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        飛機(jī)為什么可以倒著飛

        2021-06-28 17:45:24
        電腦報 2021年10期
        關(guān)鍵詞:彎度特技迎角

        在獲得了兩項奧斯卡提名的2012年的電影《迫降航班》中,出現(xiàn)了超出常識的一幕:機(jī)長讓飛機(jī)上下倒著飛。飛機(jī)顛倒飛行真的科學(xué)嗎?若是按照許多教科書的理論,這是不可能的。

        雷鳥飛行表演隊在北極雷霆航空展上表演倒飛

        上鼓下平的機(jī)翼(正彎度機(jī)翼)和不同的迎角

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

        這種盛行的錯誤理論是,機(jī)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匯合。這種理論接著解釋,根據(jù)伯努利定律,速度增加時氣壓減小,因此機(jī)翼上部的氣壓比下部低,機(jī)翼就被往上推了。

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

        此外,雖然機(jī)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(jī)翼末端匯合,因此這個理論是有問題的。不過,機(jī)翼上部的氣壓確實小于下部,這一點真實不虛。

        那么到底是什么讓飛機(jī)飛翔呢?關(guān)于飛機(jī)如何獲得升力存在許多理論,也存在很大爭議,尚未達(dá)成統(tǒng)一,但現(xiàn)在能確定的是,物體獲得升力的過程很復(fù)雜,迎角與機(jī)翼的形態(tài)和升力密切相關(guān)。

        機(jī)翼的形態(tài)比較好理解,我們平時看到的機(jī)翼都是上鼓下平。迎角指的是機(jī)翼迎風(fēng)的傾斜角度。事實上在70多年前,人類發(fā)現(xiàn)了迎角和升力之間的重要關(guān)系:對于特定的機(jī)翼來說,在一定范圍內(nèi),迎角越大,升力就越大。

        機(jī)翼的迎角在5~6度時獲得的升力遠(yuǎn)超1~2度時的情況。在起飛前的一瞬,飛行員會讓飛機(jī)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(jī)翼在調(diào)整了迎角之后也能起飛,放風(fēng)箏就是這個原理。

        如果把各種機(jī)翼設(shè)計的迎角和機(jī)翼的性能——升力系數(shù)(升力系數(shù)和升力成正比,一般來說升力系數(shù)越大越好)作圖,那么我們就會發(fā)現(xiàn),不同機(jī)翼的數(shù)據(jù)構(gòu)成了一條直線。

        這個知識最初來自1945年NASA的前身美國國家航空咨詢委員會 (NACA)公布的一份關(guān)于機(jī)翼的資料——NACA Technical Report 824。這份報告里面包含著許多機(jī)翼在風(fēng)洞中的測試數(shù)據(jù),它在日后成了各種機(jī)翼設(shè)計參考書的基礎(chǔ)。有趣的是,如果把機(jī)翼上下顛倒再測試,升力的數(shù)據(jù)和迎角之間的關(guān)系也是類似的。

        在一定范圍內(nèi),迎角(橫坐標(biāo))越大,升力系數(shù)(縱坐標(biāo))越大

        實際上,把常見機(jī)翼上彎下平的設(shè)計倒轉(zhuǎn)過來的翼型叫做負(fù)彎度(negative camber),只要迎角夠大,負(fù)彎度的機(jī)翼也能飛起來。只不過在同樣的迎角下,它們獲得的升力要小一些,也就是說飛得要吃力些。

        如果飛機(jī)能飛起,那么飛機(jī)會帶動桿子向上移動。大家可以看到,倒著飛的時候,飛機(jī)模型在風(fēng)洞里也能升起,只不過效率降低了。在飛行史上,首次讓飛機(jī)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(jī),展示了倒著飛的特技。

        1914年,一位德國勇士也學(xué)會了倒著飛的特技。這個叫做 Gustav Tweer的小伙子更野,他不但讓一架Grade型號的單翼機(jī)倒著飛,還倒著落地?,F(xiàn)代意義上的客機(jī)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(jī)空難中,由于機(jī)械故障,一架MD-83型號的客機(jī)失控,頭向下俯沖了一段時間。后來機(jī)組人員努力使機(jī)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(jī)已經(jīng)非常接近太平洋,最終墜落在了海中?!镀冉岛桨唷分锌蜋C(jī)倒飛的情節(jié)也來源于此。

        雖然機(jī)翼上下顛倒并不會使機(jī)翼失去升力,不過現(xiàn)代客機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的供油管巧妙地解決了這個問題。這類飛機(jī)常會采用能夠活動的管子(flop tube),它的尾端比較重,而且能夠活動。在飛機(jī)倒轉(zhuǎn)時,油管也會跟著翻身,繼續(xù)為引擎供油。

        特技飛機(jī)的另外一種策略是使用特殊的油箱,如位于機(jī)翼下方的 header tank。一些特技飛機(jī),比如 Super Decathlon 型號的飛機(jī)的油箱在飛機(jī)上方,飛機(jī)正飛的時候,重力使燃油向下流入燃油泵。但是在機(jī)翼下方還有一個油箱 header tank,它也和燃油泵相連。在飛機(jī)倒轉(zhuǎn)時,這個油箱就到了機(jī)翼上方,可以利用重力為引擎供油。這些技術(shù)就是特技飛機(jī)可以在空中玩蛇皮走位,但客機(jī)不行的小秘密了。

        (本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”公眾號,有刪節(jié))

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