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。' y1 X4 D0 c; b! m( c t. V
) y; q& e2 t' J; o8 x7 b8 |" s
6 S7 R: M7 B, D% ?. c+ |' G8 o% i& d
# [! A: }; [: m0 ?) y& F, V
8 @4 J. t1 K' M) p% S i/ r6 {0 Y7 \8 Y. p% K3 E( m
* K" |, W' y9 q
飞机颠倒飞行真的科学吗？0 v* h) O4 O3 y& P9 z+ F; x
- \9 d& S+ C; [% o
) X9 N3 |0 E5 [若是按照许多教科书的理论，这是不可能的。( [; T! O* {8 ~8 `1 |
: {) F* X% z3 ]& W$ }) \' }
% L j# ]2 B0 l9 o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。
$ G9 x w! d# d6 a& b, N; y& o" C
+ e8 `1 m5 y8 H+ D$ ]" h
% q) Q: P' u, g7 ^, K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。. c* _ N/ h8 l
7 T9 U% Z6 S# S4 X8 A F P; s% E$ z" \2 M" H8 x4 t. N/ I
4 M. m2 E- h5 X; D
: r [1 T% g0 O
1 s! d/ W2 I; @: w$ F5 s1 o7 n' F0 X* a s6 L, Z/ B. q
, T/ e& W+ u% ANASA 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。
1 \' b% y8 t/ L& N" G* Q( J( B8 c7 `9 f. x9 I5 M3 k
+ \/ P% x/ t" M8 n$ R1 C
& g3 r7 y1 T5 X5 K0 J
5 B. e, `0 y4 o4 z- x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 9 k# V6 }! D! {$ K( d
4 N) M2 a) u. x9 ~, _1 A
5 z; f* t4 u$ i; L
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。0 a3 `% K! m' \
5 y0 O0 G- R; t
, y$ @( \7 `" s不过，机翼上部的气压确实小于下部，这一点真实不虚。
9 l z4 _( t s% {1 F! S+ J. K4 \& f
0 |! V' W- D1 B( B m) p/ `8 ~9 D
那么到底是什么让飞机飞翔呢？. \# N9 X9 s. T; G( @9 a$ Q
# G+ |, J8 u. X: c! e, u+ {
. f/ _" E8 f& W k X+ T" ^9 `$ f2 y8 `. e1 b$ C
, t5 z3 r2 a, C. W/ _% F
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
2 N8 I% v! ~! Y+ [# O6 s9 _! E' C1 r
6 T. \8 G( Y+ ^$ o- eNASA 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。! g* z1 W6 q7 h# x2 k& y
) G5 b O" x5 j3 K, J1 O7 z, ]- q5 i
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。6 n3 U1 ~. C8 w* V. Z+ Y8 C
$ `! |# S3 `$ g* K% c; {1 G6 M
8 f1 J% z5 b0 O+ v6 I% ^' B7 `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。% s2 n$ J( v. O6 F z
% y5 Z8 J6 ?% o
6 i$ E1 c- |' s& ?8 e$ i8 h
- D3 s+ q; V6 d6 O: }/ p
0 T1 V7 e' ], j& m1 ^2 b8 d
上鼓下平的机翼（正弯度机翼）和不同的迎角。图片来源：FAA# i! L9 C i/ R3 C3 f: i9 R
! q6 _$ v2 f" p1 a
3 E9 V% i$ l) `- l2 T* q
3 K9 N3 ^" S2 o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。- K5 v' Q1 O V8 r& S+ S7 K0 d0 C
6 C6 d' {& t: y
/ e9 Z, T. h4 H' ?
