飞机怎样降落

发布网友 发布时间：2022-04-23 16:31

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热心网友 时间：2022-05-03 02:33

好了，请大家深呼吸，准备好面对枯燥的高中物理，我们开始了。四原力我们需要首先掌握的最重要，也是最基本的知识，就是四原力。一架飞机在空中平直飞行的时候，它受到哪几个力？回忆高中物理课上的内容，我们很容易得出答案：一共有四个力，分别是升力 (lift)，重力 (weight)，推力 (thrust) 和阻力 (drag)。这升力和重力大小相等，方向相反；推力和阻力大小相等，方向相反。这四个力的合力刚好为 0，因此飞机保持匀速直线运动的状态。下面，我要提一个简单的小问题，注意听题：我们刚说过当飞机平飞的时候，飞机的升力和重力相等，那当飞机降落的时候，升力小于重力，这个说法正确么？抢答开始！如果你认为这个说法是正确的话，那恭喜你，答错了。高中物理讲过，物体的合外力决定了物体的加速度。如果飞机降落的时候升力小于重力，那飞机将处于一个加速下降的状态，如果一直保持升力小于重力的话，你就会听到飞行员说：啊啊啊啊啊啪！很显然，当飞机匀速下降的时候，升力和重力仍然是相等的。根据我们刚才讲的升力和速度的关系，我们不难得出，飞机的升力会降低，重力大于升力，飞机便会开始下降。那么，如果我们保持住这个速度的话，飞机会不会持续加速下降最后把飞行员摔死呢？我们很希望答案是不会，否则的话，只要稍微收了一点点油门就会被摔死的话，那飞行员这个行业也实在是太可怕了。可是，根据高中物理，我们不难得出，要想保证飞行员不被摔死，我们必须要有另外一个向上的力将重力比升力大出来的这部分力给平衡掉，从而使飞机摆脱加速下降的趋势，转为匀速下降。那在现实生活中，真的存在这个神奇的力么？是的，大家可以先为飞行员松一口气，的确有这么一个力可以将飞机从加速下降的趋势中拯救出来。为了解释清楚这个问题，这里我们需要先把这个问题暂时放下，介绍另外一项重要的预备知识，那就是：攻角什么是攻角呢？从这个词的英文原文 Angle of Attack 里可以看出来，攻角的意思就是攻击的角度。飞机飞行的时候在攻击什么呢？对了，是在攻击空气。因此，攻角就是飞机的机翼攻击空气的角度。飞机飞行的时候有时候是抬着头飞，也有时候低着头飞，根据飞机飞行姿态的不同，飞机的机翼指向的方向，和飞机实际运动的方向之间会存在一个夹角，我们把这个角称为攻角。需要注意的是，攻角并不一定等于仰角。仰角指的是机翼和水平面之间的夹角，也就是指飞机抬头抬了多高，而攻角指的是机翼和飞机运动方向之间的夹角。举个例子，当一架飞机在空中抬着头缓缓下降高度的时候，假设它机翼和水平面的夹角是 3 度的话，它的仰角就是 3 度，如果此时它以一条向下的 1 度的坡度下降的话，那它机翼的方向和它运动的方向之间的夹角就是 3 度加 1 度等于 4 度，也就是说，此时的攻角是 4 度。如果另一架飞机也是抬着头，保持 3 度的仰角，但飞行路径是延 2 度的坡度爬升的话，此时的攻角就是 3 度减 2 度等于 1 度。在飞机的仪表盘上，有仰角指示仪，但没有攻角指示仪，因此，飞机的攻角，只能靠飞行员根据飞机的仰角和飞机的运动轨迹来间接计算出来。首先，攻角能产生升力。当你的机翼在攻击空气的时候，如果机翼和前进的方向有一定夹角，机翼的倾斜面就会撞在迎面而来的空气上，挤着空气往它斜向的方向去运动。当空气运动的方向被机翼强行改变的时候，空气就会很不乐意地对机翼施加一个反方向的力。这就是攻角升力的来源。大家可以做一个简单的小实验，伸出一只手，手心朝下，稍微倾斜一些，和水平方向成一定角度，另一只手拿一块硬纸片贴在这只手的手心上，双手一起向前挥动推着纸片迎着风向前运动。你会发现，当你挥动的速度达到一定程度时，你可以放开底下托着纸片的那只手，纸片也不会掉下去。