2013年10月4日 星期五

"G"

“G”                                                                                                                                  2010/06/11
       在飛行當中,除了等速平飛外,任何飛機姿態的變化,無論是滾是爬,甚至平飛加速都會引起”G”力的變化,這期的航空科技講座就來談談什麼叫作 ”G”。


什麼叫“G”  
        話說這個航空界最短的專有名詞”G”,聽起來挺神秘高深,說起來倒便有點稀鬆平常了,它在高中課本上就叫作”加速度”,您甚至還可誏誏上口的把牛頓定律F=ma 背出來,那個”a”就是這個”G”,牛頓先生用這個公式清楚地告訴我們:只要物體有受力,它就鐵定會產生加速度;反過來說,物體只要是在有速度變化的環境下運動,那麼它必定是處於受力的狀態。我們身處於地球上,受地球萬有引力(即重力)的作用而有”重量”,它相當於我們的質量與重力加速度的乘積。後者基本上並不會到處一樣,但至少在地表及接近地表的對流層中都還算夠接近,所以我們便概括泛稱我們的重量受相當於9.8m/sec2的重力加速度作用。看了這麼多拐彎抹角的話,相信有耐心看到這兒的讀者也會不耐煩的問--: 何不就直接了當說出我們有多重就好了?的確沒錯,天地不仁以萬物為芻狗,在地面上萬事萬物都受地球相同的重力加速度作用,以至於地表活動的人類沒有必要去強調質量與重量的不同。但畢竟兩者在意義上還是不同的,質量是”牛牽到北京還是牛”,而重量卻是”橘越淮而為枳”,你們家的胖妹不會因實現登陸月球而剩六分之一重量的夢想後就同時實現菲夢絲的願望,胖還是胖,重量騙得了自己,質量可一點也不含糊。
      “複習”完牛頓定律,話題似乎漸漸扯遠了,我們現在再回到航空界來;本文開宗明義就已經說明,飛機飛行的任何姿態改變都會導致其運動速度的變化,此時對飛機、對飛行員而言必然也同步受力變化,這也就是飛機運動時對人機的負荷,這時如果我們還要像在地面時的習慣一樣去直接描述人機的受力便顯得累贅,因為聽的人還得去比較人機在地面上時的重量大小方能知道那個量的意義,例如你們家的胖妹在飛機裡因飛機運動而”產生”出120公斤的重力,不曉得她幾斤重便無法知道飛機運動情形,那麼她到底是減少到120或是增加到的呢,你方便問嗎? 的確不方便的很,聰明的航空人很快地就想到了既然直覺上都是跟地面上的重量比,而實質上物質質量又不變,變的只有加速度,那就用飛機上測得的加速度值與地面上大家公認的重力加速度比倍數就可以了。後者我們就當它為”1個G”,所有飛機的運動都可透過加速儀顯示出它對”1個G”的倍數,這就是”G”的來由。
有了“G”,且讓我們再回到你家胖妹坐的那架飛機,當飛機的G表讀到1.5G時,我們變可以說:飛機運動使胖妹承受她1.5倍重量的力。如何?閒話一句便清楚說出飛機運動的規模又沒洩漏胖妹的最高機密。G力簡單地說就是你自重的倍數。等速平飛的飛機承受相當1G的力,跟它在地面的重量一樣;您全家到六福村玩大怒神,在落下的那一瞬間不分首從都接近0G,大家都減肥到零;要在日常生活中感覺不是一個G的運動?只要你家不住透天厝,你每天都可以經歷好幾回:電梯由靜止起動上樓時大於一個G,下樓則小於一個G。


