书城科普读物探究式科普丛书-人类的翅膀:飞机
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第3章 碧空雄鹰——飞机(3)

特技有简单特技、复杂特技和高级特技之分。简单特技主要动作有:盘旋、俯冲、横滚、跃升、急上升转弯等;复杂特技有:最大允许坡度盘旋(大坡度盘旋)、半滚倒转、筋斗、半筋斗翻转、斜筋斗等;高级特技有:上下横“8”字、竖“8”字、草花形筋斗、双上升转弯、上升横滚、跃升盘旋、翻转横滚、多次上升横滚和多次下滑横滚等。

20世纪70年代,电子计算机技术开始在飞机上得到应用,飞机有了自己的电子“大脑”。首先使用了3台电子计算机分别控制飞机3个轴的飞行状态。这样,飞机不仅能被控制平飞,而且可以控制转弯和升降。飞机在做转弯和升降运动时,它的推力就会相应的发生变化。于是人们又在飞机上加装了管理推力的推力控制计算机,初步实现了自动任意飞行。但它也只限于保持在已设定的路线上的飞行,还不能与机上的仪表系统全面联系起来,以便对外界的变化及时作出反应。

为了使飞机真正实现自动控制飞行的全过程,人们在飞机上又装上一台能力更强的计算机,全面管理和协调飞行。这台统管全局的计算机叫飞行管理计算机,它是飞机的核心中枢。在这个中枢的数据库内存储着各个机场及各条航路的数据。驾驶员只要选定航路的起点和终点,将命令输入这台计算机内,它就可以代替驾驶员指挥飞机起飞、爬升、巡航、下降直到降落在目的地机场。这套系统还可以在飞行全过程中即时发出指令,使飞机按照最佳的飞行状态、最合理的使用推力、最经济的油耗飞完全程,从而实现了全程自动化飞行。

需要指出的是,自动化飞行再好也代替不了飞行员的核心作用,飞机飞行仍需人为监督。原因:一是飞机的航行线路要由驾驶员设定并输入到计算机中去;二是飞机在起飞和降落这两个阶段中,变化因素太多,计算机只能按预先编好的程序动作,不具备灵活反应的能力;三是即使飞机在巡航状态时,驾驶员可以不做任何动作去控制飞机,但他必须监视这个机器“大脑”的工作。万一这台“大脑”出现什么故障或反应不够及时,驾驶员要立刻接管驾驶飞机的任务,这样才能保证飞行安全。

第二节黑色瞬间——飞机事故

1.惊魂梦魇-飞机“空难”

“福无双至,祸不单行”。在一百多年的漫漫飞机史上,精彩总是伴随着痛苦而行。人们在赞叹飞机冲天壮举的同时,也被它偶尔发生的空中梦魇惊魂失色。空难,绝对的“黑色瞬间”,像一个阴魂不散的可怕幽灵时不时地紧绷着人们紧张的神经,飞机在航行中的一阵阵颠簸不时震颤着人们脆弱的心灵。

空难是指飞机等在飞行中发生故障、遭遇自然灾害或其他意外事故所造成的灾难。飞鸟撞机事件就是特殊的空难事件之一。

一只重量为500克的飞鸟与一架飞行速度为每小时370千米的飞机相撞,将产生高达3吨的冲击力,超出飞机设计标准的2~3倍,这简直就像一颗炮弹打在飞机上。撞击的力量足以击碎飞机挡风玻璃,打断引擎的叶轮,撕裂或扭弯机翼前缘的金属。位于飞机正面的飞行员座舱挡风玻璃,机头的雷达罩及飞机引擎,恰恰就是鸟击事故的重灾区。风挡玻璃和雷达罩的损毁足以使飞行员无法有效控制飞机,作为飞机动力心脏的引擎如果遭到撞击,更会导致机毁人亡。

1994年,伦敦希思罗机场上空,一架B747客机撞上一群鸽子后坠毁,机上350名乘客全部遇难。

人们从众多鸟击事件中发现,只有1%的鸟撞飞机事故发生在距地面800米以上的空域,因为很多鸟儿不会飞那么高。90%鸟击事件发生在300米以下的范围,75%发生距地面60米以下,也就是在飞机起飞和着陆时。因为飞机在这个过程中速度变化太快,鸟儿来不及躲闪。

飞鸟与飞机相撞的结果往往是两败俱伤。全世界每年大约发生1万次鸟撞飞机事件,造成的经济损失约150亿美元。自20世纪60年代以来,世界范围内由于飞鸟的撞击至少造成了78架民用飞机损失、许多人丧生,250架军用飞机损失、120名飞行员丧生。目前,鸟击已成为当今世界航空3大灾害之一。

