无忧得胜-网上国际课程 (5edu.win)

 找回密码
 立即注册

手机扫一扫,访问本页面

开启左侧

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

[复制链接]
admin 发表于 2021-3-4 09:00:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。8 h+ h8 _2 A7 b$ G& Z* T
. G8 r* T4 V# w( m0 p0 I

7 m/ E9 N) @3 F! ~& H4 F: d; i6 ~, F4 ~; v" t8 |

  D2 |$ ^1 Y% a3 ]) Y 4782d943d1d8f9061a55e3b610ab48c8.gif

; B! j' L3 Z4 W# O" y
" @1 U. z7 A# I2 H  t
+ f0 _/ G: o8 i9 r飞机颠倒飞行真的科学吗?
8 y; T, ]0 U. h  O. C% T' Y1 y% B8 p; |( a0 k0 E! h/ g  R

  j1 a3 x- d3 k1 n2 T1 `若是按照许多教科书的理论,这是不可能的。
. O7 U( n; C% j. l1 j
. c) s; r# y$ A* K0 Y
5 x; }3 U; x' X0 `) D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。
5 O' E; [' t( o/ u1 L* J, F; ~5 ^
* i5 B! }6 |8 Y9 y& t8 j; B' O. x. S' {& R' u2 h9 j
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。8 X8 C5 D: [- Z1 z9 {/ |
- B  @) Q2 E. f/ H9 t; D, B
7 z3 \  D2 D" R  F6 L* n- D

! B' L) k) z. g" x" A/ l 06f1ad6cbc6e4dbd5f1614dad07e185e.png
1 H" x2 y6 Q; ~
图片来源:
wikipedia

& I* ^  Y+ E/ Z: e  |9 v5 U
/ r+ s: x! L& Y: O; @
4 e5 ]8 S* _% a4 dNASA 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。, q# s8 X9 j9 G( V

% t4 z, R5 Z& V- U4 W* M+ H; B
5 B1 u* I2 W7 {3 ~$ W9 b) v
( u. r) o6 l, u5 W+ u& A
47f8c1b682a715aedd3b587ed3c4a3af.jpg
8 H2 [, k2 b, l3 s- H6 K
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
: l4 G& U) e0 W9 g$ N9 v
3 V1 z3 m6 L! r% G+ Q/ E, d" _

. i) S! \9 P3 n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。
/ _+ |9 D1 w9 z8 i; S% t! p: [; \' n( N! u6 \: _

5 D* }: s2 g' M9 I4 c5 W不过,机翼上部的气压确实小于下部,这一点真实不虚。0 D* ?& B9 P4 v& E

4 f: q  m) L# \- L5 d: ^: h7 r
( Y0 \7 H- L% v那么到底是什么让飞机飞翔呢?
+ h/ c! `4 Q0 Z3 u, [# X$ O
' R' N" t- R+ C! b8 U$ W# d/ N# B7 p. g, n9 ~2 m2 F

6 [* E' F/ B; ` ce8424200223ba14e47d83b70318556f.png
& A) m3 ~- z6 X, b, u- \1 W4 _
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
& o! W) y8 B6 e

  T: m* ^0 x  y! S2 g/ G( z4 L6 r% f0 ?+ G
% l3 C( {8 X/ G8 [$ R1 j) xNASA 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 p5 V0 q5 b' `6 Z
) j: Q- E# \% y, b8 Z) o  t: `6 D
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。
- g2 Z/ I2 b' e4 `* n" e5 ]
, q8 a8 s7 ~  H5 {: g+ F6 V2 ~6 s# ^8 \
! x4 d! i# X' w: \6 J. j, e* 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。
6 x& ^. a. W  z! b1 V! h
$ ^% X' ]0 q% Q* [  d. K6 l1 f2 c
" M/ r' G4 I2 x( \
" i+ b! c9 D7 x3 F: o# u
df87fa3b96b0570d419fbef4096b4712.png

! }6 Q- V" A& g
上鼓下平的机翼(正弯度机翼)和不同的迎角。图片来源:FAA
* |  a$ g( U2 K8 |- |' {
$ }  L' s" ]* @! q5 C% {& _
( w' w  l/ n7 K- L8 a

6 z6 c2 O8 Y; j4 y) V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。- y8 z' n" p' J0 S! j/ Q

. r9 O0 t+ d( {( u0 y* m! w, g
3 ^4 p, G2 N+ L9 m4 {% z% M, U

& [$ T" E. g- b0 u  x. m9 F& S ef4909f83f0d39b941a0f96b698bcdd3.gif

5 c6 r2 }4 Z. }6 i. @  W) N  W, \; S7 v2 H6 W" {, q; W

* R/ @% [4 q- V0 I) ~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。% \/ w% x. _! S5 `

) m0 \+ }: c2 V" e, f& E9 c# H2 k& }$ f  {4 I
/ ?$ D# f5 X5 D, g) |( G: l3 R
a0cc5696f2776fb5a1b66ab9065504cc.png