空气在撞击纸片的时候能产生一个向上的力将纸片托住，压在你向下的手心上，这就是攻角升力。如果有条件精确测量的话，我们会发现，在速度一定的情况下，攻角越大，产生的升力也越大。攻角除了能产生升力之外，还有一个重要副作用是产生阻力。这点很好理解，你在攻击空气，它显然也会阻挡你，当你斜着一个角度迎着空气攻击它的时候，它在撞击你产生一个向上的力的同时，也会产生一个向后的力。因此，从这个意义上说，攻角产生的升力，性价比是比较低的，因此飞机正常飞行的时候更喜欢通过伯努利原理来产生升力，攻角升力主要用于控制飞机的姿态。不知道伯努利升力是什么的同学课后自己上网搜索相关科普资料，我们这里就不详细展开论述了。明白了攻角和升力的关系后，我们前面留下的问题就非常容易解释了。当一架飞机在平直飞行的时候，我们收一点点油门稍微降低一点点速度，此时飞机的升力就会小于重力，然后飞机开始下降。当飞机下降的时候，飞机飞行的路线就不再是水平的，而是向下倾斜一个角度，注意，此时机翼的仰角并没有改变，但飞机前进的方向改变了，从原先的往正前方变成往前方稍微偏下了，这意味着什么呢？对，机翼的攻角增大了！攻角增大就意味着攻角升力增大，于是，多出来的这部分攻角升力平衡了多出来的那部分重力，飞机的所有外力重新恢复平衡，进入一个匀速下降的状态中。仔细思考这部分讲解的内容，大家可以推导得出这样一个非常重要的结论：当飞机的姿态保持不变的时候，我们可以通过油门来控制飞机的下降坡度。请牢牢记住这个结论，这是飞机降落的一个重要理论基础。如果刚才的内容你真的理解了的话，相信这个问题你一定能给出正确答案，答案是：都可以。飞机下降的时候，唯一需要保证的条件是所有外力平衡，要保证这一点，飞机抬着头还是低着头其实都是可以做到的。如果两架完全相同的飞机下降的坡度完全相同，一架抬着头，一架低着头，那么由于抬着头的那架攻角比低着头的要大，既然两架飞机的升力都能刚好做到和重力平衡，很显然，抬着头的那架速度必然比低着头的要慢。当我们希望飞机沿着一条固定的坡度飞行的时候，我们可以选择很多种不同的姿态，或者仰着头，或者平着，或者低着头，都行。一旦选定了某个固定的姿势后，为了保证飞机能够飞在我们要求的坡度上，我们就要通过调整油门，把飞机的速度控制到一个和姿态相对应的值上去，如果抬着头，速度就慢一些；如果低着头，速度就快一些。既然通过调整油门，飞机无论是抬着头还是低着头，都可以实现上升、下降，那对于飞机的姿态我们是不是就可以随便选择了呢？不是的，不同的姿态虽然都能保证你按照一定的路径飞行，但是效率还是有很大区别的。例如，当你想要上升高度的时候，虽然单纯加油门也能让你升上去，但你要是能抬起头来的话，爬升显然会更轻松更有效率一些。经过长时间的经验积累和总结，人们逐渐为飞机的每一个动作都选择了一个最适合这个动作的姿态，并根据动作为这些姿态命名，叫做上升姿态、下降姿态、着陆姿态等等。同样是降低高度，下降姿态和着陆姿态就有非常大的区别。下降的时候飞机的头是往下俯的，因为这个姿态对于推力要求非常小，很多时候飞机甚至可以将油门完全收光滑行，大家在坐飞机的时候应该会注意到在下降的开始阶段飞机会变得非常安静。而到了着陆的阶段，飞机需要进入着陆姿态，此时飞机需要把头仰起来，因为我们刚才说过，在坡度相同的情况下，头仰起来之后，维持受力平衡需要的速度也会减小，这样可以保证飞机以比较低的速度降落。飞机在着陆的时候，速度越慢，飞行员就有越充足的时间去控制各个细节，因此我们显然是希望飞机的速度越慢越好。既然我们刚才说过，飞机头抬得越高，维持受力平衡需要的速度就越小，那我们在降落的时候是不是头抬得越高越好呢？要解释这个问题，我们需要介绍下一个残酷而可怕的概念：失速在讨论失速之前，我们再复习一下攻角升力的来源。当机翼攻击空气的时候，机翼斜着挤压空气，强行改变空气运动的方向，因此空气会对机翼施加一个反响的推力。