0

3
2

文字

分享

0
3
2

飛機為什麼會飛?——《機艙機密》

PanSci_96
・2015/10/04 ・2731字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

Airplane, PanSci

入門問題:首先,飛機這麼大一架,又載著這麼多旅客跟貨物,要怎麼在空中飛行呢?

沒錯,這就是門外漢對飛機最好奇的重點了。能讓一架重達好幾千磅的機器順利升空,就算稱不上奇蹟,至少也是一項了不起的成就。其實飛機起飛的原理相當基本,也很容易示範操作。下次在高速公路上開著豐田汽車的時候,將你的手臂伸出窗外,與車身垂直、與地面平行,再稍微將手臂向上彎曲,逆風前進,接下來會發生什麼事呢?你已經打造了一對機翼,而你的手臂就在「飛行」了。只要將手臂一直彎在適當的角度,並維持夠快的車速,你就會持續飛行。因為氣流將你往上托,你才能飛得起來,飛機也是這麼一回事。當然,你的車子並沒有真的飛向天際,不過還是請想像一下你有一雙超大的手,汽車也有足夠的馬力能開得非常快。飛行時有四個作用力,若要成功飛翔,作用力之間必須達到正確的差值:推力大於阻力、升力大於重力,或是像奧維爾.萊特所說的:「飛機之所以持續飛行,是因為它沒空往下墜。」

2017.12.7 編按:許多教科書皆會介紹飛機飛行主要的原理為「白努力原理」,但其實其主要原理應為「康達效應」。引述物理雙月刊「『觀念物理』:白努力定理的誤解與錯誤應用」的內容——

教科書中常見的敘述為:(1)因為機翼的上層距離較下層長,所以上層空氣的流速快、(2)根據「白努利」–流速快則壓力小、(3)上下層之壓力差使飛機上升。
然而,Babinsky (2003)反駁上述的解釋,首先,「白努力」的理論公式(P+ρgh+(1/2)ρυ2=常數),是針對同一道流體的不同位置,根據「能量守恆」推導而得。所以相互比較速度(υ)與1壓力(P)的兩點,必須在同一道流體,而(1)機翼上、下層的氣流,已經不算同一道流體,故違反了白努力的限制條件。(2)根據實驗證據顯示,氣流通過機翼上下層後,並不會同時到達尾端(如圖12),所以,「上層流速快」的推論也站不住腳。(3)「白努力」的公式僅顯示速度與壓力的大小關係,並未包含兩者之「因果」關係,若根據「牛頓定律」(ΣF=ma )的觀點,壓力的差異應該是速度變化的原因,而非結果(ΔP⟹ΣF⟹a⟹Δυ),故正確的說法應是「壓力大則速度小」,而一般課本中則出現因果的倒置。

在飛行基礎課程也有介紹所謂的白努力原理,這個原理以丹尼爾.白努利命名。他是一位十八世紀的瑞士數學家,而且從來沒見過飛機。這個原理表示,液體被迫流經狹窄的通道或是彎曲的表面時,流速會增加,壓力會同時降低。在飛機的情境之下,原理中的流體就是空氣,因為機翼上方為弧形(因此氣體壓力較小),所以流經機翼上方的速度較快,因此產生了向上的升力,也可以說機翼浮在一個高壓的緩衝墊上。

白努利、機翼,PanSci

一定會有人怪我把飛機的原理講得如此簡略,但這真的是飛行的主要原理:白努利提出的差壓理論,還有將手伸出車窗,使空氣分子偏向這種非常基本的操作,都能解釋飛行當中不可或缺的元素:升力。沒有升力的情況就是失速。這個簡單的概念同樣也能用高速公路的情境來模擬:將手臂彎曲的角度扳得再陡一些,或是將車速減低到某個程度,手臂就停止飛翔了。

多看了一眼機翼的細節之後,飛機的運作好像更複雜。

沒錯。你的手臂確實能飛—真的,如果下方供應足夠的氣流,磚塊也飛得起來—只可惜飛行並不是手臂的專長。噴射客機的機翼必須非常善於飛行。飛機在巡航期間,機翼的節能效果最為理想,而這種情況通常發生在很高的高空,對多數飛機來說沒有音障的情況下。但是,飛機在低空飛行以及低速的情況下仍須顧及效率,這就是工程師還有風洞必須解決的問題。整個機翼的橫側面,氣流環繞起作用的地方,就稱為翼切面。翼切面的結構製作精細,從翼剖面以及翼展向來看,整個機翼的形狀厚度,從前端到後方、從翼根到翼尖都各有變化,這些變化是依據空氣動力學的計算,是一個你跟我都無法完全理解的專業領域。