% ^* d. F' L6 ]6 V
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

/ S, W1 l5 F" A8 h; t, F! P- G! s  o  L  n$ u  C! K7 u3 c( }

, m, L; y5 l5 L7 N& v0 d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。1 i* o5 V6 d4 h2 U, z7 T
& j- [, @% _4 m/ y& w( [3 z* L, j$ b

( u5 m1 S, n& Z6 L7 L+ c! V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。& \6 ^* @6 w0 Z- Q. j

! X1 d; F" ^2 E2 r- T, L3 y' X) q
1 P! _8 {* a! \: K  }& B2 Q
d617fe325aa19feaf8eccfa326fca59c.jpg
. K; a% b/ q& M: l5 c
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.
$ D+ L* e( Y% n+ D  h

! ?) G+ I2 s# z- R
3 J; `; C6 @  F6 P/ B. U
$ v: D7 F! e- \1 i* I& E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。
2 R3 S$ M8 {* E, X$ F
" e. B/ B1 [9 i! c7 J0 \6 O: I: m: D# e* w3 J& b$ N
我们还可以看荷兰特文特大学用模型飞机做的演示。6 x9 }  S' J7 z* U; O

( q' h! e) }# Y5 w* x% K* `0 d' Q9 _7 X) o; d1 t) H+ o
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。
4 R' Y7 F2 r; ~4 o# ]/ Z' U6 P9 s# T% K3 O$ Y  v
! D# i5 v! K" }

+ e/ C, X& D2 v* G$ }- N 5d912dfc705e47a64238d92f81750b40.gif
5 D+ _! u( V% L9 l  K) Q
) N# O% g: M! f- [7 J+ ?
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。
& `$ X8 R9 Y; C" N9 L; V
3 j# r5 M$ q+ d% ~6 G
1 w2 u- U2 s* P) Q; q
  g! u# C3 z# ^0 H- K
22e8352712a9a4d45c0902255a718187.jpg
5 y1 |" P$ a6 S9 z& |6 y3 t( ?
Blériot 型号的单翼机。图片来源:wikipedia
4 x/ g5 |* ]; JYou can't use 'macro parameter character #' in math mode R

; o# F% C# R( V5 Q5 O0 J8 f* V4 s6 d. f- j
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。
+ O* ~) D+ H8 ^7 F7 ^* f$ Y+ Z7 m# r# i9 T/ I* ^- |( Z$ _

0 X5 G& ^+ z7 g8 [1 ~

. r% B% F& m. w3 e' q! a 1f949eee5f9d98f6994cf996890061ff.jpg

* |1 D2 w+ _+ f* W( t
1914年,经常倒着飞的德国飞行员 Gustav Tweer 让飞机倒着着陆。
; S7 C, r* H9 M; E# Y
图片来源:flying magazine

; S* n3 P1 v  _& q, v) y  H/ R; Y" [# R7 h0 A8 }: k+ u, ?5 p; r

( C$ w7 ^  i2 {. K5 b$ E现代意义上的客机也曾有倒着飞的记录。4 x8 Z6 c8 ?' E( b. v# j" x3 `
. r( ^' R2 G" T. H+ D- ^
1 E7 c/ `, [' |! f# [7 d& [
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。
- i+ E+ R/ `% K7 x% g! L" F+ c+ [8 T5 K
, d7 N. J9 L% O3 O6 P5 ]) ]4 d+ L3 ?
1 Q" ^; H# |8 u  H% w
0e743097704fa3b6c148806ed8698da0.gif
9 M6 u) h; F4 G1 L2 x1 S
" M4 n( o( c; W+ {3 A2 ~
/ `5 G0 G* K) E' e( V5 d
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。+ N2 u3 n' h( n  S! S0 D7 d1 y. d
* q+ c, a+ |0 x" H# s0 Q0 L6 \

. P' y7 S; |. O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。
6 U3 h2 L- t9 G$ j/ L% j; t, c  d9 I

( p& i. _1 D% J' C5 X6 s% {3 N

2 F) i  a3 e) H8 s 7cfeba3774433b6d9e395d016912d8de.gif
. \& m/ P- y5 ^
* J- B/ A' a" z) l8 A! e
2 p1 I) b/ C* D% |& y1 H$ ]: Q
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。7 P3 X) |4 N* H( w6 m: j
i P4 c# K6 d
; z6 W1 G0 O1 U( \# d
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。# |+ G1 ^4 m. i4 b$ S8 j
- L; y* U" l2 Z& x) p

  \) {2 M; m/ R) v2 Q

8 o# K" ~" H4 \/ m 53b852859a0abdd5d0afa46cdef841f5.gif

9 N3 v2 D+ [% S: f  b' {- n8 K, ~8 _% D0 V( p" {
' ^) l( v" M2 b; W
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。& N5 n9 c% g: Q, s% z. F

微信扫一扫,分享更方便

帖子地址: 

回复

举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

浏览记录|使用帮助|切到手机版|无忧得胜-网上国际课程 (https://5edu.win)

GMT+8, 2025-3-19 00:37 , Processed in 0.061853 second(s), 33 queries , Redis On.

帖子
快速回复 返回顶部 返回列表