環(huán)繞地球的大氣與飛行

梁惠福

從地球表面垂直上升約至十余公里的高度，有一層較厚的空氣層?？諝夥肿邮艿匦囊Φ奈o緊地包圍著地球。這一空氣層我們稱(chēng)之為大氣(圖1)。大氣是地球表面上自然界生物賴(lài)以生存的重要食糧；是氣象變化的基礎(chǔ)。大氣也是許多科學(xué)部門(mén)，如地球物理學(xué)，空氣動(dòng)力學(xué)，氣象學(xué)，海洋學(xué)，化學(xué)及生物學(xué)等的研究對(duì)象。航空科學(xué)研究的一切器械都要在大氣中活動(dòng)，大氣與航空的關(guān)系就更密切了。

圖1大氣及大氣層

大氣是由氮?dú)?、氧氣及一些稀有氣體混合成的，而氮、氧占著絕大的比例。大氣分子的質(zhì)量與下降加速度的乘積形成了壓力。大氣壓力也可以說(shuō)成是海平面上空單位面積的大氣柱的重量；當(dāng)溫度是攝氏15°時(shí)，海平面上大氣壓力能將水銀柱壓起760毫米，約合1公斤多一點(diǎn)。這個(gè)壓力隨溫度、高度而變化。高度、溫度愈高，大氣壓力就愈減小，反之就增加。大氣壓力及其變化影響著飛行。飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)論是渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，或是活塞螺旋槳式發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行中都會(huì)因高度的增加而功率減退。為了在一定的飛行高度上能維持發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，設(shè)計(jì)家們?cè)捎昧烁呖照{(diào)節(jié)器，進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)器，二速增壓器等發(fā)動(dòng)機(jī)附件裝置。但到了一定的高空，例如一萬(wàn)公尺，往往飛機(jī)就達(dá)到了上升的極限，大都不是因?yàn)闄C(jī)翼及機(jī)體的原因，而是大氣壓力影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的功率所致。飛行員的血壓在地面與一般人一樣，血管內(nèi)的壓力與大氣壓力保持一定的平衡，飛行到中空以上的高度，大氣壓力顯著降低，飛行員體內(nèi)的血壓相對(duì)升高。一方面要求飛行員有適合飛行的血壓，一般在靜坐時(shí)不超過(guò)120毫米水銀柱；另一方面使飛機(jī)座艙密封，在艙內(nèi)保持適合人體的氣壓，如此可以保證在較高的高度上，飛行員身體正常，便于工作，這也有利于飛行員的健康。特種高空飛行服，飛行帽也是由于大氣的這一性質(zhì)所決定的。

大氣的溫度是由于太陽(yáng)的光照射到地球表面后輻射而來(lái)的。地球表面的溫度受季節(jié)，晝夜的改變，隨地區(qū)的不同而有許多變化；還隨氣象的變化而增減。不過(guò)科學(xué)上規(guī)定海平面攝氏15°是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)，這個(gè)數(shù)隨高度的上升而遞減。它的規(guī)律是每上升1千公尺降低攝氏約6度。到了3千公尺將降到零度，至1萬(wàn)2千公尺將降至約－56℃。因此飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有散熱及保溫用的裝置(如魚(yú)鱗板)。飛行員在空中時(shí)常觀察滑油溫度表、汽缸頭溫度表及進(jìn)氣溫度表，根據(jù)那些儀表上指示數(shù)字來(lái)開(kāi)關(guān)散熱、保溫裝置。溫度對(duì)飛機(jī)機(jī)身各部也有影響，物質(zhì)是遇熱則漲，遇冷則縮的。飛機(jī)上的金屬有鋼、銅、鋁、鋁鎂合金、鉻鋼、鎢鋼等，膨脹系數(shù)不一樣。在溫度發(fā)生了較大變化時(shí)，各金屬的伸縮變化也就大，于是各活動(dòng)搖臂，繩索，滑輪的間隙要發(fā)生變化，有時(shí)會(huì)影響操縱性能，必須經(jīng)常檢查并做適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以保證性能及安全。在地面由于地區(qū)的不同也有很大的溫差變化。我國(guó)每年1月份是全國(guó)平均溫度最低的月份，黑龍江北部可低達(dá)－40℃，而兩廣和海南島卻在十5℃左右。在冬天，發(fā)動(dòng)機(jī)的各種油類(lèi)導(dǎo)管要纏繞石綿繩，既可保溫又能防火；蓄電瓶周?chē)右院駳忠苑辣鶅觯搩?nèi)利用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量加溫，有的飛機(jī)沒(méi)有加溫裝置，飛行員需要穿上厚重的皮衣，皮帽，皮手套，由于服裝笨重使飛行員操縱困難，易于疲倦。因此在嚴(yán)寒中飛行較困難?，F(xiàn)代化的新型機(jī)種都有密封座艙及加溫設(shè)備。到了夏天大氣溫度增高，特別是長(zhǎng)江流域以南，滑油、高壓油的粘度降低，潤(rùn)滑力減弱，發(fā)動(dòng)機(jī)馬力不足，各種應(yīng)用高壓油的收放機(jī)構(gòu)遲緩，甚至不靈。飛行員在低空容易出汗，丟失一定的鹽份，精神易于疲倦，炎熱的中午往往停止飛行。這種情況下，午睡，水果，鹽水對(duì)飛行員是很必要的。

