【科普】关于失速

2013年4月29日,一架货运型波音747飞机,在阿富汗美军基地起飞后坠毁,从飞机坠毁过程的视频看,这是一起失速引发的起飞阶段飞行事故,联想到近年来频繁发生的战斗机失速事故,人们似乎容易产生这样一个疑惑:我们对失速的了解到底有多少,失速的理论和技术问题真正解决了吗?

波音747在爬升中失速,然后就一头栽向地面

起飞后不久,当飞机刚刚爬升到1200英尺(370米)空中时,机组人员接到报告,货舱内停放着的五辆重型军用车从固定位置脱落掉落到飞机尾部,造成飞机重心后移,并失速坠毁,机上7名机组人员全部遇难
谈到失速,还要从人类的早期航空实践说起。在上世纪20年代之前,人类还处于飞行的蹒跚学步阶段,那时,由于飞机技术的落后和人们对飞行知识的缺失,失速所引发的飞行事故司空见惯的,“失速”这种伴随飞行而来的“死亡梦魇”,成为阻碍飞行事业发展的“技术之谜”。随着大工业的蓬勃兴起,航空制造业由早期的作坊式经营演化成大工业的生产模式,在前苏联、欧洲和美国,航空制造公司纷纷成立,并迅速发展成为具有巨大生产能力的大型航空制造企业。高技术与规模生产,飞行实践的不断拓展深化提供了条件,现实的需求驱使人们对飞行进行深入的研究,而如何破解失速之谜就是一个重要的研究方向。
通过研究人们发现,导致失速的真正原因并不是升力的不足,而是迎角的增加,由迎角超过失速迎角后所引发的飞机失稳,才是发生飞行事故的真正原因。通过研究人们还发现,由于飞机的不同和飞行状态的差异,飞机的失速呈现出不同的机理和形态。弄清楚了飞机失速的原因,就容易找出预防和处置失速的方法,针对机头失速、机翼失速和偏航失速等不同的失速现象,采用推杆、蹬舵等方法可以有效地改出失速从而避免事故的发生。

导致失速的真正原因并不是升力的不足,而是迎角的增加,由迎角超过失速迎角后所引发的飞机失稳
上世纪40年代德国人发明了喷气发动机并运用于战斗机,人类航空进入了喷气时代,通过驾驶巨大动力的高速喷气战机,人们发现了现代战机与传统活塞式飞机不同的失速特点,从而推动了失速理论的研究,到上世纪50年代,关于失速的理论发展到了成熟阶段。
人们了解了失速的相关理论,但在操作层面要对失速进行有效的应对,却是比理论研究本身要复杂得多的问题。这涉及到失速的环境、失速的条件、飞机的状态、可供处置的时间窗口等等,由于真实飞行条件的相对复杂性,飞行员要做出相对正确的应对是一件非常困难的事情。
上世纪70年代,随着先进飞行控制技术的引入,如何在技术上对失速进行防范和自动改出,成为飞机技术研发的一个重点。迎角监控、迎角限制、反尾旋(螺旋)控制技术的出现,使飞行控制技术进入到“无忧虑”操控的先进水平。然而,飞行控制技术的发展,并不能一劳永逸地解决失速问题,飞行毕竟不是飞行器独立的活动,环境的因素、人的因素依然是影响飞行安全的最关键因素,因此,如何适应环境的复杂性,应对突发风险的复杂多变,依然需要人的智慧和能力。

