飞机失速——定义以及简单讨论

伴随着最近震惊全国的MU5735坠机事件，公众很容易认识到，航空航天作为一个专业化极强的领域，饱含了人类近百年的智慧结晶，但我们也仍在这条路上摸索着行进。或者说，即便在流体力学研究如此广泛且深刻的今天，我们还是不能完全保证人类能够理解飞机的飞行动力学。

诚然，从二战前的活塞式飞机（螺旋桨提供推力）到战后发展并普及到客运机的喷气式飞机（类似火箭推进原理），航空产业的发展给人类社会带来了巨大便利，促成了全球经济一体化的实现。

今天我们简单讨论飞机飞行始终伴随着的一个普遍问题——失速。

飞机失速（stall）是伴随着飞行对升力需求的天然问题。飞机的升力获取的理论支撑来自于牛顿第三定律——力的作用是相互的。

为了产生抵消飞机重力的升力，飞机需要对周围的空气产生一个向下的推力。能够创造这种升力的装置就在机翼上。机翼由于其结构以及所谓的迎角（angle of attack）的存在，能够使得经过的空气被下推，根据牛顿第三定律，飞机就获得了升力，得以稳定飞行。在起飞过程中，这个升力可以通过一些机翼的调整增大，进而使得飞机持续爬升。

这是机翼在飞行过程中的示意图。我们可以看出机翼的结构使得流经的平行空气产生下降的趋势，飞机从而获得升力。

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迎角就是机翼的水平面与前进方向的夹角。这个夹角往往处在一个微小的范围内（0~10°）。迎角越大，空气被偏折地越强烈，因而获得更大的升力。然而，如果角度过大，产生的升力不会一直增大；事实上，我们可以相见，如果迎角达到90°，空气不会给飞机提供明显的升力；也就是说，如果飞机垂直向上飞行（就像火箭发射一样），升力将会完全来自飞机动力，而非来自推动空气。

所以，必然存在介于0到90°之间的迎角，使得飞机获得的升力开始渐渐减少。事实上，这个角度对于常见的机翼设计其实非常小，大约为16°

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这个示意图就是飞机升力与迎角变化的关系。从0°开始，飞机就可以获得升力，而增大到16°以后，飞机通过机翼获得的升力将会开始急剧较少。这在现实中是非常反直觉的。想象一下，水平飞行的飞机非常平稳前进，但如果慢慢向上抬升飞机（迎角增大），我们会自然认为我们会提升高度。这当然是飞机起飞的普遍实现方法。但是如果继续抬升，使得飞机的迎角增大到16°以上，飞机的升力就会突然减弱，而由于较小的角度，飞机自身的动力分量并不足以支持飞机抬升。这样以来飞机就会急速下降。

但由于飞机重心偏向机头，因此下降时飞机会回复迎角，升力慢慢恢复，直到恢复到初始状态。整个过程的主要变化是飞机骤然失速（失去升力）导致的飞机高度下降。如果飞行高度足够，反应速度够快，这样的失速对飞行是完全没有威胁的。

至于为什么这个临界迎角如此小，解释参看下图

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机翼在通常情况下可以将上表面和下表面的空气同时向下推，这样一来，上下表面同时贡献升力；事实上，上表面的贡献多于50%，为升力的主要来源。在迎角较小时，上表面空气由于黏性，被吸附到机翼上（科恩达效应, Coanda effect）并随着机翼结构前进，最终向下流动，这时产生的升力足够。而在超过临界迎角时，上表面的空气由于有限的黏性，无法保持吸附在机翼上，最终形成湍流，这无法保证上方的空气最终向下流动，因而上表面提供的升力急剧减小，造成整体升力急剧减小。这就是失速产生的原理。

失速十分普遍，但潜藏了很多危险。2009年法航AF447的空难就是由于飞机长时间失速导致的，最终飞机完全失去升力，以极快的速度坠入大西洋。这是一个电影片段。当然，酿成这样大的惨剧其中必然掺杂了很多随机因素。但这也让人们不得不担心起失速控制对航空专业的重要性。

事实上，我们有理由怀疑MU5735的坠落就是失速导致的。尤其是后期飞起完全垂直降落可能是发动机在调整完失速后突然失去动力导致的。但这种无端的猜测也只能缓解一下我们对未知的渴望。相信不久的将来我们就能通过黑匣子看到飞机飞行的全过程演示了。希望民航从中企业吸取教训，把客运风险降到最低。

Ref:

https://zhuanlan.zhihu.com/p/105577019

https://www.youtube.com/watch?v=VzaRTpJXPQ4

https://www.youtube.com/watch?v=67ZQ75Bf0w4