你知道什么在影响飞行安全吗?

那 拉

2019年03月18日14:34  来源:羊城晚报
 
原标题:你知道什么在影响飞行安全吗?

“未来的飞行会是什么样子?那一定是空天一体的高速飞行器时代。”中国民用航空飞行学院刘峰教授在中国科学院推出的科学文化讲坛“SELF格致论道”上演讲时曾这样说。在他的描述中,未来在地球的大气层内,会有各种高速飞行器,货运的或客运的,它们就像高铁的运行,让我们觉得时空距离被大大缩短,这将极大地改变我们目前对“距离”的认识。而因为这种“距离的缩短”,未来世界也终将变成一个“地球村”。

这种对未来的畅想的确是美好的,但频频传来的空难消息却让人胆寒。最近发生的波音737MAX 8飞机埃塞航空坠机事件,已让这款大型客机遭遇了许多国家开出的“暂停飞行令”。它已在短短5个月内,连续发生两起事故,先是“印尼狮航空难”,机上189人无人生还,接着这次埃塞航空坠机事故,航班上149名乘客和8名机组人员也无人生还。

许多人或许因此对乘坐飞机产生了恐惧心理。你有必要更多地了解飞行,了解影响飞行安全的因素到底有多少。

你知道飞机是怎么飞起来的?

中国人在远古时代就有过飞行的梦想,敦煌壁画中的《飞天》描述了这种梦想。但现代航空史的开端却是从1903年莱特兄弟造出第一架真正意义上的有动力的、密度重于空气的飞行器开始的。

但飞机密度重于空气,它究竟是怎么飞上天空的呢?

中学物理课本里其实已有过一些解释。目前来说,绝大部分飞机升空靠的都是机翼在与空气摩擦过程中产生的升力。飞机机翼通常有足够的长度,而且机翼的设计是下面平滑,上面拱起成弧形。这样机翼在与空气产生高速摩擦时,机翼下面的空气会沿直线经过,上面的空气却会沿着弧线上行,从而在机翼的弧形后方突然产生一块低压区域,上行的空气便会突然下行去补充这个区域——这种改变需要力,而力的作用是互相的——机翼就此得到了上升的力,即升力。

说白了,飞机机翼的作用其实只是在一定速度下,能以较小的推力换取较大的升力。现在已有人设计出完全没有机翼的飞机,只靠强大的发动机来推动机身飞行。而去年年底,美国麻省理工学院史蒂文·巴雷特带领的研究小组,还成功试飞了一款只需要离子风驱动的飞行器,它甚至都没有任何运动部件,也不产生任何噪音,就像科幻片中的那些飞行器,只是闪着蓝光,安静又迅速地掠过天空。

未来的飞行器应该还会超乎我们的想象。正如论坛上刘峰教授所描述的,未来的“空天一体”时代,会有许多高速飞行器,它们将从陆地起飞,可以很快就进入到临近空间(指距地面20公里到100公里的空域),并以高马赫(一个马赫速度是一倍音速,即340米/秒)速度飞行,最终非常快速地到达目的地。

飞机结构、制造材料等都影响着飞行安全

从飞机离开地面起飞的第一天起,人们就在担心飞行安全。但怎么保证飞行安全呢?刘峰教授也从飞机结构、制造材料等方面,解析了这个问题。

他说人们最初考虑飞机的安全性,就是考虑飞机机构是否有抵抗超强载荷破坏的能力。比如机翼会不会在升力作用下断裂、机身会不会因为压强等原因产生裂纹等问题。除了载荷强度问题,设计者还考虑到飞机机翼在飞行中出现的弯曲、变形等问题。飞机在飞行时两侧机翼受力会产生振动,如果机翼在空中出现颤振,那么飞机就会在很短时间内解体。早期一款有名的英国产“彗星”飞机,就是因此而出现事故,甚至出现过机身完全解体的状况。

此外,在飞机制造材料方面还有一个问题:疲劳。目前地球上所能找到的制造飞机的材料几乎都会有“疲劳”的问题,包括金属材料和非金属材料。我们的身体会因为疲劳而缺乏动力,各种材料会因为疲劳而出现裂纹。飞机在高空飞行的时候,如果机舱部分的构造材料出现疲劳而爆裂,会直接导致飞机解体,这是相当可怕的情况。著名的“阿罗哈空难”就是这个原因——1988年4月28日一架波音737-200型客机在飞行途中发生爆炸性失压事故,该事件后来被改编拍成电影《九霄惊魂》。