倒飞尾旋中的飞机

楼主 凉城灬良人  发布于 2015-05-10 23:28:00 +0800 CST  
一、失速的原因
具有现代航空先进技术的大飞机,为什么会被一个小小的失速击倒?怀着这样疑问的人一定不少。要回答这个问题,首先还要从失速产生的原因说起。其实,关于失速的基本原理是再简单不过的了——迎角超过了失速迎角。问题是在实际飞行中迎角扩展的真正原因又是什么呢?
这就要从导致迎角增加的原因说起,从飞机的操纵原理上讲,飞行员的操纵并不是直接改变飞机的轨迹,而是改变飞机的姿态,只要飞机具有足够的飞行速度,足以产生一定的舵面效应,飞机的姿态就会改变,飞机姿态的改变就会改变迎角,但要记住的是,飞行员的操控并不会使迎角无限制地增加,因为,随着迎角的增加,导致飞机向上做圆周运动的向心力也会增加,这种向心力改变了飞机的轨迹,飞机姿态角增加值和飞机轨迹角增加值的差值,就是迎角的增量,在一定飞行速度范围内,这种迎角增量并不足以使飞机迎角超过失速迎角,因此一般情况下,飞行员通过拉杆操控飞机是相对安全的。那么什么样的情况会导致迎角超过失速迎角呢,其实,通过以上分析,大家对于这个问题已经有了一个基本的答案:关键在于速度,如果飞行速度减小到一定值,或者飞行员的操纵量超过一定值,当轨迹角的增加已经不能跟随姿态角的增加时,就会导致迎角的急剧增加,从而出现迎角超过失速迎角的情况。

2008年B-2在关岛的坠毁也是由于失速导致的。罪魁祸首是受潮的大气数据传感器
我想只要是从事飞行职业的人,都曾经接受过失速理论的教育,对于上述理论的认识是充分的,但我要说的是,如果对于产生失速机理的认识仅仅停留在上述层面是远远不够的。为此,我想要突出强调关于失速的一个重要概念:导致失速的原因有两种,一种是飞行员主动控制进入的失速,一种是飞机自动进入的失速状态。
飞机会自动进入失速?回答是肯定的。关于自动失速产生的机理,还要回到飞行的初始年代,由于早期飞机的动力不足,速度减小或者消失是一种常态化的事件,速度的失去直接导致升力的不足,使得飞机难以维持原有飞行状态,从而发生轨迹下行,也就是进入俯冲状态,此时如果飞机的姿态不能跟随飞机的轨迹一起下俯,就会导致迎角的急剧增加从而进入失速状态。这种升力的不足不仅会发生在早期飞机上,在现代飞机上由于某种条件的促成,同样会发生这种失速状态,4月29日的波音客机事故,就是升力不足导致的典型失速事故。

典型失速姿态

楼主 凉城灬良人  发布于 2015-05-10 23:29:00 +0800 CST  
二、失速离我们到底有多远?
对于那些还没有从频繁发生的战斗机失速事故中惊醒的人们,近期发生的波音747失速事故不啻为一剂猛药,我觉得这次事故来的太及时了,对于那些无视失速危险性的飞行员们,该是他们猛醒的时刻了。那些经常在嘴边挂着“怎么玩的,把飞机整失速了”的人,当他们因为无知而堕入失速事故时,已经为时已晚了。与其如此,还不如让我们真正了解失速到底离我们有多远。
我想要告诉这些人的是:失速离我们很近,有时只差2度迎角,有时只有20公里/小时的速度差。而起飞着陆阶段是我们离失速最近的危险时刻!
其实,对于失速的茫然与忽视并不是飞行员天生的性格,在学习飞行的初期,当他们由于驾驶技术的生疏,不自觉的进入抖动、摇摆甚至下坠的时候,他们也曾对失速充满恐惧。然而,飞行训练培养了他们的飞行适应性,他们知道什么时候飞机容易产生不稳定甚至危险状态,他们的飞行本能使他们不自觉地对这些危险进行了预防,这种本能我姑且称之为“失速免疫能力”。但如果你因此认为自己对失速无所不知的时候,你离发生危险就为时不远了。失速是如此的复杂,可能产生失速的时机和机理千变万化,一个飞行员不可能在其职业生涯中遇到所有失速状态,说的更直白些,你的“失速免疫力”还不足以使你抵御所有的失速,从而确保你一生的飞行安全。怎么办?没有别的办法,唯一可行的是放弃对失速的侥幸心理和对技术的盲目自信,进一步加深对失速的研究,分析各种案例,保有那份对失速的恐惧和警惕,并真正搞清楚应对各种失速的理论,掌握处置失速的飞行驾驶技术。

