飛機為什么可以倒著飛

在獲得了兩項奧斯卡提名的2012年的電影《迫降航班》中，出現了超出常識的一幕：機長讓飛機上下倒著飛。飛機顛倒飛行真的科學嗎？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

上鼓下平的機翼（正彎度機翼）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站來批判這些理論。

這種盛行的錯誤理論是，機翼上部比下部更長，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，根據伯努利定律，速度增加時氣壓減小，因此機翼上部的氣壓比下部低，機翼就被往上推了。

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

此外，雖然機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翼末端匯合，因此這個理論是有問題的。不過，機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飛翔呢？關于飛機如何獲得升力存在許多理論，也存在很大爭議，尚未達成統一，但現在能確定的是，物體獲得升力的過程很復雜，迎角與機翼的形態和升力密切相關。

機翼的形態比較好理解，我們平時看到的機翼都是上鼓下平。迎角指的是機翼迎風的傾斜角度。事實上在70多年前，人類發現了迎角和升力之間的重要關系：對于特定的機翼來說，在一定范圍內，迎角越大，升力就越大。

機翼的迎角在5～6度時獲得的升力遠超1～2度時的情況。在起飛前的一瞬，飛行員會讓飛機昂頭，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翼在調整了迎角之后也能起飛，放風箏就是這個原理。

如果把各種機翼設計的迎角和機翼的性能——升力系數（升力系數和升力成正比，一般來說升力系數越大越好）作圖，那么我們就會發現，不同機翼的數據構成了一條直線。

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）公布的一份關于機翼的資料——NACA Technical Report 824。這份報告里面包含著許多機翼在風洞中的測試數據，它在日后成了各種機翼設計參考書的基礎。有趣的是，如果把機翼上下顛倒再測試，升力的數據和迎角之間的關系也是類似的。

在一定范圍內，迎角（橫坐標）越大，升力系數（縱坐標）越大

實際上，把常見機翼上彎下平的設計倒轉過來的翼型叫做負彎度（negative camber），只要迎角夠大，負彎度的機翼也能飛起來。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。

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

1914年，一位德國勇士也學會了倒著飛的特技。這個叫做 Gustav Tweer的小伙子更野，他不但讓一架Grade型號的單翼機倒著飛，還倒著落地。現代意義上的客機也曾有倒著飛的記錄。

在2000年1月31日的阿拉斯加航空261號班機空難中，由于機械故障，一架MD-83型號的客機失控，頭向下俯沖了一段時間。后來機組人員努力使機頭保持水平，在空中上下顛倒地飛了大約1分鐘。但不幸的是，此時飛機已經非常接近太平洋，最終墜落在了海中。《迫降航班》中客機倒飛的情節也來源于此。

雖然機翼上下顛倒并不會使機翼失去升力，不過現代客機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的供油管巧妙地解決了這個問題。這類飛機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。在飛機倒轉時，油管也會跟著翻身，繼續為引擎供油。

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

（本文經授權轉載自“把科學帶回家”公眾號，有刪節）