本科生科研指南（31）：空速管的功能

张宇宁

华北电力大学（北京）

   顾名思义，空速管的主要功能是测量飞机的飞行速度。但实际上，空速管的功能远不止于此。随着航空航天的迅速发展，控制成本是各个公司需要着重考虑的核心问题。因此，需要尽可能的使设备紧凑化、多用途，从各个角度充分发掘设备自身的潜力，节约成本。虽然最初的设计中空速管主要是为了测量飞机的速度，随后根据流体力学的基本原理空速管还被用于飞机的多种重要数据的测量。

  一个典型的例子是用空速管的测量结果计算飞机的飞行高度。在空速管的测量过程中，需要测量大气中流体的静压强。测量过程采用一种一端用膜封闭的盒子进行。在已知封闭端气体压力的情况下，根据飞机飞行时膜的高度变化便可以计算出此高度下大气中流体的静压强。依据此数据进一步运用流体力学的基本原理进行换算便可以获得飞机的飞行高度。大气层按照垂直方向从地面到太空可以依次分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。其中对流层离地面最近，其高度随着纬度变化。在中纬度地区，对流层的高度大概是10-12公里。一般民航飞机的飞行高度的上限大概是12000米。因此，民航飞机在飞行过程中一般处于对流层的区域。在对流层中，大气的温度随高度的增加而递减，平均每升高100米，气温降低大约0.65℃。根据大部分大学课本中的流体静力学基本方程以及我们中学所学的理想气体状态方程，便可以通过积分得到一个简单的大气流体中静压强和高度的关系式（p为压力，z为高度）：

  值得一提的是，尽管该公式的推导过程极其简单，但是其计算精度却是惊人的准确。例如，西藏拉萨市的海拔是3650米，根据该公式计算得到的大气静压强为64509Pa。实际测量结果在夏季为65230Pa，冬季为65000Pa。以二者的平均作为基准，该公式的误差仅为0.93%。不仅如此，上述推导原理对于研究有大气的恒星也依然适用。基于上述公式和空速管测得的静压力，系统便可以很方便地计算得到飞机的当前高度及升降速率。

  飞机在高空飞机中难免受到剧烈气流的影响，造成飞机纵向的对称面与相对气流方向产生夹角，一般称为侧滑角。该角度的测量对于飞行的稳定性和安全性具有重要意义，保证飞机可以及时地进行姿态的调整。在部分飞机上，该角度的测量通过在空速管的垂直方向上安装小叶片实现。同样的道理，沿着水平方向安装的小叶片可以用于测量飞机的迎角（又被称为攻角）。恰当的迎角对于飞机的飞行很重要，可以保证环绕飞机的气流产生足够的升力用于抵抗飞机所受到的重力，保证飞机正常飞行。由此可见，空速管对于保障飞行安全具有多重重要意义。

  随着航空技术的进一步发展，战斗机逐步过度到重视隐身性能等参数上来。战斗机的隐身性能指的是战斗机在受到主动雷达侦测时其反射截面积的大小。雷达工作时会发出电磁波，当其到达物体表面时则一部分电磁波会被反射回来，被雷达探测到。当战斗机反射回来的雷达信号较少或者微乎其微时，雷达无法发现该战机，则该类型战斗机便是隐身战机。影响雷达反射的一个重要因素是战机的几何截面积。对于将空速管前置在机头类型的战机，其反射截面积一般较大，因此隐身性能较弱。另外，头部的空速管还会一定程度上影响机载雷达的正常工作。因此，在后来的设计中，很多战机为了保证隐身性能便将头部的空速管取消，将其设置在机身部位等等。

空速管在不断的发展，其形状和使用方式也一直在变化，但有几点很值得本科生细致品味。

1.        基本原理。空速管测量中所涉及的流体力学基本原理都是比较简单的，大部分大学本科生均可以顺利地进行推导。但上述原理对现实世界的描述却是如此的准确。就像本文中讲述的大气静压强与高度的关系一样，竟然可以达到如此高的精度，不禁让人叹为观止。由此可见，牢固地掌握基本原理和知识具有重要意义。

2.        追踪前沿。随着技术的不断提升，不断有大量新的测量技术涌现出来。例如，为了更为精确的进行飞机速度的测量，一种被称为嵌入式大气数据传感系统已经被提出并应用，其在飞行器头部安装大量的嵌入式的大气数据传感器对飞机的重要参数进行测量，相关领域的进展也值得关注。

3.        返璞归真。尽管头部安装的空速管对飞机的隐身性能会带来一定的影响，但是在很多时候这种设置依然是可靠的选择。例如，在部分先进战机的研发和试飞过程中，均会在头部安装空速管以保障飞行安全。可想而知，传统的布置方式和技术有着它独特的魅力和优势。