飛機那些事（1）升力究竟是個什麼鬼？

我們的故事，從一場空難說起。

2009年5月31日，巴西里約熱內盧加利昂國際機場，216名乘客正在等待登上法航447號航班，候機樓巨大的玻璃牆外，他們即將登上的那架空客A330客機正在做最後的準備。19時29分，飛機準時起飛，經過短暫的爬升，進入了平飛狀態。有的乘客已經解開安全帶，空中小姐也開始為乘客們準備晚餐，一切都顯得平靜而祥和。如果不出意外的話，他們將在第二天早上10時03分在巴黎降落。

幾個小時的平靜飛行與平時並沒有什麼兩樣，已經有10988小時飛行經驗的機長放心地把駕駛桿交給了副駕駛。凌晨2時06分，機艙廣播通知飛機即將進入亂流區域。2時10分5秒，飛機受亂流的影響向右傾側，緊接著開始向上爬升。2時11分15秒，飛機從萬米高空開始下墜，兩位副駕駛使出了渾身解數卻始終無法控制飛機。2時11分40秒，僅僅25秒的時間，飛機已經下墜了將近一千米，機長緊急趕到了駕駛室，但一切已經太晚了，飛機在發動機滿推力的情況下不斷地下墜，5000米、3000米、1000米、500米……伴隨著地面迫近系統的警報聲，這架巨大的A330寬體客機以55米每秒的速度砸向海面，226名乘客和12名機組人員，所有人瞬間死亡。從萬米高空到撞擊海面，整個過程歷時3分30秒，我們很難想像這段時間裡機上人員會是怎樣恐懼、無助於絕望……

直到近兩年後，飛機的黑匣子才被找到。經過分析，釀成這起空難的原因讓人唏噓不已。原因說起來很簡單，兩個字：失速。

要了解失速，我們就必須了解飛機升力是怎麼來的。

提起飛機的升力，大多數人會立即想起這張圖：

這張圖之所以經典，是因為他出現在很多介紹飛行原理的教科書里，包括我們的初中物理課本。簡單地概括一下這張圖，就是：升力可以用伯努利原理來解釋。

伯努利原理又是怎麼一回事呢？我們可以做一個簡單的實驗：如果你手頭能找到兩張紙，那麼雙手分別拿著紙的一端讓紙張自然下垂，然後對著兩張紙中間吹氣。這個時候我們就會發現，兩張紙貼在了一起。這個過程可以簡單地概括為：在流動的流體中，流速越大，壓力越小。這麼一解釋就豁然開朗了：對紙張而言，吹氣的時候，中間的空氣流速大，所以壓強小，於是內外產生壓力差，紙張貼在了一起。同樣的道理，對機翼而言，上表面凸一些，氣流掠過上表面的時候速度就要大一些，所以也產生了壓力差，這個壓力差就是升力的根源。

這樣的解釋，加上這樣的配圖，一下子讓人豁然開朗：噢——原來升力是這麼回事。可是也許有一天有人就會想到這樣幾個問題：

戰鬥機為什麼能反過來倒扣著飛呢？

風箏這個東西上下表面是對稱的，升力又是從哪裡來的呢？

為了解釋風箏是怎麼飛起來的，有人給出了這樣的解釋：升力來源於空氣對風箏下表面的「撞擊」，有點類似於「打水漂」。這個解釋立足於牛頓第三理論，即作用力與反作用力原理，但是，用這個原理來解釋機翼升力就會得出一個明顯的錯誤：升力只與機翼下表面有關，與上表面無關。這顯然是極為荒謬的，要真是這個樣子，廣大的空氣動力學實驗室與科研人員就沒有存在的必要了。

