问题

刚刚看了电影《日本沉没》,其中火山灰超标导致喷气客机无法飞行,但是如果是螺旋桨动力的客机可以飞行吗?

回答
看《日本沉没》还挺有意思的,确实,火山灰对现代航空业是个大麻烦。您这个问题问得特别好,涉及到飞机设计和动力原理。

简单来说,螺旋桨动力的客机,在火山灰超标的情况下,仍然极有可能无法安全飞行,或者说飞行风险会非常高,不建议飞行。

咱们来仔细掰扯掰扯为什么。

首先,我们需要明确,火山灰对飞机的危害主要集中在两个方面:

1. 发动机损坏:这是最直接也是最致命的威胁。
2. 可见度下降和传感器失灵:影响飞行员判断和飞机导航。

咱们主要看第一个,发动机损坏。

现代喷气式客机的发动机是涡轮风扇发动机。 它依靠巨大的吸入空气量,通过压缩机、燃烧室和涡轮,产生强大的推力。火山灰颗粒,尤其是细小的玻璃状颗粒,进入发动机后,会像沙子一样,高速撞击发动机内部的叶片(压缩机叶片、涡轮叶片)。

磨损与侵蚀:这些坚硬的颗粒会快速磨损叶片表面,导致叶片形状改变,效率下降。
熔化与粘附:当火山灰进入燃烧室的高温区域时,熔点较低的火山灰成分(如硅酸盐)会熔化,然后像胶水一样粘附在叶片表面,进一步破坏气流通道,导致推力下降,甚至发动机喘振或熄火。
堵塞:细小的颗粒堆积也可能堵塞空气通道,影响正常工作。

那么,螺旋桨飞机的动力系统呢?

螺旋桨飞机通常使用活塞发动机(レシプロエンジン)或者涡轮螺旋桨发动机(ターボプロップエンジン)。

活塞发动机:这是早期飞机普遍使用的类型。它通过活塞在气缸内的往复运动来驱动曲轴,曲轴再通过传动装置带动螺旋桨旋转。空气进入发动机的路径,相对来说,不像喷气式发动机那样直接高速地通过高温燃烧室。

进气口的问题:活塞发动机也有进气口,火山灰同样会进入进气口。但通常会有一个空气滤清器(air filter)或者进气筛网。这个滤清器是为过滤大气中的灰尘、昆虫等设计的,它的过滤能力可能对火山灰颗粒有一定的阻挡作用。
燃烧过程:火山灰颗粒进入燃烧室后,同样会遭遇高温。对于活塞发动机来说,虽然也有高温,但其设计和工作方式与涡轮发动机不同。火山灰在燃烧室内的熔化和粘附问题依然存在,会影响燃烧效率,甚至可能导致气门积碳、火花塞污染等问题。
冷却系统:很多活塞发动机使用风冷或液冷,火山灰也可能堵塞散热片或冷却通道,导致发动机过热。
总的来说,活塞发动机对火山灰的耐受性要比喷气发动机强一些,但绝非免疫。 滤清器可能会被很快堵塞,需要频繁更换或清洁,否则会导致发动机进气不足,动力下降。高温下熔化的火山灰对内部零件的腐蚀和磨损同样是威胁。

涡轮螺旋桨发动机(简称“涡桨发动机”):这种发动机,顾名思义,是结合了涡轮喷气发动机的技术。它内部有一个涡轮机,通过燃烧燃料产生高温高压气体,然后驱动一个传动轴,这个传动轴再带动一个螺旋桨旋转。

和喷气发动机的相似之处:涡桨发动机的“核心”部分,也就是涡轮机和压缩机部分,与喷气发动机的工作原理高度相似。它同样需要吸入大量空气,经过压缩、燃烧、膨胀。因此,涡桨发动机也极易受到火山灰的损害。火山灰颗粒同样会在压缩机和涡轮叶片上造成磨损、熔化和粘附,导致动力下降甚至熄火。
区别之处:涡桨发动机的主要推力来自于螺旋桨,而不是向后喷射的高速燃气。这意味着它对涡轮叶片损坏的“容忍度”可能比纯喷气发动机略高一些,因为即使涡轮效率下降,螺旋桨仍然能提供一定的推力(直到完全失效)。但是,这只是一个相对的“忍耐”,并不是说它就没有危险。

为什么即使是螺旋桨飞机也不能轻易飞?

