一文读懂四大高度计

准确测量高度的主要方法有两种。一种是测量气压并从中找出高度,另一种是将无线电束从飞机上反射下来,并确定重新反射回来需要多长时间。

  “各位先生们,我们现在在10,000米处巡航”,当您听到飞行员说这样的话时,你是否会好奇他们是如何测量飞机在空中的高度的?

  其实很简单!——他们使用了高度计。

  您可能不会认为飞行员是否知道他们正在飞行的高度有多重要?毕竟,他们总是可以透过窗户窥视!但是,测量高度(您的海拔高度)对飞行员而言比您想象的重要得多。

  地球上的某些山脉出乎意料地高,在恶劣天气下比您想象的更难错过。例如,珠穆朗玛峰海拔8.8公里(5.5英里),令人惊叹,因此在10,000米(6.2英里)处飞行不会给您太大的机动空间。然后还有其他飞机要避免。而且,在空气稀薄,克服空气阻力的情况下使用更少的燃料,在更高的高度飞行实际上更有效。总而言之,有很多充分的理由可以飞得很高。但是到底有多高?

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  准确测量高度的主要方法有两种。一种是测量气压并从中找出高度,另一种是将无线电束从飞机上反射下来,并确定重新反射回来需要多长时间。

  下面我们一起来看看不同类别的高度计是如何工作的?

  压力高度计

  为什么会有气压?地球的引力将所有东西拉向地球,包括您可以想象的最小的事物,例如空气分子。如果您是靠近地面的空气分子,那么您上方还有许多其他空气分子会推动并挤压您;越高,分子越少,推动就越少。这就是为什么地球表面的气压最高,然后系统地逐渐下降的原因。

  因此,测量气压(至少在理论上来说)是一种简单而有效的高度测量方法。

  实际上,大多数飞机上的高度表都是经过校准(标有刻度)的无液气压计(压力测量仪器),因此它们显示的是高度而不是压力。

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  像普通的无液气压计一样,它们由一个中空的,密封的盒子组成,该盒子会膨胀(随着压力下降)或收缩(随着压力上升)。当盒子的尺寸变化非常小时,复杂的杠杆和齿轮系统会放大其运动,并使指针在标有高度测量值的刻度盘上旋转。所以气压的微小变化就可以精确地测量高度。

  压力高度计的工作原理:

  下图是本迪克斯航空公司的Victor Carbonara于1930年代创作的典型压力高度表。从侧面看,您会看到一个密封的,充满空气的盒子(红色),该盒子会根据压力变化而膨胀或收缩。它的运动通过连杆和操纵杆系统(蓝色)和操作高度计指针的齿轮机构(绿色)得到放大。现在查看右侧的图,我们可以看到通过在经过数百和数千英尺校准的表盘(棕色)上移动指针,如何显示高度。

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此图来自美国专利#2,099,466:高度计,由美国专利和商标局提供。

  以这种方式工作的高度计通过测量与海平面相比的压力来测量高度,但这并不是引起地球压力变化的唯一原因。由于天气的变化,整个地球表面的气压不断波动-因此,如果要使基于压力的高度计准确工作,就必须允许温度和压力差。基于压力的高度计的另一个缺点是它们没有考虑到危险障碍物,例如建筑物和电源线。

  那么是谁发明了压力高度计的呢?

  压力高度表是由德国工程师保罗?科尔斯曼(Paul Kollsman)在1920年代发明的 ,他于1936年4月获得了美国#2,036,581专利:水平飞行指示器。

  无线电高度仪

  无线电高度仪不会遭受这些问题的困扰。它们更简单,并且以与雷达类似的方式工作 (系统飞机,轮船和其他车辆用于导航):它们只是从飞机上发射一束无线电波,然后等待反射返回。

  由于无线电波传播在的速度光(每秒300,000公里或每秒186,000英里),无线电波只需几百分之一秒即可到达地球表面并返回20,000米左右。飞机对光束进行计时,然后将以秒为单位的时间乘以150,000(即300,000除以2:以光束为单位的高度到达地面并再次返回地面),从而计算出其高度(以公里为单位)。

  无线电高度仪比压力仪表更快,更精确,并且广泛用于高速飞机或需要在特别低空飞行的飞机,例如喷气式战斗机。

  无线电高度仪的工作原理:

  光速比典型飞机的巡航速度(v)快一百万倍,因此无线电信号弹回地面并向后传播,距离约为飞机高度(2h)的两倍。这意味着您可以通过将信号从发射器(红色圆圈)到接收器(橙色圆圈)的时间乘以光速的一半来找到高度。从理论上讲,飞机行进得越快,测量的准确性就越差,因为无线电束的行进距离更远。实际上,光速比飞机的速度快得多,因此任何误差都很小。

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  GPS高度计

  还有另外两种测量高度的方法,但是在飞机上并未广泛使用。一种方法是使用来自太空中导航卫星的GPS(全球定位系统)信号。

  就像使用来自三颗卫星的GPS信号来精确指出您在地球表面的位置一样,使用来自四颗或更多卫星的信号也可以计算出您在地球上方的高度。不幸的是,GPS高度测量的准确性不如传统高度计,因此它们不太可能在短期内取代飞机上的现有技术。

  下面的火星表面的地形图是2001年由NASA的MOLA空间探测器使用激光测高仪绘制的。红色,橙色和黄色区域是山脉;绿色,蓝色和紫色区域为火山口。

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图片由NASA喷气推进实验室(NASA-JPL)提供。

  激光高度计

  测量高度的另一种方法是从飞机,直升机或卫星上发射红外激光束,并计算返回时间,就像使用无线电和雷达一样。

  反射的光束由镜子和透镜收集,并聚焦在对红外光敏感的光电探测器上。

  飞机飞行时,它会系统地测量其高度,并绘制其下方表面轮廓的所谓地形图。这种技术称为激光测高或激光雷达 (光检测和测距),并且它已被太空探测器广泛用于在其他行星上绘制表面特征。

  NASA的火星轨道激光高度计(MOLA)就是这种方式。

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