在劍橋大學上飛行體驗課

馬云飛

沖碧空，轉(zhuǎn)云端，墜瞬間，這不是戰(zhàn)斗機訓練，而是客機飛行，不是發(fā)生故障失控，而是一門飛行體驗課程。

上天實戰(zhàn)

寒冬，劍河河畔白露為霜。米迦勒學期末（Michaelmas Term， 10月-12月） ，航空專業(yè)四年級的“學霸們”不但要應付一大堆書面作業(yè)，還要接受飛行控制課的實戰(zhàn)考驗。

上午飛行時演示俯仰“脈沖”動作時的飛行記錄，機艙內(nèi)屏幕上顯示的高度、速度表盤和仰角輸入響應曲線。

“飛機穩(wěn)定性與控制”，是航空專業(yè)本科必修課之一，理論和實踐結合非常緊密：基礎理論分兩學期講授飛行器穩(wěn)定性和控制方法;現(xiàn)場實踐課則承上啟下，于理論課之間開展，通過體驗飛機各種飛行狀態(tài)，以及觀察機長駕駛操控，來了解穩(wěn)定性的本質(zhì)與飛行控制方法。這里所述的飛行穩(wěn)定性，主要包括縱/橫向靜/動態(tài)穩(wěn)定性、操縱穩(wěn)定性和失速保護，而且各種飛行狀態(tài)：從靜動態(tài)平衡到各方向無死角旋轉(zhuǎn)，從拉升爬行到大仰角瞬間失速，無所不包。盡管之前我們先修了這些基本理論，但“紙上學來終覺淺”，書本理論和親身體驗畢竟差距太大，而且一些實施細節(jié)難以了解，比如乘客的座位安排、出現(xiàn)失速后如何應對。這些不僅要求飛行員將基本理論爛熟于心，更需要的是過硬的心理素質(zhì)和嫻熟的操縱技能。

飛行初體驗

這次現(xiàn)場課共有16名學生，我作為博士生也參與其中。清晨，我們搭乘大巴從劍橋工程系出發(fā)，前往位于克蘭菲爾德（Cranfield）小鎮(zhèn)的英國國家飛行訓練中心?！翱颂m菲爾德”中的“克蘭”（crane）即“鶴”，“菲爾德”（field）即為曠野，野鶴們的棲居地自然視野開闊便于飛行。也許正因如此，小鎮(zhèn)才被發(fā)展為航空基地，并在二戰(zhàn)期間成為英國空軍的軍用機場。

驅(qū)車一小時，抵達僻靜的克蘭菲爾德小鎮(zhèn)。下車后，長期受航空航天文化氛圍熏陶的我便生出一種親切感，機場里，各式小型飛機若隱若現(xiàn)地“匍匐”在黃綠色相間的曠野中，天際線處，幾架飛機或降落、或盤旋，為靜謐小鎮(zhèn)增添了一絲動感。迎接我們的恰好也是位劍橋大學工程系畢業(yè)的校友穆達瑟（Mudassir），印裔英國人，博士畢業(yè)大概有三五年。這位老“三一”（即著名的三一學院）在此從事飛行控制研究工作，他同時也是位業(yè)余飛行愛好者，平時會搞些飛行培訓活動。老穆用一小時向我們介紹了這次飛行體驗的重點動作和關鍵數(shù)據(jù)，同時還“旁敲側(cè)擊”地檢驗了我們掌握的飛行控制知識是否達到了“劍橋標準”。這些內(nèi)容中，我對于“失速”（stall）、“螺旋俯沖”（spiral dive）興趣十足，畢竟研究過一些發(fā)動機旋轉(zhuǎn)失速問題，也對飛機機翼“動態(tài)失速”略知一二。雖然“失速”一詞對我來說早已見怪不怪，但事后體驗仍是超乎想象。

理論課結束后準備登機。機坪上，一架嶄新的捷流（Jetstream ）-31飛機引人注目。盡管該機已經(jīng)服役近30年，但依然閃亮如新。艙內(nèi)6排18座。登機前，老穆已然安排好了每個人的座次，我這才想起來，在理論課最后，一張個人信息統(tǒng)計表的奧秘所在：每人身高體重早已登記在案，前后左右早有定數(shù)，我坐在第一排，緊鄰右側(cè)舷窗。

