飛機上的驚奇科學課:從機場、機艙到機窗外,航空旅途中的103個科學疑問全解答

作者:布萊恩.克雷格(Brian Clegg)
出版社:晨星出版有限公司
出版日期:2015年5月1日


文/白榮銓
 

乘坐飛機旅行時,機場的安全檢查系統、旅行者血栓症(traveler’s thrombosis)的形成、惱人的時差、飛機的導航系統、機翼的變換動作、機窗外的雲層變化、以及地面上迷人的碎形(fractal), 這些從機場、機艙到機窗外的所見所聞,常帶給旅客許多的驚奇和疑問,到底在航空旅途中,還有那些相關的科學現象?這些現象隱含的科學原理是什麼?

本書作者英國知名科普作家布萊恩‧克雷格(Brian Clegg, 1955-), 擁有劍橋大學自然科學的學士學位及蘭卡斯特大學(Lancaster University)作業研究operations research,又稱運籌學)的碩士學位,曾為《自然》(Nature)、《衛報》(The Guardian)等多家媒體撰寫專欄與評論,同時是多本科普暢銷書作者。本書共分為七部分,作者介紹及解析搭飛機旅行過程中,「機場、天空、地面景致、雲之上、機艙人生、飛行時的科技、回到地球」等階段相關的科學原理與奧秘。

金屬探測安檢門
在機場安檢作業上,通常以金屬探測安檢門,對旅客作大範圍篩檢,或以掌上型金屬探測器,對可疑旅客進行複檢。到底金屬探測器的工作原理是什麼?除了安檢,還應用在那些領域?
1881 年7 月2 日,第20 任美國總統加菲爾德(James Garfield, 1831-1881) 遭到謀官未成、心懷忿恨的刺客,於背後開槍暗殺,子彈深入體內,為了幫忙外科醫生定出子彈的位置,美國發明家和企業家貝爾(Alexander Bell, 1847-1942) 發明了金屬探測器,這是一種電磁裝置,他稱之為「感應平衡器」(induction balance)。雖然金屬探測器可以正常工作,就是定不出子彈的位置,原來貝爾不知道加菲爾德躺在螺旋彈簧床墊上,而當時的彈簧床墊也是新發明之一,螺旋彈簧線圈干擾了金屬探測器,產生許多假信號。貝爾稍後的改良型金屬探測器,讓醫生於戰時挽救了許多生命,直到X 光機發明為止。
1920 年代末, 美國工程師費舍爾(Gerhard Fisher, 1899-1988) 發明了「飛機無線電測向儀」(aircraft radio detection finders),飛行員發現:如果在發射器和接收器之間出現金屬物體,或當他們飛經某些地域時,方向就會出現錯誤。費舍爾研究發現這些錯誤,是由於高導電、礦化物(highly conductive, mineralized substances)所導致的結果。於是費舍爾利用同樣的原理,開發一種可攜式電子探勘儀器,用來檢測埋藏在地下的金屬物體和地下礦床(ore deposits)。
1931 年, 費舍爾在加州帕洛阿爾托(Palo Alto, California)住家的車庫裡,成立了研究實驗室,並發明了易於使用的金屬探測器, 他稱之為metalloscope( 簡稱M-Scope), 並取得專利。金屬探測器被廣泛應用於各領域,例如礦產業者用它來檢測和發現自然金屬顆粒,尋寶者用它來探測埋藏在地下和古墓的金屬物品,公用事業公司用它來探測地下的金屬管道,伐木廠用它來檢測原木是否有金屬內含物,執法部門用它來探測隨身攜帶和隱藏的武器,軍事上用它來探測金屬地雷,工業上用它來監測食品是否有金屬雜物。
金屬探測器使用的技術有三種,分別是甚低頻(very low frequency, 縮寫VLF)、脈波感應(pulse induction,縮寫PI)、差拍振盪器(beat frequency oscillator,縮寫BFO)。大多數機場的金屬探測門都是使用脈波感應,做法是在金屬探測門的一側,裝設單個線圈,扮演發射器(transmitter) 和接收器(receiver)的雙重角色,如果向線圈輸送強大且短脈波的電流,則每一次脈波都會產生一個瞬時磁場。脈波結束後,磁場極性會反轉,然後迅速衰減,產生一個急遽上升的「尖峰脈衝」(spike);這一尖峰脈衝可持續幾個微秒(microseconds),並導致線圈上產生另一電流,這一電流稱為「反射脈波」,持續的時間約為30 微秒;隨後線圈再發射另一個脈波,並重複上述過程。以PI 為基礎的金屬探測器,通常每秒發送約100 個脈波,但此數字可因生產商和產品型號的不同而有很大變化,每秒發送的脈波數約25 ∼ 1,000。
如果有金屬物體通過金屬探測器,脈波會在該物體內部形成反向磁場,延長了反射脈波從衰減到消失的時間,這一過程的原理有些類似於回聲現象;如果在一間只有幾面硬壁的房間內叫喊,只能聽到短暫的回聲,甚至根本聽不到回聲;但如果在一間都是硬壁的房間內叫喊,回聲持續的時間就會延長。PI 金屬探測器中,目標物產生的磁場加強了反射脈波的「回聲」,使得它持續的時間要比沒有「回聲」時略長一些。
金屬探測器中的抽樣電路(sampling circuit) 被設置來檢測反射脈的時間長短,比較「實測時間」與預期時間的長短,就能判定是否存在另一個磁場,延緩了反射脈波的衰減;當反射脈波的衰減時間,比平常情況多出幾個微秒,就可能是金屬物體干預了反射脈波。抽樣電路將它所監測到的微弱信號,傳送給積分器(integrator), 積分器會讀取從抽樣電路傳來的信號,將其放大並轉換為直流電, 連接至聲頻電路(audio circuit) 並發出聲音,而金屬探測器就是利用聲音,做為發現目標物的指示信號。( 請參考How Airport Security Works:http://science.howstuffworks.com/transport/flight/modern/airport-security3.htm
由上述可知,金屬探測器是利用電磁感應的原理,首先產生迅速變化的磁場,在金屬物體內部能感生渦電流,然後渦電流又會產生互動的磁場,反過來影響原來的磁場;最後由金屬探測器的電路讀取信號,經過相關處理後,發出鳴聲或使儀表指針發生轉動。

