飞机那些事（1）升力到底是个什么鬼？
从这篇起，写一个科普连载，说说飞机那些事。...
【一篇小序】
从上大学开始，到硕士以及到现在读博士，有时会被人问这样的问题：你学（研究）的这些东西，究竟有什么用？这是一个很难回答的问题。
对日常生活而言，我大学里学的知识，90%以上是对日常生活没有任何用处的，如果再除了计算机与软件方面的知识，几乎100%没有用处——按一个流行的说法，买菜的时候根本用不到。
可是这些知识真地没有作用吗？
我想起了一个最普通、最简单的东西：螺丝钉。
从自行车到汽车，从手机到家电，乃至到各种大型机械，都少不了这个东西。可是这个最常见的东西，却并不是看起来那么简单。螺纹的形状怎么取？角度怎么取？间距怎么取？……这看似简单的问题背后，无不是一连串的公式。如果再考虑加工过程，就要牵扯进来材料、力学、机械、制造、控制等一系列专业领域。一个螺丝钉尚且如此，更何况比螺丝钉复杂得多地一部手机、一辆汽车、一架飞机呢？
所以并不是我们所学的知识没有用，只不过我们享受了知识的成果却不知道过程而已。人类的生活能达到今天的程度而且能继续前进，正是一个个极其枯燥的公式与理论起了作用。
所以，一个想法冒了出来：从这篇开始，写一个科普，写写这些不被大多数人知道、却默默地在背后造福着人们的一些科学知识。从我的专业背景出发，就写写关于飞机的一些东西吧。我将尽我所能写得通俗一些，以便只要有中学物理基础的人都能读懂。当然这并不容易，如果读完不是太清楚，绝对是我表达不清楚的问题。
因为不能像写散文一样张口即来，所以更新速度可能会慢得多，可能一周一篇，也有可能两周、三周，甚至一月……
我本人所从事的是一个非常狭窄的专业领域，本文将要涉及的绝大部分知识，并不在我的研究领域以内，我也只是凭兴趣有所了解、有所体会而已。所以难免有些地方出现疏漏甚至谬误。如有疏漏或者不正确的地方，欢迎朋友们批评指正。
好，闲话少说，我们的故事要开始了。
1. 升力到底是个什么鬼？
我们的故事，从一场空难说起。2009年5月31日，巴西里约热内卢加利昂国际机场，216名乘客正在等待登上法航447号航班，候机楼巨大的玻璃墙外，他们即将登上的那架空客A330客机正在做最后的准备。19时29分，飞机准时起飞，经过短暂的爬升，进入了平飞状态。有的乘客已经解开安全带，空中小姐也开始为乘客们准备晚餐，一切都显得平静而祥和。如果不出意外的话，他们将在第二天早上10时03分在巴黎降落。
几个小时的平静飞行与平时并没有什么两样，已经有10988小时飞行经验的机长放心地把驾驶杆交给了副驾驶。凌晨2时06分，机舱广播通知飞机即将进入乱流区域。2时10分5秒，飞机受乱流的影响向右倾侧，紧接着开始向上爬升。2时11分15秒，飞机从万米高空开始下坠，两位副驾驶使出了浑身解数却始终无法控制飞机。2时11分40秒，仅仅25秒的时间，飞机已经下坠了将近一千米，机长紧急赶到了驾驶室，但一切已经太晚了，飞机在发动机满推力的情况下不断地下坠，5000米、3000米、1000米、500米……伴随着地面迫近系统的警报声，这架巨大的A330宽体客机以55米每秒的速度砸向海面，226名乘客和12名机组人员，所有人瞬间死亡。从万米高空到撞击海面，整个过程历时3分30秒，我们很难想象这段时间里机上人员会是怎样恐惧、无助于绝望……
直到近两年后，飞机的黑匣子才被找到。经过分析，酿成这起空难的原因让人唏嘘不已。原因说起来很简单，两个字：失速。
要了解失速，我们就必须了解飞机升力是怎么来的。
提起飞机的升力，大多数人会立即想起这张图：
这张图之所以经典，是因为他出现在很多介绍飞行原理的教科书里，包括我们的初中物理课本。简单地概括一下这张图，就是：升力可以用伯努利原理来解释。