谷歌地球顯示的當日下午飛行軌跡，兩次陡升陡降清晰可見，第二次陡降高度8 000英尺 （約2 400米）。

上午的體驗項目有3項：縱向靜穩(wěn)定性、操控穩(wěn)定性以及失速。飛行時需要監(jiān)控重要表盤，并通過一些動態(tài)曲線來了解自動控制過程的反饋延遲性、調(diào)節(jié)程度。飛機上天，首先得滿足靜態(tài)平衡。這一項中，我們需要記錄升降舵偏轉(zhuǎn)角、氣流速度、升力的變化情況，由此來驗證是否滿足靜態(tài)平衡方程：飛機的升力主要由機翼和升降舵提供，這兩個力相對重心所產(chǎn)生的扭矩，必須大小相等方向相反才能保持平衡。根據(jù)這一原理，飛行員可控制升降舵迎角方向來調(diào)整機身的傾斜程度。此外，飛行當然不只有“和風細雨”的平飛，在做俯仰、扭轉(zhuǎn)動作時也需滿足“操縱平衡”。比起靜態(tài)過程，操縱過程中又加了一項“操縱力”。此時機長猛拉操縱桿做縱向俯沖-爬升運動，我們則記錄飛機在弧線的法向加速度（可由機身仰角變化率得到），對應可得到“操縱力”，加上機翼和升降舵的升力，可驗證這3種力矩是否平衡。此次測試中，包括我在內(nèi)的第一排乘客還被調(diào)至最后一排，以此改變飛機重心，從而通過兩個操縱平衡方程求得操縱點（Manoeuvre Point）。這兩個過程機長都還算心慈手軟，法向加速度最大也不過五分之一重力加速度?；蛟S機長猜透了我們的心理，覺著30°左右的俯仰還不過癮。接下來的幾個動作揭開了驚悚旅程的序幕。

零重力的恐懼感

瞬間刺激開始了。首先是0.2秒內(nèi)的一個脈沖機動，仰角突然猛增10°再復原，艙內(nèi)一片“嚎叫”，此時我的大腦猛然充血抬不起頭，但還能堅持觀察飛機對這一擾動的抵抗能力，以及對應的輸入-響應曲線。機身還算靈敏，盡管有延遲，還是在2秒內(nèi)恢復過來。這一過程就是所謂的“短周期俯仰振蕩”（The Short Period Pitching Oscillation）。由于過程非?？?，飛行員一般很難控制，因此設計飛機時會通常由電控系統(tǒng)而非人工操縱來應對。下一項是“長周期振蕩”（Phugoid Oscillation），盡管聽起來好像煎熬的時間更長一些，但整個過程并不是十分痛苦。升降舵在瞬間引入一個1°左右的擺幅，飛機仰角則相應地在正負10°內(nèi)上下震蕩，整個振蕩過程大概持續(xù)了5分鐘之久——尚可忍受。

似乎機長有意給我們一份“不期而遇”的禮物，失速警報并沒有拉響，一切毫無征兆，繼續(xù)爬升。由于沒有預警，我還故作鎮(zhèn)定，斜眼瞄了一下窗外，參考云層判斷爬升角約30°。幾秒后，表盤顯示仰角加速增大、速度迅速降低，恐懼感陡增，汗滴開始從兩鬢沁出。5秒鐘后，仰角升至60°，我開始大口喘氣、心慌，遂以深呼吸來減輕難受感，覺著到此應該結束了。然而機長一個“微小的工作”——操縱桿繼續(xù)拉動，各個表盤都迅速“爆表”，定睛一看速度105節(jié)，約194千米/小時，竟降到了普通動車的速度。為避免眩暈，我的眼皮已“保護性”地自主合上了，此時大腦震顫、心慌加劇。擠開眼縫，向窗外一瞥，飛機似乎“察覺”了我的“偷窺”，頃刻間，機身一陣抖動——全身冒汗、如夢中一般墜入萬丈深淵——最可怕又很“熟悉”的失速發(fā)生了。

由于仰角過大，氣流從機翼表面飛騰而起，飛機幾乎完全失去升力，一墜“直下三千尺”，瞬間天旋地轉(zhuǎn)，手中筆和本飛落一側(cè)，差點跌進前方的駕駛室，身體僅靠安全帶維系。為了抵消心慌感，我擺出男低音架勢，轟隆隆地喊了出來。此時機艙氛圍大變，在坐的體驗者們都在“哀嚎”，極似飛機失事時的場景——東倒西歪、方向混亂，窗外嘭嘭轟鳴，艙內(nèi)嚎叫一片。我們這些原本泰然自若的“勇士們”，也垂死空中驚坐起，天翻地覆入骨寒。剎那間，寒的不是氣溫，而是心臟強烈收縮、血液流動凝滯，頓覺“時空驟停，萬劫不復”。

約2秒左右，機身宛若“潛艇沉底”，靠著自動控制，顛簸了幾下，飛行高度、仰角恢復了正常。大概又過幾秒，機身一轉(zhuǎn)，一道斜陽從機頭舷窗撒入，晃入眼中，湛藍色與金色交相輝映，仿佛置身天宮，心理因素加之環(huán)境變幻，此時竟產(chǎn)生一種釋然灑脫之感。此時，機長拿起話筒提示返航，實時衛(wèi)星圖顯示，飛機已飛至30多千米開外的北安普敦上空。一個大盤旋之后，我們“班師回場”，上午體驗結束。