機翼裝載了一系列額外的構造,像是襟翼、前緣縫翼,還有。襟翼往後方及下方延伸,讓翼切面更加彎曲,藉以保持低速飛行的安全及穩定度(雖然實際調整的細節視情況而定,不過民航客機起降的時候都會延展襟翼)。機翼內側及外側皆有小單位的襟翼組合,它們之間水平分層。前緣縫翼位在機翼的前端,能夠向前開展,作用與襟翼相同。擾流板則是一塊立在機翼上方的長方形板子,站立於機翼的擾流板能干擾通過機翼的氣流,破壞升力的同時,增加大量的阻力。飛行過程中,擾流板用來提升下降率;著陸時則是能協助減速。

擾流板,泛科學
一架波音737-800透過升起擾流板、增加阻力,下降飛行高度。Source: wiki/Jg4817

我頭幾次搭飛機的時候,有一次坐在一架727靠窗的位子,正好在機翼後方,我就親眼目睹飛機下降時,整個機翼看似分解的過程。看著大型的三開縫式襟翼往下開展、擾流板起伏波動,還有前緣縫翼向下移動到作業位置。神奇的是,你幾乎可以直接看到機翼的核心,就像是目光貫穿動物遺骸的骨架一樣,地面的房子、樹木都紛紛從機翼開展的縫隙中顯露出來。

你或許有注意到噴射客機的機翼是向後彎曲的後掠翼。機翼畫過天際時,空氣分子會加速通過機翼的弧線,當速度提升到與音速相同時,會有一股震波沿著機翼表面形成,就有可能會減低升力。所以將機翼向後伸展便能引導出一個更合適、更符合機翼展向的流場。在飛行速度較快的飛機上,機翼的掠角會大於四十度,速度最慢的飛機機翼則是幾乎完全垂直機身。機翼從翼根開始往上翹,能夠抵銷飛機橫向滾轉或偏離的傾向,這種傾向則稱為偏航。這種機翼上翹的情況稱之為上反角,從機頭向後看能看得最清楚。蘇聯有一款飛機則正好相反,該飛機運用反向的設計,稱為下反角,讓機翼向下傾斜。

後掠翼飛機,PanSci
後掠翼飛機。Source: wiki

機翼是飛機的一切。機翼對飛機的重要程度,就如同汽車底盤之於汽車,或是車架之於腳踏車一樣。大型機翼能提供大量的升力,波音所有機型中最重的一款是747,747將近有一百萬磅重,足夠的升力便能在速度達到一百七十節的時候讓它起飛。

(好人)機艙機密,PanSci

本文摘自《機艙機密:關於空中旅行,你該知道的事實》,由好人出版 出版。

 

延伸閱讀:

 

文章難易度
PanSci_96
1011 篇文章 ・ 1133 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
準備出國啦!Surfshark VPN 快趁黑五買起來,上網購物最安心
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

本文由 Surfshark VPN 贊助。

兩、三年以來的防疫生活,終於迎來全面 0+7 的這一天啦!返國之後不再需要隔離的一天來了,冰友們,你是不是已經收拾好心情、收拾好行李,在進行機+酒的比價了呢?除了規劃好出國行程、找好景點與美食店家,想要讓自己不可或缺的網路生活也更加安全,一定要趁即將到來了感恩節黑五期間,把超優惠的 Surfshark VPN 服務買起來,為自己的網路生活加買最平安的保險!

Surfshark 黑五限時 18 折折扣,額外加送兩個月
專屬連結:https://lihi2.cc/8XwRN

在疫情下,網購成為了更多人的日常。不僅各樣的在地購物節為網友帶來眾多優惠,全球化的購物活動,台灣當然也不會缺席!美國感恩節(Thanksgiving)都是 11 月第四個星期四,但是感恩節後的週五,便是聖誕節前的購物佳期啟動日,這一天通常都會業績超標(在收支表上呈現正向收入(顯示為黑色字體,而非赤字的紅色字體),各家的瘋狂優惠都會在黑五祭出!相信許多精打細算的朋友,對黑五購物節絕對不陌生(很可能還搶過很多優惠!!)

網購怎能漏掉「亞馬遜」!

