东航坠机事故已基本确定坠机事故主要撞击点,最深 20 米左右,还有哪些信息值得关注?

我最关心的点,在于那片主坠机点10公里外的残骸。

熟悉空中浩劫的人会知道,残骸的分布模式很重要,

  1. 如果残骸散落在一个地方,说明飞机接地时大体完整
  2. 如果散落范围很大,说明飞机在接地前很久已经解体
  3. 如果在主残骸区外的地方发现别的部件,说明这块部件是最先从飞机脱落的,很可能跟事故的起因有关,而这正是东航此次的情况

更甚者,历史上早已有过一小片气动翼片脱落导致飞机俯冲直插地面的事故。我能直接想到的是大陆快运2574号事故。

 

这个事故的起因是水平尾翼的前缘没有装好,在飞行中最先飞出,当场破坏了飞机的气动构型,导致俯冲坠毁




此外还有著名的日本航空123号事故,舱尾压力板最先炸开,尾翼最先炸断脱落,导致机体完全不受控最终坠毁。





我相信这片翼片会成为重要的线索。

 

 

飞机失事的原因是什么,等黑匣子的数据解读出来之后,一切都会真相大白,一切都应以官方专家公布的为准。但在黑匣子的数据出来之前,咱们不妨可以做一些猜测。从所看到飞机将要坠到地面上时的视频来看,飞机大概率是机头垂直撞击地面。从那个视频,我们还可以初步估算飞机将撞击地面时的速度。。


本次失事的飞机是波音737-800,这种飞机的长度是 L=39.5m ,质量 mapprox(41.413times10^3+132times100)kgapprox5.46times10^4kg ,乘客及货物的质量按平均每人 100kg 来估算。从上面的视频可以看到,飞机在 Delta t=(12.15-10.23)s=1.92s 内,垂直位移是 happrox(7.8-4.42)times frac{39.5m}{7.9-7.6}approx445m ,水平位移是 xapprox(13.5-12.9)times frac{39.5m}{7.9-7.6}approx79 m 。所以,我们可以计算出飞机在将坠地时的垂直速度为:

v_happroxfrac{445m}{1.92s}approx232m/s

水平速度为:

v_xapproxfrac{79 m}{1.92s}approx41m/sapprox147.6 km/h

由于视角的问题,这个水平速度的估算可有会偏小。


从上面的图看,飞机在开始坠机时的初速度是 v_x=846km/h ,将坠地时水平速度大约只有水平初速度的 17.38 % ,这是因为空气的阻力造成。但正常的空气阻力能不能造成这么大的衰减,这得请流体力学的专家来回答。现在我们看垂直下落速度。飞机开始坠机时高度为 h_0=8869m ,如果不计空气阻力,从这个高度以自由落体下落的话,那么末速度将是:

v_{text{h末}}=sqrt{2g h_0}=sqrt{2times 9.8times 8869}m/s=417m/s

考虑有空气阻力,所以实际的垂直下落速度要比这个小。所以上的v_happrox232m/sv_xapprox147.6 km/h 可能并不算太为异常。上面那个视频之所以看起来是垂直下落,实际是垂直速度远大于水平速度的错觉。

下面我们估算一下整个下坠落过程大约是经过了多少时间:


从上图可以看到,整个坠落过程所经历的时间大约是:Delta t=frac{14min}{19.3-16.1}times (18.8-18.2)=2.625min=157.5s

即坠落过程大约是经历了2.625分钟即约157.5秒。下面我们试估算飞机的迎风面积:


计算的结果是水平与垂直的平均迎风面积大致相同。现在,我们再以这个平均迎风面积来做一个数值模拟,看看各项数据是否逻辑自洽。


从上面的结果来看,如查垂直与水平的等效迎风面积为30平方米左右,那么飞机要经过大约50秒就会撞到地面,但实际是经过了150秒左右,所以这样的等效迎风面积与实际不相符。

我们把垂直等效迎风面积增大15倍(因为飞机飞行时机背与机底的气流速度是不一样的,故会产生伯努利效应。因飞机的详细参数我们不知道,所以只能把包括伯努利效应所产生的效果在内等效成一个大的迎风面积去估算),那么结果变为:


这时我们看到大约是150秒到地了,但是将接近地面时的速度只有50米/秒多一点,这也与事实不相符。所以,我们认为在下落过程中,飞机的水平与垂直等效迎风面积有一个急极的变化,即刚失事时,飞机还基本上是平飞的,并不是一开始就是机头向下。但后来飞机的姿态发生了一个更大不的不可挽回的变化,飞机的机头几乎垂直向下,这样,下落的阻力变小,飞机坠落加快。同时,由于飞机机头向下,机身面向水平(甚至这时机身也发生了翻转,变成机背向前,机底向后。由于伯努利效应,飞机的等效水平迎风面积变得十分的大),飞机向前的阻力会变得很大,水平速度急极下降,从而造成了在将要撞击地面的瞬间,飞机几乎是垂直于地面下落。下落速度达到高达230米/秒。这样,飞机失事的整个过程的高度变化曲线与下落速度及水平速度的变化曲线大致如下:


因为飞机撞击地面的速高达230米/秒,所以引起了剧烈的爆炸,冲击力巨大,从而撞出了深达20米的深坑。如果上面的分析是真的,那么会是什么原造成失事后飞机变得完全不可控,机头几乎垂直向下,且还有可能发生了机背与机底反转的呢?

下面的曲线是飞机出现严重故障后水平飞行的距离曲线:


从这条曲线可以看到,飞机出现严重故障后,大约在水平上飞行了12公里。如果飞机开始出现故障时有部件脱落,这脱落的部件有可能在飞机坠毁地点约10公里之处,因脱落件也有初速度,但空阻力小,水平飞离约1-2公里就会落到地面。

最后要声明的是,上面的计算中所用到的参数完全是出于估算,尤其是把飞机所受到的力简单地等效为一个迎风面积去计算,这其实是不科学的。可能是完全是不准确的,更为科学的估算,应该是要使用NS(纳维-斯托克斯方程)和空气动力学等去估算。事实上,飞机受到的力主要力主要有三个部分,一是重力,这容易估算;二是由迎风面积决定的阻力,这部分力大致是跟在运动方向上的速度的平方成正比;三是与飞机飞行时其周围的气流所决定的力,习机正常飞行时的升力主要就是靠这种力。这个力如果只用伯努利效应来近似的话,也是与飞机的速度的平方成正比,但是方向是跟飞行方向垂直的,迎风阻力跟飞行的速度的方向相反。更为科学与准确的估算,今晚再试一下。

总而言之,上面是一个粗糙甚至是不太科学的估算。但有一点可以肯定,如果飞机不是由于某种原因变成机头完全向下,那么它还可以飞很远。如果控制得好的话,甚至可以飞到附近的西江机场降落。所以,飞机出现故障后,它不太可能还是完整的,所以变得完全失控而使机头严重向下,甚至机身翻转,从而在短短的3分钟内就出现悲剧。

一切真相,希望黑匣子能早日告诉我们。

 

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