倒飞的乐趣与物理学

在飞机上做滚转(barrel roll)究竟是什么意思?

飞行员丹尼斯·布恩(Dennis Buehn)驾驶着一架银色的飞机,飞越内华达州棕色的沙漠山丘,他准备将飞机的机头抬高到地平线之上,然后让我们进行滚转。我被绑在他身后的飞机上,这是这架长38英尺飞机上唯一额外的座位,当我们爬升时,我感到一股向后的推力。然后,他熟练地执行了一个副翼滚转(aileron roll),迅速将飞机操纵成倒置,然后再恢复正常。

“哇。我的天哪,”我说。我记得短暂的眩晕感,但这个翻转在几秒钟内就结束了。

几分钟后,布恩驾驶着他的AT-6C飞机——一架修复于1942年的飞机——降落在里诺·斯特德机场。飞行结束后,布恩——一位越南战争老兵、前空军试飞员学校教官——靠在飞机机翼上告诉我,“这架飞机能够做的远不止这些。”

除非他们跳进一架小型特技飞机,否则大多数人没有机会进行倒飞。相反,他们在商业航班上安稳地坐着,吃着花生,像在家一样看电影。但是,在T-6或类似飞机上进行滚转是一项经典的机动动作,如果你属于“热爱飞行”阵营,这项动作值得尝试,或者至少去思考一下。

在T-6上的那一刻并不是我第一次倒着飞行。那次荣耀属于一次身体上颇具挑战性的空军F-16飞行,在那次飞行中,飞行员在一次陡峭爬升的末尾短暂地将我们颠倒过来,然后,稍后又缓慢而平稳地将飞机翻转成倒置再恢复原状。我当时说了和这次一样的话:“哇。我的天哪。”

F-16 inverted
一张视频截图,展示了F-16D在滚转过程中的瞬间。画面由美国空军雷鸟飞行表演队提供。

顺势而为

滚转实际上有不同的形式——飞行员会执行副翼滚转、点滚转(point rolls)、滚转(barrel rolls)和慢滚转(slow rolls)——飞行员可以讨论或辩论它们的细微差别。你可能认为滚转是最简单的,但实际上这项特技比你想象的要复杂一些:它包含了一个循环(loop)的一部分,在这个过程中,飞机在机动中改变了航向。一个向北飞行的飞行员在进行滚转时,在特技过程中会短暂地朝西或朝东。最终,最简单的理解一个通用滚转的方式是,飞机围绕其长轴从直立到倒置再到恢复直立。

飞行员还可以以一种方式让飞机滚转,使重力加速度(在航空界被称为“G力”)保持为正,这样人们就不会感到被地球引力向下拽。这种效果是,仪表盘上的茶杯也不会被打翻。这与,比如说,稳定地保持倒飞不同,那样的话飞行员和乘客会从安全带上倒挂着;或者以机翼始终与地面垂直的方式飞行,那样的话你会从安全带上侧挂着——我在那次F-16飞行中就体验了这种机动。

历史上最著名的滚转可能是飞行员阿尔文·“德州佬”·约翰斯顿(Alvin “Tex” Johnston)在1955年在华盛顿州上空展示的——在一架大型波音707原型机上。运输机没有经过特技飞行的认证,所以飞行员不应该这样做;特技飞机的设计是为了承受一定数量的正负G力,这使得它们适合进行滚转和筋斗。

“当我们谈论特技机动时,有滚转、筋斗、失速,”理查德·P·安德森(Richard P. Anderson)说,他是埃布里-里德尔航空大学的航空航天工程学教授,也是一名飞行员。大多数特技动作以某种方式结合了这三个动作。“滚转无疑是最基本的一种机动动作,也是在特技飞行中最先学习的动作之一,”他解释道。

T-6 aircraft
布恩和他的飞机。Rob Verger

与飞机融为一体

掌握滚转有助于飞行员更多地了解他们与所驾驶飞机及其能力的关系。对乘客来说,这也是非常开阔眼界的。“滚转是一项经典的机动动作,它真正拓宽了飞行员对飞机能力的认知,”布莱恩·迪尔曼(Brian Dillman)说,他是普渡大学航空与交通技术学副教授,也是一名飞行员。“通过整个经历,他们会更融入飞机,”并将飞机视为“他们自身的延伸,而不是他们坐在里面的机器。”

从空气动力学上讲,“飞机不知道你倒着了,”迪尔曼补充道;飞机只是对周围流动的介质做出反应。然而,当飞机倒置时,飞行员需要考虑的一个方面是机翼迎角(angle of attack)与来流空气的关系:他们可能需要比正常飞行时更多地抬高机头,以便机翼仍然产生正确的升力。

迪尔曼说,他喜欢让学生飞行员通过一个练习来熟悉倒飞,让他们在正常和倒置时都指向驾驶舱里的空速表。这教会他们,无论飞机的方向如何,飞行员和驾驶舱仪表之间的物理关系保持不变。(想象一下坐在你的书桌前,然后突然整个房间翻转过来。你的电脑鼠标会在原来的位置和你的手中,屏幕上的文字仍然是正的。)

一些飞行员在那一刻意识到,“(仪表相对于他们的)关系没有改变,”迪尔曼说。“只是外面的景象不同了。”

《Popular Science》杂志在内华达州报道了里诺航展(并亲身体验了飞行)。请查看我们活动飞机图集,对这场沙漠中的高速航空竞赛的数字分析,以及战斗机飞行员训练飞机的过去与未来的一瞥。

本文最初于2019年10月1日发表。

 

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技术编辑

罗布·沃格尔是《流行科学》杂志的前技术编辑。他擅长报道航空、交通和军事技术。


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