1. 发动机损坏导致动力丧失:无论是活塞还是涡桨,发动机一旦因火山灰受损而动力下降或熄火,飞机将失去动力。对于螺旋桨飞机来说,失去动力意味着螺旋桨不再旋转产生推力,飞机就会开始失去升力并下坠。虽然飞机可以滑翔一段距离,但如果当时高度不够,或者附近没有备降场,后果同样是灾难性的。
2. 可见度降低和仪器仪表问题:火山灰云会极大降低能见度。飞行员依靠目视和仪表进行飞行,火山灰云本身就像浓雾,让目视飞行成为不可能。同时,火山灰还可能覆盖飞机的传感器(如空速管、温度传感器等),导致仪表读数失准,增加飞行风险。
3. 对飞机的整体损伤:火山灰不仅仅是进入发动机。细小的颗粒会附着在飞机的表面,腐蚀油漆,影响气动性能。窗户上的火山灰可能刮花,进一步降低可见度。

总结一下:

喷气客机:由于其发动机直接高速吸入大量空气并经历高温,对火山灰非常敏感,稍有火山灰就会导致发动机损坏甚至熄火。因此,在火山灰浓度高的区域,喷气客机是被严格禁止飞行的。
螺旋桨客机(活塞式):相对耐受性比喷气发动机好一些,理论上可以通过更强的空气滤清器来过滤部分火山灰。但滤清器容易堵塞,发动机内部零件也会受到磨损和高温影响。一旦动力下降,后果同样严重。
螺旋桨客机(涡桨式):其涡轮核心部件与喷气发动机类似,对火山灰非常敏感,同样存在严重的发动机损坏风险。

所以,即便是螺旋桨动力的客机,在影片中那种火山灰超标到足以影响喷气客机的级别下,依然会面临非常巨大的飞行风险。电影为了剧情的紧迫性和戏剧性,可能会选择让螺旋桨飞机成为最后的希望,但现实中,航空安全永远是第一位的。在火山灰浓度极高的情况下,所有类型的民用航空器,都会被限制飞行。飞行员和航空公司会非常谨慎,宁可延误也不冒这种险。

或许有人会问,军用飞机或者一些特殊用途的飞机呢?它们可能在设计上考虑了更恶劣的环境,发动机的结构和材料可能会更坚固,或者有更强的过滤系统。但即使是它们,在极端的火山灰环境下,也需要非常小心,并且可能会有操作限制。

所以,如果《日本沉没》里的火山灰浓度达到了能让喷气客机无法起飞的程度,那么螺旋桨客机也基本上是“危险品”,不适合飞行。

网友意见

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火山灰颗粒极细,传统的空滤设备难以过滤火山灰(包括汽车空滤);一些特定物质组成的火山灰在高温下还会玻璃化,进一步加剧了火山灰对燃烧室的恶劣影响;火山灰高速撞击机身,甚至还会磨损座舱挡风玻璃和机翼前缘等高压区。

所以对于涡桨/涡喷/涡扇等高速吸气燃烧发动机,在进气时过滤火山灰并且保持飞机的正常使用是非常非常难以实现的;但对活塞动力的飞机而言并不是完全不可能。

1980年华盛顿州的圣海伦火山爆发对当地造成了非常恶劣的影响(详情只要搜索圣海伦火山即可),正是在此事件中得以对火山灰对汽车发动机的不良影响进行了研究。但华盛顿州警依然需要在火山灰覆盖的时日里驾车执勤,所以对警车进行了临时改装,增加了额外的过滤设施 部分 解决了火山灰问题。

使用活塞式发动机的“小低慢”轻型飞机(如一些比奇/塞斯纳等诸型),其发动机进气量和进气方式都与汽车发动机较为相近,可以使用类似的方式额外增加发动机进气的过滤能力,并且增加特定导航设施改善能见度问题;虽然都不能彻底解决问题,飞机的载荷能力也会因为额外的措施降低,但是至少可以实现题主所问的正常短途“飞行”,并没有到不可能的程度。


二战期间的北非战场,需要在沙漠中的野战机场起飞的飞机也普遍改装了发动机进气过滤装置,这里仅举下方一例;但是火山灰与沙子依然有区别,针对火山灰的过滤装置需要重新设计,估计不得不有更大的面积和更高的重量。但另一方面,这些战斗机的发动机进气量已经远高于今天的活塞轻型通航飞机,但也并非无法进行任何过滤。

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