飞豹蒲城坠机疑似进入失速导致

楼主 凉城灬良人  发布于 2015-05-10 23:29:00 +0800 CST  
三、容易产生失速的几种情况
对于失速的防范与应对,并不是让你无时无刻都处于一种高度紧张状态,由无知而产生的紧张不仅于事无补,反而会导致更坏的结果。因此,了解容易产生失速的基本条件和时机非常重要。
低速机动
低速飞行时飞行员对于失速具有一定的警觉性,这种警觉是非常重要的,因为低速飞行阶段,飞机机动能力弱,很容易产生由姿态改变而引发迎角的急剧增加。这一点其实很好理解,由于速度的减小导致向心力的不足,使得轨迹的改变不能跟随姿态的变化,导致迎角的急剧增加,从而超越失速迎角引发失速。对于低速失速的防范和警觉,可以使我们有效地避免失速的发生,但有时由于飞行员专注于其他环境和飞机状态的变化,会使他的这种警觉性降低,从而产生无意识的错误操控。因此,在低速飞行时飞行员要防止注意力高度集中、单打一,要时刻关注飞机迎角和状态的变化,敏锐地感知飞机状态的异常,一旦发现飞机由进入失速的趋势,要及时终止机动。

2010年,一架C-17在阿拉斯加的飞行表演中因机长过于炫技在转弯中因失速而坠毁,机组团灭
危险天气
危险天气条件下的飞行,对飞行员的驾驶技术提出了更高的要求,侧风、强对流、风切变等天气情况,会使飞机的气动力发生显著的变化,这些变化从一定程度上影响了飞行员的操控,有些天气条件下尽管能够完成飞行,但需要特殊的技术,如大侧风着陆,需要飞行员采用位置、航向、坡度的综合修正,而且在着陆后迅速改变驾驶动作,对飞行员的驾驶技术提出了特殊的要求。由于不能胜任气象条件,在操控上出现重大失误,是引发的失速事故的一个重要原因。
弱动力飞行
动力不足是导致飞机失速的重要原因,一方面由于动力不足速度难以增加,飞机的机动能力较弱,容易产生由于操作失误所引发的失速;另一方面,弱动力飞行时很容易产生速度的急剧衰减和能量的急剧损耗,在飞行员没有察觉的情况下进入低速飞行状态。为此,飞行员需要加强弱动力飞行的理论学习和模拟训练,掌握弱动力飞行的特点:(弱动力飞行理论为我独创,相关知识请阅读附文)
1. 控制合理的飞行速度(歼击机450公里/小时以上)
2. 了解弱动力飞行时机动飞行速度消失快的特点,柔和操控
3. 进场阶段控制轨迹,而不是试图改变飞机的下沉趋势,避免不自主的拉杆,使飞机进入失速状态
4. 没有再次挽救的机会,确保操控的准确性,一次成功。

1994年这架B-52在费尔柴尔德空军基地坠毁的原因同样是飞行员炫技在急转弯中失速,机组无人生还
起降阶段
飞机在起降阶段,一方面处于低速飞行状态,容易产生失速,另一方面由于放下了起落装置,改变了飞机的构型和气动外形,使得飞机的操纵性和稳定性降低,特别是在转弯阶段和离陆、降落阶段,飞行员的操控频繁复杂,容易产生状态的突然变化,从而引发失速。
应对的方法是确保飞机在安全的起降速度范围内飞行,合理利用技术修正侧风和偏差,避免粗猛的操控动作。
另外在起降阶段如遇到突发情况,确保安全是首要原则,要努力将故障控制在跑道上,如果飞机离陆则要迅速安全地控制飞机着陆,避免危机状态下长时间在空中停留。

苏-33在着舰中拉杆过猛,差点失速
人机耦合震荡
从飞行控制的角度讲,起降阶段是操作频繁复杂、操纵精度要求较高的“高增益”操纵阶段,“高增益”操纵的一大特点是容易产生人机耦合,由此产生的震荡会严重威胁飞行的安全。
预防人机耦合震荡要求飞行员熟悉和适应飞机和飞控系统操控特点,避免急剧、粗猛、下意识和反复无常的操控。一旦产生人机耦合震荡,不要试图消除每一次震荡,而应按照人机耦合的处置方法,以缓慢连续的单向操控加以克服。