但是，如果我们攻击空气的倾斜的角度不断加大，会怎么样呢？在实验中，人们观察到，如果我们不断加大空气和机翼之间的夹角，也就是我们说的攻角，当攻角大到一定程度的时候，机翼背对空气的那一侧会出现大量漩涡，此时，整个机翼产生的升力会急剧下降，进入了一个几乎不提供升力的状态，这个状态，英文叫做 stall，中文叫失速。失速这个术语其实是不准确的，从上面的描述中，大家应该已经看出来了，stall 其实和速度并没有什么关系，只和攻角有关。只要攻角超过了一个临界角度，飞机立刻就会失速，这和你此时速度是快还是慢，是在爬升还是在降落，是抬着头还是低着头都没有任何联系。失速是很可怕的，机翼升力几乎完全丧失，在重力的作用下飞机会以非常快的速度掉下去。回到我们刚才讲的飞机降落的姿态问题，我们前面说过，在降落的时候，我们希望速度越慢越好，为了降低速度，我们会让飞机把头抬起来，通过增大攻角来增大升力，以实现和重力的平衡。但是，由于失速的存在，攻角是不能无*增大的。为了保证飞行安全，我们也不会把攻角一直增大到即将导致失速的一个极限角度上，那样的话虽然速度可以更慢一些，但如果在下降过程中遇到气流或者一些别的绕动，非常容易直接到达临界角度而失速。从安全的角度考虑，飞机降落的时候抬头的角度离导致失速的角度应该保持足够的距离，因此我们无法单纯通过增加抬头角度来减慢着陆速度。为了进一步降低飞机的速度，让飞行员操作更容易一些，我们需要一些别的手段，因此，人们发明了另外一个特殊的装置，叫做：襟翼襟翼，英文叫做 flaps，顾名思义，就是像人的衣襟一样，是长在机翼的襟部的，几块可折叠的板。襟翼平时收在机翼里面，需要使用的时候从机翼后缘升出来。当襟翼伸出来的时候，机翼的面积就变大了，而且襟翼在伸出足够长后，还会微微向下卷曲，改变气流流过机翼的路径，进一步提高机翼产生的升力，使飞机可以在更小的速度下获得足够平衡飞机重力的升力。由于襟翼可以增大机翼的升力，因此，在起飞和着陆的阶段，飞机都会放下襟翼。不过，襟翼在提高升力的同时，也会大大增加飞机飞行时候的阻力。大家坐飞机的时候如果注意观察，会发现在飞机着陆的最后阶段，全部襟翼都放下来之后，发动机的轰鸣声也变大了很多拖着这样笨重的两块招风板飞行是很费劲的。因此，飞机起飞的时候一般只放下襟翼的三分之一长度，着陆的时候才使用全部襟翼。着陆的时候，只要能降低一些着陆速度，提高飞行安全系数，发动机多受点累多消耗点燃油也是值得的，不是么？到这里，飞机降落需要的高中物理知识我们基本补习完毕，下面我们可以正式进入真正的降落阶段了。打起精神，我们开始介绍下一个重要的概念：下滑道我们前面说过，当我们选择了一个合适的姿态，调整到一个适当的速度之后，飞机就会沿着一个特定的角度往下匀速降下去。我们把这个匀速下降的路线称为下滑道。下滑道是一条直线，它和地面之间形成了一个夹角。为了保证安全，下滑道和地面的夹角是不能太大的，如果以一个很大的角度下降，那就不是降下来，而是摔下来了。当然，下滑道的坡度也不是越缓越好，如果下滑道坡度太小的话，那离机场很远的时候飞机的高度就已经很低了，如果碰到扰动，可能就会落在机场之外的位置了，这是非常糟糕的。而且，考虑到机场周边的障碍物的影响，以一个太小的角度降落也不太现实，毕竟我们不可能为了降落一架飞机就把机场之外几公里的区域全都夷为平地。在实际生活中，飞机一般采取向下 3 度的坡度来下滑。为什么采取 3 度而不是 2 度或者是 4 度呢？那是因为，在古时候，飞机降落是没有无线电系统来提供下滑道指示的，飞行员只能通过飞机上的仪表来大概估算飞机的下滑角度。飞机上并没有下滑角度指示仪，因此飞行员只能通过速度仪和下降率仪来大概估算角度，而当时也没有电脑，因此必须选取一个尽可能简单的公式，否则飞行员就无法在飞行过程中心算。知道这些背景之后，我们再来看看飞行员是如何计算下滑道的：首先，飞行员通过速度仪，观察飞机此时的水平速度。