Flightradar24網(wǎng)站上可以清晰看出這兩次失速時速度、高度變化曲線。

螺旋俯沖鬼門關

落機后，由飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)至步行狀態(tài)的感覺似乎更加難受，眩暈加惡心，擺在眼前豐盛的午餐依然難以下咽。中午休息片刻后，開始傳說中的魔鬼動作——螺旋俯沖，同時也是測試橫向-航向穩(wěn)定性（Lateral-Directional Stability）。說實話，對于下午的體驗活動，我內(nèi)心是十分拒絕的，當“spiral”一詞從老穆口中蹦出時，或許是口音問題，還以為是“sparrow”，頓時想到了《權力的游戲》 里可惡難纏的“大麻雀”，之后才反應過來是螺旋動作。極不情愿地拖著疲憊的身體登上飛機，綁上安全帶，一心只想如何對付這一驚悚動作。 最開始的體驗動作如坐轎一般，滾轉(zhuǎn)加旋轉(zhuǎn)，有如跳藏族舞蹈，兩側(cè)機翼翼尖畫圈，我們用大笑來掩蓋“嚎叫”，緊接著“旋轉(zhuǎn)俯沖”，機翼的擺角漸漸增大，地平線也從正右側(cè)移到上方并逐漸消失，整個地面出現(xiàn)在右側(cè)。隨后，機身繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，只感覺左浮右沉前墜后仰，陽光忽隱忽現(xiàn)，地平線早已不知歪到哪一側(cè)，完全失去方向感。接著，“神飛兩翼縱翱翔”，一個帶滾轉(zhuǎn)的三維弧線劃過，飛機又進行了一次俯沖-爬升，宛如空中游龍，整個測試也接近尾聲。

工科教學基礎實

英國人對航空運動的真愛可謂淵源已久，自弗蘭克·惠特爾（Frank Whittle）設計噴氣發(fā)動機以來，從科學研究、工業(yè)制造到飛行活動，處處有他們的探索和挑戰(zhàn)。如今實驗室里博士生們也有“好事者”考取飛行駕照，參加滑翔活動。其實不止這類專業(yè)實踐課，即使是流體力學、湍流等一些理論課程，也有“大量實踐”。工程系有兩個引以為傲的地方——設計與項目工作室（The Design and Project Office）和戴森中心（Dyson Centre）。前者既是本科生計算機繪圖設計模型、編程計算的機房，也是報告展示科技項目的場所，后者則是加工制造中心，讓學生們的奇思妙想從藍圖變?yōu)閷嵨?，甚至成為工業(yè)產(chǎn)品。這些場所也是課堂教學的重要部分：如工程制圖、計算流體力學等課程，學期內(nèi)每天都有大量助教幫助每一位學生幾乎開始從零編程指導，由易到難的在短時間內(nèi)通過各種算例來深刻領會基本原理、程序架構，進而掌握設計原理和物理本質(zhì)。戴森中心則設立各種科技競賽，提供專業(yè)輔導教師，吸引著無數(shù)學生“熬夜苦戰(zhàn)”來實現(xiàn)他們的各種“怪點子”。

英國課程本身時間很短，一學期只有8周，因此課堂內(nèi)基本只能介紹提綱和重要核心思想。整個教學活動需要學生課后閱讀大量書籍文獻、做習題、做實驗去補充。這既離不開學生的自主性，更離不開大量充足的實驗設備資源以及一對二甚至一對一的課后輔導環(huán)節(jié)（Supervision）。充分的師生互動，讓學習過程更高效、扎實。與美國學校的實用至上相比，英國高校似乎是“理論派”，更注重理論扎實、推導嚴密的教學科研模式。工科很多課程“一考定終生”，一次期末考試，題量極大，且以“長篇”理論計算、公式推導題目為主。不少美國留學生也抱怨這種教育體制，幾乎沒有平時成績，動手少，動腦動筆多。

近年來流行觀點認為“英國人數(shù)學弱”，殊不知這里孕育了大量著名近代數(shù)學物理學家，且精英階層仍是理論扎實邏輯嚴密，或許這也是為什么時至今日，這里仍能吸引來自哈佛、麻省理工等不少美國本科學生前來這里學習理科的原因。此外，有意思的是，劍橋大學近百年來有在“參議院”（senator house，相當于機關大樓）公開張貼學生成績排名的傳統(tǒng)，部分學院甚至“按排名選宿舍”，頗有我國高中曾流行的教學手段。

與中國大學相比，僅就硬件設備而言，很多領域我國頂尖高校早已領先，但限于教學資源，像這樣為學生提供高質(zhì)量實踐平臺，用豐富師資來實現(xiàn)“理論-實踐-應用-開發(fā)”式的課后跟進輔導、拓展仍難以實現(xiàn)。本科生可能更關注的僅僅是期末考試成績，習題做了多少，而且學習的內(nèi)容也有些與社會發(fā)展脫節(jié)?？梢云诖氖牵覈糠指咝？萍计脚_日趨成熟，科創(chuàng)競賽、產(chǎn)學研結合進展迅猛，盡管可能學生參與深度與質(zhì)量有待提升，課外運行培養(yǎng)機制還在摸索之中，但相信我國高校的軟實力提升也只是時間問題，未來一定會涌現(xiàn)更多的世界一流大學和人才。

責任編輯：陳肖