飞机真的可以倒着飞吗?
2021-03-08 16:58

飞机真的可以倒着飞吗?

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君,头图来自:《迫降航班》,原文标题:《长这么大才知道飞机可以倒着飞,但没人知道飞机为什么能飞》


在获得了两项奥斯卡提名的2012年的电影《迫降航班》中,出现了超出常识的一幕:机长让飞机上下倒着飞。



飞机颠倒飞行真的科学吗?若是按照许多教科书的理论,这是不可能的。可是这些教科书中的理论是错的,美国国家航空航天局(NASA)还专门制作了一个网站来批判这些理论。


这种盛行的错误理论是,机翼上部比下部更长,使得空气分子在上部的移动距离更长,因此速度必须更大才能和下部的空气分子汇合。这种理论接着解释,根据伯努利定律,速度增加时气压减少,因此机翼上部的气压比下部低,机翼就被往上推了。


图片来源:wikipedia


NASA 介绍,事实上上下对称的机翼,甚至下部更弯曲更长的机翼也能产生升力;这种理论也无法解释空战和飞行特技中飞机颠倒着飞的情况。


美国空军雷鸟飞行表演队在2012年的 北极雷霆航空展上表演倒飞。图片来源:wikicommons


此外,虽然机翼上方空气的流速比下方更大,但是上部的速度快到无法和下部的空气在机翼末端汇合,因此这个理论是有问题的。不过,机翼上部的气压确实小于下部,这一点真实不虚。


那么到底是什么让飞机飞翔呢?


NASA指出,升力的产生存在巨大的争议,许多教科书的解释是错的。图片来源:www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/lift1.html


NASA 介绍,关于飞机如何获得升力存在许多理论,也存在很大争议,尚未达成统一,但现在能确定的是,物体获得升力的过程很复杂,迎角和机翼的形态和升力密切相关。


机翼的形态比较好理解,我们平时看到的机翼都是上鼓下平。


迎角指的是机翼迎风的倾斜角度。事实上在70多年前,人类发现了迎角和升力之间的重要关系:对于特定的机翼来说,在一定范围内,迎角越大,升力就越大。


上鼓下平的机翼(正弯度机翼)和不同的迎角。图片来源:FAA


机翼的迎角在5~6度时获得的升力远超1~2度时的情况。在起飞前的一瞬,飞行员会让飞机昂头,这就是为了增加迎角,从而增加升力的操作。即使是完全扁平的机翼在调整了迎角之后也能起飞,放风筝就是这个原理。



如果把各种机翼设计的迎角和机翼的性能——升力系数(升力系数和升力成正比,一般来说升力系数越大越好)作图,那么我们就会发现,不同机翼的数据构成了一条直线。


在一定范围内,迎角(横坐标)越大,升力系数(纵坐标)越大。图片来源:wikipedia


这个知识最初来自1945年NASA的前身美国国家航空咨询委员会 (NACA)公布的一份关于机翼的资料——NACA Technical Report 824。这份报告里面包含着许多机翼在风洞中的测试数据,它在日后成了各种机翼设计参考书的基础。


有趣的是,如果把机翼上下颠倒再测试,升力的数据和迎角之间的关系也是类似的。


正弯度(最粗的蓝线),零弯度(上下对称)和负弯度机翼(最细的蓝线)的升力系数都随着迎角的增加而增加。图片来源:Gudmundsson, Snorri. General aviation aircraft design: Applied Methods and Procedures. Butterworth-Heinemann, 2013.


实际上,把常见机翼上弯下平的设计倒转过来的翼型叫做负弯度(negative camber)只要迎角够大,负弯度的机翼也能飞起来。只不过在同样的迎角下,它们获得的升力要少一些,也就是说飞得要吃力些。


我们还可以看荷兰特文特大学用模型飞机做的演示。


如果飞机能飞起,那么飞机会带动杆子向上移动。大家可以看到,倒着飞的时候,飞机模型在风洞里也能升起,只不过效率降低了。




在飞行史上,首次让飞机倒着飞的人是法国传奇飞行员 Alphonse Pégoud。1913年,他驾驶着一架 Blériot 型号的单翼机,展示了倒着飞的特技。


Blériot 型号的单翼机。图片来源:wikipedia


1914年,一位德国勇士也学会了倒着飞的特技。这个叫做 Gustav Tweer的小伙子更野,他不但让一架Grade型号的单翼机倒着飞,还倒着落地。


1914年,经常倒着飞的德国飞行员 Gustav Tweer 让飞机倒着着陆。图片来源:flying magazine


现代意义上的客机也曾有倒着飞的记录。


在2000年1月31日的阿拉斯加航空261号班机空难中,由于机械故障,一架MD-83型号的客机失控,头向下俯冲了一段时间。后来机组人员努力使机头保持水平,在空中上下颠倒地飞了大约1分钟。但不幸的是,此时飞机已经非常接近太平洋,最终坠落在了海中。《迫降航班》中客机倒飞的情节也来源于此。



虽然机翼上下颠倒并不会使机翼失去升力,不过现代客机倒飞时会面临其他问题。


其中一个大问题就是供油。普通飞机的油箱中为引擎供油的管子开口贴近油箱底部,而且无法移动。如果飞机倒着飞,油管的相对位置就会变成油箱顶部,那样就无法为引擎提供燃料了。



而能倒着飞的特技飞机的供油管巧妙地解决了这个问题。这类飞机常会采用能够活动的管子 flop tube,它的尾端比较重,而且能够活动。在飞机倒转时,油管也会跟着翻身,继续为引擎供油。


特技飞机的另外一种策略是使用特殊的油箱,如位于机翼下方的 header tank。一些特技飞机,比如 Super Decathlon 型号的飞机的油箱在飞机上方,飞机正飞的时候,重力使燃油向下流入燃油泵。但是在机翼下方还有一个油箱 header tank,它也和燃油泵相连。在飞机倒转时,这个油箱就到了机翼上方,可以利用重力为引擎供油。



这些技术就是特技飞机可以在空中玩蛇皮走位,但客机不行的小秘密了。


坐飞机不怕晕机,最怕机晕。


参考资料储存于石墨:https://shimo.im/docs/tKyt6D9Pv9gQY3tG/


本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君

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