溫度高的空氣層中飛行爬高較慢，飛行也不穩(wěn)定；在溫度低的空氣層中爬高較快，飛行也比較穩(wěn)定。

大氣的密度在海平面的標(biāo)準(zhǔn)情況下是0.125公斤/公尺3。由于高度的增加，大氣密度也隨高度而減小，因此飛行人員在4，000公尺的高度就要開(kāi)始使用氧氣了。飛機(jī)內(nèi)有氧氣瓶，氧氣面罩等特種裝備，大氣密度隨高度減小后，飛機(jī)的阻力相對(duì)減小，速度加大。

飛行速度近年來(lái)愈來(lái)愈大。飛行速度大到與音速相等或超過(guò)音速時(shí)，在機(jī)翼的前緣，機(jī)頭前部尖端等處產(chǎn)生一種特殊的阻力波，叫激波(圖2)。飛機(jī)設(shè)計(jì)家們采取了許多措施，如使機(jī)翼后掠、或使展弦比減低，前緣尖削等，來(lái)減弱激波或防止激波的產(chǎn)生。

圖2激波圖

大氣在對(duì)流層內(nèi)，由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，太陽(yáng)的照射，晝夜溫差的變化，水蒸汽的蒸發(fā)等而發(fā)生氣象變化。俗語(yǔ)說(shuō)：“飛行靠天吃飯”，就是說(shuō)天氣變化與飛行關(guān)系很是密切。當(dāng)然并不是什么樣的氣象條件都妨礙飛行，也不是說(shuō)任何一個(gè)飛行員都可以克服復(fù)雜的氣象條件。影響飛行的氣象條件雖然很多，但主要的是風(fēng)，能見(jiàn)度，云及降水等現(xiàn)象。

空氣的水平流動(dòng)形成了風(fēng)。風(fēng)吹的方向與飛機(jī)速度的運(yùn)動(dòng)方向，大體上分為三種：即逆風(fēng)、順風(fēng)、側(cè)風(fēng)。飛機(jī)起飛上升，落地下滑及落地，除特殊情況都是逆風(fēng)進(jìn)行的，適當(dāng)?shù)哪骘L(fēng)有利于升力的產(chǎn)生，可以減短起飛及落地后的滑跑距離。但逆風(fēng)在長(zhǎng)途飛行中減小地速，增長(zhǎng)航行時(shí)間，是不利于航行的。順風(fēng)對(duì)航行有利，但起飛落地是使用不得的，“一帆風(fēng)順”即指順風(fēng)對(duì)航行有利。從飛機(jī)左右兩方來(lái)的風(fēng)是側(cè)風(fēng)。側(cè)風(fēng)有順側(cè)風(fēng)及逆?zhèn)蕊L(fēng)，逆?zhèn)蕊L(fēng)起落在風(fēng)速不大于每秒10余公尺的情況下是可以的，其形成多由于機(jī)場(chǎng)固定跑道的度數(shù)和風(fēng)向有了交角，順側(cè)風(fēng)多以調(diào)轉(zhuǎn)起落方向的方法來(lái)改變風(fēng)向。側(cè)風(fēng)在空中與飛行方向，飛行速度構(gòu)成了偏流三角形，要用加減度數(shù)的方法來(lái)修正偏流。無(wú)風(fēng)時(shí)對(duì)飛機(jī)的起落是不利的，如起飛落地距離增長(zhǎng)，落地下滑時(shí)降高較慢，使飛機(jī)的操縱超出了平常習(xí)慣的范圍。風(fēng)速在5公尺/秒時(shí)對(duì)任何飛機(jī)的飛行都是有利的；風(fēng)速到達(dá)12公尺/秒時(shí)輕型小飛機(jī)的操縱就感覺(jué)困難；風(fēng)速在15公尺/秒以上時(shí)對(duì)任何機(jī)種都是不利的。風(fēng)速大飛行員用不放襟翼、兩點(diǎn)著陸、測(cè)滑修正偏流等辦法來(lái)消減風(fēng)對(duì)飛行的影響，但風(fēng)速過(guò)大往往是飛行員的人為能力所不能及的，也就不能再飛了。

