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            東航墜機事故已基本確定墜機事故主要撞擊點,最深 20 米左右,還有哪些信息值得關注?

            我最關心的點,在于那片主墜機點10公里外的殘骸。

            熟悉空中浩劫的人會知道,殘骸的分布模式很重要,

            1. 如果殘骸散落在一個地方,說明飛機接地時大體完整
            2. 如果散落范圍很大,說明飛機在接地前很久已經解體
            3. 如果在主殘骸區外的地方發現別的部件,說明這塊部件是最先從飛機脫落的,很可能跟事故的起因有關,而這正是東航此次的情況

            更甚者,歷史上早已有過一小片氣動翼片脫落導致飛機俯沖直插地面的事故。我能直接想到的是大陸快運2574號事故。

             

            這個事故的起因是水平尾翼的前緣沒有裝好,在飛行中最先飛出,當場破壞了飛機的氣動構型,導致俯沖墜毀




            此外還有著名的日本航空123號事故,艙尾壓力板最先炸開,尾翼最先炸斷脫落,導致機體完全不受控最終墜毀。





            我相信這片翼片會成為重要的線索。

             

             

            飛機失事的原因是什么,等黑匣子的數據解讀出來之后,一切都會真相大白,一切都應以官方專家公布的為準。但在黑匣子的數據出來之前,咱們不妨可以做一些猜測。從所看到飛機將要墜到地面上時的視頻來看,飛機大概率是機頭垂直撞擊地面。從那個視頻,我們還可以初步估算飛機將撞擊地面時的速度。。


            本次失事的飛機是波音737-800,這種飛機的長度是 L=39.5m ,質量 mapprox(41.413times10^3+132times100)kgapprox5.46times10^4kg ,乘客及貨物的質量按平均每人 100kg 來估算。從上面的視頻可以看到,飛機在 Delta t=(12.15-10.23)s=1.92s 內,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,我們可以計算出飛機在將墜地時的垂直速度為:

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

            水平速度為:

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

            由于視角的問題,這個水平速度的估算可有會偏小。


            從上面的圖看,飛機在開始墜機時的初速度是 v_x=846km/h ,將墜地時水平速度大約只有水平初速度的 17.38 % ,這是因為空氣的阻力造成。但正常的空氣阻力能不能造成這么大的衰減,這得請流體力學的專家來回答。現在我們看垂直下落速度。飛機開始墜機時高度為 h_0=8869m ,如果不計空氣阻力,從這個高度以自由落體下落的話,那么末速度將是:

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

            考慮有空氣阻力,所以實際的垂直下落速度要比這個小。所以上的v_happrox232m/sv_xapprox147.6 km/h 可能并不算太為異常。上面那個視頻之所以看起來是垂直下落,實際是垂直速度遠大于水平速度的錯覺。

            下面我們估算一下整個下墜落過程大約是經過了多少時間:


            從上圖可以看到,整個墜落過程所經歷的時間大約是:Delta t=frac{14min}{19.3-16.1}times (18.8-18.2)=2.625min=157.5s

            即墜落過程大約是經歷了2.625分鐘即約157.5秒。下面我們試估算飛機的迎風面積:


            計算的結果是水平與垂直的平均迎風面積大致相同。現在,我們再以這個平均迎風面積來做一個數值模擬,看看各項數據是否邏輯自洽。


            從上面的結果來看,如查垂直與水平的等效迎風面積為30平方米左右,那么飛機要經過大約50秒就會撞到地面,但實際是經過了150秒左右,所以這樣的等效迎風面積與實際不相符。

            我們把垂直等效迎風面積增大15倍(因為飛機飛行時機背與機底的氣流速度是不一樣的,故會產生伯努利效應。因飛機的詳細參數我們不知道,所以只能把包括伯努利效應所產生的效果在內等效成一個大的迎風面積去估算),那么結果變為:


            這時我們看到大約是150秒到地了,但是將接近地面時的速度只有50米/秒多一點,這也與事實不相符。所以,我們認為在下落過程中,飛機的水平與垂直等效迎風面積有一個急極的變化,即剛失事時,飛機還基本上是平飛的,并不是一開始就是機頭向下。但后來飛機的姿態發生了一個更大不的不可挽回的變化,飛機的機頭幾乎垂直向下,這樣,下落的阻力變小,飛機墜落加快。同時,由于飛機機頭向下,機身面向水平(甚至這時機身也發生了翻轉,變成機背向前,機底向后。由于伯努利效應,飛機的等效水平迎風面積變得十分的大),飛機向前的阻力會變得很大,水平速度急極下降,從而造成了在將要撞擊地面的瞬間,飛機幾乎是垂直于地面下落。下落速度達到高達230米/秒。這樣,飛機失事的整個過程的高度變化曲線與下落速度及水平速度的變化曲線大致如下:


            因為飛機撞擊地面的速高達230米/秒,所以引起了劇烈的爆炸,沖擊力巨大,從而撞出了深達20米的深坑。如果上面的分析是真的,那么會是什么原造成失事后飛機變得完全不可控,機頭幾乎垂直向下,且還有可能發生了機背與機底反轉的呢?

            下面的曲線是飛機出現嚴重故障后水平飛行的距離曲線:


            從這條曲線可以看到,飛機出現嚴重故障后,大約在水平上飛行了12公里。如果飛機開始出現故障時有部件脫落,這脫落的部件有可能在飛機墜毀地點約10公里之處,因脫落件也有初速度,但空阻力小,水平飛離約1-2公里就會落到地面。

            最后要聲明的是,上面的計算中所用到的參數完全是出于估算,尤其是把飛機所受到的力簡單地等效為一個迎風面積去計算,這其實是不科學的。可能是完全是不準確的,更為科學的估算,應該是要使用NS(納維-斯托克斯方程)和空氣動力學等去估算。事實上,飛機受到的力主要力主要有三個部分,一是重力,這容易估算;二是由迎風面積決定的阻力,這部分力大致是跟在運動方向上的速度的平方成正比;三是與飛機飛行時其周圍的氣流所決定的力,習機正常飛行時的升力主要就是靠這種力。這個力如果只用伯努利效應來近似的話,也是與飛機的速度的平方成正比,但是方向是跟飛行方向垂直的,迎風阻力跟飛行的速度的方向相反。更為科學與準確的估算,今晚再試一下。

            總而言之,上面是一個粗糙甚至是不太科學的估算。但有一點可以肯定,如果飛機不是由于某種原因變成機頭完全向下,那么它還可以飛很遠。如果控制得好的話,甚至可以飛到附近的西江機場降落。所以,飛機出現故障后,它不太可能還是完整的,所以變得完全失控而使機頭嚴重向下,甚至機身翻轉,從而在短短的3分鐘內就出現悲劇。

            一切真相,希望黑匣子能早日告訴我們。

             

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