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空速管及空速测量

空速管及空速测量


经常做飞机旅行的人有时会有疑问:同一个目的地,为何来回距离一样,但是飞行时间却相差很多,尤其在国际航班上表现更为明显。例如从上海浦东国际机场出发飞美国洛杉矶,机票订票时显示行程大概12个小时。但是实际乘坐飞机时会发现去程上海浦东飞了11小时45分钟到了洛杉矶,但是从洛杉矶返程上海却飞了14小时15分钟,去程和返程竟然差了2个半小时。上海浦东和美国洛杉矶两地的飞行距离都一样,为何时间差了这么多?有些人说是因为地球自转的原因,如果是地球自转关系,那么飞机不用飞,在天空中悬停1天,不就是环绕地球一周了。也有人说是飞机速度不一样,还有人说是地球万有引力关系,众说纷纭,迷雾重重。究竟真相如何?其实飞机飞行时间长短跟地球自转没有直接关系,不过地球自转跟另一个因素有关系:飞机的速度(空速)。飞机的飞行时速不仅仅是飞机速度,包括两个速度的矢量,空速和地速。



什么叫空速?简而言之,飞机在空中飞行,相对大气移动的速度称为空速。相对地面的飞行速度称为地速。飞机在大气层中飞行,需要稳定的空速,所以地速相当于空速和风速的叠加,即矢量和。另一方面,大气层的中纬度地区常年刮着稳定的西风。地球自转从南到北按照纬度划分,在南北球和北半球分别有两个西风带,如果飞机顺着西风,也就是从东往西飞,也就是俗称的“顺风”,飞行速度自然就快。相反如果飞机从西往东飞,相当于“逆风”,飞行速度自然就慢了,飞行时长随即增加。比如飞机从上海飞云南昆明,去程大概需要四个半小时,回来只要三个半小时,这一个小时就是顺风和逆风的关系。这也就很好理解,国际航班横跨东西半球,从上海去美国西部去程和返程会相差两个多小时。

空速(CAS,IAS,校准空速/指示空速):飞行器事实上在空气中移动的速度。简单的说就是飞行器相对于空气的运动速度,如空速管所测试的飞行器的速度。翼面的升力来自于流过其上下表面气流的速度差,因此空速决定了升力的大小。空速越大,升力就越大;没有空速,升力消失,飞机就会从天上掉下来。

地速(Ground Speed):飞行器相对于地面坐标系的运动速度,它是空速与风速的向量之和。无风飞行时,空速就是地速。如GPS和北斗所测试的速度就是地速。


空速管是怎样测量空速的?空速管也称皮托管、总静压管等,它是测量飞机飞行时周边气流的总压和静压等数据,并将测得的静压和全压等大气压力数据传送至大气数据计算机和驾驶舱内飞行仪表的装置。我们可以看到空速管的前端有一个小孔,实际上它由两个同心圆管组成,内圆管为总压管,外套管为静压管。当飞机向前飞行时,气流便进入空速管前端的小孔,而安装在管子末端的传感器就能感受到气流冲击的力量——这实际上就是一个压力传感器,感受到的压力被称作动压。飞机飞得越快,气流冲击力越大,动压就越大。而此时将空气静止时的静压与动压相比,就可以得出压差。


GPS和北斗测量飞行器的速度的精度非常高,但飞机为什么不用GPS或北斗来取代空速管测空速,非要利用空速管?一方面是因为空速管测量的静压和动压或全压数值,是飞机的一个飞行的重要参数,可以直接反映飞机飞行状态,例如飞机的升力是否足够及发动机工作状态等。GPS和北斗测量的空速是飞机相对于地面的速度,是地速,不能反映飞行器的升力和失速等真实状况,这是GPS无法取代空速管的根本原因。另一方面是因为而且在高山或峡谷等非空旷领域GPS信号容易丢失,此时空速管测量的空速就替代GPS或北斗来测量空速,所以空速管测量的校准空速是GPS或北斗测速的重要补充。同时,空速管测量气压高度和空速还具有GPS没有的优势,空速管与膜盒高度表和膜盒空速表配合使用,即使在整个飞机系统断电下,空速管仍然能够测量气压高度和空速。

   

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