客機駕駛探秘4.2 飛行速度的指標以及飛機的最大飛行速度是多少?

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在巡航階段,儘管飛機上的自動駕駛儀器已經非常先進,飛行員可以不用直接進行操縱,
但是並不說明飛行員可以閒著,他們要不斷掃描各種儀器,檢查各種飛行數據,並時不時記錄下來,還是很繁忙的。

下面就分幾節對飛行數據方面的資訊做個簡單總結。
首先看看速度方面。

第一個是IAS 指示空速(Indicated Airspeed),這個數字顯示在PFD中的左側速度條的中央方框內,
如下圖中波音777訓練手冊中所示,在AIRSPEED INDICATION箭頭所指處的數字即為IAS,
顯示出當前速度為142.5節。


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指示空速是以空速管(或稱皮托管,Pitot)和靜壓孔測出的飛機相對於空氣的速度,空速管的外形可以參看下圖,

這是我在東京羽田國際機場國際航站樓上拍攝的全日空公司的波音777,
可以看到機首右側向前伸出來的2個象針頭似的探頭,它們就是空速管。
為了保證安全,一般飛機上都會安裝多個空速管以提高可靠性。
比如波音777上裝備有3個,右側2個,左側1個。

空速管的原理比較簡單,如下圖所示,圖中下方寫著"全壓"處(即動壓)代表空速管前端空氣進氣口,
寫著"靜壓"的地方代表靜壓孔,位於飛機機身側面中部,

空速管感應的正前方來的衝壓空氣壓強與側面靜壓孔感應的靜壓的壓強差即為指示空速的輸入。
飛機速度快,那麼動壓就大,因此推動速度計里的"空盒"使之膨脹,反之收縮,
這裡的"空盒"是由兩片非常薄的金屬板焊接而成,受到外界壓力後盒子會輕微變形,
"空盒"的移動量傳到計算機,因為動壓和速度的乘方成正比,因此經過計算,系統就會得到指示空速,單位是海里/小時(knot)。

動壓(指示空速表的顯示數值)=1/2 * 空氣密度 * 真速度^2
通過這個公式可以知道在同樣的動壓,也就是IAS顯示下,高度不同,飛行速度也就不同。關於這一點下面說明TAS時還會具體用實際數字來解釋。

指示空速IAS是未經補償處理的數據,也稱作錶速,表示飛機相對於空氣的速度。
IAS並不能代表飛機相對於地面飛得快還是慢,但是它非常重要,因為指示空速是飛機的氣動力性能指針,
作各種機動動作和各種舵面操縱(如何時放襟翼,最大飛行速度,失速速度)等都需要以IAS作為標準。
因此飛行員在飛行中要不斷監視這個指標。

另外需要知道的是動壓是與空氣密度成正比的,因此飛行高度越高空氣密度越低,
因此即使飛機相對於地面高速飛行時,比如對地速度逐漸加速到900公里/小時,IAS還是會可能慢慢降低的。

參考:下圖為波音777的空速管和靜壓口位置的示意圖。


第二個關於速度的指標是TAS實際對氣速度(TRUE AIRSPEED),或者叫真空速,如下圖ND中螢幕左上角處的"TAS 326"顯示。
スクリーンショット(2012-09-17 11.27.19).png

上面的IAS指示空速是以相對於地面上的空氣密度為標準計算出來的,因此以飛機當前高度的氣壓為標準計算出來的速度才是真正的飛機空速,這就是TAS實際對氣速度,通過TAS才能真正知道飛機飛行速度的快慢。這也是為什麼TAS要顯示在ND導航顯示器中的原因。

讓我們看看IAS和TAS數據比較。比如IAS為270節的時候,
地面上:TAS 當然也為270節。動壓17大氣壓。
高度20000英尺時(約6100米):空氣密度減少53%,為保持同樣的動壓TAS需要362節,即670公里/小時速度
高度30000英尺時(約9100米):空氣密度減少37%,為保持同樣的動壓TAS需要423節,即783公里/小時速度
高度35500英尺時(約10800米):TAS為462節,即856公里/小時速度

