升力、阻力、推力与重力

四种力

飞行中的每架飞机都恰好受到四种力的作用:

升力垂直于相对风(机翼迎面遇到的气流)作用。机翼上下表面的压力差产生升力。升力取决于空速、空气密度、机翼面积、机翼形状 & 迎角。

重力垂直向下,指向地球中心。它是作用在飞机及机上一切物体(燃料、乘客、货物)上的引力。飞行中燃料不断消耗,重力随之变化。

推力是发动机(螺旋桨、涡轮风扇、涡轮喷气或火箭)产生的向前的力。推力使飞机加速,并抵消阻力以维持空速。

阻力是阻碍飞机在空气中运动的向后的力。主要分为两类:废阻力(来自机身、起落架、天线的摩擦阻力与形状阻力),随速度增大而增大;诱导阻力(产生升力的副产物),随速度增大而减小。

在直线平飞且无加速的飞行中,四种力处于平衡状态:升力等于重力,推力等于阻力。任何一种力发生变化,飞机就会加速、爬升、下降或转弯。

力的实际应用

平衡及其他

理解四种力不只是纸上谈兵,飞行员正是这样思考的。飞行的每个阶段都是对这些力的一次受控失衡。起飞:推力大于阻力。爬升:升力大于重力。下降:重力大于升力。着陆:阻力大于推力。

不同类型阻力之间的相互作用尤其重要。低速时,诱导阻力很大(机翼以大迎角努力工作)。高速时,废阻力很大(机身推过密度相对更高的气流)。存在一个使总阻力最小的速度:这个速度对应最大航程 & 最长续航时间。

副翼、升降舵与方向舵

三个旋转轴

飞机绕三个轴旋转,每个轴由特定的飞行操纵面控制:

纵轴(横滚): 由副翼控制,副翼是铰接在每侧机翼外侧后缘的操纵面。将操纵杆向左推,左副翼上偏(减小该侧机翼的升力),右副翼下偏(增大升力),飞机向左横滚。横滚是飞机转弯的方式:机身倾斜进入转弯,升力的一个分量拉着飞机沿曲线飞行。

横轴(俯仰): 由尾部水平安定面上的升降舵控制。向后拉操纵杆,升降舵向上偏转,将机尾压低,机头抬起。俯仰控制迎角,并间接控制空速。

立轴(偏航): 由垂直安定面上的方向舵控制。踩下左脚蹬,方向舵向左偏转,将机尾推向右侧,机头转向左侧。方向舵主要用于协调转弯和抵消逆偏航,不能单独用来使飞机转弯。

襟翼是铰接在机翼内侧后缘的操纵面。起飞和降落时放下襟翼,可同时增大升力和阻力,使飞机能以较低的空速飞行。襟翼改变机翼的弯度(曲率)。

配平(trim)让飞行员调整升降舵的中立位置,使飞机无需持续压杆就能保持所需的俯仰姿态。恰当的配平能大幅减轻飞行员的工作负担。

协调飞行

让飞机转弯

一种常见的误解认为飞机像船一样靠方向舵转弯。实际上,飞机靠倾斜坡度转弯:机翼滚转后,升力的一个分量把飞机沿水平方向拉向弯道内侧。转弯时方向舵的任务是协调:让机头对准飞行轨迹,防止飞机侧滑或外滑。

在坡度转弯中,原本用来支撑飞机重量的升力有一部分转向了水平方向。这意味着可用的垂直升力减少,除非飞行员增加拉杆力(或加大动力)以提高总升力,否则飞机会掉高度。

六大仪表与导航系统

六个主要飞行仪表

从塞斯纳 172 到空客 A380,每架飞机都显示相同的六项核心信息,传统上排成两行,每行三个("六件套"):

空速表: 显示飞机相对空气的速度(而非相对地面的速度)。由皮托-静压系统驱动:朝前的管子(皮托管)测量冲压空气压力,静压孔测量环境气压。两者之差即动压,用来指示空速。

姿态仪(人工地平仪): 显示飞机相对地平线的俯仰与坡度姿态。在云中或夜间飞行时,自然地平线看不见,这时它就成了最关键的仪表。

高度表: 依据静压孔测得的大气压力,显示平均海平面以上的高度。飞行员会调整高度表的气压设定值,以修正当地的气压。

转弯协调仪: 显示转弯的速率 & 质量:飞机处于协调转弯、侧滑,还是外滑状态。

航向指示仪(陀螺方向仪): 显示飞机的磁航向。在颠簸气流或转弯中,比磁罗盘更稳定。

升降速度表(VSI): 以英尺/分钟显示爬升或下降的速率。

导航

VOR(甚高频全向信标): 地面无线电信标,发射径向线:即相对于电台的磁方位。飞行员沿特定径向线飞行,在各个 VOR 台之间导航。自 20 世纪 50 年代以来,这一直是航路导航的支柱。

GPS: 卫星导航如今占据主导地位。现代 GPS 进近可在零能见度下引导飞机到达距跑道入口 200 英尺以内的位置。

IFR 与 VFR: 目视飞行规则(VFR)要求以地面为目视参照,并满足特定的天气最低标准(能见度、云距)。仪表飞行规则(IFR)允许在云中和低能见度条件下,借助仪表 & 空中交通管制(ATC)引导飞行。IFR 需要仪表等级、配备 IFR 设备的飞机 & 已提交的飞行计划。

