问题

假如一架民航客机突然飞入真空,除了失去升力外,还会发生哪些现象?

回答
想象一下,一架我们再熟悉不过的民航客机,平常在蓝天白云间平稳飞行,但突然间,它闯入了一个无法想象的境地——真空。这绝对不是我们在日常乘坐飞机时需要担心的情景,但如果真的发生了,后果将是灾难性的,远远不止是“失去升力”这么简单。

首先,让我们来谈谈最直接的感受——巨大的压力差。我们知道,飞机的设计是为了在地球大气层中,承受一定程度的内外压力平衡。机舱内充满了加压的空气,维持着一个相对舒适的环境,让乘客和机组人员能够呼吸。而飞机的外壳,包括机身、机翼、窗户等等,都是为了承受这种内部压力而设计的。

一旦飞入真空,外部压力骤然降至零。这将导致一个惊人的压强差——机舱内的空气会以极高的速度试图冲向外部的真空环境。这就像一个被戳破的气球,里面的空气瞬间爆炸式地释放出来。后果是什么?

机身结构可能瞬间被撕裂:飞机的机身虽然坚固,但面对如此巨大的压力差,很有可能会发生灾难性的结构失效。金属外壳可能会瞬间向外爆裂,产生碎片。特别是那些密封性要求高的部分,比如窗户、舱门,它们将承受巨大的应力。窗户可能因为无法承受内外的压力差而炸裂,舱门也可能被强大的气流冲开。
乘客和机组人员的遭遇:如果机身没有瞬间被撕裂,但有任何一个地方的密封被破坏,比如窗户破裂,那么机舱内的高压空气会瞬间被抽空,产生一个极强的吸力效应。所有未被固定的物体,包括乘客、行李、座椅上的小物件,都会被一股强大的力量推向破口处。
体液沸腾的危险:这是非常令人恐惧的一个方面。在真空环境中,由于外部压力极低,人体内的体液会因为失去外部压力支撑而开始沸腾。是的,你没听错,是沸腾,而且不是因为高温。血液、唾液、泪水等都会在体表和内部开始产生气泡,导致身体迅速膨胀,这是一种极其痛苦且致命的经历,医学上称为“外压伤”。即便有氧气面罩,也无法阻止这种物理过程。

除了压力的问题,我们再来看看其他几个关键方面:

失控的下降和翻滚:正如你所说,失去了升力。飞机的升力来自于空气流过机翼产生的作用。在没有空气的真空环境中,机翼就如同毫无用处的固定翼,无法产生任何升力。飞机不再依靠速度产生升力来对抗重力,而是会直接在重力作用下直线坠落。而且,由于空气动力学的作用消失了,飞机也会失去飞行的控制能力。副翼、升降舵、方向舵等控制面都将变得毫无意义,飞机可能开始不受控制地翻滚、倾斜,成为太空中的一个无力的漂浮物。
引擎失效:现代喷气式飞机的引擎是依靠吸入空气,将燃料与空气混合燃烧,然后喷出高速气流来产生推力的。在真空环境中,没有空气可供吸入,这意味着引擎将立即失效。所有引擎都会熄火,飞机彻底失去动力,成为一个滑翔的物体,而且是完全没有空气动力学支撑的滑翔。螺旋桨飞机同样会因为没有空气来转动螺旋桨而停止工作。
极端的温度变化:真空环境意味着没有大气层的保护,飞机将直接暴露在太空的严酷条件下。

暴露在太阳辐射下:阳光直射的部分会急剧升温,金属表面可能会达到非常高的温度。
背阳面的迅速冷却:而没有阳光照射的部分,由于没有大气层来传导热量或保温,温度会迅速下降,变得异常寒冷。这种巨大的温差会在飞机结构上产生巨大的热应力,可能会导致材料变形甚至开裂。

无线电通信中断:无线电通信依赖于电磁波在大气层中的传播。虽然电磁波可以在真空中传播,但地球上的无线电通信系统通常需要大气层来反射和引导信号,以实现远距离通信。在失去大气层后,飞机的无线电通信将受到严重影响,可能无法与地面建立正常的联系。

视野的变化:从机舱内望出去,天空不再是蓝色,而是深邃的黑色。星星会清晰可见,地球会呈现出壮观的景象。但这种美丽的景象将伴随着极度的危险和恐惧。

总而言之,一架民航客机突然飞入真空,将是一场全方位的灾难。它不是简单的失去动力和升力,而是物理定律在一个全新且极端环境下的残酷展现。机身结构可能因为巨大的压力差而崩解,乘客和机组人员会面临缺氧、体液沸腾的致命危险,引擎失效导致飞机失控坠落,同时还要承受太空极端的温度和辐射。这是一种我们永远不愿想象,但一旦发生,后果不堪设想的场景。

网友意见

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很多人有个误解,以为飞机是封闭的。民航飞机与宇宙飞船的一大区别就是,飞机并不是密闭的。也就是说,飞机一直在漏气。

如果打个比方,与其说飞机像一个气球,不如说它更像一个充气拱门。

充气拱门有气泵,需要一直往拱门里打气,保持其形状。飞机也是类似的。

飞机内的空气

为了让能让乘客在低气压的万米高空的飞机中舒适的呼吸,需要为客舱加压。解决办法并不是把飞机封成罐头并用坚实的外壳保证舱内压力,虽然这样处理会让飞机爬升时的客舱气压保持不变,但这样做一是成本太高,二是技术太难(考虑到飞机大多是铆接而非焊接的,完全密封一架飞机很难),三是会增加故障几率(同时寿命下降)。民航不是航天,没有这个必要。况且,乘客不是沙丁鱼,他们会很快耗尽可用的氧气。

