环绕地球的大气与飞行

从地球表面垂直上升约至十余公里的高度，有一层较厚的空气层。空气分子受地心引力的吸引紧紧地包围着地球。这一空气层我们称之为大气(图1)。大气是地球表面上自然界生物赖以生存的重要食粮；是气象变化的基础。大气也是许多科学部门，如地球物理学，空气动力学，气象学，海洋学，化学及生物学等的研究对象。航空科学研究的一切器械都要在大气中活动，大气与航空的关系就更密切了。

图1大气及大气层

大气是由氮气、氧气及一些稀有气体混合成的，而氮、氧占着绝大的比例。大气分子的质量与下降加速度的乘积形成了压力。大气压力也可以说成是海平面上空单位面积的大气柱的重量；当温度是摄氏15°时，海平面上大气压力能将水银柱压起760毫米，约合1公斤多一点。这个压力随温度、高度而变化。高度、温度愈高，大气压力就愈减小，反之就增加。大气压力及其变化影响着飞行。飞机的发动机无论是涡轮喷气式发动机，或是活塞螺旋桨式发动机，飞行中都会因高度的增加而功率减退。为了在一定的飞行高度上能维持发动机的功率，设计家们曾采用了高空调节器，进气压力调节器，二速增压器等发动机附件装置。但到了一定的高空，例如一万公尺，往往飞机就达到了上升的极限，大都不是因为机翼及机体的原因，而是大气压力影响着发动机的功率所致。飞行员的血压在地面与一般人一样，血管内的压力与大气压力保持一定的平衡，飞行到中空以上的高度，大气压力显著降低，飞行员体内的血压相对升高。一方面要求飞行员有适合飞行的血压，一般在静坐时不超过120毫米水银柱；另一方面使飞机座舱密封，在舱内保持适合人体的气压，如此可以保证在较高的高度上，飞行员身体正常，便于工作，这也有利于飞行员的健康。特种高空飞行服，飞行帽也是由于大气的这一性质所决定的。

大气的温度是由于太阳的光照射到地球表面后辐射而来的。地球表面的温度受季节，昼夜的改变，随地区的不同而有许多变化；还随气象的变化而增减。不过科学上规定海平面摄氏15°是一个标准数，这个数随高度的上升而递减。它的规律是每上升1千公尺降低摄氏约6度。到了3千公尺将降到零度，至1万2千公尺将降至约－56℃。因此飞机发动机有散热及保温用的装置(如鱼鳞板)。飞行员在空中时常观察滑油温度表、汽缸头温度表及进气温度表，根据那些仪表上指示数字来开关散热、保温装置。温度对飞机机身各部也有影响，物质是遇热则涨，遇冷则缩的。飞机上的金属有钢、铜、铝、铝镁合金、铬钢、钨钢等，膨胀系数不一样。在温度发生了较大变化时，各金属的伸缩变化也就大，于是各活动摇臂，绳索，滑轮的间隙要发生变化，有时会影响操纵性能，必须经常检查并做适当的调节，以保证性能及安全。在地面由于地区的不同也有很大的温差变化。我国每年1月份是全国平均温度最低的月份，黑龙江北部可低达－40℃，而两广和海南岛却在十5℃左右。在冬天，发动机的各种油类导管要缠绕石绵绳，既可保温又能防火；蓄电瓶周围加以厚毡以防冰冻，座舱内利用发动机的热量加温，有的飞机没有加温装置，飞行员需要穿上厚重的皮衣，皮帽，皮手套，由于服装笨重使飞行员操纵困难，易于疲倦。因此在严寒中飞行较困难。现代化的新型机种都有密封座舱及加温设备。到了夏天大气温度增高，特别是长江流域以南，滑油、高压油的粘度降低，润滑力减弱，发动机马力不足，各种应用高压油的收放机构迟缓，甚至不灵。飞行员在低空容易出汗，丢失一定的盐份，精神易于疲倦，炎热的中午往往停止飞行。这种情况下，午睡，水果，盐水对飞行员是很必要的。

温度高的空气层中飞行爬高较慢，飞行也不稳定；在温度低的空气层中爬高较快，飞行也比较稳定。

大气的密度在海平面的标准情况下是0.125公斤/公尺3。由于高度的增加，大气密度也随高度而减小，因此飞行人员在4，000公尺的高度就要开始使用氧气了。飞机内有氧气瓶，氧气面罩等特种装备，大气密度随高度减小后，飞机的阻力相对减小，速度加大。

