客机驾驶探秘4.3 飞行高度与气压以及最大飞行高度

上一节介绍了关于速度的指标,这一节说明一下关于高度方面的数据。
飞机上高度计有两种,气压高度计(barometric altimeter)和无线电高度计(radio altimeter)。让我们先看看气压高度计。
 
我们都知道随着高度的上升,空气密度减少,气压随之下降。于是通过测量大气压,并与标准值比较就能得出测量地点的绝对高度值(海拔高度),这就是气压高度计(altimeter)的基本工作原理。使用气压来测量的好处是高度计体积小结构简单,但是也有缺点,就是除了高度以外,温度和水蒸气密度变化也会影响气压的变化。因此在飞机上飞行员一定要要根据当地实际大气情况对气压计进行校正,起飞前降落前都不能缺少,不能正确掌握的高度对于降落的危险性是不言而喻的了。
 
举个例子来说,前一天在高气压晴天天气下,某飞机降落在海拔高度6.4米的羽田机场,当时的气压为1013百帕,飞机上高度表的被校正到高度计设定29.92英尺汞柱,高度计显示为21英尺。第二天开始下雨,气压降低到997百帕,如果没有校正的话,此时高度计的显示就是450英尺,换算为米为137米。停在海拔6米处地面上的飞机,仪表显示居然是137米,天气对高度计的影响之大可见一斑。所以起飞之前飞行员一定要把高度计设定至997百帕,高度计设定29.45英尺汞柱。这个设定值的情报可以通过机场空中管制员,航空公司签派员或者机场通波ATIS来获取。
 

关于气压有几个名词会经常用到,下面简单总结一下。
 
1. "场面气压QFE"是机场水平高度的气压,FE可以用"Field Elevation"来记忆。飞行员如果用QFE的高度计设定来校正高度表,那么在机场上高度表的指针就会指向0英尺。
 
2. "修正海平面气压QNH"是根据国际民航组织所订立的标准大气将QFE转换而成的数值。NH可以用"Not Here"来记忆。上面提到的在机场时高度计设定时所使用的就是QNH值。飞行员如果用QNH的高度计设定来校正高度表,那么在机场上高度表的指针就会指向该机场的海拔高度,这也是航图上所标注的机场数据。因此在机场附近进行起飞,爬升,下降以及着陆过程时都需要以QNH值为标准来拨正高度表。这样就保证了所有起飞降落的飞机都使用同一个标准来测定飞行高度,防止撞地/飞机相撞或者异常接近等事故的发生。
 
3. "标准大气压QNE"是指在标准大气条件下海平面的气压。其值为1013.2百帕(29.92英寸汞柱)。在机场附近可以以QNH值来做标准,但是在机场之间飞行时,气压的变化不定,也不可能在地面或者海洋上设立无数的测量站来测定QNH,所以这时候所有的飞机都统一使用一个标准,即QNE的话,那么就可以简化高度表拨正并保证空中安全了。那么什么条件下把QNH调整到QNE呢?按照规定有一个过渡高度,当QHN超过这个高度以后,飞行员就需要把高度计设定至QNE,也就是29.92英寸汞柱,1013.2百帕。另外每个国家对过渡高度的规定不一样,比如上升时中国为3000米,日本为14000英尺,美国为18000英尺,英国为6000英尺,新加坡和泰国为11000英尺。
 
继续以波音777为例看一下实际的仪表显示,下图PFD中的高度显示在右侧的高度条的中央方框内,

数字"4800"表明了高度计显示为4800英尺,而下方的"29.86 IN"数据表明了高度计设定为29.86英尺汞柱,说明这时飞机使用的是QNH值。
再看一下下面这个图,把高度计部分单独拿出来,对各个数字进行了具体解释。