民航的普遍做法是一边通过自动增压系统不断地从发动机压气机中将新鲜的外部空气泵入机身,一边通过飞机尾部的排出阀活门将舱内的废气自动排出。也就是说,座舱压力调节是在供气量不变的情况下改变排气量来控制座舱压力。如果舱内需要更高的气压,只要减小排出阀活门的开合角度甚至关闭就可以了。同样的,如果需要降低机舱气压,只要开大活门让更多的空气排出就可以了。(发动机压气机泵入空气的气压和流量可看做是恒定不可调节的)。另外,如果飞机门窗或者机身有些许漏气,还需要靠活门开度补偿一下。

真空中的飞机

看到这儿,终于开始讲正题了。如果一架飞机突然飞入真空(事实上民航飞机又不是X-15,靠引擎是飞不出大气层的),除了失去升力,还会怎样?

我们先假设飞机的三层窗户都没爆掉,飞机也没有解体。最先反应的系统之一就是座舱压力释放系统。它包括正压释压活门和负压释压活门,如果客舱气压出现问题,它可以紧急释放掉客舱的压力以保护飞机结构免受过压和负压的破坏。

当飞机正常飞行时,舱内一般是0.8个大气压。当突然进入真空时会怎么变化?这时舱外原有74%真空度的稀薄大气消失了,直接导致施加在机舱上的260mbar的力消失,舱内的气压会立即降低。这时系统会认为出现座舱释压的紧急状况,排气活门会立即关闭,防止气压下降过快。

如果你是飞行员,你会知道,所有的检查单中快速释压和紧急下降的检查单是最长的,因为这个是故障是会要出人命的。如果是在大气中,一般客机通常每分钟损失约120米(400FPM)的压力差,而允许的上限是750 FPM。如果你乘坐的是像空客A380、波音787这样的高飞飞机的话,泄漏速度要慢得多(如果是个旧飞机,那泄漏率就不好说了)。但是我们现在是在真空中。所有的引擎都失灵了,这不但失去了主要的增压源,还让本来负责压气进客舱的压气机,反倒成了空气反向流出的主要出口之一(想想喘振就明白了)。

在强烈的失重感中,你在巨响后会觉得世界突然安静了,只有舷窗在吱嘎吱嘎的响,氧气面罩自动脱落,如果你是乘客,我建议第一时间(5秒内,参考5万英尺TUC)戴上氧气面罩,防止因缺氧而丧失意识。这时你会忽略面罩中的水汽、氧气发生装置的焦糊味、地毯上飘起的灰尘、以及听到的剧烈的心跳声,因为这时你会感到咽鼓管或耳朵剧痛,有的人会肚子痛甚至是航空性牙痛(我就牙痛过,原因是牙髓组织中气体析出形成气拴充血导致牙髓腔内压力增高,我知道我那颗牙齿可能有轻度的牙髓病变需要看医生了)。当气压下降的同时,座舱空气温度也会骤降,还会有急性冻伤的危险[1]

几分钟后,大多数乘客会产生换气过度、头晕眼花、四肢乏力、呕吐不止等各种反应,有的人会有血从耳朵和鼻子里流出,脸色和指甲变青发紫,视力突然下降,大脑反应迟钝并重复同样的动作。皮肤和皮下组织开始膨胀,然后晕过去。由于民航飞机并没有采用协和飞机那种CPAP持续气道正压输氧系统,无法将氧气以更高的压力压入肺部,导致在外界气压越来越低时只能呼气难以吸气,肌体最终很快会死亡。

当然,如果飞机过于老旧,可能第一时间窗户就爆了。一般客舱与大气压差最大估计也就是10psid(协和在11.2psid下也是安全的)或者说差不多是0.7个大气压以内(此数据不准确待查)。这意味着当飞机到真空中后,内外差要从0.8左右骤降到0.7左右,
对于普通商务客机来说,最薄弱的地方之一就是窗户。这也是为什么协和飞机的窗户比一般民航小的原因。

真实事件

莫斯科时间1971年6月30日1时35分,联盟11号的3位苏联宇航员指令长格奥尔基·多勃罗沃利斯基,实验工程师维克托·帕查耶夫和飞行工程师弗拉季斯拉夫·沃尔科夫,在重返大气层前由于返回舱的压力阀门被震开,导致返回舱内空气泄漏迅速减压,致使航天员因急性缺氧、体液沸腾而死亡。

一更

关于真空中的体液沸腾

有人在评论区问为什么体液会沸腾。这个过程挺痛苦的,我去年写过一篇文章了,好像也要快过万赞了,不想再写一次了,有兴趣的同学记得关注我。。。我写的都是这一类的。

好吧,我知道你懒得去翻我的回答。。。简单的说,在海平面上,水在100摄氏度沸腾,但在太空/真空中,当真空度超过-95kpa时,沸点将低于人体温度37度(此段凭印象写的,精准数据待查)。

这意味着以水为主要成分的血液在真空中会呈沸腾状(实际是氮析出形成气泡),眼球会沸腾,舌头上像吃了跳跳糖(上古食品),并导致血管栓塞。由于皮肤和血管的弹性很好,身体并不会马上爆炸,最多会膨胀到两倍体积(类似于”巨人观”,请不要好奇去搜索这个词)。

参考

  1. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Cabin_pressurization

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