飞行速度近年来愈来愈大。飞行速度大到与音速相等或超过音速时，在机翼的前缘，机头前部尖端等处产生一种特殊的阻力波，叫激波(图2)。飞机设计家们采取了许多措施，如使机翼后掠、或使展弦比减低，前缘尖削等，来减弱激波或防止激波的产生。

图2激波图

大气在对流层内，由于地球的自转和公转，太阳的照射，昼夜温差的变化，水蒸汽的蒸发等而发生气象变化。俗语说：“飞行靠天吃饭”，就是说天气变化与飞行关系很是密切。当然并不是什么样的气象条件都妨碍飞行，也不是说任何一个飞行员都可以克服复杂的气象条件。影响飞行的气象条件虽然很多，但主要的是风，能见度，云及降水等现象。

空气的水平流动形成了风。风吹的方向与飞机速度的运动方向，大体上分为三种：即逆风、顺风、侧风。飞机起飞上升，落地下滑及落地，除特殊情况都是逆风进行的，适当的逆风有利于升力的产生，可以减短起飞及落地后的滑跑距离。但逆风在长途飞行中减小地速，增长航行时间，是不利于航行的。顺风对航行有利，但起飞落地是使用不得的，“一帆风顺”即指顺风对航行有利。从飞机左右两方来的风是侧风。侧风有顺侧风及逆侧风，逆侧风起落在风速不大于每秒10余公尺的情况下是可以的，其形成多由于机场固定跑道的度数和风向有了交角，顺侧风多以调转起落方向的方法来改变风向。侧风在空中与飞行方向，飞行速度构成了偏流三角形，要用加减度数的方法来修正偏流。无风时对飞机的起落是不利的，如起飞落地距离增长，落地下滑时降高较慢，使飞机的操纵超出了平常习惯的范围。风速在5公尺/秒时对任何飞机的飞行都是有利的；风速到达12公尺/秒时轻型小飞机的操纵就感觉困难；风速在15公尺/秒以上时对任何机种都是不利的。风速大飞行员用不放襟翼、两点着陆、测滑修正偏流等办法来消减风对飞行的影响，但风速过大往往是飞行员的人为能力所不能及的，也就不能再飞了。

空中有因空气的垂直对流而形成的上升下降气流，这种上升或下降气流最能被滑翔机驾驶员利用在空中翱翔，飞机驾驶员往往忽略这种气流的利用(图3)。升降气流有时像澎湃的海浪，巅波不定，飞行员用较小的马力及多次迅速的修正来保持正常飞行，这种飞行往往造成同乘人员的头昏，恶心以至于呕吐。乘客从窗口向远处看，个人的行动尽量与飞机的运动方向一致，心理上意志的坚定，食物不可过多均能减轻航空病，当然飞行员是没有航空病的，有航空病的人也就学不好飞行了。

图3升降气流对飞机的影响

飞行员操纵飞机最容易的、最普遍的方法之一就是用飞机机头、机翼尖、风档与天地线的关系位置来判断飞机的飞行状态。但当天气条件变坏，能见度不好时，只见机翼下方一块地面，其它什么也看不见，这时只有看飞机座舱内的仪表来维持飞机正常状态，航行时只凭罗盘，时钟及无线电导航，于是飞行就比较困难复杂了。

云是由于太阳辐射的热，蒸发地面水汽在各种不同高度上，由于温度的降低凝结而成的。云的种类、状态、性质的识别，云的形成及其对气象的影响在气象学中占了很重要的部分。飞行员接触云是较多的，应当对云有确切的了解，一般高空的卷状云，中空的波状、层状云都较稳定，少有降水现象，对飞行影响不大，在这些云的下方，往往形成稳定的天气条件。中空的积雨云是一种危险的云。云顶高度很高，有时竟达7000公尺，一般飞机不能在短时间爬过它，云内升降气流剧烈，上下巅波每秒竟达100公尺左右，使飞机折毁或翻转，有雷电，使无线电设备及部分仪表失灵。一般均禁止穿过积雨云。雨层云运动快，有降水，能见度不好，有时机场被云遮住，飞机不易降落。雨、雪、雾都给飞行员造成很大困难，目前的新的仪表系统及雷达设备解决了这个问题，但需要飞行员有精湛的盲目仪表驾驶技术。

大气与飞行有着密切的关系。飞机制造家设立巨大完备的风洞研究某机型的空气动力，改进飞行性能；飞行员提高驾驶术来克服风、云、雨、雪、能见度等气象条件所造成的困难；气象台设立密布的观测站，预报站，使用精密仪器，提高预报的准确性，使飞行充分利用的天气，而避开恶劣天气。应该说，人类航空的成就，还没有全部胜利地征服大自然界由于气象变化而给飞行带来的全部困难和危害。

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