導航及飛航交通管制
飛機要維持正確的航向, 需經常測定現在的位置, 以及瞭解到目的地的方向和距離, 隨著飛行科技的演變,從早期的地形導航、推測導航(dead reckoning navigation)、天文導航(celestial navigation),進而發展至無線電導航(radio navigation)。到底什麼是無線電導航?飛航管制人員如何掌握航機的航行動態?
無線電導航是利用地面無線電台發射無線電波,導引航機安全飛行及起降的「助導航」科技。高空航行的飛機,接收到地面上「極高頻全向導航台」(VHF omnidirectional radio range beacon,縮寫VOR)發射出108 ∼ 118MHZ 頻率的無線電波,飛機的駕駛,依據座艙內的無線電羅盤儀(radio magnetic indicator)儀表,可以判斷飛機相對於VOR 導航台的位置,並維持在設定的航道上。臺北飛航情報區(Taipei FIR)的航路上,在本島及外島的不同地點,共設有9 套「都卜勒特高頻多向導航台」(Doppler VOR),Doppler VOR 是第二代的VOR,能提供更好的信號品質及精確度。
提供航機定向指引的助導航科技,還有「全方位無線電導航台」(non-directional radio beacon,縮寫NDB),通常作為VOR的輔助設施。NDB 發射出190 ∼ 535MHZ頻率的無線電波,經由機上的自動定向儀(automatic direction finder) 接收, 提供駕駛修正航線的資訊;因為電波到來之方向就是NDB 的位置,故只要將機首對準並保持NDB 的方位,就能到達該NDB 的位置,其作用就像燈塔導引船舶的方式。供航路上之航機使用的NDB,稱為「歸航台」;配合機場降落系統使用的NDB,稱為「定位台」(locator)。臺北飛航情報區的航路上,在本島及外島的不同地點,共設有10套歸航台和13 套定位台。
為了維護航機的飛行安全,並保持空中交通的秩序與暢通,航空交通管制(airtraffic control) 必須實施區域管制(area control)、終端(又稱近場)管制(terminal approach control)及機場管制(airport control),這些飛航管制仰賴「航管雷達」系統,航管雷達依據涵蓋需求,可區分為長程雷達(long range radar)及終端雷達(terminal radar) 兩種。長程雷達用於航路管制使用,涵蓋距離約為250 浬;終端雷達用於終端管制使用,涵蓋距離約為60 浬。
當飛機上的詢答器(transmitting-responder,縮寫transponder)接收到航管雷達的訊號時,它會將航機距離、方位、高度及航機代碼等資訊,傳送給飛航管理系統,顯示於雷達幕,以便飛航管制人員能夠掌握航機動態,引導航機安全飛行、降落和起飛。
除此之外,機場設有「機場場面搜索雷達」(surveillance movement radar) 系統,一般稱為「機場場面偵測裝備」(airport surface detection equipment),主要用於搜索機場範圍內之地面滑行航機和移動車輛之動態,以提供機場塔臺管制員執行飛航管制之參考。
由於航空空運的快速成長,為了降低飛航成本及提高飛航效益,相較於傳統的「航管雷達」系統,現已有更精確可靠的「廣播式自動回報監視」(automatic dependent surveillance -broadcast, 縮寫ADS-B)系統。配置有ADS-B Out 的航機,利用全球導航衛星系統(global navigation satellite system)來確認航機位置,然後將現在位置、識別資訊、航行高度及速度等資訊,每半秒自動向外播送1 次,當地面站接收到航機播送之訊息,立即傳送給飛航管理系統,並將其顯示於管制員之顯示幕。臺北飛航情報區的航路上,在本島及外島的不同地點,共設有9 套廣播式自動回報監視系統。
只要有ADS-B 接收器,就可以接收到附近航機的訊號,瞭解附近航機的動態,例如Flightradar24(http://www.flightradar24.com/) 和Planefinder https://planefinder.net/)網站,就是藉由在世界各地布署的ADS-B 接收器,主動記錄全球各班機的航跡,呈現在網站上,只要輸入機場名稱或航班代號,就可以查詢到該機場或航機目前的位置或飛行動態。
由上述可知,「無線電導航」是航機接收地面「極高頻全向導航台」和「全方位無線電導航台」系統的信號,導引航機正確安全地飛抵目標;航管雷達、機場場面偵測裝備和廣播式自動回報監視系統,讓飛航管制員在地面監看航機動態,協調、指揮空域或機場內不同航機的航行路線,以確保地面機場或空中交通皆能有秩序地運作順暢。