雅虎奇摩之於台灣,就像是亞馬遜(Amazon.com)之於美國那麼的有名!絕對也是什麼都賣、什麼都不奇怪的最佳代表。

如果你平常就很喜愛一些美國品牌,趁著黑五的日子到亞馬遜清空購物車,覺對優惠不會讓你失望。這時候,透過 Surfshark 連線到亞馬遜美國站,絕對會顯示的價格絕對讓你眼睛為之一亮,這時候最新搭載 M2 晶片的 iPad Pro,獨家支援動態島顯示的 iPhone 14 Pro,絕對是最好入手的時機。除此之外,亞馬遜平台經典的 Kindle 閱讀器,也是超合適的禮物,送禮自用兩相宜啊!另外要特別留意,購買時可以確認商品有沒有幫忙送到台灣,如果還沒有,可以先跟美國的朋友確認一下,邀請他們回國時幫你一起帶回來!

跨國追劇最爽快

對於喜愛追劇的朋友,品味可能相當豐富且多元,畢竟欣賞優秀影視作品,不現語言,更是不限地區啊!只不過,若是你訂閱 Netflix 等跨國 OTT 服務,都會有各地不同的上架影視作品,可能會讓你無法在第一時間就能夠立即「追」到劇,讓你等得心癢癢!還好這一切只要連上 Surfshark VPN 都能解決,Surfshark 支援超過 100 國的 VPN 連線,無論你想看韓國、日本還是哪一國的最新戲劇,通通讓你一秒追到最新進度!

Surfshark 黑五限時 18 折折扣,額外加送兩個月

專屬連結:https://lihi2.cc/8XwRN

出差大陸翻牆超方便

在過往出國、返國都需要隔離的階段,肯定讓不少工作上需要經常往返多國之間的朋友,感到生活驟變。所幸,在防疫政策解封之後,一切都可逐漸恢復正常。對於經常有需要到中國大陸出差的朋友,肯定都會感受到網路斷聯的不方便,因為無論是 LINE、Facebook Messenger、YouTube、Gmail 等你可很能天天都在使用的網路服務,大陸都無法使用。這還不打緊,連跟家人、朋友報平安也很不便。這時候 Surfshark 連上,就可以幫助你輕鬆「翻牆」,跟台灣親人網路無距離!

 

上網不留痕跡,不被追蹤最自由

對於一個人來說,最私密的資料之一,除了你的個資,就屬我們每天耗費大量時間逗留的網路。我們所在網路上留下的痕跡,絕對是超真實的自己,當然你不會期待這樣的自己被「搜尋引擎」、「網路廣告」公司了解得太透徹,好像你在網路上的一言一行,都被監視著。

..0000000\0;也可隱藏IP位置,避免被廣告商追蹤;更可以為你我阻擋惡意程式、釣魚軟體等,讓你防止被攻擊,以及被網路充斥的廣告打擾,好處多又多!

如果對於 Surfshark 還覺得不夠熟悉的話,不得不告訴大家,今年 Surfshark 榮獲第六屆 CyberSecurity Breakthrough 頒發的「VPN 年度最佳解決方案」(VPN Solution of the Year),也就是成為今年最推薦的 VPN 方案。CyberSecurity Breakthrough 是全球領先的獨立市場情報組織,致力於表揚當今全球資訊安全市場上的頂尖企業、技術和產品。有了他們「掛保證」,代表 Surfshark 絕對是品質、信譽都讓你安心的VPN 服務。

講了這麼多,是不是讓你感到很心動了。如果你原本就是網路重度使用者,用來上網的設備是樣樣都有,Surfshark 一個帳號就能支援所有設備,CP 值超高!趁著年度超狂黑五購物節的到來,送給你自己兩年安心無虞的網路生活,肯定是送自己的最好禮物!

