客机驾驶探秘4.2 飞行速度的指标以及飞机的最大飞行速度是多少?

在巡航阶段,尽管飞机上的自动驾驶仪器已经非常先进,飞行员可以不用直接进行操纵,
但是并不说明飞行员可以闲着,他们要不断扫描各种仪表,检查各种飞行数据,并时不时记录下来,还是很繁忙的。

下面就分几节对飞行数据方面的信息做个简单总结。
首先看看速度方面。

第一个是IAS 指示空速(Indicated Airspeed),这个数字显示在PFD中的左侧速度条的中央方框内,
如下图中波音777训练手册中所示,在AIRSPEED INDICATION箭头所指处的数字即为IAS,
显示出当前速度为142.5节。


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指示空速是以空速管(或称皮托管,Pitot)和静压孔测出的飞机相对于空气的速度,空速管的外形可以参看下图,

这是我在东京羽田国际机场国际航站楼上拍摄的全日空公司的波音777,
可以看到机首右侧向前伸出来的2个象针头似的探头,它们就是空速管。
为了保证安全,一般飞机上都会安装多个空速管以提高可靠性。
比如波音777上装备有3个,右侧2个,左侧1个。

空速管的原理比较简单,如下图所示,图中下方写着"全压"处(即动压)代表空速管前端空气进气口,
写着"静压"的地方代表静压孔,位于飞机机身侧面中部,

空速管感应的正前方来的冲压空气压强与侧面静压孔感应的静压的压强差即为指示空速的输入。
飞机速度快,那么动压就大,因此推动速度计里的"空盒"使之膨胀,反之收缩,
这里的"空盒"是由两片非常薄的金属板焊接而成,受到外界压力后盒子会轻微变形,
"空盒"的移动量传到计算机,因为动压和速度的乘方成正比,因此经过计算,系统就会得到指示空速,单位是海里/小时(knot)。

动压(指示空速表的显示数值)=1/2 * 空气密度 * 真速度^2
通过这个公式可以知道在同样的动压,也就是IAS显示下,高度不同,飞行速度也就不同。关于这一点下面说明TAS时还会具体用实际数字来解释。

指示空速IAS是未经补偿处理的数据,也称作表速,表示飞机相对于空气的速度。
IAS并不能代表飞机相对于地面飞得快还是慢,但是它非常重要,因为指示空速是飞机的气动力性能指针,
作各种机动动作和各种舵面操纵(如何时放襟翼,最大飞行速度,失速速度)等都需要以IAS作为标准。
因此飞行员在飞行中要不断监视这个指标。

另外需要知道的是动压是与空气密度成正比的,因此飞行高度越高空气密度越低,
因此即使飞机相对于地面高速飞行时,比如对地速度逐渐加速到900公里/小时,IAS还是会可能慢慢降低的。

参考:下图为波音777的空速管和静压口位置的示意图。


第二个关于速度的指标是TAS实际对气速度(TRUE AIRSPEED),或者叫真空速,如下图ND中屏幕左上角处的"TAS 326"显示。
スクリーンショット(2012-09-17 11.27.19).png

上面的IAS指示空速是以相对于地面上的空气密度为标准计算出来的,因此以飞机当前高度的气压为标准计算出来的速度才是真正的飞机空速,这就是TAS实际对气速度,通过TAS才能真正知道飞机飞行速度的快慢。这也是为什么TAS要显示在ND导航显示器中的原因。

让我们看看IAS和TAS数据比较。比如IAS为270节的时候,
地面上:TAS 当然也为270节。动压17大气压。
高度20000英尺时(约6100米):空气密度减少53%,为保持同样的动压TAS需要362节,即670公里/小时速度
高度30000英尺时(约9100米):空气密度减少37%,为保持同样的动压TAS需要423节,即783公里/小时速度
高度35500英尺时(约10800米):TAS为462节,即856公里/小时速度

可以看出来飞的越高,即使不用增加发动机推力,飞机的实际速度还是会越来越快,
对于航空公司和乘客来说,节约旅程时间,能尽快到达目的地,那么尽量以高高度飞行是个皆大欢喜的选择。

第三个速度指标为GS,也就是地面速度,这个指标的意思最好理解,是飞机相对于地面的飞行速度。

GS速度和风力风向有关,顶风条件来说,从TAS实际对气速度里减去相对于飞行方向的风速就是GS地面速度;对于顺风来说加上风速就是GS。

因此看上图中GS338表示对地速度(GROUND SPEED)为338节/小时,
TAS326表示实际对气速度(TRUE AIRSPEED)为326节,
下面的336度/11表明风向为336度,风速为15节,
再下面的箭头指明的风向,因此可以看出此时飞机基本处于正顺风状态,所以对地速度比对气速度要快。

第四个重要指标就是马赫数。

马赫数以奥地利物理学家马赫命名,简称M数,定义为飞行器在空中飞行时的速度与音速的比值,即音速的倍数。由于声音在空气中的传播速度随着不同的条件而不同,因此马赫也只是一个相对的单位,每"一马赫"的具体速度并不固定。在低温下声音的传播速度低些,一马赫对应的具体速度也就低一些。因此相对来说,在高空比在低空更容易达到较高的马赫数。

马赫数同样在PFD中显示,如下图下方方框中的数字".395",CURRENT MACH处即是。

飞机上的马赫数是通过IAS值计算出来的,比如在高度35500英尺(约10800米)IAS为270节时的马赫数为0.803。另外TAS值是通过马赫数计算出来,而GS是通过惯性导航系统计算出来的。

一般来说飞行在高空巡航时都用马赫数而不用指示空速进行控制,如下方波音777的MCP中的IAS/MACH WINDOW上方的按钮,可以在IAS和马赫中切换设定速度。

这是因为当飞机速度接近到空速时,机翼上方的空气流动速度可能会超过音速,于是会发生强大的冲击波,

对机翼产生巨大的震动,即音障。音障会损伤机体,严重时造成飞机失事,
因此民航飞机都会有Mmo指标,表明飞机可飞行限制最大马赫数,以保护机体强度不受损害。

另外类似Mmo还有一个Vmo,为该飞机所能够飞行的最大限制空速。因为空速越高,升力越大,
同时对机体的承受要求也就越大,如果超过一定值飞机机体同样可能会损伤。

让我们看看一些最大限制速度的具体数据:
空客A380 Vmo为340节 Mmo为0.89马赫
空客A330 Vmo为330节 Mmo为0.86马赫
波音747 Vmo为365节 Mmo为0.892马赫
波音777 Vmo为330节 Mmo为0.87马赫

你也许会说不是有协和式超音速客机吗?它为什么能超音速呢?
为了实现超音速,飞机要增强机体强度并设计为减低空气阻力的起动外形。
但增强了强度必然使机体加重,这就带来乘客数减少和费油的缺点,
要减少空气阻力把机翼前缘做薄,这又降低了载油量使航程变短。
同时超音速飞行时带来了巨大的噪音,其冲击波甚至会震碎地面上建筑物的玻璃,
致使规定了不能在陆地上超音速飞行的规则,于是协和客机只能在海洋上空进行超音速巡航,
这又大大限制了它的使用范围,最终因种种经济性原因不得不退出现役。
因此现代客机基本上都是亚音速,最大速度为0.8到0.9马赫之间,可以说这是现有技术水平下安全性和经济性之间的最大平衡点了吧。

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