長這麼大才知道飛機可以倒著飛 但沒人知道飛機為什麼能飛
2021年03月04日10:36

  在獲得了兩項奧斯卡提名的2012年的電影《迫降航班》中,出現了超出常識的一幕:機長讓飛機上下倒著飛。

  飛機顛倒飛行真的科學嗎?

  若是按照許多教科書的理論,這是不可能的。

  可是這些教科書中的理論是錯的,美國國家航空航天局(NASA)還專門製作了一個網站來批判這些理論。

  這種盛行的錯誤理論是,機翼上部比下部更長,使得空氣分子在上部的移動距離更長,因此速度必須更大才能和下部的空氣分子彙合。這種理論接著解釋,根據伯努利定律,速度增加時氣壓減少,因此機翼上部的氣壓比下部低,機翼就被往上推了。

圖片來源:wikipedia
圖片來源:wikipedia

  NASA 介紹,事實上上下對稱的機翼,甚至下部更彎曲更長的機翼也能產生升力;這種理論也無法解釋空戰和飛行特技中飛機顛倒著飛的情況。

美國空軍雷鳥飛行表演隊在2012年的 北極雷霆航空展上表演倒飛。圖片來源:wikicommons
美國空軍雷鳥飛行表演隊在2012年的 北極雷霆航空展上表演倒飛。圖片來源:wikicommons

  此外,雖然機翼上方空氣的流速比下方更大,但是上部的速度快到無法和下部的空氣在機翼末端彙合,因此這個理論是有問題的。

  不過,機翼上部的氣壓確實小於下部,這一點真實不虛。

  那麼到底是什麼讓飛機飛翔呢?

NASA指出,升力的產生存在巨大的爭議,許多教科書的解釋是錯的。圖片來源:www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/lift1.html
NASA指出,升力的產生存在巨大的爭議,許多教科書的解釋是錯的。圖片來源:www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/lift1.html

  NASA 介紹,關於飛機如何獲得升力存在許多理論,也存在很大爭議,尚未達成統一,但現在能確定的是,物體獲得升力的過程很複雜,迎角和機翼的形態和升力密切相關。

  機翼的形態比較好理解,我們平時看到的機翼都是上鼓下平。

  迎角指的是機翼迎風的傾斜角度。事實上在70多年前,人類發現了迎角和升力之間的重要關係:對於特定的機翼來說,在一定範圍內,迎角越大,升力就越大。

 上鼓下平的機翼(正彎度機翼)和不同的迎角。圖片來源:FAA
 上鼓下平的機翼(正彎度機翼)和不同的迎角。圖片來源:FAA

  機翼的迎角在5-6度時獲得的升力遠超1-2度時的情況。在起飛前的一瞬,飛行員會讓飛機昂頭,這就是為了增加迎角,從而增加升力的操作。即使是完全扁平的機翼在調整了迎角之後也能起飛,放風箏就是這個原理。

  如果把各種機翼設計的迎角和機翼的性能——升力係數(升力係數和升力成正比,一般來說升力係數越大越好)作圖,那麼我們就會發現,不同機翼的數據構成了一條直線。

在一定範圍內,迎角(橫坐標)越大,升力係數(縱坐標)越大。圖片來源:wikipedia
在一定範圍內,迎角(橫坐標)越大,升力係數(縱坐標)越大。圖片來源:wikipedia

  這個知識最初來自1945年NASA的前身美國國家航空諮詢委員會 (NACA)公佈的一份關於機翼的資料——NACA Technical Report 824。這份報告里麵包含著許多機翼在風洞中的測試數據,它在日後成了各種機翼設計參考書的基礎。

  有趣的是,如果把機翼上下顛倒再測試,升力的數據和迎角之間的關係也是類似的。

 正彎度(最粗的藍線),零彎度(上下對稱)和負彎度機翼(最細的藍線)的升力係數都隨著迎角的增加而增加。圖片來源:Gudmundsson, Snorri。 General aviation aircraft design: Applied Methods and Procedures。 Butterworth-Heinemann, 2013。
 正彎度(最粗的藍線),零彎度(上下對稱)和負彎度機翼(最細的藍線)的升力係數都隨著迎角的增加而增加。圖片來源:Gudmundsson, Snorri。 General aviation aircraft design: Applied Methods and Procedures。 Butterworth-Heinemann, 2013。

  實際上,把常見機翼上彎下平的設計倒轉過來的翼型叫做負彎度(negative camber),只要迎角夠大,負彎度的機翼也能飛起來。只不過在同樣的迎角下,它們獲得的升力要少一些,也就是說飛得要吃力些。

  我們還可以看荷蘭特文特大學用模型飛機做的演示。

  如果飛機能飛起,那麼飛機會帶動杆子向上移動。大家可以看到,倒著飛的時候,飛機模型在風洞里也能升起,只不過效率降低了。

  在飛行史上,首次讓飛機倒著飛的人是法國傳奇飛行員 Alphonse Pégoud。1913年,他駕駛著一架 Blériot 型號的單翼機,展示了倒著飛的特技。

Blériot 型號的單翼機。圖片來源:wikipedia
Blériot 型號的單翼機。圖片來源:wikipedia

  1914年,一位德國勇士也學會了倒著飛的特技。這個叫做 Gustav Tweer的小夥子更野,他不但讓一架Grade型號的單翼機倒著飛,還倒著落地。

1914年,經常倒著飛的德國飛行員 Gustav Tweer 讓飛機倒著著陸。 圖片來源:flying magazine
1914年,經常倒著飛的德國飛行員 Gustav Tweer 讓飛機倒著著陸。 圖片來源:flying magazine

  現代意義上的客機也曾有倒著飛的記錄。

  在2000年1月31日的阿拉斯加航空261號班機空難中,由於機械故障,一架MD-83型號的客機失控,頭向下俯衝了一段時間。後來機組人員努力使機頭保持水平,在空中上下顛倒地飛了大約1分鐘。但不幸的是,此時飛機已經非常接近太平洋,最終墜落在了海中。《迫降航班》中客機倒飛的情節也來源於此。

  雖然機翼上下顛倒並不會使機翼失去升力,不過現代客機倒飛時會面臨其他問題。

  其中一個大問題就是供油。普通飛機的油箱中為引擎供油的管子開口貼近油箱底部,而且無法移動。如果飛機倒著飛,油管的相對位置就會變成油箱頂部,那樣就無法為引擎提供燃料了。

  而能倒著飛的特技飛機的供油管巧妙地解決了這個問題。這類飛機常會採用能夠活動的管子 flop tube,它的尾端比較重,而且能夠活動。在飛機倒轉時,油管也會跟著翻身,繼續為引擎供油。

  特技飛機的另外一種策略是使用特殊的油箱,如位於機翼下方的 header tank。一些特技飛機,比如 Super Decathlon 型號的飛機的油箱在飛機上方,飛機正飛的時候,重力使燃油向下流入燃油泵。但是在機翼下方還有一個油箱 header tank,它也和燃油泵相連。在飛機倒轉時,這個油箱就到了機翼上方,可以利用重力為引擎供油。

  這些技術就是特技飛機可以在空中玩蛇皮走位,但客機不行的小秘密了。

  坐飛機不怕暈機,最怕機暈。

  來源:把科學帶回家

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