Surfshark 黑五限時 18 折折扣,額外加送兩個月
專屬連結:https://lihi2.cc/8XwRN

文章難易度
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
155 篇文章 ・ 268 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

35
1

文字

分享

0
35
1
航空器簽派員:陪著你從起飛到降落的地上飛行員
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/06/08 ・4354字 ・閱讀時間約 9 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

本文由 我的青航時代-2022航發會×暑期航空營 委託,泛科學企劃執行。

當你乘坐飛機,不只有機師、空服員等機組成員在守護與服務你的旅途;陪你從出發地起飛到達目的地後降落,完成一趟「安全、準時、舒適」旅程的背後,還有「航空器簽派員」這個至關重要的角色。

搭乘飛機時不只有機師、空服員在守護與服務,一趟安全、準時、舒適旅程的背後,還有「航空器簽派員」這個至關重要的角色。圖/Pexels

被稱為「地上的飛行員」的航空器簽派員,在做哪些工作呢?這次泛科學特別訪問到華航的簽派督導陳韋如,不只了解這航空公司裡神秘又重要的工作,也要好好了解一下一位優秀的簽派員是如何養成的。

當簽派員沒在工作,才會發現他們的重要

有民航局執照的「Airman」有六大類(航空器駕駛員、飛航工程師、航空器維修工程師、維修員、飛航管制員以及航空器簽派員),其中航空器簽派員的工作是高度專業的職位。他們是航空公司的中樞神經,24小時全年無休,做出的決定牽動著整個航空公司運作;那為何我們好像很少聽到簽派員的工作呢?

Nobody knows what I do, until I don’t do it.」這句話形容簽派員的工作內容再適合不過了。

簽派員主要的工作有:飛行計畫的製作航機簽放航情守望異常狀況處理。他們有許多工作是在幕後、和居中協調許多事情,因此機師所知道的事簽派員也都要很了解,所有的飛行手冊、飛機操作手冊和各國飛航相關法規都必須要如數家珍。

簽派員工作是在幕後、和居中協調許多事情,因此機師所知道的事也必須要如數家珍。圖/Pexels

飛機起飛前——飛行計畫的製作

製作飛行計畫的過程非常繁複,簽派督導用了你我都很熟悉的旅行計劃來舉例:當你要出門的時候,會注意氣象、交通狀況,要檢查並維修交通工具,需要加油、和準備行程中需要的各種文件,當然也要準備可執行的 Plan B。

把旅行計劃的格局放大再放大,就是飛行計畫,要考量包含氣象資料飛航公告航機狀態酬載預估飛越許可航線選擇等因素,才能匯集成一份可以執行的飛行計畫。這其中有哪些「know how 」呢?

出門一定會先看天氣適不適合出遊,飛行也是一樣,簽派員氣象觀測席會收集起降機場、備降機場和沿途航路的天氣報告和預報,確認天氣是否適合飛行、各機場的能見度是否影響航機起降,都會由專業的氣象博士提供資訊讓簽派員參考。天氣的資料包含機場能見度及雲幕高度、溫度、氣壓值、風速、沿途是否有顯著天氣,甚至是火山、颱風影響航線等等,因此才能確認飛機能不能起飛降落或是其他需要特別避讓的地區。

針對起降站及航線做重點氣象監測,內容含各項狀況。圖/Pixabay

還有,你在旅行的時候,也會注意沿途經過的城市是否有道路維修、塞車、下雨等等的狀況,例如國道有一段路正在維修,就會需要避開正在維修的道路走省道。簽派員也會特別注意飛航公告,確認起降機場及沿途的空域是否有臨時運作規定、限制、程序調整或其他注意事項。例如近期烏俄戰爭爆發,航路導航席也要特別確認有沒有會影響飛航的相關資訊,提前列出航路備案以便簽派員製作飛行計畫。另外,經過各個國家的領空時需要的飛越許可,也是由簽派員協助申請的。

再來就是航機狀態酬載預估了,對航空公司來說「在安全的情況下經濟效益是很重要的考量」,因此了解航機適不適合飛行,預估需要多少燃料、能載運多少乘客和行李,也是非常重要的工作。簽派員要準確地預估旅客及其行李和需載貨物的重量後,再計算所需的燃料總量,也需要計算備案可能需要的燃料量,確保飛機從起飛到降落都在規定的安全限重內。

經過上述各種因素的種種考量評估後,需要進行航線選擇,從數條航路[註1]中選擇「安全、準時、舒適」的飛航路徑並做出一份飛行計劃,並且和駕駛員共同在飛行計畫上簽名以示同意本次的航班,而每個簽名的背後都代表著簽派員的專業以及責任。

簽派員經過考量評估各種因素後,製作出「安全、準時、舒適」的飛航計劃。圖/Pexels

飛機起飛後的航情守望與異常狀況處理

不是飛行計畫之後簽派員的工作就結束了:將飛行計畫交給駕駛員後就會進入航機監控的飛航管制作業,其中包含了航班動態氣象監控。

航班動態是指透過 4D/15 服務(4D/15 Service),每隔 15 分鐘確認一次航班的 4D(經度、緯度、高度和時間),簽派員要精準的知道航班的動態。航情守望席便是專門在追蹤航班的動態及油量,確保航班沒有偏離計畫航路,必要時會和駕駛員聯繫確認狀況。