伯努利原理又是怎么一回事呢？大家可以做一个简单的实验：如果你手头能找到两张纸，那么双手分别拿着纸的一端让纸张自然下垂，然后对着两张纸中间吹气。这个时候我们就会发现，两张纸贴在了一起。这个过程可以简单地概括为：在流动的流体中，流速越大，压力越小。这么一解释就豁然开朗了：对纸张而言，吹气的时候，中间的空气流速大，所以压强小，于是内外产生压力差，纸张贴在了一起。同样的道理，对机翼而言，上表面凸一些，气流掠过上表面的时候速度就要大一些，所以也产生了压力差，这个压力差就是升力的根源。
这样的解释，加上这样的配图，一下子让人豁然开朗：噢——原来升力是这么回事。可是也许有一天有人就会想到这样几个问题：
战斗机为什么能反过来倒扣着飞呢？
风筝这个东西上下表面是对称的，升力又是从哪里来的呢？
为了解释风筝是怎么飞起来的，有人给出了这样的解释：升力来源于空气对风筝下表面的“撞击”，有点类似于“打水漂”。这个解释立足于牛顿第三理论，即作用力与反作用力原理，但是，用这个原理来解释机翼升力就会得出一个明显的错误：升力只与机翼下表面有关，与上表面无关。这显然是极为荒谬的，要真是这个样子，广大的空气动力学实验室与科研人员就没有存在的必要了。
其实以上两方面，是两种最常见的对升力的解释。然而，这两种说法都是不正确的，或者说不全面的。提到自然规律，人们通常都喜欢“两点之间有且只有一条直线”之类斩钉截铁、干脆利落的论断，可是实际上，一个具体的物理现象要复杂得多、抽象得多，升力就是这样一个典型的例子——以至于空气动力学相关专业的学生用一学期的时间啃下比砖头还厚的书里的一堆公式才能搞懂一点皮毛。升力问题属于流体力学范畴，这是近代就出现的学科，然而，时至今日，计算分析升力的难度，丝毫不亚于处于科技最前沿的量子力学。如果抛却公式、硬要用通俗的文字尝试去解释升力，那么我们应该记住一句话：任何只着眼于机翼表面的对升力的解释都是耍流氓。
实际上，飞机在飞行时，机翼对周围空气的改变，不只局限于机翼表面，也不只局限于机翼附近，而会是像下图这个样子。
（图片来自网络）
在这张图里，机翼成一定角度出现，我们把这个角度叫做迎角。在机翼下表面，气流被“向下压”了；在机翼上表面，由于不能产生真空，气流被“向下拉”了，这一“压”一“拉”，就会强迫机翼周围相当大的范围内的气流向下改变方向（在一些极端情况下，机翼上表面的气流并不能被简单地“拉下来”，这样就会产生一个“分离面”，这时升力就显著降低了。这种情况通常是极力避免出现的，这里也不做具体讨论）。当然，实际的机翼要复杂的多，但从这个例子我们可以看出，机翼要产生升力，有两个要素就非常关键：
一、翼型：如果机翼的迎角为零，那么就不能做成对称的，只有不对称的翼型才能达到上述效果以产生升力；
一、迎角：对像风筝这样的对称翼型，要产生升力就必须有一定迎角，迎角为0的对称翼型是如论如何产生不了升力的。
现在回过头来再来看“伯努利原理”和“牛顿第三定律”的解释就会发现，这两种解释其实就像盲人摸象各摸到了一条腿：我们先来看牛顿第三定律的解释。牛顿第三定律并没有错，升力也确实可以看成是空气的反作用力，只不过前面的解释把正确的理论用错地方了。如果用反作用力解释，这个反作用力就不只针对机翼下表面而言了，而要着眼于被机翼改变方向的全部空气，那将是一个十分巨大的范围。
从另一个角度，机翼下表面的气流被“向下压”了，于是这个区域就产生高压；机翼上表面的气流被“向下拉”了，于是这个区域产生低压——整个加起来就给机翼一个向上的压力差，这和伯努利原理的压差说不谋而合。实际上由于飞行姿态多种多样，上表面不一定总是“拉”，下表面也不一定总是“压”，但只要上下表面可以形成一个向上的压力差就可以产生升力了。战斗机倒扣着飞就属于这样一种状态——倒扣着飞的时候必须将飞行姿态调整到一个合适的范围——不然，如果像我们举例的“上凸下平”的机翼，倒扣过来过来迎角还保持为0的话，不但不产生升力，还会施加一个向下的气动力，飞机就超重坠地了。当然，对战机而言，在翻滚、俯冲等各种惊险刺激的机动动作时，有那么几个瞬间没有升力也无妨，只要不玩得太大坠地前改出就好。