鸟重0.45千克,飞机速度80千米/时,相撞将产生1500牛顿的力。

鸟重0.45千克,飞机速度960千米/时,相撞将产生21.6万牛顿的力。

鸟重1.8千克,飞机速度700千米/时,相撞将产生比炮弹还大的冲击力。

民航业最权威的国际民航组织公布的资料显示,2001年,全世界共发生有人员死亡的空难事故33起,共死亡778人。其中定期航班5起,死亡540人;包机等非定期航班6起,死亡82人;支线航班13起,死亡126人;非客运飞机9起,死亡30人。2001年是过去10年(1992~2001年)中空难事故次数最少的一年,空难死亡人数只比1999年的死亡人数730人多48人,比这10年中安全情况最差的1996年死亡1840人减少了一半多。

按每百万次飞行发生的有人员死亡的空难事故的次数计算,1991年是1.7次,1999年首次降到1次以下,2000年再次下降到0.85次。按2000年的概率算,也就是117.65万次飞行才发生一次死亡性空难。换句话说,如果有人每天坐一次飞机,要3223年才遇上一次鸟重1.8千克,飞机速度700千米/时,相撞将产生比炮弹还大的冲击力。

民航业最权威的国际民航组织公布的资料显示,2001年,全世界共发生有人员死亡的空难事故33起,共死亡778人。其中定期航班5起,死亡540人;包机等非定期航班6起,死亡82人;支线航班13起,死亡126人;非客运飞机9起,死亡30人。2001年是过去10年(1992~2001年)中空难事故次数最少的一年,空难死亡人数只比1999年的死亡人数730人多48人,比这10年中安全情况最差的1996年死亡1840人减少了一半多。

按每百万次飞行发生的有人员死亡的空难事故的次数计算,1991年是1.7次,1999年首次降到1次以下,2000年再次下降到0.85次。按2000年的概率算,也就是117.65万次飞行才发生一次死亡性空难。换句话说,如果有人每天坐一次飞机,要3223年才遇上一次空难。还应该说明的是,死亡性空难并不是所有旅客全部死亡。根据国际民航组织的统计,1959~1997年的全部空难事故中,飞机全毁,且有人员死亡的占58%;飞机全毁,但无人员死亡的占32%;飞机没有全毁,但有人员死亡的占10%。

2.“空难见证人”-飞机“黑匣子”

在一般人的记忆里,“黑匣子”是熟悉而模糊的,给人一种神秘莫测、寒潮袭来的感觉。“黑匣子”究竟是何方神圣?它真的像人们想象中那么黑吗?

航空飞行记录器俗名叫“黑匣子”,是飞机专用的电子记录设备之一,里面装有飞行数据记录器和舱声录音器,飞机各机械部位和电子仪器仪表都装有传感器与之相连,它能把飞机停止工作或失事坠毁前半小时的有关技术参数和驾驶舱内的声音记录下来,需要时把所记录的参数重新放出来,供飞行实验、事故分析之用。

其实,“黑匣子”并不是黑色的,为了便于人们搜寻,它被涂上了鲜艳的橘黄色,主要是为了醒目,便于寻找。“黑匣子”外观为长方体,外壳坚实,约等于四五块砖头垒在一起一般大。当飞机失事时,“黑匣子”上有定位信标,相当于无线电发射机,在事故后可以自动发射出特定频率,以便搜寻者溯波寻找。也许是人们觉得它里面存储的东西对飞机事故的鉴定意义重大,具有神秘色彩,所以使用了这样一个同样神秘的名字-“黑匣子”。

“黑匣子”具有极强的抗火、耐压、耐冲击振动、耐海水(或煤油)浸泡、抗磁干扰等能力,即便飞机已完全损坏,黑匣子里的记录数据也能完好保存。世界上所有的空难原因都是通过黑匣子找出来的,因此人们形象地称它为“空难见证人”。

实际上,“黑匣子”是飞机上的记录仪器。目前,大多数的客机、军用飞机上安装的黑匣子有两种。

一种是飞行数据记录仪。它能将飞机的高度、速度、航向、爬升率、下降率、加速情况、耗油量、起落架放收、格林威治时间,还有飞机系统工作状况和发动机工作参数等飞行参数都记录下来。

它共有30多种数据,并可累计记录25小时。起飞前,只要打开“黑匣子”的开关,飞行时上述的种种数据都将收入“黑匣子”内。一旦出现空难,整个事故过程中的飞行参数就能从“黑匣子”中找到,人们便可知道飞机失事的原因。