我们可以看到中央方框里处,"CURRENT ALTITUDE"箭头指向的数字"4800"表明了高度计显示为4800英尺,下面还有一个方框内显示着"STD",这表明当前飞机使用的QNE标准大气压。同时还可以看到STD下方的"PRESELECTED BAROMETRIC REFERENCE"箭头指向的"29.86 IN"数据。这是预设置好的高度计值,被设定为29.86英尺汞柱。飞行员可以在下降阶段中预先把目的地的QNH值调好,飞机低于过渡高度后只要按一下切换键就可以,大大简化了操作。

STD键位于上图中的EFIS控制台中右上方,"BAROMETRIC REFERENCE SELECTOR"箭头指向的BARO旋钮处就是高度表设定。
 
关于高度的单位一般欧美日本都使用英尺,中国使用米,但是在使用QNE高度设定时都使用Fly Level这个说法。使用Fly Level时数字省略掉后面2个零,因此35000英尺被叫做Fly Level 350,一般写为FL350。比如在3.7节的空中管制对话中曾经介绍过这样的介绍:
"Tokyo Control,Air System 115,Leaving 7800 for FL210,Initially Proposed FL410"
"东京区域,这里是Air System 115航班,正在通过高度7800英尺至21000英尺,最终目标高度41000英尺"
这里就使用了7800、FL210和FL410来表现高度,现在我们可以知道了,7800是QNH下的高度7800英尺,FL210是QNE下的高度21000英尺的意思。
 
那么一般来说民航客机最高能够飞多高呢?关于最大飞行高度,即"升限"涉及到2个方面的要素,升力和机体强度问题。
 
我们知道飞机能够飞行是因为有空气的存在,发动机推动飞机当到达一定速度以后,作用在机翼上的气流会产生向上的升力使飞机不断爬升。但是高度越高,空气越是稀薄,进入发动机的空气越少,发动机所能产生的推力也就越低,最终到达飞机所能向上爬升的极限,这时飞机只能进行平飞了。这就带来飞机的"实用升限"的概念。当飞机爬升速度越来越低,其垂直方向的上升率下降到300英尺/分(90米/分,慢得和人行走的速度差不多了)时所对应的高度即为实用升限。因此同类型飞机,发动机功率越大,重量越轻,实用升限也就越高。
 
机体强度涉及到飞机内外压强差的问题。在1万米上以上的高空,气温约为零下50度,气压也只有地面上的20%,因此客机里如果没有空调和增压设备提供适当的温度和气压,乘客是无法生存的。对于空调一般来说客舱内的温度都以24度为标准,夏天时夏装比较薄会适当调高温度,而冬天冬装较厚会适当调低一些温度。但是相比温度,增压调节就比较困难一些。
 
比如说如果要始终保持客舱内一个大气压情况下不断上升,随着外部气压不断下降,内外压力差的作用下,飞机就会象气球一样不断膨胀起来。在11000米时内外差的压力会达到8。1吨/平米作用到机体上,而在13000米高度时达到8。7吨/平米的力量。这就要求飞机的机体强度能够抵抗如此大的压力而不能变形。同时随着每班航班不断上升下降,作用在机体上膨胀收缩的力量不断重复,最终会造成金属疲劳,产生机体破裂等强度上的大问题。
 
因此在飞机设计上,随着高度的变化,相对外部气压变化的同时也会逐渐调整机内的气压,减少内外压力差影响。当然气压过低会造成人体不适,所以即使降低气压最低也只是降到0。75大气压,也就是相对于海拔2400米高度处的气压。为了和实际的飞行高度区别,这个高度值别称做"客舱高度"。
 
因此飞机的最高飞行高度是以和客舱高度相比时的压力差决定的。比如波音747的机体最大承受压力差为6。1吨/平米,为了维持客舱高度在2400米以下时的最大飞行高度为13750米。
 
让我们再看看其他现代客机的最大飞行高度数据。
空中客车380 压力差6吨/平米 最大高度13100米
空中客车330 压力差5。8吨/平米 最大高度 12520米
波音777 压力差6吨/平米 最大高度13130米
 

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