伯努利原理之所以出现在很多科普文章以及初等的教科书上，主要原因就在于它很直观，也好理解，我们也不能简单粗暴地说它是错误的——它自有它存在的道理和适用的前提。哪怕本文引以为基础的牛顿力学，如果从量子力学、相对论的角度来看，也不成立了。但是，如果当我们只需要计算“开车上高速多久能到家”这样的问题，却非要把德布罗意波（德布罗意波指出任何物体都和电子光子一样是一个概率波，只是对宏观物体而言太过渺小而忽略不计）扯进来，那就严谨得有些愚蠢了。所以，在特定的条件下，用伯努利原理解释升力还是有它的必要的。
说完闲话，我们再来解释什么叫做失速。为了简单，我们先不考虑机翼的形状，还是以风筝为例子。首先，当迎角为0时，这个时候是确定没有升力的，风筝以这个姿势也是绝对飞不起来的。
为了让风筝飞起来，就必须有一定迎角，具体原理我们已经分析过了。迎角由0增大，升力也由0增大。这时我们考虑下面这样一个极端情况：迎角达到90度了：
这个时候也是没有升力的，有的只是巨大的阻力。迎角为0，升力为0；迎角增大到90度，升力又变为0——很显然，升力经过了一个先增大后减小的过程。那么在迎角持续增大的过程中，必然会存在这样一个角度：当风筝处在这个迎角时，产生的升力已经恰好不足以支持其本身的重量了，而阻力却在不断增加，速度也在不断减小，这个时候如果继续增大迎角，风筝就掉了下来。这个现象，就叫做“失速”，对应的迎角，就叫失速迎角，也叫失速攻角。影响失速迎角的因素很多，比如万米高空和海平面相比，空气稀薄得多，失速攻角必然是不同的。速度不一样，失速攻角也会不一样，显然，对于同样的迎角，速度越高，产生的升力就会越大。所以速度越高，就越不容易失速。
我们都知道发动机的推力是速度的根本保证，显然，只要推力足够大，速度足够大，就不会发生失速。我们假设飞机发动机足够牛逼，当飞机迎角达到90度的时候还足以保证飞机不掉下来——这个场景是不是好熟悉？对——火箭就是这样飞的（当然飞机发动机和火箭发动机原理是不一样的，这个以后再讲）。
正是应了那句话：只要推力够牛逼，板砖都能满天飞。可是对绝大多数飞机而言（尤其是客机和运输机），发动机的推力远小于飞机自重，发动机的推力只是克服阻力以获得速度，让气流高速掠过机翼以产生巨大的升力……这段话说得有些绕，我们记着一句话就好，飞机要想不失速掉下来，速度就不能太慢，机头就不能抬得太高。
其实失速现象其实我们每个人都见过。我们小时候飞纸飞机的时候大概都飞出过这样的轨迹：
这就是典型的失速。纸飞机失速后就开始往下掉，掉的过程中机头降低减小了迎角，又通过重力加速获得了速度，所以又重新获得升力继续滑翔了。对真正的飞机而言也是这样，改出失速最重要的一条就是压低机头，以减小迎角并获得速度。
好了，现在让我们把目光回到法航447航班上。
引发这场空难的导火索是一个小东西，叫做皮托管，是测量空速用的。当飞机进入乱流之后，皮托管结冰短暂失效，无法继续输出空速数据，而飞机的自动驾驶系统必须依赖空速才能给出各种飞行指令，由于无法侦测空速，自动驾驶解除。而几秒钟后，飞机遭遇乱流产生倾斜……直至此刻，这架飞机还完全没有坠毁的理由，因为它仅仅是无法侦测空速而已，就像你在高速路上开车，虽然看不到车速，但只要把好方向盘和平时一样开就并无大碍。可是，驾驶飞机毕竟要比开车难得多，灾难就在一系列阴差阳错之间发生了。