另一种是座舱话音记录仪。它实际上就是一个无线电通话记录器,可以记录飞机上的各种通话。这一仪器上的4条音轨分别记录飞行员与地面指挥机构的通话,正、副驾驶员之间的对话,机长、空中小姐对乘客的讲话,威胁、爆炸、发动机声音异常,以及驾驶舱内各种声音。它记录的时间为30分钟,超过30分钟又会重新开始录音。因此这个黑匣子内录存的是空难30分钟前机内的重要信息。

为了承受飞机坠毁时的猛烈撞击和高温烈焰,“黑匣子”的外壳具有很厚的钢板和许多层绝热防冲击保护材料。为了保证安全,“黑匣子”通常安装在飞机尾部最安全的部位,也就是失事时最不易损坏的部位。

第三节100年的追忆——飞机的发明

飞机的诞生可以说是20世纪最重大的发明之一。

人类自古以来就梦想着能像鸟一样在太空中飞翔。

而两千多年前中国人发明的风筝,虽然不能把人带上天空,但它确实可以称作是飞机的鼻祖。

20世纪初,有一对美国兄弟在世界的飞机发展史上写下了浓重一笔,创造了“人定胜天”的奇迹。他们就是莱特兄弟。

在当时,大多数人认为飞机依靠自身动力的飞行完全不可能,而莱特兄弟却不相信这种结论。从1900年至1902年他们兄弟进行一千多次滑翔试飞,终于在1903年制造出了第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者”1号,并且获得试飞成功。这是人类在飞机发展的历史上取得的巨大成功。1909年莱特兄弟创办了飞机公司。

研究初期的飞机使用的都是单台发动机。在飞行中,常常会出现发动机突然关机的故障。这对飞行安全始终是个致命的威胁。

1911年,英国的肖特兄弟申请了多台发动机设计的专利。他们的双发动机系统,能使每一个飞行员都不用担心因发动机停车而使飞机下降。这在航空安全方面是一个重大的进展。人们把按照肖特专利制造的第一架飞机称为“3·2”型飞机。这个名字告诉人们,这种飞机装有3副螺旋桨,2台发动机。同时机上还装有两套飞行操纵机构,因此,两名驾驶员不必换座位就都能操纵飞机。

1927年至1932年中,座舱仪表和领航设备的研制取得进展,陀螺技术应用到飞行仪表上。这个装在方向支架上的旋转飞轮能够在空间保持定向,于是成为引导驾驶员能在黑暗中、雨雪天中飞行的各种导航仪表的基础。这时飞机中就出现了人工地平仪,它能向飞行员指示飞机所处的飞行高度;陀螺磁罗盘指示器,在罗盘上刻有度数,可随时显示出航向的变化;地磁感应罗盘,它不受飞机上常常带有的大量铁质东西的影响,也不受振动和地球磁场的影响。

这些仪表以灵敏度高、能测出离地30多米的高度表和显示飞机转弯角速度的转弯侧滑仪,此外还有指示空中航线的无线电波束,都是用来引导驾驶员通过模糊不清的大气层时的手段。

1910年12月10日,在法国巴黎展览会上,有一架飞机在表演时坠毁。驾驶员被抛出燃烧的机舱。但是,这架飞机却引起人们很大关注。因为它使用的是一台新型发动机。设计者就是飞机驾驶员本人,他是罗马尼亚人,名叫亨利·科安达。他设计的发动机是用一台50马力的发动机使风扇向后推动空气,同时增设一个加力燃烧室,使燃气在尾喷管中充分膨胀,以此来增大反推力。这就是最早的喷气发动机。

20世纪30年代后期,活塞驱动的螺旋桨飞机的最大平飞时速已达到700千米,俯冲时已接近音速。音障的问题日益突出。德国设计师奥安在新型发动机研制上最早取得成功。1934年奥安获得离心型涡轮喷气发动机专利。1939年8月27日奥安使用他的发动机制成He-178喷气式飞机。喷气发动机研制出之后,科学家们就进一步让飞机进行突破音障的飞行,经过十多年之后这项工作终于被美国人完成。

飞机的发明,使人们在普遍受益的情况下又产生了新的不满足。

飞机起飞需要滑跑,需要修建相应的跑道和机场。这就带来了诸多不便,于是有人开始探索可以进行垂直起落的飞行器,通称直升机。

1939年9月14日世界上第一架实用型直升机诞生,它是美国工程师西科斯基研制成功的VS-300直升机。VS-300直升机有1副主旋翼和3副尾桨,后来经过多次试飞,将3副尾桨变成1副,这架实用型直升机从而成为现代直升机的鼻祖。

VS-300直升机诞生之后,影响巨大,尤其是从20世纪50年代开始,直升机的制造技术发展迅猛。50年代中期以前,直升机的动力装置处在活塞式发动机时期,此后飞机就进入了喷气涡轮时期。

飞机,这对于生活在20世纪以前的人类来说是一个“人间奇迹”。