盲飞

当你看不见时

空间定向障碍是通用航空致命事故的主要原因之一。人类的前庭系统(内耳)为行走而进化,而非为飞行。在云中或没有可见地平线的夜间,你的身体会欺骗你:你可能在 30 度坡度的转弯中却感觉自己保持水平,或者在下降时却感觉自己在爬升。

小约翰·肯尼迪(John F. Kennedy Jr.)于1999年去世,当时他驾驶派珀"萨拉托加"(Piper Saratoga)飞机,在夜间飞入海面上空的薄雾之中。他没有仪表等级。由于看不见地平线,他很可能陷入了"死亡螺旋":一种逐渐加剧的下降转弯,内耳却把它感知为平直飞行。

飞行员须知的天气危害

天气夺走飞行员的生命

天气是通用航空致命事故中最常见的单一因素。原因不在于天气难以预测，而在于飞行员对天气做出了错误的决策。

锋面： 冷锋从暖空气下方推进，形成一条狭窄的强天气带：雷暴、风切变、颠簸。暖锋则滑升到冷空气之上，形成大范围的低云、降雨 & 能见度下降。了解正在逼近的锋面类型，就能知道该预期哪些危害。

颠簸： 机械湍流源于风吹过地形。对流颠簸源于炎热天气中的热气流上升。晴空湍流（CAT）出现在高空急流附近，没有任何可见的预警。重型飞机产生的尾流可以掀翻一架小型飞机。

结冰: 当过冷水滴接触飞机后冻结,就会形成结构性结冰。机翼上的冰会破坏升力 & 增加阻力。螺旋桨上的冰会降低推力。皮托管上的冰会使空速表失效。大多数小型飞机未获认证,不能在已知结冰条件下飞行。

密度高度: 炎热、潮湿、海拔高的空气稀薄。飞机的表现如同身处更高的海拔:起飞滑跑更长,爬升率降低,发动机功率下降。一条在凉爽清晨的海平面上可以安全使用的跑道,到了海拔 5,000 英尺的炎热午后,可能short得危险。

飞还是不飞

航空决策

每次飞行都从"飞还是不飞"的决定开始。职业飞行员使用结构化的框架:PAVE(飞行员 Pilot、飞机 Aircraft、环境 enVironment、外部压力 External pressures)& IMSAFE(疾病 Illness、药物 Medication、压力 Stress、酒精 Alcohol、疲劳 Fatigue、饮食 Eating)。这些检查清单之所以存在,是因为航空中最危险的隐患不是雷暴或发动机故障:而是在评估风险之前就已决定起飞的飞行员。

"到达病"(get-there-itis),即在天气恶化时仍承受着必须完成飞行的压力,是通用航空中最致命的模式。美国国家运输安全委员会(NTSB)调查过数百起致命事故,其中飞行员明知天气恶劣仍飞入其中,只因觉得自己必须抵达目的地。

航空带你去往何方

飞行员执照

私人飞行员执照(PPL): 最低飞行时间 40 小时(全国平均为 60-70 小时)。持证者可按目视飞行规则(VFR)驾驶单发飞机、搭载乘客,但不得收取报酬。费用:10,000-15,000 美元。

仪表等级: 额外训练,学习依靠仪表在云中及低能见度条件下飞行。大多数职业飞行都要求具备该等级,出于安全考虑也强烈建议取得。

商用飞行员执照(CPL): 最低 250 小时。持证者可有偿飞行:拖曳横幅、航空测绘、包机飞行。

航线运输飞行员(ATP): 最低 1,500 小时(军队出身者 1,000 小时,某些项目可在 750 小时取得受限 ATP)。担任航空公司机长必须持有该证。这是最高级别的飞行员执照。

其他航空职业

A&P 机械师(机体与动力装置): 经美国联邦航空管理局(FAA)认证的飞机维修技师。需要 18-24 个月的学校培训,或同等的军队经历。需求量大,薪酬可观,也不必担心就业市场:飞机永远需要维修。

空中交通管制员(ATC): 由 FAA 管理。必须在 31 岁之前受聘。通过 FAA 的 AT-SA 能力倾向测试进行竞争性选拔。压力大,薪酬高,56 岁强制退休。培训期间起薪约 $40,000,经验丰富的管制员年薪为 $100,000-$180,000。

无人机飞行员(Part 107): 商业无人机作业所需的 FAA 远程飞行员证书。只需通过笔试,无需飞行小时数。可开启航拍、测绘、巡检、农业 & 房地产等职业方向。这是航空业中增长最快的细分领域。

军队培养路径: 所有军种都运营飞机。军事飞行员免费接受世界一流的训练,代价是服役承诺(飞行员通常为 10 年)。许多航空公司飞行员来自军队。军队的维修人员 & 空管人员转入民用职业也相当顺利。

综合

融会贯通

你现在已经了解飞行的四种力、飞行员如何操控飞机、仪表如何在云中保障安全、天气为何成为通用航空中最致命的危险,& 这个行业中的各条职业道路。

航空业青睐善于系统思考的人:力与操纵相互作用,操纵与仪表相互作用,仪表与天气相互作用,天气与决策相互作用。最优秀的飞行员、机械师 & 管制员,并不是反应最快的人,而是总能提前思考的人。