珠穆朗玛峰是地球上海拔最高的山峰,能够登顶征服这个世界第一高峰,是许多登山爱好者和探险者梦寐以求的理想,在他们看来,这是实现人生价值、突破自我极限的一个重要目标。然而,由于珠穆朗玛峰海拔非常高、空气稀薄、气候恶劣,经常会有登山者在攀登过程中被困甚至丧命,那么能不能用直升机运送人员到达峰顶或者解救被困的人员呢?
直升机飞行的原理
直升机和普通飞机的结构不同,它没有固定的机翼和尾翼,只能依靠螺旋桨的快速转动产生气动力。而产生气动力的原理与普通飞机并无二致,都是靠机翼(直升机旋转的螺旋桨可以视为机翼)上下产生气压差,从而提供向上的升力来克服重力作用,实现空中飞行的目的。
根据伯努力方程,任意物体,在处于流体场中,其上的每一点所具有的压力势能、重力势能和动能的总和保持不变。而对于在空中运行的飞机来说,在同一时间点内,机翼的上下对应的两点,我们可以理解为重力势能和动能相同,而它们所受的气体压力势能是不一样的,而压力势能又包括动压和静压两部分,而决定机翼所受压力的平衡是由静压所决定的。在机翼上方空气的流速要比下缘快,共动压就大,相应的静压就小,下方正好相反,动压小、静压大,因此大气对于机翼的总静压就会有向上的趋势,于是向飞可提供了向上的升力。
而气流与旋翼之间的夹角(迎角),会对上下空气流动速度起到非常重大的影响,一般情况下迎角越大,则沿着旋转叶片半径方向上单位机翼长度上提供的上下静压力差就越大,其在桨轴上的压力差分量提供给机身的升力也就越大,飞机的悬停或者移动就会越轻松。
由于直升机是靠螺旋桨的旋转获取的升力,那么按照动量守恒定律,机身将有向相反方向旋转的趋势,如果没有外力控制的话,飞机则会原地打转,那么克服这个扭矩的任务就交给了尾桨,依靠尾桨的旋转产生的拉力,来平衡掉机身旋转的反作用力矩,从而维持着机身的平衡,并且可以操控机头的前进方向。无论是螺旋桨和尾桨的转动,都需要利用直升机发动机消耗的燃油释放的能量所提供。
影响直升机飞行的主要因素
通过刚才的分析,我们看出,直升机是通过螺旋桨的转动,来产生上下桨片空气之间的静压差实现的,因此其飞行效率取决于这个压力差的大小,压力差越大,升力就越大,飞行效率就越高。而影响这个压力差的因素可以分为内部因素和外部因素。
从内部因素来看:
叶片面积越大,能够形成的压力差总和就会越大,升力就越大;
总质量越小,克服重力势能所需要的升力就越小,飞行效率越高;
固定叶片与水平面的夹角越大,即迎角越大,升力也越明显;
尾翼面积较大,其克服螺旋桨扭矩反作用力的能力就越强,操控行进方向就越容易;
叶片旋转速度越快,其产生的升力效果以及提升操控性也越明显。不过,这里有几个矛盾的地方,即叶片面积越大,往往会增加机身的重量;
叶片旋转速度越快,所需要的发动机性能越强,燃油消耗速度往往也加快,一定程度上需要装载更重、更行动的发动机,同时还要携带更多的燃油;在螺旋桨和尾桨叶片面积都增大的同时,为了避免二者相互碰撞,必须要加长机身,从而也加重了整机质量。
因此,在直升机设计时,根据不同的需要,必须要在自身质量和行动效率上取得一个平衡点,不是造得越大,性价比越高。
从外部因素来看:
受到外部气流的干扰作用非常明显。较强的气流变化,能够快速地改变上下翼之间的压力变化,对飞机升力和操控性的影响会非常明显。对氧气浓度有比较苛刻的要求。由于为直升机提供直接能量来源的是燃油发动机,当氧气含量不足时,发动机的工况就会明显下降。对降落地点也有严格的要求。直升机虽然不像普通飞机那样需要降落跑道,但是也需要一定范围内非常平坦的区域,不能高低不平,不能有小型建筑物、石块或者树木的干扰等等。
直升机在珠峰顶降落的难点
由于珠穆朗玛峰地势很高,环境非常恶劣,对照上述影响直升机飞行的诸多因素,我们可以看出,如果直升机要想在珠穆朗玛峰的峰顶安全降落,有着难以克服的问题。
一是没有合适的降落地点。珠穆朗玛峰无论是山腰还是峰顶,可供直升机安全降落的区域可以说几乎没有,不但地形高低不平,而且乱石密布,积雪深度也未可知。
二是气流变化无常。珠峰峰顶常年被云雾笼罩,10级以上大风经常出现,即使在天气晴朗之下,上部也会有气流运动速度非常高的“旗云”,在这种环境下,直升机很难获得稳定的升力作用,操控机身前进方向和速度也会难上加难,极易被巨大的气流冲击而机毁人亡。
三是空气非常稀薄。高于8000米的地区,其大气压力仅为正常情况下的30%左右,一方面提供不了直升机足够的静压力差以克服重力作用影响,另一方面氧气的低含量将对直升机发动机的工作效率产生严重影响,甚至不能正常运行。
因此,直升机在高空飞行上所受的限制非常大,那些能够飞行10000多米的直升机,都是经过特殊改造的,自身重量都经过了不能再减的地步,根本无力再承受额外的人员和物资运输,而直升机常见的高空悬停,也基本上都是在4500米以下实施的,根本不可以到达8000米以上的高度。
总结一下
运用直升机进行运输和救援,是在一定区域半径之内非常及时、有效和机动性强的一种方式,但是直升机的飞行,也会受到众多内部因素和外部因素的综合作用影响,其使用范围势必带有明显的局限性,特别是在地形复杂、地势较高、气候恶劣的地区,不能有效地保证安全飞行和降落,特别是在珠穆朗玛峰峰顶这样的地方,更是无能为力了。