2 {# ~5 x8 v( s$ p, V+ c
/ i) b% [2 @/ ^
: \- C3 m' Z( ~5 e" M- r" G; F! u: t {! l# @
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。* R. }, H0 P* [( L6 ?% L
6 ?3 K$ L2 k1 ]! i+ o
3 |; n: O& J9 O1 }8 d) W( M
5 {6 \+ X; b" v" N2 I
5 [4 ]$ f! c4 _
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
/ A9 m$ ~2 w7 Z5 B$ _9 d( t
3 \( M3 c2 ?5 X j8 ~' ~ P) W
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。
9 \8 |& b' V: d) g: M& i* L: S1 ~3 r2 u9 Q" _9 h7 n( R
$ f3 i& R& o9 k! h# b
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。
0 Q& l; _- B5 b9 d! r1 N0 N3 F
/ A5 T8 v) {+ `/ D4 y+ | Y: c! K7 S" ^+ v
0 O1 F4 f) y) A' S. i
, d. k& k& w7 o
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.' j6 n9 P* d" ~5 |" g! V H
9 Y9 }& h. p2 A9 m/ @# Z9 |8 j6 J3 ]: W# B
) w2 Y$ {" M* j5 ~5 l0 Q- ]+ h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。
! u+ m* S3 w1 W+ F/ K; C$ y& Q4 _
4 f9 L/ g' ~6 z$ ~$ d# L: _8 s3 V4 w+ l
我们还可以看荷兰特文特大学用模型飞机做的演示。. m; n. O- ~% J/ N: R
% Z) K' i. _! h/ K
5 G/ a, ^, P' A! s. s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。
7 L+ _2 R/ H0 k `5 x" q1 f; d! n. o9 s8 e4 M2 D
& V0 g( L+ W/ d0 |
! m3 z Z. k) h' }; d
+ x& n/ A$ g: U1 G5 R- {
, \3 |. E0 W; m* D) [0 ?; \( [: A在飞行史上，首次让飞机倒着飞的人是法国传奇飞行员 Alphonse Pégoud。1913年，他驾驶着一架 Blériot 型号的单翼机，展示了倒着飞的特技。
" y# ^! Q6 M4 V
# x" f- n0 `) n5 Z: l" X! ^% Y; y4 F
" [ H$ ^- R" r1 H
, A1 y( m$ c6 c: m8 q: T
Blériot 型号的单翼机。图片来源：wikipedia
z& h! {* o4 K$ f" t
( g% i& {; ]- U8 R) n' h" h: L; f: V2 Q" X, {
1914年，一位德国勇士也学会了倒着飞的特技。这个叫做 Gustav Tweer的小伙子更野，他不但让一架Grade型号的单翼机倒着飞，还倒着落地。7 g4 e0 L% ~. r( A9 N& I
2 {, l- O* t. c! V# I" h
/ m- x0 \- _! [0 |1 w1 h! h$ {. B
$ y1 W, Q1 `) S# C' o' n
% a' H1 X; u* Q* @+ U( m: h2 s/ D6 V1914年，经常倒着飞的德国飞行员 Gustav Tweer 让飞机倒着着陆。
, ] ~. O7 C! l4 S5 [7 I图片来源：flying magazine
; x3 O* L9 N! v0 z" t, n- \" y
# F$ N V$ N# ^8 O4 T现代意义上的客机也曾有倒着飞的记录。' j2 T! Z0 m8 [3 j( \) T% F- _! I7 m
. m$ e/ K/ |% T2 J: f) V
4 w- {4 h1 v3 w5 g+ G+ l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。9 P6 o" s$ F! T4 R3 ^
" V4 z/ J* I) Q: m$ P
0 z/ _$ K& a) U5 O3 J" z8 f, B. X7 ^( r7 [6 _; I. ~- N0 A3 Y
4 {# w8 ]/ B( i6 \% K: j) N# C* `$ z2 W( _
: ?1 ?- C# a. H- X' t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。! r% L: h# ^. G/ r! j# O
$ m% O8 m7 I& U" g. f
' a2 j3 C/ e2 H/ w9 a0 J n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。
( A) |+ V! X5 v5 j; D
( }4 T" h7 }) Y
% o7 y& H% l& ^( V. e* p+ ` s. M
7 t# E2 | f3 j1 r
1 ^( y8 N7 ~ c/ w1 j6 x5 y* E
) `. q+ P: D8 e5 J% s+ E3 j0 x* ?9 @2 n+ l! u \
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。
5 w' r% ~2 ^& v% T1 d% _+ o. K7 Q
* B' |, M; Y6 q- D# U
( v, Z+ k0 {: R1 T h' w; T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。4 O7 k5 f6 ?6 i- a4 U4 W
4 ^4 f, a* P, s( A2 ?
! k; {5 W4 j8 R* D, U0 f; L
4 w6 [) q& H1 _6 H$ J
/ b7 H; D3 ]0 H5 [5 U0 v
* G, q) Z7 P/ m* G# D) p3 A
5 A$ v. g5 X+ A0 O: y5 R2 H6 K
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。5 t+ L6 q4 F& V' f v5 @
|
