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?

2021年03月10日15:36:22 科学 1478

编辑 | 角落

青藏高原是地球的“第三极”。青藏高原和地球上的南、北极有着共同的地方,这就是气候寒冷。但是它也有自己高极的特点:那就是空气稀薄,气压低。大多数初到西藏旅游的人们会印象深刻,在高原上稍有运动量较大的行为,比如奔跑、快速上下坡等,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。人类在高原上有典型的高原反应,其实飞行器,比如飞机在高原上也会出现动力不足等高原反应,这是怎么回事呢?

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。

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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。

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。

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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,飞机初期起飞时的海拔高度非常重要,往往决定着这次航行的成功与失败。

此外,飞机在万米高空,虽然空气变得更加稀薄,但是飞机已经处于高速状态,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。

那既然飞机在高原上起落会动力不足,去高原坐飞机还安不安全呢?其实,飞机作为目前安全系数最高的交通工具之一,经过百年来的技术更新和新机型的不断涌现,其安全可靠性已经位列交通工具之首,每次飞行之前必不可少的机体巡查和维护等工作都是其他交通工具不具备的。另外,为适应高原地形,适合飞机发动机在起飞阶段有更多时间燃烧效率,高原的机场一般都比平原机场长许多。所以,只要排除极端天气情况下的飞行起落,高原上坐飞机还是很安全的。

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