“G”的定義

     由於G代表力的作用,而力又是有方向性的,所以G不僅僅只是表達跟重力加速度相同的方向(即我們最習慣的由頭至腳的方向),它還可以表示三度空間各方向的受力狀況。G的方向是以人身姿態,像圖一定義的。假如您是個飛行員,坐在駕駛艙內等速平飛時僅”+Gz”為1,即地心引力,其他方向G值均為0,感覺會跟坐在家裡安樂椅一樣沒什麼不同;當飛機俯衝轟炸後拉機頭或做轉彎運動時產生的是”+Gz”,即所謂正G力,此時您會覺得座椅與您好貼身,在感覺人機一體的同時,您也會有”舉步維艱”的感慨。現代戰機由於將許多操縱、結構及航空生理的技術整合起來,所以一般都可將人機安全地帶到9個G(Gz)以上。現在再帶您做一個動作,首先將機頭帶起讓飛機上仰,然後猛一推頭(即推桿使機頭下沉),這時您會感覺到安全帶的好處,因為若沒安全帶,閣下的尊頭可能就去”頂撞”天花板了,這時您感受的是”-Gz”(負G)的作用,如靜止的電梯突然下沉,或蹲低的姿勢突然立起一樣,滋味並不好受,其不僅是腳的不踏實感,更重要的生理因素是負G使血液上衝讓腦部血壓增高。倒飛的姿態也有一樣的效應,由於很不舒服,所以飛行員會避免大負G或持續負G的運動,像IDF之類的先進戰機甚至會用電腦限制過大的這類運動。表示前後方向的為”+Gx”及”-Gx”,飛機起飛、加速時產生+Gx,它會壓迫您貼向椅背,那種感覺就像你開著法拉利由靜止加速一樣;而-Gx則正好相反,飛機落地剎車、開阻力傘等,-Gx都會使飛行員向前,跟緊急剎車的趨勢相同。對飛機結構及人的平衡器官威脅最大的是大的±Gy,”+”代表+向右的加速度,”-“則代表另一方向。這種運動是以你的頭到座椅為轉動軸,飛機和你繞著這軸轉動,由於機體和人的平衡器官並非依據此種運動設計,所以±Gy一定不能太大;當飛機進入”螺旋”或離控等不正常姿態動作時會產生此類較大+Gy或-Gy,至於人的耐受極限則一般為3個Gy左右。
“G”對人的生理影響  我們日常活動都在1個G的環境,所以肌肉、血液循環、五臟六腑都習慣於各自原有的重量或壓力,即便是劇烈一點的追趕跑跳碰也變化有限。但各位讀者想想看:一個70公斤重的飛行員在帶3個G的”和緩”轉彎時就已經變成杜包七世了,更何況9G的戰術動作?可想而知其舉手投足間要克服自己筋骨的”重量”有多困難了。大G值對呼吸的影響也未可小歔,正的Gz值會讓橫隔膜向下墜而妨礙到呼吸時的肌肉協調動作(呼氣時橫隔膜會配合上頂,擠壓胸腔將肺部空氣排出,吸氣時則往下凹陷空出胸腔幫助進氣),而大的Gx值(約到8左右)不但使內臟重量影響到橫隔膜運動,還再加上胸部對肺的直接壓迫,更慘,還好不容易出現。最後對生理影響最深遠的是對心血管系統的影響,尤其是持續性的Gz作用所造成的功能障礙最明顯。要知道為什麼就得在此告訴各位一個觀念:我們動脈的血壓由頭向腳遞增,個子愈高頭足的血壓差也愈大,例如一個像我一樣178公分的傢伙如果心臟血壓為100毫米水銀柱高(mmHg)的靜壓,則他的腦部血壓降為77毫米水銀柱,而腳部血壓增加到204毫米水銀柱,其原理與國、高中物理都有提到的”托里切利實驗”有關,歡迎讀者們複習複習;當來自腳板的Gz變成兩個G時,由心到腳的壓差會等比例由104毫米水銀柱倍增,腦部的壓降亦然,所以我們知道正Gz時血液會集中在下肢而造成腦部缺血,缺血便是缺氧,會造成許多生理的副作用。例如在視覺上會隨G力變大而逐漸變弱、變窄,產生灰視,最後造成”黑視”現象(即缺血性的目盲現象)。G力持續也造成換氣效率不足引起的血液低帶氧現象,腦部的低血壓、低氧量最後的下場就是失去意識。反方向的G值的生理影響也很大,腦血壓大增的結果各位只要想像腦充血的反應即可,即頭暈腦脹,在視覺上會有”紅視”現象。為了要使飛行員能在新一代的戰機上更安全地充分發揮其運動能力,在戰機設計上必然要增強飛行員的抗G能力;減少頭到心的距離似乎是最直接的方法,以目前F-16和IDF的設計就是讓飛行員半躺著30度,使頭到心的”投影”距離降低(見附圖),再來就是用”外力”強迫帶G時血液流向腳部的趨勢,方法是讓飛行員下半身穿上”抗G衣”,帶大G時充氣壓迫下半身阻礙血液往下半身流動。正確的”抗G”呼吸也對G值忍受度有幫助。抗G技術成功地使飛行員在新一代戰機上輕易地在9G環境下操作,……但抱歉只限”正”Gz力,”負”Gz和其他橫向G都還沒有有效的對抗方法。
“G”的故事講到這裡為止,各位可能還有最後一個疑問:為什麼要叫”G”?我想”G”大概是取”Gravity”的字首,合理吧。

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