简单的飞行

飞机如何在极端湍流中生存

对于紧张的飞行者来说,湍流可能是可怕的,但飞机的设计是为了承受这些有时是暴力的事件。

如果你曾经参加过 飞机,您很有可能经历过湍流。对于紧张的飞行者来说,湍流可能是可怕的,尤其是当它很严重的时候。甚至有人认为,这些强大的力量足以打破飞机。

实际上,飞机,尤其是大型客机,其强度足以承受几乎所有自然发生的情况 湍流。

负载系数和 v-n 图

当涉及到飞机的结构安全性和完整性时,存在三个主要载荷。他们是:

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  • 限制负载: 飞机在服役中可能遇到的最大负载
  • 极限载荷: 结构失效可能发生的载荷
  • 安全要素: 极限载荷与极限载荷之比。

当飞机被推到极限载荷时,它的结构应该能够毫无问题地处理它。然而,当承受极限载荷时,可能会发生结构失效。安全系数介于这两个限制之间。当在安全系数限制内时,飞机结构发生永久变形的可能性很小。

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荷航 A330-200 起飞
飞机结构旨在承受其极限载荷。照片:  Pieter van Marion 来自维基媒体 .

对于飞机,安全系数是限制载荷的 1.5。这是安全性和安全性之间的妥协 飞机的重量。 安全系数越高,机身和飞机结构就必须越坚固。这增加了飞机的重量。由于这个原因,安全系数不能无限高。

飞机上的载荷以重力表示,在技术术语中称为载荷因子 (n)。它由以下等式表示:

负载系数 (n) = 提升/重量

这表明随着升力的增加,负载系数增加。例如,如果举升重量是重量的四倍,则负载系数等于 4.0 或 4 g。设计飞机时,它必须在称为机动包线的范围内,也称为 V-n 图。

V-n图
V-n 图。照片:牛津 ATPL

如上所示,V-n 图是用载荷因子与飞机速度绘制的。图中标记了三个重要的速度: Vs(失速速度)、Va(机动速度)、Vc(设计巡航速度)和 Vd(设计俯冲速度)。图中的包线在飞机的极限载荷处有极限。

从图中可以推导出的东西:

  • 当载荷系数从 O 增加到 S,速度为 Vs 时,飞机进入 1g 失速。
  • 当在 Va 飞行并拉回控制装置时,飞机失速在大约 2g。
  • 当从 Vc 加速到 Vd(C 到 D 和 F 到 E)时,飞机可以承受的最大负载系数会降低。这是因为,在高速下,飞机结构会承受高动态压力,这需要降低最大载荷系数。

这里最重要的是 Va 速度。这是最大机动速度。当飞机以或低于这个速度飞行时,飞行员可以积极地自由地装载他或她的飞机而没有机身损坏的风险。这是因为如果飞行员鲁莽地拉回控制装置,飞机会在受到损坏之前进入失速状态。因此,Va 是飞机中最重要的速度之一,由于这个原因,飞行员在超过该速度时应该小心。

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在高 g 机动期间,应注意低于飞机的最大机动速度。照片:  维基媒体的 L.G.Liao

The gust envelope

阵风包线是在机动包线的基础上建立的。它最初是在 1940 年代开发的。

阵风包络
阵风信封。照片:牛津 ATPL

根据阵风包线,设计的飞机在以速度 Vb(最大阵风强度的设计速度)飞行时必须能够承受 66 英尺/秒的垂直阵风。达到或低于该速度时,飞机会在达到可能导致结构损坏的负载系数之前失速。

还可以看出,当速度为 Vc 时,飞机可以应对 55 英尺/秒的阵风。这种强度要求的产生是因为Vb和Vc之间的巨大差异。您可以想象遇到湍流时处于 Vc,可能需要一些时间才能减速到 Vb。因此,为了解决这种延迟,即使在 Vc 下,飞机也应该能够承受相当大的阵风。

然而,这个速度并不是一个非常实用的速度,因为让飞机失速以防止其在湍流中超过其极限载荷系数是不可接受的。因此,使用了一种称为粗糙空气速度 Vra 的操作。该速度足够低以防止损坏,同时又足够高以防止意外失速。为了计算 Vra,设计人员首先计算速度 Vb,然后在机身中增加足够的强度以得出可接受的 Vra 速度,从而使飞机能够承受 66 英尺/秒的阵风。如下图所示:

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Photo: Oxford ATPL

上图显示了三种主要速度:

  • CE 线:飞机遇到 66 英尺/秒的阵风时的失速速度。
  • GHI 线:飞机的最大运行速度。
  • MN:66 英尺/秒阵风的最大强度速度。

因此,Vra 的速度必须位于 CE 和 MN 线之间。该速度的示例由线 PO 表示。当在 PO 飞行时,飞机有足够的强度来承受突然的阵风,而不会失速和意外超过其限制负载系数。

Wing design

机翼设计也会影响飞机遇到阵风时的行为。垂直阵风会导致攻角发生变化,最终导致载荷系数增加。

例如,飞机以 0.50 的 Cl(升力系数)飞行。如果迎角变化 1 度,则 Cl 增加 0.3,当阵风将迎角增加 5 度时,负载系数是多少?

负载系数 = 提升/重量

1 = 0.50/0.50

5 度攻角将使 Cl 增加 5 x 0.3,即 1.5。所以,1.5 + 0.50 = 2

负载系数 = 提升/重量

= 2/0.5

= 4

将迎角增加 5 的阵风导致负载系数为 4 g。

与直翼飞机相比,高速客机使用的后掠翼不易受到垂直阵风的影响。这是因为,对于给定的攻角,与直翼相比,后掠翼产生的升力较小。

加拿大航空公司波音 787-9 翼
喷气客机的后掠翼比直翼对湍流的反应要好得多。照片:加拿大航空

这就是为什么喷气式飞机在湍流中比飞机更平稳的原因之一。 较小的涡轮螺旋桨飞机。

ATR 72-600
大部分直翼的涡轮螺旋桨飞机在湍流中非常抽搐。照片:ATR。

飞行员在湍流中飞行时会采取什么行动?

当飞行员遇到湍流时,速度降低到湍流穿透速度Vra。该速度因飞机而异,并在飞机文档中提供。 Vra 的速度随高度变化,直到变为恒定的马赫数。

空客A320湍流穿透速度图
空中客车 A320 的湍流穿透速度图。照片:空客 A320 FCOM。

通常情况下,飞行员会尝试使用 天气雷达系统,扫描飞机前方的区域。飞行员多次使用雷达进行飞行偏差机动,减少了严重的湍流。