近日，“波音737MAX8五个月内两起空难”刷爆了各大媒体头条及小伙伴们的朋友圈，这款波音史上最畅销系列累计订单超5000架，至此跌落神坛，遭遇前所未有的信任危机。目前，中国、印尼、新加坡、埃塞俄比亚等数个国家已禁止波音737 MAX商业飞行，就连美国佬也迫于舆论压力停飞了波音737 MAX8和737 MAX9两款机型。
图 1波音737MAX8
两起空难都爆发于起飞阶段，事故原因均指向737MAX新增的MCAS（自动防失速系统）。美国联邦航空管理局评估认为：波音737 MAX机型新增的MCAS系统，在迎角传感器读数错误的情况下，会不断迫使飞机低头。而且训练模拟器中没有这一新系统，当实际飞行中出现该问题时，飞机面临快速失控危险，可能让飞行员陷入短时迷惑或失措的境地。
空难已发生，大家感到惋惜的同时对事故原因均颇为重视，这项复杂的工程就交给专业机构进行吧，我可不敢班门弄斧。我感兴趣的是航空飞行背后蕴藏的空气动力学奥秘，在此与大家分享下。
一、 飞机升力是如何产生的？
关于飞机机翼如何产生升力有众多有趣的说法，比较著名的有“长路径、等时性”理论，“滑石”理论，“文丘里”理论等。这些理论之所以流传广，主要是因为它们在某些方面是正确的。比如流传最广的“长路径、等时性”理论，它认为机翼被设计为上表面长，下表面短，气流从机翼前缘分开同时到达尾缘， 因此断定上表面速度高于下表面，根据伯努利方程，速度高则压力小，下表面压力高于上表面，压差产生升力。
图 2 “长路径、等时性”理论
首先，机翼并不总是上表面长于下表面，纸飞机的翅膀是一个平板，也可以产生升力啊；其次，气流从前缘分开同时到达尾缘则令人百思不得其解；下表面压力高于上表面倒是正确的，但这个压差产生的升力要比实际的升力小很多。实际上，飞机上表面气流速度远高于下表面，压力云图应该是这样的。
图 3 机翼压力云图示意图
关于升力如何产生，还是引用权威的定理解释比较靠谱：
1、库塔-儒可夫斯基升力环量定理：对于定常、理想、不可压流动，在有势力作用下，直均流绕过任意截面形状的有环量绕流，翼型所受的升力为：
该定理说明，在来流绕流作用下，不管物体形状如何，只要环量值不为0，绕流物体就会产生升力，否则升力为0。足球比赛中的“香蕉球”，足球依靠自身旋转获得环量，环量越大升力越大。但机翼的环量是如何产生的呢？这就涉及到了定理2.
图4 香蕉球示意图
2、亥姆霍兹旋涡守恒定理：在理想、不可压、体积力有势条件下：
① 原来无旋的流体微团将保持无旋，有旋的流体微团将永远有旋；
② 绕相同流体质点组成的封闭周线上的速度环量不随时间变化。
机翼都是从静止状态开始开始加速运动到定常状态，根据旋涡守恒定律，翼型引起气流运动的速度环量应与静止状态一样处处为零，则绕翼型的速度环量是如何产生的呢？下面从飞机启动过程分阶段阐述：
a、机翼处于静止状态，绕机翼的流体线的速度环量为零
图 5a 静止状态
b、当翼型在刚开始启动时，因粘性边界层尚未在翼面上形成，绕翼型的速度环量为零，机翼上下部的气流的速度是一样的。导致下方气流到达后缘点时上方气流还没到后缘，后驻点位于翼型上方某点，下方气流就必定要绕过尖后缘与上方气流汇合。随时间的发展，翼面上边界层形成，下翼面气流绕过后缘时将形成很大的速度，压力很低，后缘点到后驻点存在大的逆压梯度，造成边界层分离，从产生一个逆时针的环量，称为起动涡。
图5b 起动涡形成
c、起动涡离开翼缘随气流流向下游，封闭流体线也随气流运动，但始终包围翼型和起动涡，根据涡量保持定律，必然绕翼型存在一个顺时针的速度环量，使得绕封闭流体线的总环量为零，这将导致翼型后驻点的位置向后移动。只要后驻点尚未移动到后缘点，翼型后缘不断有逆时针旋涡脱落，因而绕翼型的环量不断增大，直到气流从后缘点平滑流出（后驻点移到后缘为止）为止。
图5c 绕翼型环量形成
至此，绕机翼流动的环量产生，根据库塔-儒可夫斯基升力环量定理可计算升力大小。
图 6a 飞机起动涡系结构1
图 6b 飞机涡系结构2
二、 升力与迎角是什么关系？
迎角α表示来流V∞与翼弦线的夹角，对机翼升力有重要影响。不同的飞行迎角，空气绕流的状态不同。
图 7 迎角及受力示意图
总体流动特点是：
1） 低迎角状态时，整体绕翼型的流动是无分离的附着流动，翼型表面的边界层和后缘的尾迹区很薄。
2） 前驻点位于下翼面距离前缘点不远处。气流经前缘驻点后，一部分绕过前缘点经上翼面顺壁面流去，另一部分从驻点经下翼面顺壁面流去，在后缘处流动平滑地汇合；