氣象監控則是針對起降站以及航線沿途區域做重點監測,監測內容包含結冰、雷雨、降雪、陣風、風切、亂流、颱風及火山活動等氣象狀況。例如目的地機場跑道臨時關閉,就會提前告知駕駛員。

一趟航班可能會遇到一些突發狀況,例如乘客身體不適需要立即就醫、航線上臨時火山爆發或是遇上鳥擊等異常狀況,簽派員就必須在有限的時間內以符合作業規定安全的前提下採取最適合的處理方式。

若遇上突發狀況需要飛機轉降或是班表調整,為維持班機時間表能夠正常運作而做出適度的調整異動。因為每次的突發狀況都是無法提前預知,簽派員們在遇上事件時需要冷靜且快速的處理及應變,也需要和各單位聯繫協調。

在飛行中還會碰到哪些情況呢?簽派督導舉了火山爆發的例子。由石塊和岩漿的礦物粒子組成的火山灰帶來的威脅,除了可能讓機身受到損傷、部分系統失靈更可能導致引擎熄火無法繼續飛行。

火山爆發帶來的火山灰可能讓機身受到損傷、部分系統失靈,導致引擎熄火無法飛行。圖/Pexels

曾經發生過日本的火山爆發,火山灰蔓延的非常廣,導致當地機場關閉數天,影響了數萬名旅客。一趟航班如果在中途遇上突發狀況——航線附近有火山爆發了!時刻監控著狀況的簽派員會怎麼做呢?

  1. 根據數據判斷火山灰擴散的範圍。
  2. 規劃一條安全優先的避讓航線。
  3. 確認航機上的剩餘燃料量能夠負擔變更後的航線。
  4. 和機師確認變更航線。

這些事情都需要在時限內解決,考驗著簽派員細心及果決的能力,他們就像是一群 24 小時的飛行管家,從起飛前的飛行計畫準備、起飛後的航機監控,一直到落地後的班表調度,簽派員隨時守護著班機。

要如何成為簽派員呢?哪些能力與特質很重要?

臺灣目前並沒有簽派員的相關科系,以華航為例,簽派員是通過航空公司的招考後,先成為航務員熟悉機場的運作方式後再經過 200 小時的簽派員培訓課程,及 90 天的線上訓練,並考取民航局航空器簽派員執照後,才能簽放航機成為一名真正的簽派員。

剛考取執照後簽派員會先簽派六小時內的短程線累積實戰經驗,每年也會參加航路觀摩,會進入駕駛艙觀摩駕駛員執行自己規劃出來的飛行計畫,來增進自己的能力。等到經驗累積足夠後才會簽派飛行時數較長的航線,進入航情守望席、航路導航席。

因為簽派員需要製作一份完整的飛行計畫,所以駕駛員需要的基本知識簽派員也需要懂,一種飛機需要閱讀的手冊至少有 幾十本,一間公司肯定不止一種機型,再加上各國的飛行法規,每一位簽派員需要熟知的手冊就有數十本!這些專業背後都是十分努力的成果。

每一位專業的簽派員需要熟知各種機型、各國的飛行法規等。圖/Pexels

或許你會問:「我不是飛航相關科系,能夠成為簽派員嗎?」其實簽派員並沒有科系的限制,只要你有想成為簽派員的熱誠,都可以來挑戰看看!簽派員的工作會帶給你滿滿的成就感,因為每年都有上萬趟航班需要簽放,服務數萬名旅客平安落地。

想成為簽派員需要具備的能力有:

  1. 良好的英語能力:因為許多手冊及法規大多以英文撰寫,和駕駛員溝通時也會需要用英文溝通。
  2. 獨立思考的能力:面對各種狀況時需要思緒清晰不能慌亂,才能找到好的解決方案。
  3. 溝通協調的能力與團隊合作的精神:居中協調時會需要能夠讓雙方保持良好的溝通。
  4. 健康的身心:面對高壓的工作需要照顧及調適自身的狀況。

