在棺材角飛行——法航447號航班

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2009年6月,法航447號航班在地處熱帶大西洋中部時失蹤,當時它可能已經進入了一個中尺度對流複合體,這是一個強雷暴系統,據信沿著447號航班的飛行路徑至少有四場風暴的深度。

447號航班的巡航高度為35,000英尺,在這個高度,飛機的失速速度和聲速之間的關係被稱為“棺材角”。這個名字並非來自“在那裡飛行是致命的”,而是來自失速速度與高度關係的曲線圖的形狀,當速度用馬赫數表示時,即相對於聲速的速度。曲線然後類似於右側所示的棺材的錐形角。

當你沒有太多空氣需要推開時,加速會容易得多。這個簡單的事實促使現代噴氣式飛機在30,000英尺以上的高度飛行,那裡的空氣稀薄,燃油經濟性高。


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在如此高的高度飛行也有其缺點。減少摩擦阻力的稀薄空氣也降低了發動機功率、升力和控制面的效率。在一篇關於447號航班的英國《泰晤士報》文章中,前英國航空公司飛行員羅傑·吉弗引用了大型、載油量大的飛機在如此高度搖擺不定的說法。

447號航班的空客330也是一架“電傳操縱”飛機,這意味著飛行員和控制面之間沒有機械連線,因此也沒有物理反饋。即使在直接飛航模式下,控制裝置也完全是電子的,並且僅透過銅線連線,顧名思義。

如果機翼上氣流產生的升力小於飛機的重量,那麼您就不再是飛行,而是“失速”墜落。飛機的最小安全執行速度 (Vmin) 設定得足夠高於失速速度,以便正常的風和飛機高度波動不會導致飛機失速。

然而,升力取決於空氣密度(kg/m³)和飛機的速度,而空氣密度隨著高度的增加而降低。因此,您飛得越高,為了保持在失速速度之上,您必須飛得越快。

隨著您飛得更高,溫度也會降低,至少在商業飛機飛行的對流層中是這樣。隨著溫度降低,聲速也會降低。

像447號航班的空客330這樣的商用飛機通常以大約聲速的82%巡航。超過大約聲速的86%時,氣流開始從機翼上分離,變得湍流,升力降低。

隨著失速速度隨著高度的增加而增加,聲速隨著高度的增加而降低,飛機可以執行的速度視窗變得越來越窄。右圖顯示了在熱帶地區典型的大氣溫度和壓力垂直剖面下,最小和最大執行速度的這種收斂。

藍色曲線顯示了最小執行速度的預期變化型別。紅色曲線顯示了聲速86%時的最大執行速度。綠色曲線顯示了聲速82%的巡航速度。頂部的黑色直線顯示了飛機可以飛行的速度“視窗”。

在正常情況下,在棺材角飛行是標準操作。然而,當進入中尺度對流複合體時,447號航班離開了正常條件,可能只看到了第一排風暴,並在它們之間穿行,結果卻發現自己身處複合體的中心。

經歷飛機失速通常是一次難忘的經歷。有一次,我獨自駕駛滑翔機飛行。學習識別和從失速中恢復是最初教授的課程之一。你慢慢地向後拉桿,讓機頭抬起,空速下降。滑翔機輕微震顫,底部掉落。突然之間,你是在墜落而不是飛行。

為了恢復,您向前推杆,讓飛機的機頭向下,並增加機翼上的速度。您重新開始飛行,可以將杆拉回到直線和(幾乎)水平的滑翔狀態。

對於動力飛機,可以透過施加更大的動力來增加空速或降低機頭來完成從失速狀態的恢復,但您必須知道您正在失速。這意味著要有工作的空速指示器,或者能夠感覺到空速和升力的下降。一旦飛機實際失速,就需要降低機頭才能恢復

對於447號航班,這兩種情況可能都沒有成立。飛機上的皮托管型號已知存在結冰問題,並且已安排更換。來自飛機的自動訊息表明,就在它從聯絡中消失之前,發生了故障。

對於飛行員來說,在能見度受限的雲層中,在劇烈的陣風、上升氣流和下降氣流的情況下,在沒有儀器且沒有來自飛行控制的直接反饋的情況下,感知飛行效能的變化可能是不可能的。

法國調查447號航班墜毀事故的機構BEA的中期報告(pdf)指出,“對尾翼和來自乘客[艙](廚房、廁所門、機組休息模組)的部件的觀察表明,飛機很可能以直線撞擊水面,具有很高的垂直加速度。...根據迄今為止回收的要素,沒有發現火災或爆炸的證據。”

這是一架直到撞擊瞬間都完好無損的飛機嗎?飛機是否在“棺材角”失速,但系統故障、湍流和能見度不足導致飛行員認為飛機處於水平飛行狀態,直到為時已晚?

理論上,當飛機下降出棺材角時,從失速中恢復變得更容易,因為可能的飛行速度視窗變得更寬,發動機變得更強大,控制面也更有效。目前尚不清楚損壞或資訊不足是否破壞了447號航班的此類恢復。只有現在,在兩年後,隨著黑匣子的找回,答案才開始為人所知。

關於作者:基思·埃裡克·格蘭特是一位自由撰稿人、物理學家和按摩治療講師。他擁有加州大學戴維斯分校應用科學博士學位,曾在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室擔任大氣科學家和計算物理學家。基思是國家科學作家協會、美國地球物理聯合會、工業與應用數學學會以及聯合人體工作與按摩專業人士協會的成員。他還為行業雜誌今日按摩撰寫“漫談繆斯”專欄。您可以在Twitter上關注基思,賬號為@ramblemuse

所表達的觀點是作者的觀點,不一定代表《大眾科學》的觀點。

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