年期間,在國際定期和非定期航班飛行和一些任務飛行中,至少發生了28起與低空風切變有關的航空事故,死亡人數高達700人。正因為如此,國際航空界公認低空風切變是飛機起飛和著陸階段的一個重要危險因素。
  實際上,相較於風切變,“風不變”才是更不常見的現象。地球大氣受太陽照射積聚能量,能量均勻產生大氣的流動,形成風。受地面性質、地面形狀、地球自轉等因素影響,風力和風向總在變化。比如,海洋和陸地的分界線上,在白天,由於陸地升溫快,形成上升氣流,在飛越海岸線的時候,經常出現顛簸,就是一種常見的風切變。還有比如地形,在高山的背風面經常會出現氣流的滾動,就像瀑布下的水流,經常會把人“拖”進水裡。另外,在冷熱空氣交匯的地方也容易出現。比如冬天冷空氣前鋒附近,往往會有強風切變。
  如何應對“危險”的風
  既然風切變這麼可怕,是不是我們就無技可施了呢?當然不是,對於飛行員而言,需要做好飛機的方向、位置、下沉率、推力等飛行狀態的控制和對潛在風切變的處置。
  從上世紀90年代開始,更強大的機載和地面多普勒氣象雷達,以及綜合的機上風切變預警系統,已經讓飛行員比以往更容易避開危險的風切變。自從這些技術普及,風切變造成機毀人亡的事故已經從過去幾乎年年發生,減少到十年一遇的水準。然而,就像夏季的強對流天氣一樣,小尺度的類似於“微下擊暴流”的風切變,依然難以準確預測。特別是夏季強對流天氣多發,機場的天氣有時候會在運行條件的邊緣徘徊。
  同時,對於飛機設計師而言,在飛機設計中大側風對飛行的影響不可忽視,每一款民航飛機型號取得適航合格證前都要經過側風飛行的驗證試飛,中國民用航空局頒佈的《CCAR25-R3 中國民用航空規章第25部:運輸類飛機適航標准適航規章》中對於側風試飛有一系列的相關要求,比如對於側風試飛中要求飛機前進方向垂直風量的統計值達到20節以上(10.29m/s);飛機還需要在這樣的狀態下至少進行三次起飛和三次著陸。為了演示出飛機臨界情況的抗側風能力,對於飛機刹車和舵面的使用也有了一定的限制。
  另外民用飛機適航規章要求發動機必須在大側風審定的運行條件下仍然供給足夠的空氣量;其失速、喘振、熄火等不利特性不能達到危險程度;在正常運行期間不得由於氣流畸變引發有害振動。也就是說,航空工程師們需要在飛機設計和製造過程中就考慮到“風”的影響,做好細緻的分析和周全的應對,還要通過嚴格的飛行測試。而一般航空公司會考慮安全裕度,在運行時將本機型的最大側風數值限制為稍小於或等於廠家給出驗證側風值。
  除了提升飛機本身的安全性能以外,地面氣象預報部門也會對機場附近空域的低空風切變探測和預警,目前低空風切變報警系統已經得到普遍應用,新一代的低空風切變報警系統的探測能力已經達到了很高的水準。在今後的應用中,低空風切變的探測技術還會與地面觀測網、多普勒天氣雷達、雷電檢測、空基探測和衛星觀測等各種氣象探測技術結合起來,進一步為保證航空飛行安全,減少因天氣原因造成航班延誤而帶來的經濟損失提供有力的技術支援。
  逆風起降,順風航行 飛機需要這樣的風
  平穩的逆風確實可以説明提升飛機的起降性能,這是因為飛機在起飛與著陸過程都需要升力來維持穩定上升或者下滑軌跡,飛機的升力大小與飛機相對氣流的速度,也就是空速有密切關係。在起飛著陸階段逆風飛行可以使飛機在保持一定空速的情況下減小相對地面的速度,從而縮短起飛和著陸的滑行距離。此外,適航規章還規定了飛機必須滿足起飛航道的最低爬升梯度, 以防止轉彎時出現負梯度。飛機逆風起飛可以幫助飛機儘快爬升, 以幫助飛機飛越航道中的障礙物。所以根據當地的常年氣象條件,有些機場會建有多條不平行跑道,以便在不同季節的不同風向下都可以使用;對於只有一條跑道或多條平行跑道的機場,其跑道方向通常與當地盛行風的方向一致,以幫助飛機充分利用逆風進行起降。
  那是不是我們需要在送機的時候,要祝願一句“一路逆風”呢?那樣的話航空公司恐怕要皺起眉頭了,因為飛機的油耗會受到風和溫度等自然因素的影響,在巡航飛行的時候,航空公司都希望飛機在航線飛行中可以“順風而行”,在飛行距離相同時,順風可以降低油耗,減少飛行時間,逆風會增加飛機的油耗,增加飛行時間。順風既可以幫助航空公司節省成本,又可以讓乘客享受更加快捷的旅程。
  舉例來說,由於存在高空順風,在飛行距離相同時,北京—昆明航線相對無高空風時的油耗減少7.0%,飛行時間減少7.1%,由於存在高空逆風,昆明—北京航線相對無風時的油耗增加9.0%,飛行時間增加9.4%。這是因為大型客機在高空飛行時一般採用空速保持控制模式,遭遇逆風後,空速基本保持不變,地速減小,導致飛機飛抵目的機場的時間和油耗增加,順風時則飛行時間和油耗均減小。我們知道,高空的最大平穩風一般位於40-75km高度,位於20-50°緯度區間。北半球冬季為西風,夏季為東風,冬夏季風最強,春秋為西風—東風過渡季節,春秋季節風速小於冬夏季,南半球與北半球變化特性相反。所以即便是乘坐同樣一條航線的航班,在不同的季節飛行時間可能也有一些差別。
  特別是在一些遠端航線上,航線的高空風向條件甚至會影響飛機的航線選擇,以一月份從洛杉磯往返上海的典型航線為例,航班從上海飛往洛杉磯時,航班會飛過日本,直接從北太平洋穿越,以借助北太平洋上空的盛行西風向東飛行。而從洛杉磯返回上海時,則要選擇起飛以後飛往西北方向,經過阿留申群島和日本,再抵達上海,以避開盛行西風帶的逆風影響。兩條航線的航線距離雖然相差無幾,但因為高空風速的影響,會導致從上海到洛杉磯的回程會比去程多用兩小時的飛行時間,對於一般的遠端雙通道寬體客機,燃油消耗相差約15噸左右。
  那麼我們是不是可以認為風對於飛行都是有害的呢?當然不是!要是有朋友出行,我們時常祝願對方一路順風,但若對方是搭乘飛機出行,我們或許會聽過這樣一種說法:“坐飛機是不能說一路順風的,因為飛機要在逆風才能起飛。如果順風的話,會有危險。”這種說法是不是有一定道理呢?其實,我們可以把風分解為平穩風、紊流、陣風。平穩風,也稱為定常風,指大範圍內大氣的均勻運動,風速及方向隨時間變化平緩,與季節和緯度密切相關。

文章标题:航空小知識:飛機到底“喜不喜歡”風?

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