本科生科研指南（29）：皮托管原理
张宇宁
华北电力大学（北京）
2009年6月1日，法国航空的447号航班在由巴西里约热内卢市的加利昂国际机场飞往法国巴黎市的戴高乐机场的途中不幸在巴西附近岛屿坠毁，机上216名乘客及12名机组人员全部罹难。后续空难的最终调查报告显示，飞机遇难的罪魁祸首是测量飞机速度的皮托管被飞行过程中飞机所结的冰所堵塞，使该飞机无法准确地测量其当前的飞行速度，并由此导致了自动驾驶系统关闭和机组人员应对操作失误等一系列事故，并最终造成飞机失速并迅速坠落从而酿成空难。由此可见，皮托管是保障飞机安全的重要测量设备。为了方便本科生了解皮托管的工作原理，本文围绕该领域的相关知识着重进行介绍。
皮托管最早是由法国知名的工程师亨利·皮托于1732年发明（注一）。在皮托所处的时代，广为流传的关于流体速度方面的知识中包含着很多错误的认识，因此迫切需要对此进行纠正。当时，皮托受命测量法国著名的塞纳河河水的流速，在此过程中他发明了皮托管用于测量该河流中流体的流速。后续，1858年，帕尔·达西对皮托管进行了重要的改进并沿用至今（注二）。
图一 皮托管发明人亨利·皮托肖像
图片引自以下网址：http://www.edubilla.com/inventor/-henri-pitot/
图二 亨利·皮托1732年发表的关于皮托管论文的首页
图三 帕尔·达西1858年发表的改进皮托管论文的首页
皮托管的测量原理如图四所示。在介绍皮托管的工作原理以前，我们先介绍一下总压的概念。根据机械能守恒原理，在忽略流体高度变化的情况下，流体的动能和压力势能总和保持不变，即总能量守恒（注三）。如果将上述能量全部用压强的单位来表述，可以将动能表示为动压，并将其与流体中的静压相加，所得的值被定义为总压。在皮托管的正中，有一个被称为总压孔的小孔，它用于测量流体的总压。其原理是依据上述的能量转化，当流体的速度变为0时，流体所具有的能量全部转变为了压力势能，即总压。早期的皮托管只负责测量总压，因此又被称为总压管，而静压的测量是与总压分开进行的。后续，为了方便使用，将静压和总压的测量整合到了一起，形成了完整的速度测量使用的现代皮托管（见图五）。皮托管的侧面分布着若干个静压孔，用于测量流体相应位置的静压，即该点处流体的真实压力大小。根据皮托管测量得到的总压和静压，基于流体的密度便可以准确地计算出流体的速度。值得注意的是，皮托管测量得到的速度是流体中某个点的瞬时速度，而不是部分流体的平均速度。另外，对于飞机等运动的物体，由皮托管测量得到的速度是飞机与大气的相对速度。如果想要知道飞机相对地面的速度，需要在皮托管测得的速度的基础上对风速进行修正。
图四 皮托管的工作原理示意图
图五 真实飞机皮托管的总压孔和静压孔
皮托管结构简单、测量准确，百余年以来一直被广泛应用。实际上，大部分飞机都有2-4套皮托管测速系统，一方面可以互为备份，防止某个皮托管意外失灵的情况，另一方面可以方便系统对所测得的速度进行互相校对。绝大部分飞机用的皮托管测速系统均具有加热功能，防止结冰所造成的堵塞等等。在对飞行员进行培训之时，一般会模拟皮托管失效的情形。一旦皮托管无法正常工作，则飞机的驾驶系统便失去了飞机当前速度的有效数据，进而影响系统对飞机当前的其他状态参数的判定。此时，自动驾驶系统的部分功能可能无法正常运转，飞行员需要及时地手动干预并迅速进行处置。在地面上，当我们开的轿车上面的速度表坏了之时，我们可以找个适当的地方停下来看一看，或者至少通过观察窗外的景色和其他车辆去初步判定当前的时速。想象一下，在万米高空，边上全部是茫茫云海，参照物全无。因此，一旦飞机皮托管失灵，系统失去了有效的速度数据，飞行员急需对当前的危机进行准确的判断和快速的处理。
从皮托管的故事中，本科生可以体会以下几点。
1. 基本概念。皮托管是1732年发明的，后续虽然几经改进，但其基本的原理并没有太大变化。关于皮托管的原理，在大部分工科流体力学相关的课程中一般都会有所介绍。在本科阶段，同学们需要扎实地掌握专业领域内的重要概念和基本原理，这将对未来的深造和发展大有裨益。
2. 培养兴趣。大部分学科的内涵实际上都十分丰富，本科生可以不断地进行深入的了解和挖掘，并逐步培养个人对所学专业的兴趣。由本文可见，即使是流体力学课程中的一个关于皮托管的知识点便可以引出很多的故事，包括流体测速、飞机设计、航空灾难等等。实际上，通过对所学知识形成的历史背景、重要节点、核心进展等等的深入了解，本科生可以从很大程度上加深对于科学的理解和热爱。
3. 重视积累。随着网络的日益发达，知识的获取渠道越来越多。对于课上感兴趣的知识点，本科生可以利用业余时间多举一反三，用搜索引擎查一查相关的关键词便能找到很多好资料，这些知识的积累便是本科生后续厚积薄发的关键。
注释部分
注一： 亨利·皮托于1732年发表的论文的相关信息如下：
Pitot, Henri. Description d"une machine pour mesurer la vitesse des eaux courantes et le sillage des vaisseaux. Histoire de l"Académie royale des sciences. 1732: 363–376
注二： 帕尔·达西于1858年发表的论文的相关信息如下：
Darcy, Par. Note relative à quelques modifications à introduire dans le tube de Pitot. 1858: 351–359