可以看出來飛的越高,即使不用增加發動機推力,飛機的實際速度還是會越來越快,
對於航空公司和乘客來說,節約旅程時間,能儘快到達目的地,那麼儘量以高高度飛行是個皆大歡喜的選擇。

第三個速度指標為GS,也就是地面速度,這個指標的意思最好理解,是飛機相對於地面的飛行速度。

GS速度和風力風向有關,頂風條件來說,從TAS實際對氣速度里減去相對於飛行方向的風速就是GS地面速度;對於順風來說加上風速就是GS。

因此看上圖中GS338表示對地速度(GROUND SPEED)為338節/小時,
TAS326表示實際對氣速度(TRUE AIRSPEED)為326節,
下面的336度/11表明風向為336度,風速為15節,
再下面的箭頭指明的風向,因此可以看出此時飛機基本處於正順風狀態,所以對地速度比對氣速度要快。

第四個重要指標就是馬赫數。

馬赫數以奧地利物理學家馬赫命名,簡稱M數,定義為飛行器在空中飛行時的速度與音速的比值,即音速的倍數。由於聲音在空氣中的傳播速度隨著不同的條件而不同,因此馬赫也只是一個相對的單位,每"一馬赫"的具體速度並不固定。在低溫下聲音的傳播速度低些,一馬赫對應的具體速度也就低一些。因此相對來說,在高空比在低空更容易達到較高的馬赫數。

馬赫數同樣在PFD中顯示,如下圖下方方框中的數字".395",CURRENT MACH處即是。

飛機上的馬赫數是通過IAS值計算出來的,比如在高度35500英尺(約10800米)IAS為270節時的馬赫數為0.803。另外TAS值是通過馬赫數計算出來,而GS是通過慣性導航系統計算出來的。

一般來說飛行在高空巡航時都用馬赫數而不用指示空速進行控制,如下方波音777的MCP中的IAS/MACH WINDOW上方的按鈕,可以在IAS和馬赫中切換設定速度。

這是因為當飛機速度接近到空速時,機翼上方的空氣流動速度可能會超過音速,於是會發生強大的衝擊波,

對機翼產生巨大的震動,即音障。音障會損傷機體,嚴重時造成飛機失事,
因此民航飛機都會有Mmo指標,表明飛機可飛行限制最大馬赫數,以保護機體強度不受損害。

另外類似Mmo還有一個Vmo,為該飛機所能夠飛行的最大限制空速。因為空速越高,升力越大,
同時對機體的承受要求也就越大,如果超過一定值飛機機體同樣可能會損傷。

讓我們看看一些最大限制速度的具體數據:
空客A380 Vmo為340節 Mmo為0.89馬赫
空客A330 Vmo為330節 Mmo為0.86馬赫
波音747 Vmo為365節 Mmo為0.892馬赫
波音777 Vmo為330節 Mmo為0.87馬赫

你也許會說不是有協和式超音速客機嗎?它為什麼能超音速呢?
為了實現超音速,飛機要增強機體強度並設計為減低空氣阻力的起動外形。
但增強了強度必然使機體加重,這就帶來乘客數減少和費油的缺點,
要減少空氣阻力把機翼前緣做薄,這又降低了載油量使航程變短。
同時超音速飛行時帶來了巨大的噪音,其衝擊波甚至會震碎地面上建築物的玻璃,
致使規定了不能在陸地上超音速飛行的規則,於是協和客機只能在海洋上空進行超音速巡航,
這又大大限制了它的使用範圍,最終因種種經濟性原因不得不退出現役。
因此現代客機基本上都是亞音速,最大速度為0.8到0.9馬赫之間,可以說這是現有技術水平下安全性和經濟性之間的最大平衡點了吧。

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