機翼的構造與功能
飛機在飛行時,外表任何部份都可產生升力(lift),但主要的升力來自機翼,到底機翼受到的升力是如何產生的?機翼的構造為何?各具有那些功能?
因為空氣是順著機翼表面上方的曲線,「向下」流經機翼,所以流動的空氣具有加速度,而且加速度的方向也是「向下」,表示機翼對空氣產生「向下」的作用力;而空氣也相對地對機翼施以大小相等、方向相反的反作用力,故機翼受到「向上」的升力。(請參考Lift from flow turning,https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/right2.html
機翼下方有數支流線型的滑軌延伸支桿, 稱為襟翼滑軌整流罩(flap track fairing),它們可以控制襟翼(flap)的伸縮,當飛機起飛或下降時,安裝在機翼後緣的襟翼,將隨著襟翼滑軌整流罩後退且下偏(圖1),使得機翼面積增大,並改變了機翼向下偏的角度,目的是增大升力,但也增大了阻力。起飛時,伸展襟翼,襟翼向後下方的偏角較小,主要是增加升力的作用,以利於飛機加速起飛;升空到達安全高度後,收起襟翼,減少阻力,以利高速巡航;降落時,全面伸展襟翼,襟翼向後下方的偏角較大,可以使飛機的升力和阻力同時加大,以利於降低著陸速度。

降落前,襟機隨著滑軌整流罩伸展並下偏圖1  降落前,襟機隨著滑軌整流罩伸展並下偏。(圖片來源:Wikimedia Commons)

擾流板(spoiler)是安裝在兩側機翼的減速裝置,在飛行過程中升起,可以減緩速度並降低高度;飛機降落滑行時,向上升起擾流板(圖2),增加阻力,以便降低滑行速度,縮短滑行距離。副翼(aileron)是一對可活動的翼面,安裝在兩側翼梢的後緣,幫助飛機在水平方向轉彎;若左邊副翼下偏,右邊副翼上偏,則流動空氣對兩邊副翼造成的力矩,將使機身繞著縱軸向右旋轉(圖3);若左邊副翼上偏,右邊副翼下偏,則飛機向左旋轉。

降落滑行時,擾流板及襟翼的位置圖2  降落滑行時,擾流板及襟翼的位置。(圖片來源:Wikimedia Commons)

副翼一上一下,可使機身發生旋轉圖3  副翼一上一下,可使機身發生旋轉。(圖片來源:Wikimedia Commons)

翼翹(winglet)是在兩側翼尖上的小翅( 圖 4),當空氣流經機翼上、下表面時,會形成壓力差,產生升力;亦即機翼下表面的壓力大,上表面的壓力小,因此在翼尖的地方,就會出現下表面壓力大的氣流,向上表面壓力小的區域流動之現象, 從而在翼尖形成渦流(vortex), 增大了飛機的阻力,這種阻力稱為誘導阻力(induced drag)。在翼尖裝設小翅之後,阻斷了上繞氣流,使渦流減弱,因而減小了飛行阻力,達到節約油耗、降低飛行成本的目的。

翼翹圖4 翼翹。(圖片來源:Wikimedia Commons)

由上述可知,飛機仰賴主翼和襟翼提供主要的升力,但要全面操縱飛機,仍須仰賴主翼上的擾流板、副翼和翼翹,以及飛機尾部的水平安定面、升降舵、垂直安定面和方向舵等,作為輔助設施。
綜合上述,金屬探測安檢門的運作,牽涉到電與磁的交互作用;導航及飛航交通管制,應用了無線電波、雷達及全球導航衛星系統;飛機由滑行、升空到降落,呈現出機翼各部分的構造及變化。至於機場跑道怎麼編號?什麼是慣性導航系統?高空飛機外頭有生命嗎?為什麼起飛與降落時,兩台飛機之間要拉長間隔?⋯⋯等其他相關問題,這些都有待您進一步的閱讀與思考!


白榮銓 臺中市立居仁國中退休教師

08/16/2016 15:45

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