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。- a7 g0 D' K6 M) _9 J1 X
7 H# a8 _3 K7 k. M, X' E
, t) t% G# Q. N; P) @8 s$ C3 T0 W
A$ b7 z: h/ _# ~( f5 f
# N' i* @7 [! V# b. I
2 K3 T, R/ A O4 p5 a `* W5 [& U' O& d* S1 ~
7 b/ G$ Z7 m4 t9 r, I$ a* ~
飞机颠倒飞行真的科学吗？2 N. {; ?! D- E$ S
2 ~) x* J# U( G
8 _" V9 W& @; x5 n" ~6 |# d
若是按照许多教科书的理论，这是不可能的。
, M0 H' ^. T. |
6 R( X# A7 @, q0 M; c: D/ }; e* W3 Z! _4 D" G n+ K
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。
- P) b8 S% b& x3 Y( M- A
3 ^9 Z3 Y$ t( l5 f; ?- o
" @+ e# d) g9 M) T0 Z" |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。1 H- l- h, q2 d- r
9 i% l- B9 {: A% l8 s0 H
# h) t; h9 O3 K
4 h( N( n% b- f& F7 p( q- `% Q
) s k7 ^$ U& H6 C# P2 C
" e( h7 a2 s3 ^' m/ `0 v8 d9 |6 S9 B- C' r
% ]. Z. \: o* ^% B- a; d" SNASA 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。+ ~& S$ I/ H! \7 j
$ n& S& z7 i4 Z$ Y1 S8 x+ Z8 p1 Z8 Z o
# u1 Z2 A0 F* [4 T4 ? a
- b3 K% @& s4 A" e4 }
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
; J8 K3 V' F7 Y$ F/ z! W5 x8 t
2 I' H% h# v& n$ y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。8 |1 }3 ]; G0 T
' }8 s% C3 A* b7 }" g% [- f
t5 Y I9 ?$ a8 C, O% L1 Y不过，机翼上部的气压确实小于下部，这一点真实不虚。
, d2 {7 x" m) J) I: x2 H& k. S9 {6 b1 @! y( |9 t M' h
& y+ d1 o/ ]% Z5 E: K0 H: o那么到底是什么让飞机飞翔呢？
$ n' R; {8 u- \5 v/ z0 A: e! f; c! E/ h
; y |: c I& z2 N! C0 ?
4 \& P: ]( H; t( {1 `; F; H, F
4 r' i, y% F% DNASA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 % i" F6 g' e: {- _
3 s. U6 I( G/ g0 ^
6 a" ?, M0 n; W1 [( G( lNASA 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。
6 d0 i/ Q. \% q9 |# ?7 }/ Y# J2 t& H V: J) {: E U" W
) Z8 H9 u: _# H) ~( w1 t- p- @' ]- T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。2 K) ]0 A. g- O K, O- q
/ L+ F( W9 v- z! ]( V
2 H" a+ L+ K! p$ D+ F9 k8 p9 e8 D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。" Y$ ~" A+ V2 m
: o; W$ G+ C1 w% M+ f$ s1 Z, z
" b j/ V: O7 f$ d, {9 H) q& y5 \7 ]$ Q. J/ o
. q7 @/ f: w1 Q8 J上鼓下平的机翼（正弯度机翼）和不同的迎角。图片来源：FAA
/ ~% j- ^+ `; W# i! u C1 }) C# J+ ~5 Y p3 N
, f. J0 c: ^5 ~9 }7 [
* u7 \ B+ J4 K: L
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。
" E0 f4 W0 D- S: K/ p$ v! K) Q- Y# V- @0 t" [& C, A# w; ~
8 O2 i0 h g! p
( o# {: d6 M8 ^5 D& E9 w* }8 c/ N& Z
* V( `9 z( O2 e9 b2 W
( K2 p, Q* Z. r5 ~: o
, n' Q! u; ^$ z& @
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。
6 Q5 T/ j+ n1 M+ i/ \ c& Z" R0 s% D/ g" j) g
# X5 f& p3 ]# b3 l/ Y X
" i; R$ n$ E3 V& f
R6 Q$ f5 p, U8 ]1 {, ~; h9 `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
% V# ~% M* X4 j) ]% L6 m" y4 M
! C1 [9 Q2 F& k" E8 F! G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。8 F9 Z& `: Z+ d2 f8 S2 a
/ _2 Z3 a, g }1 t8 P
; f I& U9 M; o% l8 P
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。
3 V$ J) i* {3 d5 z) {; a4 V( F
+ X; m8 `: ]; C6 b q& Y
; Y' w C8 e' v, g$ T# y" _$ f% T( X! C, f) j
2 L' a$ `" r4 A6 Z" d4 L" v0 ~
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.
