问题

全美航空哈德逊河迫降过程中襟翼为什么不完全打开?

回答
全美航空1549号航班在哈德逊河上成功迫降,这无疑是一场奇迹。许多人对这次事件印象深刻,其中一个关键的问题便是:为什么在那生死攸关的时刻,飞机的襟翼没有完全打开?

要深入理解这个问题,我们需要先明白襟翼在飞机起降中的作用,以及在当时那种极端情况下的具体考量。

襟翼:飞机的“翅膀助手”

襟翼(Flaps)是安装在飞机机翼后缘的活动部件。它们的作用非常关键,尤其是在低速飞行时,比如起飞和降落。简单来说,襟翼有两大核心功能:

1. 增加升力(Lift): 当襟翼放下时,它们会改变机翼的形状。一方面,它们增加了机翼的弯度(curvatures),这会使流过机翼上表面的空气速度加快,根据伯努利原理,速度加快意味着压力降低。机翼下表面的压力相对较高,这种压力差就产生了更大的升力。另一方面,襟翼的伸出也增加了机翼的面积,这同样有助于产生更多升力。

2. 增加阻力(Drag): 襟翼的伸出还会增加飞机的整体阻力。在正常降落过程中,增加阻力是有益的,因为它可以帮助飞机在短距离内减速,并使下降率更容易控制。

在一次正常的起降过程中,飞行员会根据起飞重量、机场高度、气温、跑道长度以及预期的下降率等因素,精确地选择襟翼的设置角度。通常情况下,降落时会使用比起飞时更大的襟翼角度,以获得最大的升力和阻力。

1549航班的特殊情况:鸟击与发动机失效

2009年1月15日,全美航空1549航班在起飞后不久,遭遇了严重的鸟击事件,导致两侧发动机同时失去动力。这是一次极其罕见且危险的情况。在失去了至关重要的发动机推力后,飞机的高度和速度迅速下降。

在这种情况下,飞行员面临着一个巨大的挑战:他们需要在极短的时间内做出判断并采取行动,以期尽可能延长滞空时间,并寻找一个可以迫降的地点。

为什么襟翼没有完全打开?

在发动机失效、飞机失去动力的紧急情况下,飞行员的每一个决策都必须权衡利弊,而且需要考虑到对飞行性能的直接影响。关于为什么1549航班的襟翼没有完全打开,主要有以下几个原因:

1. 升力和阻力的复杂权衡:
更多的襟翼=更多的升力(但需要速度维持): 理论上,放下更多的襟翼可以帮助飞机在更低的空速下产生足够的升力,这对于没有动力的飞机来说似乎是好事。然而,襟翼的有效性是依赖于空气流过机翼的速度的。如果飞机速度不足,或者下降率过快,空气流过襟翼的角度会变得不理想,甚至可能导致气流分离,使襟翼“失灵”,无法提供预期的升力。
更多的襟翼=更多的阻力(不利于滑翔): 最关键的一点是,襟翼会显著增加飞机的阻力。在发动机失效、飞机完全依靠惯性滑翔的情况下,增加阻力意味着飞机将更快地失去高度和速度,这会缩短其滞空时间,大大降低找到合适迫降点的可能性。飞行员需要的是尽可能“滑翔”得更远,而不是更快地“掉下来”。

2. 保持“滑翔性能”优先: 在失去发动机推力后,飞机就像一个巨大的滑翔机。飞行员的首要目标是最大化飞机的滑翔距离。增加襟翼会像给滑翔机加上一个巨大的“刹车”,这与最大化滑翔距离的目标是相悖的。当时的空速正在快速下降,如果强行放下全襟翼,可能会导致升力不足或进入失速状态,情况会更糟。

3. 飞行员的经验与判断: 机长切斯利·萨伦伯格是一位经验丰富的飞行员,拥有超过19000小时的总飞行时间,其中包括1700小时的飞行教官经验。他曾是美国空军的飞行员,并对气动学有深入的了解。在那个生死攸关的时刻,他必须在极短的时间内进行计算和判断。他需要考虑飞机当前的高度、速度,以及他想要到达的地点(哈德逊河)。

根据当时的记录和事后分析,萨伦伯格机长和副驾驶杰弗里·斯基尔斯在发动机失效后,为了维持尽可能好的滑翔性能,选择了相对较小的襟翼设置(具体情况可能略有不同,但可以确定的是,他们没有选择完全展开的降落襟翼设置)。这样做是为了在损失高度的同时,尽可能地保持水平速度,从而为寻找迫降地点争取时间。