但设计人员通过测试材料的性能,利用数值计算方法,模拟裂纹产生过程,最终解决了材料疲劳的问题,设计出机身机翼结构的寿命比材料出现结构损伤的实际寿命高出3倍的安全飞机。比如两款非常有名的商用飞机707和空客A300。

不过很快又出现一种情况,F11、F4、F5A、KC135这几个型号的飞机,在实际运作过程当中,都没有达到预计安全飞行4万小时的寿命,只飞了100小时左右就出现了结构损伤。

原来还有一些情况是设计人员没想到的,比如铝合金在原材料冶炼过程中可能存在气孔;制造过程中,加工的刀具可能在工件上留下的刀痕……等等。这些都会给飞机的构件带来初始损伤,在做“疲劳试验”时,这些情况被忽略了,但在飞机运行中,在疲劳载荷作用下,这些初始损伤便会慢慢扩展,直到出现爆裂。

于是专家们又提出一个关键词:损伤容限。这是指飞机在出厂时本身是带有缺陷的,我们应该采取措施来限制这些缺陷的发展。采用的措施应该如下:第一,我们可以规定多大的损伤是可以接受的,出厂的时候,这个损伤在整个使用期内都不会导致飞机出现灾难性的后果;第二,我们可以给飞机设定检查的间隔。到了检查的时间,我们就要对飞机的结构进行一定程度的检查,发现问题并及时处理。美国空军在1971年时提出一个“损伤容限”的标准,到1975年又提出了“损伤容限”的试航规范。

其实飞机除了结构设计,还有起落架、液压、燃油、空调、刹车等很多系统设计问题也会影响飞行安全。当然,这些系统设计也跟结构设计一样,都要经过无数次的地面试验,确保飞行安全才会投入使用。

了解以上这些信息后,你或许才明白,飞行安全真不是一件简单的事。一架飞机飞上天空之前,其实它已是经过了无数次测试确保安全才可以“放飞”的。

80%的航空事故都是人为因素导致的

影响飞行安全最重要的一个因素却是人为因素。

美国的一项联合调查结果表明,尽管飞行员的训练条件、航空器的设备和系统以及针对飞行人员的服务设施都不断提高,但是不安全事故还是经常发生,一个极其重要的原因就是“人”。有统计数据显示,70%-80%的航空事故都是由于人为原因造成的。比如飞机本来可以安全着陆,但机长在操控时如果判断失误,仍可能导致飞机冲出跑道。

所以飞行安全也来源于机组人员严格的飞行纪律,任何麻痹大意、违规操作都是绝不允许的。除此之外,为了保障民航飞机的安全,还要有一套适航管理体系。无论是中国民航还是美国联邦航空局(FAA)都有自己的适航管理条例,欧洲则主要是用EASA体系来保障安全。

这些条例中会提到很多保障飞机飞行安全的措施与禁忌。比如机场附近空域不能有鸟随意飞行。因为相对速度大,一只很小的鸟也会把飞行中的飞机撞出个大窟窿;比如天气因素的影响,遇暴风、冰雹、雷电天气要禁止飞行。以前经常有旅客在值机台跟工作人员理论:明明机场天气很好,为什么不能飞呢?就是因为旅客不了解飞行。虽然起飞地机场天气好,但可能在航线上或目的地机场会有雷暴。在夏季航班延误的比较多,就是这个原因。近年来,还有无人机的各种飞行限制,一部分原因也是为了保障飞行空域的安全。

我们现在已经进入了一个“大众航空时代”,飞行安全更需要时刻重视。因为各种科技进步,飞机设计思路也有了新飞跃,无人驾驶飞机也早已实现。我们现在已可以借助计算机技术和计算流体力学技术,很准确地计算出一架飞机在穿越空气时表面的速度场分布情况,然后根据计算结果,对飞机结构进行更为科学的“优化”,从而从更多方面去发现并解决影响飞行安全的问题。

飞行,应该只会变得越来越安全,越来越环保。比如现在航空用的复材主要是碳纤维增强复合材料,它就比从前所用的一些材料要轻很多,密度也低很多,它已让飞机变得越来越轻,载重量越来越大,航程越来越远,性能越来越好。

(责编:王丽玮、吴楠)

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