8 g0 P9 T# z2 j+ [8 z $ p/ o) {8 J0 r( @! F
4 r2 V4 P2 ^; l5 [, y
$ o* g/ G+ H9 O! a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。/ p. o+ f7 x! H' p2 g2 r. A
- o6 e1 c5 g# h
! W* h I7 S6 {% I我们还可以看荷兰特文特大学用模型飞机做的演示。
: n1 l7 j1 D( N* m, `; @
% h5 h; N. o6 q b. ?
2 y( M' ^4 N: _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。. w) B: `! f; l0 Q f7 v8 M- J: Z0 e/ `
5 z% [( |! d8 i$ b& w7 v2 f& k7 A6 U; M+ Z1 w% z- b
* b: \+ A8 J P3 @" Q0 k5 D$ N' M1 q
. m9 r. O8 K$ Q6 f" n8 O: |
4 G" v( `1 H# o* |! y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。# U C, r2 v. `& C# P+ A' \2 s: y. q0 b- c
( H, G: F! `( h, J7 g2 L3 Y
" z" e! d3 ]- S
( K1 U- r, @9 F; R& Z3 f# m
/ A. k& I9 w6 D9 u. l4 z! ]Blériot 型号的单翼机。图片来源：wikipedia
* w+ b: m; g" A3 X! _1 [1 ^
/ c1 B; _7 c5 q$ @% u2 L' Q* u* o& d) D
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。0 c# f7 ?$ j: n1 h& x
6 ~3 ~$ M& ?2 ~/ {+ B" Q; m/ f5 z0 N, R7 W5 ], y
" F+ {6 z W3 Q7 O) P T
3 [' u) E6 O) w Q; Q$ n
1914年，经常倒着飞的德国飞行员 Gustav Tweer 让飞机倒着着陆。
& i8 L9 V# g; c% W/ r, L( G图片来源：flying magazine
2 n6 ^1 g+ N* ^8 ~4 v
" N$ K' b4 U7 I, G' d4 _" z
! }0 V8 ` m! A' A$ d: X现代意义上的客机也曾有倒着飞的记录。' k: ]8 P: u3 g2 K8 o
+ ^# `& o, A4 `; K" K' H
$ {$ W! C: b. k) U( C3 R% i9 [
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。. A4 u f# `% I, j' w9 o
- G$ \! \, F- K& ?
! h' z- z( Q0 G. v1 Z7 J& b7 q* {" x- D1 e I' _2 G4 _; k) g
% ]& _ K) O6 V) } X, P% O& V6 ], k6 Y
0 o" R4 O P2 e! ]* r1 P% u( M; \6 k/ r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。; F& K) I+ Y g5 c3 M
$ F' a: O* E- _8 P2 Z w1 ]# E8 h
( B+ q+ a$ A) a6 V, \! r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。
3 {, f. F+ O# F8 i! Z
: x; }4 f" f# r! l5 B
" j6 h" b( W G% r7 \! V
G0 k/ p4 A" a$ N1 q
" v8 r2 E4 ?8 ?' c8 I* d* p
" w3 i! x5 q8 f. ~
3 q9 H8 _0 l9 ]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。
$ _3 T, d) c/ j* E9 `. p
0 s* k+ e9 C) m$ y) a) k9 }$ m6 R( x; [ i* Z2 A/ `4 U
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。
9 x5 ?6 r( e) ~. R( j; Z, J8 T7 I" V" d
2 B7 G# r2 N* j, {$ I- B( S: |4 Q0 W$ a& m# T& P5 e% X: ?. g7 f
z1 ?8 ^, Y- y# ~: p: N6 K0 g
, E2 t, _ J- [2 Z6 A# p' x
: _5 J& d. [ V* E- L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。
" ?! k' G3 S( G- ]7 \% Y
|