簽派員的工作便是解決眼前的事情、見招拆招,每天都會面對不一樣的問題十分具有挑戰性,如果你喜歡變化性及挑戰性都很高的工作,可以嘗試這份工作。也因為每一次的簽名都是在為每趟航班上的生命負責,因此需要高抗壓性的人格特質,才能確保在工作時能夠穩定的面對所有狀況,守護每一趟飛行。

每位簽派員之所以能夠從容的面對各種突發狀況,是他們用專業知識和長期累積下來的經驗在支持他們看起來毫不費力的原因。

註解

  1. 航路是根據地面導航設施建立的走廊式保護空域,供飛機作航線飛行之用。各國對於航路都有自有的規定,包含該行路是單向道還是雙向道。

延伸閱讀

參考資料

  1. A320全座艙飛機駕駛艙都搬來了! 航發會講座還有這2場| 生活新聞
  2. 2018「飛航解密 暢遊天際」系列講座 長榮航空簽派員Emily精彩演講內容
  3. 航空公司全天候的飛安管家-科學人雜誌
  4. 2021飛航講座–長榮航空資深簽派員林俊宇:從起飛到降落全方位的飛行管家
  5. 民航通告 – 交通部民用航空局

本文由 我的青航時代-2022航發會×暑期航空營 委託,泛科學企劃執行。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
155 篇文章 ・ 268 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

11
2

文字

分享

0
11
2
翱翔天際的代價,飛機上的人體秘辛大解析——《科學月刊》
科學月刊_96
・2021/02/03 ・4462字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

  • 盧衍良|成功大學航太博士,朝陽科技大學飛航系主任,曾任職飛安會工程師、考選部典試委員與交通部、民航局、陸委會等委員。

不會飛的我們,總想著要飛上天際,但人體本身可不適合長時間處在高空中。第一個要面對的就是高空缺氧問題,隨著高度上升,大氣壓力也越來越低,人體的肺氧分壓也隨之降低,使我們血液中的血氧飽和度也降低,一旦降到 90% 以下時就有缺氧風險!而在高空中遠不止缺氧這項危險,會讓你耳鳴的飛機下降過程,以及較少聽過的高空減壓病,也都有可能發生在 3 萬 5 千英呎的高空上哦。

人類的身體與生俱來就不適合飛行,但我們卻利用智慧創造科技,改變了生活中的一切,至今已經飛行了 100 多年!今天就讓我們認識一下這些始終存在,卻也容易被忽略掉的航空生理症狀。

人類的身體與生俱來就不適合飛行,但卻利用智慧創造科技在空中飛行。圖/Pexels

在此之前,讀者們也必須先有個基本認知:一般生活醫學討論的,都是在「正常環境下,人體產生不正常症狀」的治療問題;然而航空醫學所要探討的,卻都是「正常人體在不正常的環境下,產生生理問題」的預防與抑制。那麼,那些因為航空而導致的「高空缺氧問題」、「氣體膨脹效應」,以及「高空減壓病」等生理問題,究竟是怎麼一回事呢?

高處的空氣比較新鮮?真相卻是氧氣很稀薄

人類飛行首先要面對的就是「壓力變化」的問題。大氣壓力 (atmospheric pressure) 會隨著飛行的海拔高度越高而越來越低,人類能夠自主呼吸的能力也就跟著越來越低,如圖一所示。現代民航客機動輒會飛到 3 萬 5 千英呎 (feet, ft) 以上的高空,為了讓旅客們感到舒適,機艙加壓早已是法規的必備要求。

大氣壓力會隨著飛行的海拔高度升高而下降,使得人類能夠自主呼吸的能力跟著降低。圖/科學月刊

但考慮到機身內外壓力差過大將會影響飛機結構安全,多數飛機在飛行中最大內外壓差約為 0.585 個大氣壓力,讓機艙內的壓力相當於海拔 8000 英呎以下,這樣的環境便可以讓旅客處於正常自主呼吸的狀態。近年新出廠的飛機,雖然可以讓機艙壓力高度 (cabin pressure altitude) 更接近能讓人體感到舒適的環境,但仍然無法達到相當於地表的壓力。

而高空飛行環境除了低壓以外,機外的零下溫度環境與較少的高空水分,即使機艙內部經過調溫控制,其溫度通常也會偏低,且空氣會變得十分乾燥,這些都是飛機爬升到高空所伴隨而來的環境條件。

