众所周知,飞机飞行高度越高,受气流影响越小,飞行稳定性也就越高。因此,现代客机自20世纪30年代问世时,起步飞行高度便接近8千米。令人意外的是,历经近百年发展,
于是,人们不禁好奇,究竟是哪一些原因限制了飞机逐步提升飞行高度?经深入思考,主要有以下三个原因,其中前两个原因大概率在多数人的意料之中。
这主要体现在两个方面:一是飞机发动机动力受限,二是机翼产生升力的能力受限。
就发动机而言,海拔越高,空气越稀薄,氧气含量越少。如同人们前往会因缺氧而感到头疼,发动机对氧气的需求量远高于人体,受到的影响更为显著。
发动机的推力等于吸入空气质量与进出口速度差的乘积,空气稀薄导致吸入空气量减少,同时氧气含量降低使得航空煤油燃烧不充分,喷气速度下降。基于此,发动机推力减小是必然结果,否则将违背物理学基本原理。
对于机翼,由于机翼产生的升力与空气密度成正比,空气稀薄必然导致升力下降。当升力小于飞机重力时,飞机便会下降,除非通过提高飞行速度来弥补升力的不足,因为升力还与速度的平方成正比。然而,提高速度需要发动机提供更大推力,而前文已提及发动机在高海拔环境下动力受限,这就形成了一个难以解决的矛盾。
运用极限思维分析这一原因,不难理解:当飞机持续升高,直至大气层边缘接近真空状态时,发动机将因缺氧而熄火,飞机失去动力支持,必然会坠落,除非配备火箭发动机。这一原理在初中物理课程中便有所涉及,即便无法细致分析其中的物理过程,通过极限法也能得出类似结论。
飞机内部压力高于外部,类似于一个能承受压力的容器。以波音 737 MAX 为例,其曾出现舱门在空中炸开并飞离飞机的情况,这正是由于内部压力高于外部压力所致。
而且,随着飞行高度升高,这种压力差会进一步增大。因为客机机舱内的压力通常维持在相当于海拔3千米高度的气压水平,以保证乘客的舒适度,否则乘客将会因气压过低而感到不适。然而,机舱外部压力会随着高度升高而持续下降,这就使得飞机飞行高度越高,机身内外的压力差越大,机身承受的作用力也越大。
这一点与战斗机不一样,战斗机通过特殊设计,能够保持机身内外压力差恒定,因此无论飞行高度如何增加,机身承受的压力不会显著增大,这使得战斗机能达到更高的飞行高度。但必须要格外注意的是,战斗机的这种设计其实就是将部分压力转移至飞行员身上。
设想一下,若将人置于2万米高空,即便氧气供应充足、保暖设施完备,人体也会因压力变化而产生不适,甚至有可能出现身体异常反应。
例如,当飞机在高空巡航时,若机舱玻璃突然破裂,机舱内压力将迅速下降至接近舱外气压水平。此时,乘客不仅会受到惊吓,还会面临氧气含量急剧减少的危险,相当于置身于珠穆朗玛峰的高度环境。
为保障乘客生命安全,飞机应急氧气面罩会自动弹出,但如果乘客在晕厥前未能及时佩戴面罩,将可能危及到生命,家属则可能获得相应赔偿。
从机舱突然漏气到乘客失去佩戴面罩能力的时间间隔,在航空领域被称为“可用意识时间”。这一时间的长短与飞机飞行高度密切相关。
在15000米的高度,普通人的可用意识时间平均仅为5秒钟,这在某种程度上预示着乘客可能来不及做出一定的反应便错失自救机会。而在1万米高度,可用意识时间可延长至15至30秒,多数乘客能够自行佩戴面罩,空乘人员也有足够时间协助少数未能及时佩戴的乘客。
或许有人会提出,既然海拔越低,可用意识时间越长,那么飞机在发生漏气时迅速降低高度不就能解决问题了吗?
事实上,当机舱突然漏气时,确实需要尽快降低飞行高度,目标高度通常设定为3千米。然而,飞机的下降速度存在严格限制,即使在紧急状况下,每分钟下降2千米已属极限。下降速度过快可能会引起飞机失控,甚至机身解体,引发机毁人亡的严重后果。
原本可能仅仅是个别乘客晕厥的小事故,若因不当操作导致飞机失事,将造成不可挽回的损失。因此,试图通过紧急下降来延长乘客可用意识时间的方法并不现实,在飞机下降过程中,可能已有部分乘客因缺氧而失去意识。
综上所述,即便飞机发动机推力足够强大,机身结构强度足以承受高海拔压力,在紧急状况下,乘客的救生问题依然是一个难以攻克的难题。毕竟,客机的基本功能是运输乘客并实现盈利,任何可能会引起乘客伤亡的情况都将对航空公司造成巨大损失。
或许,随着超音速客机的重新投入到正常的使用中,人们将有机会体验2万米高空的飞行。例如,已退役的协和超音速客机,其巡航高度可达18000米,由于超音速飞行时激波阻力较大,在空气稀薄的高度飞行能够有效节省燃油成本。
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