空中有因空氣的垂直對(duì)流而形成的上升下降氣流，這種上升或下降氣流最能被滑翔機(jī)駕駛員利用在空中翱翔，飛機(jī)駕駛員往往忽略這種氣流的利用(圖3)。升降氣流有時(shí)像澎湃的海浪，巔波不定，飛行員用較小的馬力及多次迅速的修正來(lái)保持正常飛行，這種飛行往往造成同乘人員的頭昏，惡心以至于嘔吐。乘客從窗口向遠(yuǎn)處看，個(gè)人的行動(dòng)盡量與飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向一致，心理上意志的堅(jiān)定，食物不可過(guò)多均能減輕航空病，當(dāng)然飛行員是沒(méi)有航空病的，有航空病的人也就學(xué)不好飛行了。

圖3升降氣流對(duì)飛機(jī)的影響

飛行員操縱飛機(jī)最容易的、最普遍的方法之一就是用飛機(jī)機(jī)頭、機(jī)翼尖、風(fēng)檔與天地線的關(guān)系位置來(lái)判斷飛機(jī)的飛行狀態(tài)。但當(dāng)天氣條件變壞，能見(jiàn)度不好時(shí)，只見(jiàn)機(jī)翼下方一塊地面，其它什么也看不見(jiàn)，這時(shí)只有看飛機(jī)座艙內(nèi)的儀表來(lái)維持飛機(jī)正常狀態(tài)，航行時(shí)只憑羅盤(pán)，時(shí)鐘及無(wú)線電導(dǎo)航，于是飛行就比較困難復(fù)雜了。

云是由于太陽(yáng)輻射的熱，蒸發(fā)地面水汽在各種不同高度上，由于溫度的降低凝結(jié)而成的。云的種類(lèi)、狀態(tài)、性質(zhì)的識(shí)別，云的形成及其對(duì)氣象的影響在氣象學(xué)中占了很重要的部分。飛行員接觸云是較多的，應(yīng)當(dāng)對(duì)云有確切的了解，一般高空的卷狀云，中空的波狀、層狀云都較穩(wěn)定，少有降水現(xiàn)象，對(duì)飛行影響不大，在這些云的下方，往往形成穩(wěn)定的天氣條件。中空的積雨云是一種危險(xiǎn)的云。云頂高度很高，有時(shí)竟達(dá)7000公尺，一般飛機(jī)不能在短時(shí)間爬過(guò)它，云內(nèi)升降氣流劇烈，上下巔波每秒竟達(dá)100公尺左右，使飛機(jī)折毀或翻轉(zhuǎn)，有雷電，使無(wú)線電設(shè)備及部分儀表失靈。一般均禁止穿過(guò)積雨云。雨層云運(yùn)動(dòng)快，有降水，能見(jiàn)度不好，有時(shí)機(jī)場(chǎng)被云遮住，飛機(jī)不易降落。雨、雪、霧都給飛行員造成很大困難，目前的新的儀表系統(tǒng)及雷達(dá)設(shè)備解決了這個(gè)問(wèn)題，但需要飛行員有精湛的盲目?jī)x表駕駛技術(shù)。

大氣與飛行有著密切的關(guān)系。飛機(jī)制造家設(shè)立巨大完備的風(fēng)洞研究某機(jī)型的空氣動(dòng)力，改進(jìn)飛行性能；飛行員提高駕駛術(shù)來(lái)克服風(fēng)、云、雨、雪、能見(jiàn)度等氣象條件所造成的困難；氣象臺(tái)設(shè)立密布的觀測(cè)站，預(yù)報(bào)站，使用精密儀器，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，使飛行充分利用的天氣，而避開(kāi)惡劣天氣。應(yīng)該說(shuō)，人類(lèi)航空的成就，還沒(méi)有全部勝利地征服大自然界由于氣象變化而給飛行帶來(lái)的全部困難和危害。