如下表所示,隨著海拔高度越高,大氣壓力越低,人體的肺氧分壓也會跟著降低,連帶的也讓血液中的血氧飽和度降低。血氧飽和度是反映呼吸循環功能的重要生理參數,是一種衡量人體血液攜帶氧氣能力的指標,當血氧飽和度低於 90% 以下時,人體就會有缺氧 (hypoxia) 的風險。

隨著海拔高度越高,大氣壓力越低,人體的肺氧分壓也會跟著降低,連帶的也讓血液中的血氧飽和度降低。表/科學月刊

高空缺氧危害並沒有一定的症狀或過程,每位個案都會有所不同,不過在臨床上,高空缺氧的初期症狀會讓人產生如微醺般的欣慰感,由於心智反應變慢,因此會失去警覺功能,手腳動作也會不協調。在行為表現上,則會變得無精打采、對周遭警覺減弱、行動遲緩,甚至昏沉欲睡,沉浸在一種具有莫名安全感的狀態中。

如果在發現缺氧症狀產生的初期無法及時挽救,隨著缺氧時間持續,人體會逐漸出現更加嚴重的症狀,包括暈眩、頭痛、心跳加速、口唇或皮膚發紫等,此時患者視野會逐漸縮小,並且有一股興奮溫暖的感覺,心理上也會產生主觀自信感。若在此時缺氧狀況仍未改善,那麼接踵而來的就會是動作不協調、心智行為改變、判斷力變差,最後導致意識喪失,進而死亡。

缺氧危害的速度和發生高度有直接關係,醫學上用「有效意識時間」(time of useful consciousness, TUC) 來衡量。

如下表所示,一般噴射客機的巡航高度都在 3 萬多英呎的高空,從下表數據可知,當客艙顯著失壓使得機艙內的壓力高度相當於在 3 萬多英呎後,人體能夠應變的有效意識時間已經所剩不多。2005 年 8 月 14 日,太陽神航空 (Helios Airways) 的 522 號航班便是因為操作疏失,機艙未加壓而持續爬升高度,進而導致旅客與機組員,產生缺氧症狀而全數罹難的典型缺氧案例。

缺氧危害的速度和發生高度有直接關係,醫學上用「有效意識時間」(time of useful consciousness, TUC) 來衡量。表/科學月刊

搭飛機時最討厭耳鳴了——氣體膨脹效應

飛機飛得越高,所處的外在環境除了大氣壓力降低外,其實空氣密度也會變小,使得空氣體積變大。存在於人體內的氣體膨脹後,對於人體耳朵、頭顱腔室與內臟器官都會產生影響,造成不適。如果你在搭機過程中脫了鞋子,在你下機時也會發現自己的雙腳都膨脹變大了!

人體耳朵可以說是最直接敏銳,能感應到外在環境壓力改變與氣體膨脹的器官。

當飛機離地爬升時,由於外在壓力逐漸降低,在耳朵內部壓力不變的情況下,耳膜便會因為內外壓力不同而向外鼓起。此時,連接咽喉和中耳的耳咽管(eustachian tube)也會開啟以釋放內部壓力,讓耳膜內外重新達到壓力平衡。通常在飛機爬升過程的壓力變化較不會產生持續性的耳朵不適,大多數的不適都是在下降階段發生。

由於耳咽管在醫學上有一個綽號叫「one way tube」,顧名思義就是一條單行通道的意思,為了避免中耳發生細菌感染,耳咽管只允許中耳壓力釋放,不會主動開啟讓外在空氣進入中耳。當飛機開始下降時,外在環境壓力漸漸上升,但耳朵內的壓力維持不變,這時耳膜便會開始向內鼓起,產生耳鳴等不適症狀。

由於耳咽管不會主動開啟,因此我們必須藉由某些強制手段讓它運動,例如嚼口香糖、吞嚥口水、喝水或打哈欠等動作,這些動作的共通點就是會讓耳咽管周邊的肌肉運動,讓耳咽管開啟以平衡壓力。

耳咽管構造。圖/Wikipedia

比較有意思的是,嬰兒在下降階段因為不知道怎麼減緩耳朵的不適感,因此在疼痛感作用下,哭泣是最好的改善之道!當嬰兒放聲大哭時,嘴巴打開剛好可以讓耳咽管附近的肌肉運動,達到平衡壓力的效果,還不懂事的嬰兒因為不適感降低,本能地就會哭得更大聲,好讓後續的不適感消除。他們並不知道大哭會影響其他旅客安寧,只知道大哭可以讓耳朵舒服一點。

