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《薩利機長》物理好,才會有哈得遜奇蹟?

電影《薩利機長》劇照。圖/IMDb

電影《薩利機長》劇照。圖/IMDb

電影《薩利機長:哈得遜奇蹟》中,重現了全美航空 1549 號航班的機長心路歷程。在這部片子中,其實重現了很多航空技術與科學的樣貌,到底有哪些東西跟科學有關呢?就讓我們一段一段剖析。

source:電影海報

source:電影海報

沒有前例、沒有預警的一件飛安意外,發生於 2009 年 1 月冬天的紐約上空,溫度還沒冷到湖面結冰、也因此迎來了忙著遷徙的加拿大黑雁。就這麼不湊巧地,擔任全美航空 1549 號航班的 A320 客機和這群加拿大黑雁的飛行航線重疊,鐵鳥撞上一群重 7 至 9 磅( 3 至 4 公斤)的鳥,就成了今日主題中的飛安事件。

於出事客機的 1 號引擎發現的飛鳥羽毛。圖/由National Transportation Safety Board @ wiki

於出事客機的 1 號引擎發現的飛鳥羽毛。圖/National Transportation Safety Board @ wiki

飛行員用「摸」的控制飛機?

很多看過的朋友常常問筆者,飛行員不論是操控實際的飛機、或者是模擬機,為何看起來就像是打電動一樣輕鬆?好像飛行員在握操控桿都絲毫不費力?

事實上,空中巴士的駕駛艙設計,飛機駕駛艙與機翼上面的各控制面之間,不再有鋼纜連結,而是改用電纜、利用數位訊號連結。這個稱為「線傳飛控(Fly By Wire、簡稱 FBW)」的駕駛艙科技,自協和號客機開始,至今已是二十一世紀客機的標準介面。透過線傳飛控的技術操控後,飛機只要有「電力」和「液壓」,飛行員的操控只要輕輕地搖動手上的搖桿、就可以更改飛機的姿態,電腦也會自動協助進行飛機姿態平衡的細微控制,不再需要飛行員手動操作。

典型的飛控操作示意動畫。圖/Piotr Jaworski @ wiki

典型的飛控操作示意動畫,而線傳飛控的技術不需要鋼纜或絞鍊,只需要電力和液壓即可操控。圖/Piotr Jaworski @ wiki

在 FBW 的技術下,新一代的飛機不僅能保護飛行員不會對飛機做出不合理、不安全的飛行姿態,當飛機發生異常時,只要電力系統保持運作、電腦系統功能正常、飛機外型無受損的情形下,飛行員可以更輕鬆地維持飛機安全的飛行姿態,保留腦袋與體力思考如何讓飛機可以安全落地,於是,全美航空 1549 的成功迫降,新一代的駕駛艙居功厥偉。

高度,就是生命

在全美航空 1549 航班的案例中,客機才剛起飛、爬升至 3,000 英呎(約 1,000 公尺)的高度下,就撞上了一群鳥、並導致飛機雙發動機同時熄火無法產生推力。飛機發動機熄火之後,不只是飛機喪失推力,飛機的電力、液壓、空調系統都來自於發動機,等同於飛機的心臟停止跳動。因此,薩利機長在得知雙發動機失效的一個關鍵舉動,就是啟動位於飛機機尾的輔助動力單元(APU),確保飛機的電力和液壓系統運作,讓飛機有良好的操控能力能進行迫降。

相信大家都很清楚,飛機在天上翱翔時,會受到四個力的影響,包含往下的地心引力、由發動機產生往前的推力、當機翼獲得速度時產生往上的升力、以及飛機前進撞上空氣時的空氣阻力。

當飛機所有發動機都失效時,因為沒有辦法產生往前的推力,空氣阻力就會讓飛機的速度變慢,隨著速度變慢、機翼產生的升力越小、飛機就越難抵抗地心引力。當飛機喪失推力之後,飛行員第一件要做的事情,就是要讓飛機維持安全的空速、讓機翼產生足夠的升力、維持穩定的飛行姿態,避免飛機因為空速不足導致「失速」、造成飛機失控。這時,飛行員會利用地心引力當作飛機的推力,讓飛機所喪失的高度(位能)轉換為動能、進而保持飛機的速度。

