大热天,飞机罢工,它们也怕热?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-07-04

高温天,飞机也罢工。怕晒化?

  6月20日,美国沙漠城市凤凰城(菲尼克斯)的气温一路飙升至48.3℃,高温不但使众多市民如坠火炉,就连飞机也纷纷罢工。据报道,当天有近50个航班因高温而被取消。

  现代飞机多由先进的金属材料、复合材料制造,按理说完全能承受常规的大气温度,可为何也怕热呢?

图1 - 热浪来袭,飞机也害怕(图片来源:www.cntraveler.com)

热浪来袭,飞机也害怕(图片来源:www.cntraveler.com)

  是不是机场的原因呢?我们知道,机场跑道主要采用沥青或混凝土铺设,沥青在40℃以上就会发生软化,其在高温炙烤下难免会使飞机轮胎深陷其中,威胁起降安全。在商业机场中,应用最广泛的是结实耐用、寿命更长的混凝土跑道,这也正是凤凰城天港国际机场所采用的,因此飞机罢飞的锅不能让跑道来背。

图2 - 跑道表示:飞机罢飞的锅俺不背(图片来源:民航资源网)

跑道表示:飞机罢飞的锅俺不背(图片来源:民航资源网)

  那是不是因为乘客的舒适度较差呢?毕竟骄阳似火,飞机在暴晒之下,客舱气温难免会升高,使乘客感到憋闷。不过,这也并非飞机偷懒的理由。虽说飞机上的空调系统通常需要发动机启动后才可工作,但如今的飞机普遍安装了辅助动力装置,当飞机停在地面上时,空调系统仍能获得充足的电力,给客舱降温。

  其实,飞机在夏天面临的最大的苦恼是高温导致的升力不足和结构热应力问题。

  飞机想要上天,必须具备足够的升力,而飞机的升力是与空气密度成正比的,空气密度越大,升力也越大。在标准大气压下,当气温达到50℃时,地表空气由于膨胀而变得稀薄,密度将比20℃时降低近10%。也就是说,随着气温升高,飞机的升力会下降,影响到起降安全,取消航班就不难理解了。

图3 - 空气密度随着温度上升而下降(作者自制)

空气密度随着温度上升而下降(作者自制)

  看到这里,有小伙伴可能会疑惑:飞机往往在海拔近万米的高空巡航,那里的空气远比地表空气稀薄得多,为何却有足够的升力维持飞行呢?

  这就不得不提升力和飞行速度之间的亲密关系:升力与速度的平方成正比。飞机的巡航速度常在800千米/时以上,即使空气稀薄,依旧能获得很大的升力;而飞机在起降时,速度却只有200~300千米/时,速度的下降已经导致了升力的减小,此时若再遇上高温引发空气密度变小的情况,无疑是雪上加霜。

图4 - 高空巡航时,尽管空气稀薄,飞机仍能获得足够的升力(图片来源:www.cruisecritic.com)

高空巡航时,尽管空气稀薄,飞机仍能获得足够的升力(图片来源:www.cruisecritic.com)

  高温除了会降低升力,还会对飞机结构造成不利影响。飞机上使用最多的结构材料是铝合金,尽管其制造和装配工艺都已经十分成熟,但其强度却随着温度升高而急剧降低。而且,由于机身各部分在高温下的膨胀程度不一样,相互间会形成约束,使结构内部产生新的应力分布,导致结构发生扭曲变形,从而带来安全隐患。

图5 - 热应力导致结构变形(图片来源:www.tf.uni-kiel.de,经作者汉化)

热应力导致结构变形(图片来源:www.tf.uni-kiel.de,经作者汉化)

  总之,炎炎夏日里,飞机也害怕高温。面对高温,除了停飞,飞机就没啥抵抗的措施吗?当然有。其一,可以减少飞机上的乘客和货物,以减轻飞机重量,弥补升力的损失;其二,由于晚上温度下降,我们可以将航班调整到夜间,实际上不少低纬度地区的机场早已这么做了;其三,延长跑道,使飞机获得更大的起飞速度

图6 - 全球气候变暖,将严重威胁飞行安全(图片来源:phys.org)

全球气候变暖,将严重威胁飞行安全(图片来源:phys.org)

  不过,最后需要多说几句,面对全球气候变暖,以上措施是杯水车薪的。国际民航组织(ICAO)曾做过一项评估,随着气候变暖,空气湿度将增大,高空大气会变得很不稳定。这种全球性的气温上升给飞行安全造成的危害将伴随整个飞行过程,而不再仅仅局限在起降阶段,人们未来乘坐飞机将越来越危险。如此看来,即使是为了自身的出行安全,我们也应当为减缓气候变暖贡献自己的一份力量。

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