飞机上的速度仪使用的单位是knots，中文叫节，和轮船的速度单位是一样的，就是海里/小时的意思。举个例子，这个飞行员此时观察到他的飞机速度是 60 knots，那就表示，飞机每小时能飞 60 海里。接下来，为了保证心算方便，飞行员直接把这个速度除以 2，后面加一个 0，得到 300，然后用这个数值来作为下降率，和下降率表上的真实数值做对比。下降率的单位是英尺/分钟，我们在纸上画一个直角三角形，假设长直角边是 60 海里，短直角边是 300 英尺乘以 60，用一个简单的三角函数算一下，很容易知道，此时的理论下滑角度就是约等于 3 度。如果飞行员观察到的实际下降率大于计算出来的理论值，说明飞机落快了；如果下降率小于理论值，那就说明飞机落慢了。当然，在实际飞行中，飞行员主要精力得放在瞄准跑道上，不会盯着仪表不停地做计算，但这个公式仍然提供了一个修正下滑道的重要参考数据。总之，一开始下滑道角度被选择为 3 度，是为了保证心算的方便。如果我们选择 2 度或者 4 度的话，心算下降率就会变成一件非常复杂和痛苦的事情。虽然现在的飞机都有了机载电脑，而且机场也提供了无线电下滑道指引装置，但出于历史原因，人们仍然保留了 3 度下滑的传统。而且，说不定万一遇到某些特殊情况的时候，也会需要心算下滑道呢？着陆姿态如果你把前面讲过的所有铺垫知识都完全理解了的话，那你应该也猜到个大概了。事实上，飞机降落要做的事情就是：对准跑道中线，沿着下滑道下降，最重要的，还有建立着陆姿态。一个标准的飞机着陆姿态建立，需要放下起落架，放全襟翼，抬起机头大概 3 度左右，打开减速板的起落架自动传感，打开轮子上的自动刹车，然后，通过调节油门，让飞机沿着一条向下 3 度的下滑道慢慢降到跑道上。飞机的着陆姿态一旦建立起来之后，飞行员所要做的事情就是维持住这个姿态，遇到扰动的时候随时微调让飞机恢复姿态，只能做小范围调整，不能再做大的动作方向的左右改变必须非常小心，精确保持协调，而高度上的改变不能通过调整飞机的仰俯角度来修正，只能通过加减油门微调。如果着陆姿态建立之后受到大的扰动，导致飞机失去了姿态，不能通过微调修正回来的话，就应该直接复飞，而不是去努力调整重新对正跑道。总之，飞机降落的时候飞行员的操作主要以调整油门为主，其它所有操作都只能是微调，绝对不能握着操纵杆上上下下左右左右 B A 启动，飘来飘去地瞄准跑道。建立着陆姿态之后，飞机飞行的速度会变得很慢，阻力也会变得非常巨大，燃油的耗费也会相当可观。因此，比较有经验的机长，会选择尽可能晚建立着陆姿态，以提高飞行效率。不过，为了保证飞行安全，航空公司针对每种型号的飞机，每个机场，对应每种天气情况，会给出一个建立着陆姿态的最晚要求。飞行员建立着陆姿态的时间只可以比要求的时间早，绝对不可以比要求的时间晚。也就是说，飞到规定的高度和离机场的距离的时候，飞机必须已经完成了着陆姿态的建立，否则就必须复飞。建立了着陆姿态之后，飞机就向着跑道飞去了。那么，飞机应该对准跑道的什么位置呢？这就是我们下面要介绍的内容：跑道我们现在来想象一下这个时候在空中看跑道是什么样子的。首先，离我们最近的跑道的一头，横着有一条像人行横道的斑马线那样的白色标记，这个标记不是让机场的人过马路用的，而是告诉飞行员跑道从什么位置开始的。这条斑马线我们称之为 threshold，字面意思是门槛，中文翻译为跑道口。比跑道口稍微远一点点，我们会在跑道中线两侧看到一左一右两条白色的细线，这两条线我们称之为 500 marker，意思是，这两条线离我们较远的那一端距离跑道口的距离正好是 500 英尺。500 marker 再远一点，我们能看到两条粗一点的白线，那个叫做 1000 marker，就是说那个位置离跑道口 1000 英尺。相应地，再远的位置我们还能找到 1500 marker 的两条细线和 2000 marker 的两条粗线，有的跑道在更远的地方还会有更多的标记线。