每一架飛機設計時,會有其對應的「最佳滑降率」,也就是飛機可以一面下降又能保持在一定的安全空速,這個最佳滑降率的數值其實很常見,每當飛機離開巡航高度、逐步下降時,飛行員也會盡量讓飛機保持在最佳滑降率下降,藉此不僅可保持飛機的安全、也能達到最省油的效果。一般來說,最佳滑降率通常是每分鐘下降 1,000 英呎左右,但是,全美航空 1549 航班遭遇鳥擊、且飛機失去動力時,高度僅有 3,000 英呎,代表飛機以最佳滑降率下降時,飛機僅有約 3 分鐘的滯空時間,以飛機水平時速 300 公里計算,最遠僅能飛到 15 公里以內的機場,也因此促成了在河面上迫降的關鍵決定。

全美航空 1549 號班機起飛到迫降的航線。圖/S. Bollmann @ wiki

全美航空 1549 號班機起飛到迫降的航線。圖/S. Bollmann @ wiki

對於飛行員來說,「高度」幾乎等於飛行員的生命,所以在不同的電影中,都可以看到飛行員在飛機發生狀況時、先把飛機拉高以爭取反應時間的橋段。例如在《薩利機長》一片中,有一個橋段是機長在空軍服役時、因為戰機的操控系統故障,第一時間就是先爬升高度爭取排除問題的時間與空間;同樣的在國片《想飛》中,男主角在 IDF 戰機遭遇雷擊時,第一時間也是先爬升高度以爭取時間。只不過,這個關鍵要素在全美航空 1549 航班的案例不存在,因此,只好去找一條河迫降了。

保持迫降時的完整外型

大家都知道,一般噴射客機的外型設計,通常是把發動機掛在主翼之下,這種設計對於飛機配重的穩定性、油料供給效率、以及飛行效率等都是相對較佳的設計。但在水上迫降時,因為飛機無法伸出起落架發揮降落的緩衝功能,所以掛在飛機主翼底下的發動機,就是飛機迫降時第一個接觸水面的主要外型結構,也成為了極度危險的阻力體,如果飛機任何一邊的發動機先觸水時,可能會導致飛機機身翻滾,導致機身破裂。

因此,當飛機最後階段準備迫降在水面時,機長特別讓飛機在可控的前提下、把飛機仰角提高,因此當飛機接觸水面時就不是只有主翼左右兩側的發動機、而是讓發動機和機尾幾乎同時接觸水面,使得飛機接觸水面的接觸面更多,減輕結構壓力,讓機身保持完整浮在水面上。

US 1549 迫降於哈德遜河後的畫面。圖/Greg L - originally posted to Flickr as Plane crash into Hudson River,CC BY 2.0

全美航空 1549 班機迫降於哈德遜河後的畫面。圖/Greg L – originally posted to Flickr as Plane crash into Hudson River,CC BY 2.0

全美航空 1549 航班的案例中,站在物理學的角度來看,就是一個飛行員在系統功能完整的情況下,努力利用各種可使用的條件(高度、距離、飛機可伸出的外型)、抵銷飛機的位能與動能,但是下降過程中仍然要保持飛機的安全速度(動能)以保持操控性與安全性。因此到了飛機即將迫降至河面的最後階段,機長下令伸出飛機的襟翼、增加機翼面積以降低飛機的安全速度;在迫降前一刻,機長讓飛機仰角增加,以做出在電腦容許範圍內的最大仰角減低速度。在多重手段的搭配下,飛機最終安全迫降於河面上,並保全所有機組人員與乘客的性命。

看完以上的剖析,你也許會問筆者,下次身為乘客碰到這種事情時,該怎麼辦?筆者誠實的告訴你,這時唯一能做的,就是低頭、彎下腰,相信前面那兩個飛行員,剩下的,就交給天了……。

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關於作者

fabg

從小就追著火車和飛機跑來跑去的宅小孩,生活的最大興趣就是研究交通工具,後來發現交通工具富含許多常見的科學原理,加上與「人」的互動後更呈現了多樣化的樂趣,於是決定努力鑽研、把自己研究的小小發現用淺顯易懂的方式與普羅大眾分享。現為國語日報科學版專欄作者、經營自己的Blog:「fabg@運輸邦」 (Blog網址:http://fabg.pixnet.net/blog)