嬰兒大哭可以減緩耳朵的不適感。圖/GIPHY

有時候,我們因為感冒產生的輕微發炎,使得耳鳴的感覺無法消除,此時,也可以藉由閉嘴捏鼻吐氣的強制手段,改善耳朵的不適感,這種方式在醫學上稱為持續閉氣用力動作(valsalva maneuver,又稱伐氏操作),如果做了這個強制動作還無法改善耳鳴問題,那麼便有可能是發炎問題嚴重,一定要借助醫生的診斷處方做必要治療了。

除了耳朵不適感外,由於飲食中難免會吃進許多氣體,再加上食物的消化過程也會產生氣體,這些氣體在腸道中存在,在爬升階段也會讓搭機旅客感到不適,最常見的就是有股想放屁的強烈感覺,當然也有些人會產生便意,甚至是急需到洗手間解便的不適感。為了避免在飛行爬升階段產生這些不適症狀,建議平時能有良好的排便習慣,以免腸道內有過多宿便存在。此外,搭機前盡量不要食用大量餐點,也最好減少食用容易產生氣體的食物,例如豆類或汽水與可樂類蘇打飲料,而嚼食口香糖除了吞嚥口水外,也會吞進不少空氣,此行為也建議避免。

潛水完先別急著搭飛機——高空減壓病

高空減壓病也稱為氣栓症,通常沒有一定症狀,較容易被忽略病因。

在正式介紹這個疾病之前,讓我們先回想一下開汽水的過程:當環境壓力越大,氣體溶解在液體中的數量就越多,溶解度越高,而當瓶蓋被旋開的那一刻,因為瓶內壓力急速降低,你會發現原本溶解在汽水中的氣體大量釋出形成氣泡,而高空減壓病的根源,就像是這些冒出來的氣泡一樣,這些氣泡將對人體造成危害!

人類呼吸過程,除了吸取氧氣並排出二氧化碳外,佔空氣比例 4/5 的氮氣也會隨著呼吸過程在人體內循環。當飛機離地爬升,隨著環境氣壓急速降低,原本已溶解於體內的氮氣,因溶解度遽降而生成大量的氣態氮氣在人體內。當溢出的氮氣量遠超過肺臟的排出量時,氮氣就會形成氣泡在血液中循環,產生各種不同類型的臨床症狀,在醫學上稱為減壓症,由於這類症狀易發生於高空環境,因此被稱為「高空減壓病」。

高空減壓病的臨床症狀非常多元,因壓力遽降而釋出的氣泡,將隨著血液流竄到體內四周,如果在關節附近或是深部肌肉組織聚集停滯,就會產生屈痛或是鈍痛。此外,也可能產生氣哽,導致胸口灼熱、刺痛、乾咳和呼吸困難;神經上的症狀則有視覺障礙、頭痛與肢體癱瘓等;而在皮膚上則有可能產生紅疹塊、刺痛、癢及水腫等。

瓶內壓力急速降低使汽水內氣體大量釋出形成氣泡,與造成高空減壓病的原因相似。圖/Pexels

當你出國旅遊從事水肺潛水 (scuba diving) 運動後再搭機時,由於潛水活動是在高壓環境下呼吸空氣,故大量氮氣會溶解於身體內各組織,也是常見高空減壓病的形成原因。若是潛水潛得越深越久,氮氣的溶解量就會越多速率也越快;而潛水完後,細微氣泡就會形成在體內組織,如果你潛水完後立刻搭機飛行,被保存在體內的氣泡便會膨脹進而阻塞血管、壓迫神經或引發血液病變,發生高空減壓病。臨床上,潛水後的建議飛行最低高度約為 5000 英呎,以避免出現高空減壓病的症狀;然而一般民航客機的加壓系統,通常會讓機艙內壓力相當於海拔 8000 英呎,因此無法抑制此類症狀發生,因此建議潛水後,至少 24 小時內應避免搭機飛行。

身體卯足全力對抗環境!達成你想飛上天的夢想

一般民眾較常知道的是搭機過程會讓味覺與嗅覺變差,所以飛機餐會變得不那麼美味。相較起來,高空缺氧、氣體膨脹效應,以及高空減壓病就較容易被忽略,期望讀者們閱讀完本文後,可以對自己的身體有更多認識,讓搭機旅遊變得更加美好。

  • 〈本文選自《科學月刊》2021 年 2 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

科學月刊_96
231 篇文章 ・ 2286 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。