2009年7月18日 星期六

航空漫談:認識飛機高度表

特此致謝邢有光將軍撰文並允發布

前言

近代的飛機提供給飛行員的訊息是愈來愈多,諸如飛機的速度、高度、飛機的姿態、航向、方位、飛機現在的位置、現在的時間、發動機的轉速、溫度、燃油的存量、以及氣象資料等等,可以說是能想到的都有了,不過在這些訊息當中,要以速度、高度以及飛機的姿態為最基本的要求。某架飛機在飛行時與其它飛機的安全間隔距離,以及它與地形地物、建築、凸出物等的安全間隔距離,均靠高度表所顯示的高度作為參考。可惜的是高度表所顯示的高度並非真正的高度,因此必須充份瞭解高度表的構造和原理,方可正確使用高度讀數,以避免導致發生危險狀況。這也是為什麼近代飛機的駕駛艙內雖然有高科技的航電液晶螢幕,可以切換顯示各種訊息,並進一步簡化了儀表板(少了一大堆指針或小燈泡),但是傳統的速度表、高度表以及姿態儀仍是必須的備份儀表。本文主要目的是以較淺顯的文字來說明較複雜的高度表,以及不同的高度定義是如何運用在飛行規則中,同時也看看美國聯邦航空法規對高度表有那些重要之規定。

大氣特性

在介紹高度表之前,必須先簡單瞭解地球大氣之特性。圍繞在地球四周的大氣有下列兩個特性:

  1. 大氣的溫度隨高度之增加而降低。
  2. 大氣的壓力因地心引力的關係亦高度之增高而降低。

不過天氣的狀況每天不一樣,溫度、壓力雖因高度的增加而遞減,但三者之間並沒有一個常規不變的公式可作為參考。為了有一個共同依據,因此就假設了一組理想值作為壓力、溫度與高度三者之間的關係,這組數值就稱為國際標準大氣,簡稱ISA:

高度(英呎) 壓力(英吋汞柱) 溫度(攝氏)
16,000 16.21 -17
15,000 16.88 -15
14,000 17.57 -13
13,000 18.29 -11
12,000 19.03 -9
11,000 19.79 -7
10,000 20.58 -5
9,000 21.38 -3
8,000 22.22 -1
7,000 23.09 1
6,000 23.98 3
5,000 24.89 5
4,000 25.84 7
3,000 26.81 9
2,000 27.82 11
1,000 28.86 13
海平面 29.82 15

從上表中,你可以發現在海平面(高度為0)時的壓力為29.92英吋汞柱高,而溫度為攝氏15度。此外,高度每升高1,000英呎,溫度降低攝氏兩度;高度在7,000英呎之下時,每升高1,000英呎,壓力幾乎降低1英吋汞柱高。要提醒你的是這僅是一個假設的狀況,很少有實際的天氣狀況是符合這組數值的。你如果有注意每天的天氣預報,每個地點的大氣壓力和溫度常常是在改變的。

高度表的種類

一般而言,高度表有兩種,一為機械式的壓力高度表,另一為較精準的電波/雷達高度表壓力高度表顧名思義就是利用前述的國際標準大氣之壓力與高度的關係,只要設法量測到大氣的壓力,高度便可以知道了。它的機械原理是利用一個在受到力量時會收縮或膨脹的微小金屬膜盒,將它放置在一個較大的密封盒中,而這個較大的盒子有一個開口,大氣的壓力經由皮托管或飛機的靜壓口可通到這個開口進入較大的盒中,(這個較大的盒子實際上即為這個高度表的殼子),如果外界的大氣壓力有所改變(高度增加或減少),這個金屬膜盒因此產生收縮或膨脹,而收縮或膨脹的量再經由機械齒輪原理,依照國際標準大氣之壓力與高度的關係傳動至高度表的指針,飛行員再讀取指針所顯示的高度值。因為這種高度表為利用國際標準大氣的壓力與高度關係,除非你是在國際標準大氣情況下飛行,高度表所量出的高度才會等於真正的飛行高度,但是這種情況真是少之又少。

此類的壓力表通常尚有一個功能,稱為壓力調撥值,它最主要的目的是在非國際標準大氣壓力狀況下,讓高度表顯示出以另一個壓力面作為量測起點的高度值。舉個例子,若有一個高度表是依照前述國際標準大氣壓力與高度的關係製成的,把壓力調撥值設定在29.92英吋汞柱高,若你在甲機場起飛,甲機場的標高為0高度(海平面高度),當時機場的大氣壓力剛好符合國際標準大氣狀況(29.92英吋汞柱高),這個時候你在跑道頭看你的高度表,其指針顯示的指示高度為0英呎。你飛行一段距離後降落在乙機場,它的標高為1000英呎,若乙機場的大氣壓力也正好符合國際標準大氣狀況,這個時候你的高度表就會偵測到乙機場的大氣壓力為28.86英吋汞柱高,你落地後看你的高度表,其指針顯示的指示高度為1,000英呎!亦即海平面之上1,000英呎。現在假設乙機場的大氣壓力不再是國際標準大氣狀況,由28.86英吋汞柱高降至27.82英吋汞柱高,這個時候你的高度表指針顯示的指示高度為2,000英呎,不再是正確的1,000英呎!言外之意,在乙機場落地後你的高度表顯示出來比跑道真正的高度要高出1,000英呎,這難道不是一件不好的事情嗎?這個時候壓力調撥值便發揮功能了,它有辦法讓你的高度表顯示出正確的高度值,只要把壓力調撥值設定在機場的大氣壓力即可。其機械原理很簡單,當你改變壓力調撥值時,亦改變了金屬膜盒大小,同時亦讓高度表的指針有所改變,而且兩者均依照高度每改變1,000英呎,壓力改變1英吋汞柱高的比例來變動。再舉一個例子,如果你在標高為1000英呎的乙機場,高度表的壓力調撥值先設在標準的29.92英吋汞柱高,並且注意到高度表的指示高度為1,300英呎,顯然高度表的指示高度與機場真實高度有300英呎的誤差,解決的方式便是把壓力調撥值撥到29.62英吋,(每減少0.1英吋汞柱高,代表100英呎的高度變化),高度表的指示便回到1,000英呎了。