在人机耦合震荡中处理不当也会导致失速
非常规构型
非常规构型是指在飞机结构、气动外形和重量等方面,不同于常规状态的飞机构型。其中特别需要强调的是飞机重心、重量的特殊变化。4月29日的波音747失速事故,很重要的原因就是飞机重载起飞。重载起飞、非正常重心起飞,飞机的操控特点与常规起飞完全不同,需要特殊的驾驶技术,没有经过特殊训练的飞行员是难以胜任的,另外,这种特殊构型下的起飞,对气象条件要求也比较严,不能按照一般的起降条件进行掌握,在大风、强对流天气下进行重载起飞是非常危险的。从4月29日的飞行事故现场看,当时机场处于强对流天气,侧风较大、气流颠簸,这是引发事故的另一个重要原因。

楼主 凉城灬良人  发布于 2015-05-10 23:29:00 +0800 CST  
四、失速的预防与应对
就像我前面所描述的哪样,我们对失速理论与驾驶技术的缺失比我们想象得要严重的多。失速的环境因素、飞机因素、人为因素和其他相关因素比我们想象得要复杂得多,预防与应对失速并不是一件简单的事情。
加强理论学习
失速理论教育不能仅停留在航理层面,飞行员在初始教育阶段对这些理论已经有了足够的了解。我认为需要加强的是对失速案例的进一步分析,对所飞机种的失速相关理论的进一步了解,以及对失速处置技术理论的进一步深化。因为只有通过案例分析,才能使我们真正了解失速的易发性、复杂性和危险性,只有了解了所飞机种的失速特点,才能有针对性的进行失速防范和应对。只有结合环境、条件、飞机和自身技术特点,才能真正掌握有效的处置失
模拟训练
失速毕竟是一种平时飞行中难以遇到的特殊情况,对于失速的了解和应对技术的掌握,想要靠实际飞行来提高是难以实现的。现代模拟技术对于各种特殊情况的模拟已经达到了相当逼真的程度。通过模拟训练,可以使飞行员通过反复训练掌握失速特点和处置方法。

通过模拟训练,可以使飞行员通过反复训练掌握失速特点和处置方法
提高失速警觉性
失速的警觉性不是让飞行员时时设防处处警觉,而是真正了解可能发生失速的时机,有针对性的提高对失速的防范意识。在容易产生失速的条件下,要保持高度的警觉和正确的操控。在处置突发的危险状态时,要针对环境和飞机特点,采用正确的决策和方法。
正确地应对
在处置失速险情时,很重要的一点是对危险的发展趋势和可能结果有一个明确的判断,我们说决策是处置的的关键,而飞行突发事件的处置,时间窗口和高度门槛是关键中的关键,突发情况发生后,飞行员面对的是两条时间相关曲线,一条是故障扩展曲线,失速的发展引发状态的急剧恶化和高度的迅速损失;另一条是飞行员处置曲线,你的正确应对不是可以无限期延续的过程,处置的时间窗口随着高度的降低渐渐关闭。飞行员必须在高度门限到达和时间窗口关闭之前,使这两条曲线尽快重合,完成危险的处置程序。

楼主 凉城灬良人  发布于 2015-05-10 23:30:00 +0800 CST  
结束语
飞行的风险毕竟是不以人们的意志为转移的,对于失速理论的研究和应对技术的提高,依然无法彻底避免失速事故的发生。从这个意义上讲,我们对于失速理论的研究,对失速应对技术的探索永无止境。

楼主 凉城灬良人  发布于 2015-05-10 23:30:00 +0800 CST  
@山里大仙我这贴能不能给个精?

楼主 凉城灬良人  发布于 2015-05-10 23:31:00 +0800 CST  

楼主:凉城灬良人

字数:1325

发表时间:2015-05-11 07:28:00 +0800 CST

更新时间:2020-11-23 12:58:48 +0800 CST

评论数:36条评论

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