其實以上兩方面，是兩種最常見的對升力的解釋。然而，這兩種說法都是不正確的，或者說不全面的。提到自然規律，人們通常都喜歡「兩點之間有且只有一條直線」之類斬釘截鐵、乾脆利落的論斷，可是實際上，一個具體的物理現象要複雜得多、抽象得多，升力就是這樣一個典型的例子——以至於空氣動力學相關專業的學生用一學期的時間啃下比磚頭還厚的書里的一堆公式才能搞懂一點皮毛。升力問題屬於流體力學範疇，這是近代就出現的學科，然而，時至今日，計算分析升力的難度，絲毫不亞於處於科技最前沿的量子力學。如果拋卻公式、硬要用通俗的文字嘗試去解釋升力，那麼我們應該記住一句話：任何只著眼於機翼表面的對升力的解釋都是耍流氓。

實際上，飛機在飛行時，機翼對周圍空氣的改變，不只局限於機翼表面，也不只局限於機翼附近，而會是像下圖這個樣子（圖片來自網路）。

這張圖是圖-95「熊」式轟炸機從雲層上飛過畫面，其視覺效果已經很震撼了，那它有多厲害呢？——如果一架小飛機不小心飛到這股氣流里，很可能就會喪失升力釀成機毀人亡的慘劇。那麼，如此巨大的氣流是怎麼出現的呢？我們用下面這張圖做一個通常成立、但並不是任何情況下都成立、但有助於理解升力的定性解釋（原諒我說話繞，為了嚴謹一點明知道繞了不好卻不得不繞……）。

在這張圖裡，機翼成一定角度出現，我們把這個角度叫做迎角。在機翼下表面，氣流被「向下壓」了；在機翼上表面，氣流被「向下拉」了，這一「壓」一「拉」，就會強迫機翼周圍相當大的範圍內的氣流向下改變方向（在一些極端情況下，機翼上表面的氣流並不能被簡單地「拉下來」，這樣就會產生一個「分離面」，這時升力就顯著降低了。這種情況通常是極力避免出現的，這裡也不做具體討論）。當然，實際的機翼要複雜的多，但從這個例子我們可以看出，機翼要產生升力，有兩個要素就非常關鍵：

一、翼型：如果機翼的迎角為零，那麼就不能做成對稱的，只有不對稱的翼型才能達到上述效果以產生升力；

一、迎角：對像風箏這樣的對稱翼型，要產生升力就必須有一定迎角，迎角為0的對稱翼型是如論如何產生不了升力的。

現在回過頭來再來看「伯努利原理」和「牛頓第三定律」的解釋就會發現，這兩種解釋其實就像盲人摸象各摸到了一條腿：我們先來看牛頓第三定律的解釋。牛頓第三定律並沒有錯，升力也確實可以看成是空氣的反作用力，只不過前面的解釋把正確的理論用錯地方了。如果用反作用力解釋，這個反作用力就不只針對機翼下表面而言了，而要著眼於被機翼改變狀態與方向的全部空氣，那將是一個十分巨大的範圍。

從另一個角度，機翼下表面的氣流被「向下壓」了，於是這個區域就產生高壓；機翼上表面的氣流被「向下拉」了，於是這個區域產生低壓——整個加起來就給機翼一個向上的壓力差（這裡是通俗而不嚴謹的描述，具體為什麼產生壓力差參見「庫塔儒可夫斯基定理」），這和伯努利原理的壓差說不謀而合（實際上伯努利原理在「流體是不可壓縮的」這一前提下才成立，它只適用於低速流體）。實際上由於飛行姿態多種多樣，上表面不一定總是「拉」，下表面也不一定總是「壓」，但只要上下表面可以形成一個向上的壓力差就可以產生升力了。戰鬥機倒扣著飛就屬於這樣一種狀態——倒扣著飛的時候必須將飛行姿態調整到一個合適的範圍——不然，如果像我們舉例的「上凸下平」的機翼，倒扣過來過來迎角還保持為0的話，不但不產生升力，還會施加一個向下的氣動力，飛機就超重墜地了。當然，對戰機而言，在翻滾、俯衝等各種驚險刺激的機動動作時，有那麼幾個瞬間沒有升力也無妨，只要不玩得太大墜地前改出就好。

