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 。
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飞机颠倒飞行真的科学吗？
若是按照许多教科书的理论 ， 这是不可能的 。
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 。
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 。
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图片来源：wikipedia
NASA 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 。
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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
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 。
不过 ， 机翼上部的气压确实小于下部 ， 这一点真实不虚 。
那么到底是什么让飞机飞翔呢？
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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
NASA 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 。
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 。
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 。
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上鼓下平的机翼（正弯度机翼）和不同的迎角 。 图片来源：FAA
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 。
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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 。
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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
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 。
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 。
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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.
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 。
我们还可以看荷兰特文特大学用模型飞机做的演示 。
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 。
【升力系数|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】
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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 。
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Blériot 型号的单翼机 。 图片来源：wikipedia
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 。
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1914年 ， 经常倒着飞的德国飞行员 Gustav Tweer 让飞机倒着着陆 。
图片来源：flying magazine
现代意义上的客机也曾有倒着飞的记录 。
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 。
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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 。
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 。
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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 。
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 。
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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 。
坐飞机不怕晕机 ， 最怕机晕 。
来源：把科学带回家
编辑：荔枝
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