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飞机为什么不按直线飞行?

更新日期:2019/4/19来源:上海航宇科普中心

  1. 地球是圆的,地图是平的。
  一般而言,距离超过400公里时,地球表面两点的最短距离,投影到地图上就和直线有了明显区别,在这种情况下,选择直航时,飞机在地图上的投影就是一条曲线。这个差别在长距离才会显得很明显。
  早期来说,为了导航方便,一般采取等角航线,即测量出出发地和目的地之间的磁角夹角,然后只要保持飞机航线恒定就可以到达目的地了,此时航迹在地图上的投影就是一条直线。但是随着导航技术发展,就开始采用大圆航线,而大圆航线在地图上的投影就是曲线了。
  参考下图,地图上的Great Circle Route(大圆航线)看似曲线,实际上的距离要比直线的Rhumb Line(等角航线)短得多。 更详细的数学解释可以参考:Great circle。
  2. 导航技术限定,飞机只能向台或背台飞行。
  目前最成熟的导航技术是IR(惯性导航)和VOR/DME(指向台)导航技术,这两种技术叠加可以保证飞机导航精度达到RNAV2,即在航行全过程中,95%以上的时间里定位精度在2海里以内,而VOR的一个缺点是依赖于导航台,且飞机只有在航向面向或背向VOR台时才能获得比较高的精度,因此飞机的航迹本质上就是从一个VOR台飞向另一个VOR台,在距离VOR台约10海里左右开始转向像一个VOR台继续飞行。
  借用别人的一张图说明,十字星标就是不同的VOR台,粉红色的线就是飞机的轨迹,由于导航台的数量限制,飞机只能采取曲线飞行。
  很多业内也说了,十字星不是VOR台,他的标准名字是Waypoint,为了省去解释为何在要在航路点之间直线飞行,我就简单描述为导航台了,便于业外理解。Waypoint 在航空业早期,实际上就是地上一个明显的地形/标志物等,又叫地标,飞行员就是靠目视对准地标飞来保证自己航路正确的。随着无线导航技术发展,VOR台就成为主要的Waypoint了。进一步的,随着GPS的应用,Waypoint理论上可以随机选取地球表面任一位置设置,只需要对该处进行GPS校准即可,这也就是RNAV的航路点设定来源了。在PBN运行前,飞机只能以直线在航路点直接飞行,因为:1. 只要在航路点确认高度符合要求,在两点之间的直线上飞行,一定没有触地风险;2. 沿航路飞行,空管只需要监控飞机的速度和顺序,就可以保证没有碰撞风险,加入偏置和单向高度层后,对飞也不存在碰撞风险。因此,目前为止,飞机只允许在Waypoint之间的直线上飞行。未来普及PBN后,才可以不依赖Waypoint飞行。PS:RNAV跟PBN的区别,业内了解就行了,我懒得展开了。关于GPS精度,静止状态下GPS精度可以达到10米级别,经过校准的可以达到1米甚至更低,飞机在停机坪上做导航校准时,可以达到分米级别。但是在高速运动状态下,一方面精度降低,另一方面就必须考虑系统延迟了:如果飞控计算机晚了一秒获得位置信息,或者操作指令晚了一秒,位置可就差了几百米了。
  有人会问GPS呢?GPS直到第三代系统开始投入,约2005-2009年,才可能在全球范围内达到RNAV2精度。对此,国际民航组织从2008年开始,逐步开始对基于GPS导航的导航设备开始论证使用,目前在欧美大陆,通过认证的飞机已经可以开始实行PBN导航,即不依赖VOR台的自由设计航线,中国大陆规划在2013年开始,2016年全面在民航采取PBN导航。
  3. 地形/气象/空管限制,某些区域必须绕行。
  这个应该很好理解,比如山峰、雷雨云、禁飞区之类,就不多说了。
  4. 适航规章限定,主要是ETOPS规定。
  这个是由于早期飞机发动机可靠性不足引入的规定,当时双发飞机很容易在飞行过程中出现单发失效,此时会对飞行性能造成严重影响,同时也给飞行员带来额外的负担,因此规定飞机的全航路中,任何一点到最近的备降机场的距离不得超过60分钟的航程,以便在飞行员疲劳或飞机结构受损到不可接受前,飞机能够着陆。当然,现在随着发动机可靠性提升,ETOPS限制普遍提升到了120分钟,下一代的380和787都在申请150分钟的ETOPS限制。详见双发延程飞行。
  这个限制主要体现在跨洋和北极航线上,内陆航线与各航空公司实力有关,对于长距离航线,有实力的航空公司可能会沿路各个机场都签有保障协议,此时ETOPS只在穿越沙漠和高原是有所影响。实力不足的航空公司则无法和所有机场签协议,只能选择性的挑选,就有可能受到一定的限制。