当飞机在自动驾驶解除的警报声中发生倾斜时，飞机的副驾驶慌乱之间做了一个拉杆（推杆、拉杆都是飞行术语，拉杆可以让飞机抬头，增大迎角，反之即为推杆）动作——我们不知道为什么副驾驶要做这个动作，但这个动作是完全没有必要的，也完全是不应该的。飞机开始进入爬升状态，迎角越来越大，而速度由274节迅间降至52节（1节为1.852千米/小时），飞机旋即进入失速。此时，飞机离地高度还有超过10000米，距离飞机坠毁还有3分30秒，只要驾驶员知道是发生失速了，就还有足够的时间与高度挽救飞机，遗憾的是，皮托管被冻住了无法提供空速数据，驾驶员并不知道飞机的速度已经过低，也并不知道飞机已经处在失速状态，他手忙脚乱几近绝望还是控制不住飞机，直到经验丰富的机长重回驾驶室，然而一切已经太晚了……
应对失速是每个飞行员的必修课之一。像法航这样由于迎角过大造成的失速，其实只要严格按照正常程序飞就能避免。可是有时候，即便在飞行员严格按照正常航线飞行的时候，依然出现了不少由于失速造成的惨痛教训，事后分析得出的原因往往让人扼腕叹息——很多惨剧本不应该发生，很多人人本不应该离开这个世界而去……
2004年11月21日8时20分，东方航空MU5210号班机从包头机场起飞前往上海。起飞比预定时间提早了15分钟，然而，仅仅在起飞不到一分钟便坠毁在包头市南海公园。包括机组人员在内的53人全部罹难，地面2人也不幸丧生。飞行员在最后时刻连问三句“怎么回事？怎么回事？怎么办？”——他至始至终不知道发生了什么，因为他是完全按照正常程序飞行的。
为了解释这起空难，我们就要讲讲翼型对失速的影响。
前面讲过，翼型是影响升力的关键因素之一，怎么设计翼型从来都是一件至关重要的事情。实际上，翼型的设计是当今世界上最复杂的技术之一。不同的翼型，产生升力的能力不同，在相同的速度下，对应的失速迎角也会不一样。简单地说，假如有两个机翼，A是好机翼，升力性能很好，在某一速度下迎角达到40度了还能正常飞；B是渣机翼，性能是个渣渣，载同样的速度下还不到30度就失速了。
从时间我们可以看到，空难发生在11月下旬，这个时候包头的气温已经很低了。那天早上，机翼结了一层薄冰。冰附着在机翼表面，改变了机翼形状，设计师历经千辛万苦设计出来的好机翼一下子变成了渣机翼。机翼结冰是很常见的一件事，为了防止结冰对翼型的影响，飞机起飞前必须进行除冰作业。可是，离奇的是这架航班并没有按流程进行除冰作业，是带着结着冰已经成为渣机翼的机翼起飞的——可是飞行员还按照为好机翼制定的航线正常起飞……渣机翼很快就失速了，悲剧就这样发生了……
写道这里，不由得想说几句题外话。安全，是飞机的生命线，每一个疏忽即可造成难以挽回的损失。民航领域每一项烦人的规定后面，不知道有多少血淋淋的教训……冰雪不能飞、雷雨不能飞、空域不干净不能飞……航班延误确实让人生气，航班延误的原因多种多样，为了减少延误确实还有大量的工作要做，可是，如果是因为天气原因等不可抗拒因素导致了延误的话，还是做一个安静的美女或者美男子耐心地等一等比较好。有一个叫做特內里费的地方，那里有一个机场，两架当时地球上最大的客机在地面滑行时相撞，造成583人遇难。
这是历史上死亡人数最多的空难。
那天，机场大雾。
感谢西北工业大学航空学院张绎典同学对本文的支持。
主要参考文献：
Fundamentalsof Aerodynamics, Anderson.J.D.
Whatis lift? Nasa网站.
伯努利升力原理批判，力学与实践1993(4),马丁·宋贝（瑞典），刘尚培译
法国航空447号班机空难，维基百科.
中国东方航空5210号班机空难，维基百科.
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