3） 气流在上翼面的流动是先加速后减速，压力为先减小后增加，存在逆压梯度区，会导致边界层局部分离；
4） 随着迎角增加，驻点逐渐后移，最大速度点就越靠近前缘，最大速度值也越大，上下翼面压差越大，升力增大；
5） 当迎角大过一定值后，上翼面呈现较大分离区，升力开始下降，这一现象称为翼型失速。
图 8 绕流示意图
机翼一但发生翼型失速，升力迅速下降，飞机面临失控风险，这也是波音737MAX系列新增MCAS（自动防失速系统）的意义所在，可以自动调节飞机安定面，产生俯仰力矩，迫使飞机低头以退出失速状态。不过一旦迎角传感器故障，在较小迎角下启动该系统，将导致灾难性结果。
图 9 升力系数曲线
三、推力是如何产生？
飞机要获得足够的升力，必须具有足够的速度，这就需要较大的推力。在此不得不提飞机的动力装置——航空燃气涡轮发动机。作为制造业皇冠上的明珠，航空燃气涡轮发动机是将传统经典力学逼近极限的一门技术，一个国家的航空燃气涡轮发动机技术水平是综合国力的体现，目前仅有美国、英国、俄国、法国、中国具有发动机研发能力。
图 10 B787和GEnx发动机
发动机是如何产生推力的呢，这就要从发动机的基本结构说起。最常见的涡喷、涡扇发动机的基本结构如下图所示，最核心结构为压气机、燃烧室和涡轮。气流经过压气机增压，在燃烧室中加热，在涡轮中膨胀做功带动压气机，最后经尾喷管膨胀加速排出体外。
图11a 涡喷发动机示意图
图 11b 涡扇发动机示意图
发动机既是热机，又是推进器。作为热机，发动机通过燃烧室对气流高温加热，化学能转变为内能，进而带动叶轮机械做功。作为推进器，发动机使通过的气流高速排出，从而产生反作用推力。发动机的具体推力可根据下图推导：
图 12 发动机推力推导示意图
选取发动机内表面为控制体，进口速度为V0，流量为qm，压力为P0，出口速度为V9，流量为qmg（考虑了燃烧室喷油的附加流量），压力为P9，面积为A9，发动机对控制体水平方向力为Fin（与气流对发动机的推力F是一对作用力和反作用力），根据动量守恒定理，控制体所受的外力等于流出流入控制体的动量差。即：
这是从总体的作用效果评估推力。气流流过发动机的每一个子部件，哪一个部件的受力是向前的，哪一个部件的受力是向后的呢，这主要与气流流过子部件时的压力变化有关。首先是压气机，气流经过压气机后被强烈压缩，压力明显增高，在巨大的压差力作用下压气机受到巨大的向前的作用力。而气流经过燃烧室，温度明显增加但压力增加有限，所以燃烧室所受的向前的力有限。当气流经过涡轮和尾喷管时，气流膨胀加速，压力降低，气流对涡轮和尾喷管的作用力是向后的。
图 13 发动机子部件受力示意图
气流流过压气机时，发生了哪些流动现象呢？为什么压力会增加呢？这与压气机叶片的形状有关。对于亚声速流动，叶片通道一般设计成扩张的，气流通过扩张通道减速增压。然后对于超声速流动，叶片通道基本为等值的，气流流向基本不变，其增压主要靠叶片前缘的一道强激波来实现，气流通过激波瞬间被强烈压缩，压力增加。
图 14 压气机叶栅流动示意图
图 15 多排压气机速度云图
压气机内的真实流动特别复杂。叶片吸力面在逆压梯度作用下的分离，激波附面层的干扰，环壁附面层和叶型附面层的相互作用，间隙涡以及通道涡的二次流动，旋转失速以及喘振等现象，使得压气机的设计成为发动机最难设计的部件。
图 16 压气机流动示意图
四、 空难为何总在起飞和降落阶段发生？
图 17 空难统计示意图
据统计，约60%的飞机事故均发生在起飞或降落阶段。这是为何？
1） 大气条件决定的
地球表面最近一层大气为对流层，平均厚度为12km，常见的天气现象如风、雨、雷、电等均发生在此层。在对流层上面为平流层，空气特别稳定，不易产生对流，大气运动多是水平。而飞机在起飞和降落阶段处于对流层，天气条件较为恶劣。
2） 起飞或降落时，动力和高度有限，反应时间短
民航领域存在一个说法叫做“危险11分钟”。指的就是起飞3分钟和降落8分钟，这是最容易发生事故的时间点。原因就是该阶段飞行员需要处理各种突发情况，并时刻关注飞机航向和高度，不能出现一点偏差。因此，对于飞行员，每一次起飞和降落都是一次巨大的考验。
3） 鸟撞
低空域原本就是鸟儿活动最为频繁的空域，鸟击成为飞行安全的一大隐患。
图 18 鸟撞发动机事故
作者：李振鹏 仿真秀科普作者，擅长流体与传热分析；振动噪声仿真与测试技术
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