伯努利原理之所以出現在很多科普文章以及初等的教科書上，主要原因就在於它很直觀，也好理解，我們也不能簡單粗暴地說它是錯誤的——它自有它存在的道理和適用的前提。哪怕本文引以為基礎的牛頓力學，如果從量子力學、相對論的角度來看，也不成立了。但是，如果當我們只需要計算「開車上高速多久能到家」這樣的問題，卻非要把德布羅意波（德布羅意波指出任何物體都和電子光子一樣是一個概率波，只是對宏觀物體而言太過渺小而忽略不計）扯進來，那就嚴謹得有些愚蠢了。所以，在特定的條件下，用伯努利原理解釋升力還是有它的必要的。

說完閑話，我們再來解釋什麼叫做失速。為了簡單，我們先不考慮機翼的形狀，還是以風箏為例子。首先，當迎角為0時，這個時候是確定沒有升力的，風箏以這個姿勢也是絕對飛不起來的。

這個時候也是沒有升力的，有的只是巨大的阻力。迎角為0，升力為0；迎角增大到90度，升力又變為0——很顯然，升力經過了一個先增大後減小的過程。那麼在迎角持續增大的過程中，必然會存在這樣一個角度：當風箏處在這個迎角時，產生的升力已經恰好不足以支持其本身的重量了，這個時候如果繼續增大迎角，風箏就掉了下來。這個現象，就叫做「失速」，對應的迎角，就叫失速迎角，也叫失速攻角。處在失速迎角時升力之所以突然降低，是因為處在這個角度時上翼面氣流出現了嚴重分離。失速迎角是機翼的固有屬性，一架正常飛行的飛機，迎角增大就會導致速度降低，反之，速度降低時，就需要增大迎角來獲得更大的升力。如果迎角持續增大（伴隨著速度持續降低），達到失速迎角的時候，飛機就會失速，對應的速度就是失速速度。

我們都知道發動機的推力是飛機飛起來的根本保證，顯然，只要推力足夠大，就不會發生失速。我們假設飛機發動機足夠牛逼，當飛機迎角達到90度的時候還足以保證飛機不掉下來——這個場景是不是好熟悉？對——火箭就是這樣飛的（當然飛機發動機和火箭發動機原理是不一樣的）。

正是應了那句話：只要推力夠牛逼，板磚都能滿天飛。可是對絕大多數飛機而言（尤其是客機和運輸機），發動機的推力遠小于飛機自重，發動機的推力只是克服阻力以獲得速度，讓氣流高速掠過機翼以產生巨大的升力……這段話說得有些繞，我們記著一句話就好，飛機要想不失速掉下來，迎角就不能太大，機頭就不能抬得太高。

其實失速現象其實我們每個人都見過。我們小時候飛紙飛機的時候大概都飛出過這樣的軌跡：

這就是典型的失速。紙飛機失速後就開始往下掉，掉的過程中機頭降低減小了迎角，又通過重力加速獲得了速度，所以又重新獲得升力繼續滑翔了。對真正的飛機而言也是這樣，改出失速最重要的一條就是壓低機頭，以減小迎角並獲得速度。

好了，現在讓我們把目光回到法航447航班上。

引發這場空難的導火索是一個小東西，叫做皮託管，是測量空速用的。當飛機進入亂流之後，皮託管結冰短暫失效，無法繼續輸出空速數據，而飛機的自動駕駛系統必須依賴空速才能給出各種飛行指令，由於無法偵測空速，自動駕駛解除。而幾秒鐘後，飛機遭遇亂流產生傾斜……直至此刻，這架飛機還完全沒有墜毀的理由，因為它僅僅是無法偵測空速而已，就像你在高速路上開車，雖然看不到車速表，但只要把好方向盤和平時一樣開就並無大礙。可是，駕駛飛機畢竟要比開車難得多，災難就在一系列陰差陽錯之間發生了。