還有,壓力高度表顯示的高度是以壓力調撥值為量測起點的高度,如果你在乙機場的上空飛行,高度表的指示高度為15,000英呎,表示你在海平面上方15,000英呎的高度飛行,由於乙機場的高度為1,000英呎,你離乙機場的高度只有14,000英呎。

電波/雷達高度表的原理為經由飛機上發射一束電波,這個電波到達地面後被地面反射回到飛機,在量測所花費的時間之後,便可以利用電波速度和時間算出與地面的高度。

高度定義

有些讀者或許會問,怎麼一會兒高度是15,000英呎,一會兒又是14,000英呎,飛機還在原在位置沒動呢。由於地球表面除了海平面之外,其它的地方或許是高山、平原、深谷、高原、湖泊等等,它們都不見得是海平面高度。當我們說高度的定義時,必須說明是從哪個基準面開始計算,常用的基準面有三種:一為海平面,一為地表面,另一為標準參考面。前兩種無須多加解釋,第三種是一個理論上的基準面,具體而言就是29.92英吋汞柱高的壓力面。在瞭解壓力高度表以及高度的基準面之後,就可以再來看看不同的高度定義以及它們的用途:

  1. 指示高度:由壓力高度表所顯示出來的高度,基準面為海平面,但是壓力調撥值為當地之大氣壓力值。英文中常用平均海平面的縮寫MSL來表示指示高度的基準面。例如:你在台北中正機場上空飛行,就把中正機場的大氣壓力值定為壓力調撥值;若在上海浦東機場上空飛行,就把浦東機場的大氣壓力值定為壓力調撥值。再以美國為例,在18,000英呎以下的儀器飛行規則的空域高度分配以指示高度為準,因此在美境內長途飛行時,飛行員必須注意收聽航管中心的廣播,航管中心會持續播報各地方的大氣壓力值,當飛機通過定點時,就把當地的大氣壓力值定為壓力調撥值
  2. 壓力高度:由壓力高度表所顯示出來的高度,基準面為標準參考面,也就是壓力調撥值不論是在那裡都設定為29.92英吋汞柱高。以美國為例,美國聯邦航空法規要求若在18,000英呎以上的高度飛行,必須是儀器飛行規則,同時規定壓力高度表壓力調撥值須設定在29.92英吋汞柱高。雖然在這種情況下所顯示的高度不是真實的飛行高度,但是所有的飛機高度表都使用同一個參考面,大家的誤差都一樣,因此飛機之間仍可以保持所規定的安全距離。
  3. 密度高度:將壓力高度值對溫度校驗後的高度。如果大氣溫度符合國際標準大氣的狀況,密度高度等於壓力高度。密度高度最主要的目的是讓飛行員以及飛機設計製造公司計算及瞭解正確的飛機性能值,並不是來作為高度的參考。
  4. 絕對高度:通常是指經由電波/雷達高度表所顯示出來的高度,基準為地面,但沒有壓力高度表壓力調撥值問題。英文中常用地面以上的縮寫AGL來表示。飛機在通過或降落高山地區的空域時,使用絕對高度作為參考就比使用指示高度或壓力高度來得安全。

美國聯邦航空法規第91.121章節的內容中,針對一般飛機在飛行時設定壓力調撥值的規定為:在平均海平面18,000英呎高度以下時,以當時飛行途徑上100海浬之內的航管中心為準;在平均海平面18,000英呎高度以上時,一律設在29.92英吋汞柱。

由於高度表有相當的重要性,因此在美國聯邦航空法規第43章「航空器的維修」附錄E的內容中,特別規定了高度表的測試與檢修有關事項。而在第91.411章節裡則規定,若飛機的高度表沒有依照第43章附錄E的測試檢修規定執行的話,這架飛機是不允許飛行的;同時亦規定誰有資格來執行高度表測試與檢修,由於條文較多,不在此贅述。

結語

由於壓力高度表所量測出來的高度並不是一個真實的高度值,因此當我們在談論飛機的飛行高度時,並不是我們想像中那樣簡要,除了要瞭解高度表的原理和其限制外,同時要清楚各種高度的定義以及航管規定,才會有一個安全的飛行間隔距離。下次你在搭乘飛機聽到飛行員廣播飛機的飛行高度時,想必會發出會心一笑,飛行高度原來是這個意思!

0 留言:

張貼留言