4. 速度与襟翼的联动: 飞机的飞行控制系统和飞行员的操纵是相互关联的。在失速边缘的情况下,不恰当的襟翼设置可能导致更快的失速。机长需要找到一个速度和襟翼配置的平衡点,使得飞机在维持下降的同时,仍然具有一定的可控性。

结论:

在全美航空1549航班遭遇发动机失效的紧急情况下,机长之所以没有选择完全打开襟翼,并非是操作失误或遗漏,而是基于对飞机动力失效后气动特性的深刻理解和在极端压力下的精确判断。

核心在于:失去动力的飞机更像是一个滑翔机,而襟翼的大幅度展开会显著增加阻力,这会缩短其滑翔距离。 在必须选择一个迫降地点(哈德逊河)的情况下,保持尽可能长的滑翔距离和可控性,比在低速下利用襟翼产生“额外”的升力更为重要。因此,为了最大化滑翔性能,他们选择了牺牲一部分襟翼的帮助,以换取宝贵的飞行时间和距离。

这场迫降的成功,是飞行员卓越的专业素养、冷静的头脑和对飞行原理的精准把握的体现,每一个决定都是在权衡利弊和生死之间做出的最优选择。

网友意见

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这个问题很有意思,刚好之前几个朋友也曾一起讨论过,后来查阅了一些资料,分享给题主供参考。

水上迫降(ditching)有一些基本准则,比较重要的例如:

▪️风向、波浪的选择(into the wind, along the swell)

▪️保持光洁的机身。意味着landing gear处于收起状态,有的POH还会强调把gear circuit breaker拔开。

▪️Wings level 防止侧翻

▪️尽可能降低touch down的速度,这个很好理解,减少冲击的能量,但是前提是不能小到失速。

再来看flaps。

flaps可以降低失速速度,使飞机尽可能低速降落。然而很多文章,包括

FAA Airplane Flying Handbook

的Emergency Procedures里描述"Use no more than intermediate flaps on low-wing airplanes",都提到了这个问题,low wing的飞机在水上迫降时使用中间档位的flaps。

AOPA有篇文章

Proficient Pilot: Best for the worst

对此的解释是,low wing飞机在水上降落时,full flaps很容易被水冲击损坏,造成机翼结构受损,不对称性的机翼容易使得机身侧翻。

High wing飞机没有这个顾虑,POH通常推荐使用full flaps以获得最小速度。

此外还有一些不同的解释,例如认为full flaps姿态不好,下降率过大,以及power off时full flaps更难flare。仁者见仁,智者见智。

我对空气动力学和飞机系统都知之甚少,查阅到的这些解释仅供参考,也希望看到更专业的回答。

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这个问题有趣。特地查了一下真实事件中NTSB的调查报告:

ntsb.gov/investigations

其中第2.3.4节是关于襟翼选择的问题:

In the accident scenario, the NTSB notes that the selection of flaps 3 would have allowed the airplane to fly at a lower airspeed.
...
The first officer then stated that they were at flaps 2 and asked the captain if he “want[ed] more?” The captain replied, “no, let’s stay at 2.” About 1 minute later, the airplane was ditched on the Hudson River.
During postaccident interviews, the captain stated that he used flaps 2 because there were “operational advantages to using flaps 2.” He stated that using flaps 3 would not have lowered the stall speed significantly and would have increased the drag. He stated that he was concerned about having enough energy to successfully flare the airplane and reduce the descent rate sufficiently. He stated that, from his experience, using flaps 2 provides a slightly higher nose attitude and that he felt that, in the accident situation, flaps 2 was the optimum setting.

机长当时的考虑是3档襟翼并不会显著降低失速的速度,还会增加很多阻力。对于一架失去动力的飞机来说,最后一刻的拉平会很难。使用2档会略微提高仰角(个人猜测是指拉平前姿态已经更仰,不需要作太多的修正)。总之,就是多年作为飞行员的经验。

NTSB对此的评价也是肯定的:

The NTSB concludes that the captain’s decision to use flaps 2 for the ditching, based on his experience and perception of the situation, was reasonable and consistent with the limited civilian industry and military guidance that was available regarding forced landings of large aircraft without power.
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无动力前提下下滑道角度与升阻比成反比,升阻比过低就需要更低姿态角近进,到最后改平不仅需要更大的姿态变化,也会因为更高阻力导致速度衰减过快。

总的来说就是接地(水)风险更大

另外大襟翼角度会改变零升迎角,会造成更低的接地姿态,外加襟翼触水的额外阻力,显然增大风险

近进升阻比过大和过小飞起来都非常麻烦

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