當飛機在自動駕駛解除的警報聲中發生傾斜時，飛機的副駕駛慌亂之間做了一個拉杆（推桿、拉杆都是飛行術語，拉杆可以讓飛機抬頭，增大迎角，反之即為推桿）動作——我們不知道為什麼副駕駛要做這個動作，但這個動作是完全沒有必要的，也完全是不應該的。飛機開始進入爬升狀態，迎角越來越大，而速度由274節迅間降至52節（1節為1.852千米/小時），飛機旋即進入失速。此時，飛機離地高度還有超過10000米，距離飛機墜毀還有3分30秒，只要駕駛員知道是發生失速了，就還有足夠的時間與高度挽救飛機，遺憾的是，皮託管被凍住了無法提供空速數據，駕駛員並不知道飛機的速度已經過低，也並不知道飛機已經處在失速狀態，他手忙腳亂幾近絕望還是控制不住飛機，直到經驗豐富的機長重回駕駛室，然而一切已經太晚了……

應對失速是每個飛行員的必修課之一。像法航這樣由於迎角過大造成的失速，其實只要嚴格按照正常程序飛就能避免。可是有時候，即便在飛行員嚴格按照正常航線飛行的時候，依然出現了不少由於失速造成的慘痛教訓，事後分析得出的原因往往讓人扼腕嘆息——很多慘劇本不應該發生，很多人人本不應該離開這個世界而去……

2004年11月21日8時20分，東方航空MU5210號班機從包頭機場起飛前往上海。起飛比預定時間提早了15分鐘，然而，僅僅在起飛不到一分鐘便墜毀在包頭市南海公園。包括機組人員在內的53人全部罹難，地面2人也不幸喪生。飛行員在最後時刻連問三句「怎麼回事？怎麼回事？怎麼辦？」——他至始至終不知道發生了什麼，因為他是完全按照正常程序飛行的。

為了解釋這起空難，我們就要講講翼型對失速的影響。

前面講過，翼型是影響升力的關鍵因素之一，怎麼設計翼型從來都是一件至關重要的事情。實際上，翼型的設計是當今世界上最複雜的技術之一。不同的翼型，產生升力的能力不同，失速迎角也會不一樣。簡單地說，假如有兩個機翼，A是好機翼，升力性能很好，在某一速度下迎角達到20度了還能正常飛；B是渣機翼，性能是個渣渣，在同樣的速度下還不到10度就失速了。

從時間我們可以看到，空難發生在11月下旬，這個時候包頭的氣溫已經很低了。那天早上，機翼結了一層薄冰。冰附著在機翼表面，改變了機翼形狀，設計師歷經千辛萬苦設計出來的好機翼一下子變成了渣機翼。機翼結冰是很常見的一件事，為了防止結冰對翼型的影響，飛機起飛前必須進行除冰作業。可是，離奇的是這架航班並沒有按流程進行除冰作業，是帶著結著冰已經成為渣機翼的機翼起飛的——可是飛行員還按照為好機翼制定的航線正常起飛……渣機翼很快就失速了，悲劇就這樣發生了……

寫道這裡，不由得想說幾句題外話。安全，是飛機的生命線，每一個疏忽即可造成難以挽回的損失。民航領域每一項煩人的規定後面，不知道有多少血淋淋的教訓……冰雪不能飛、雷雨不能飛、空域不幹凈不能飛……航班延誤確實讓人生氣，航班延誤的原因多種多樣，為了減少延誤確實還有大量的工作要做，可是，如果是因為天氣原因等不可抗拒因素導致了延誤的話，還是做一個安靜的美女或者美男子耐心地等一等比較好。有一個叫做特內里費的地方，那裡有一個機場，兩架當時地球上最大的客機在地面滑行時相撞，造成583人遇難。

這是歷史上死亡人數最多的空難。

那天，機場大霧。

（註：作者並非空氣動力學、飛機設計等方面的專業人士，文中不免有不嚴謹、漏洞、甚至低級錯誤，歡迎交流、歡迎批評指正。）

主要參考文獻：

Fundamentalsof Aerodynamics, Anderson.J.D.

Whatis lift? Nasa網站.

伯努利升力原理批判，力學與實踐1993(4),馬丁·宋貝（瑞典），劉尚培譯

法國航空447號班機空難，維基百科.

中國東方航空5210號班機空難，維基百科.

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