在剑桥大学上飞行体验课

马云飞

冲碧空，转云端，坠瞬间，这不是战斗机训练，而是客机飞行，不是发生故障失控，而是一门飞行体验课程。

上天实战

寒冬，剑河河畔白露为霜。米迦勒学期末（Michaelmas Term， 10月-12月） ，航空专业四年级的“学霸们”不但要应付一大堆书面作业，还要接受飞行控制课的实战考验。

上午飞行時演示俯仰“脉冲”动作时的飞行记录，机舱内屏幕上显示的高度、速度表盘和仰角输入响应曲线。

“飞机稳定性与控制”，是航空专业本科必修课之一，理论和实践结合非常紧密：基础理论分两学期讲授飞行器稳定性和控制方法;现场实践课则承上启下，于理论课之间开展，通过体验飞机各种飞行状态，以及观察机长驾驶操控，来了解稳定性的本质与飞行控制方法。这里所述的飞行稳定性，主要包括纵/横向静/动态稳定性、操纵稳定性和失速保护，而且各种飞行状态：从静动态平衡到各方向无死角旋转，从拉升爬行到大仰角瞬间失速，无所不包。尽管之前我们先修了这些基本理论，但“纸上学来终觉浅”，书本理论和亲身体验毕竟差距太大，而且一些实施细节难以了解，比如乘客的座位安排、出现失速后如何应对。这些不仅要求飞行员将基本理论烂熟于心，更需要的是过硬的心理素质和娴熟的操纵技能。

飞行初体验

这次现场课共有16名学生，我作为博士生也参与其中。清晨，我们搭乘大巴从剑桥工程系出发，前往位于克兰菲尔德（Cranfield）小镇的英国国家飞行训练中心。“克兰菲尔德”中的“克兰”（crane）即“鹤”，“菲尔德”（field）即为旷野，野鹤们的栖居地自然视野开阔便于飞行。也许正因如此，小镇才被发展为航空基地，并在二战期间成为英国空军的军用机场。

驱车一小时，抵达僻静的克兰菲尔德小镇。下车后，长期受航空航天文化氛围熏陶的我便生出一种亲切感，机场里，各式小型飞机若隐若现地“匍匐”在黄绿色相间的旷野中，天际线处，几架飞机或降落、或盘旋，为静谧小镇增添了一丝动感。迎接我们的恰好也是位剑桥大学工程系毕业的校友穆达瑟（Mudassir），印裔英国人，博士毕业大概有三五年。这位老“三一”（即著名的三一学院）在此从事飞行控制研究工作，他同时也是位业余飞行爱好者，平时会搞些飞行培训活动。老穆用一小时向我们介绍了这次飞行体验的重点动作和关键数据，同时还“旁敲侧击”地检验了我们掌握的飞行控制知识是否达到了“剑桥标准”。这些内容中，我对于“失速”（stall）、“螺旋俯冲”（spiral dive）兴趣十足，毕竟研究过一些发动机旋转失速问题，也对飞机机翼“动态失速”略知一二。虽然“失速”一词对我来说早已见怪不怪，但事后体验仍是超乎想象。

理论课结束后准备登机。机坪上，一架崭新的捷流（Jetstream ）-31飞机引人注目。尽管该机已经服役近30年，但依然闪亮如新。舱内6排18座。登机前，老穆已然安排好了每个人的座次，我这才想起来，在理论课最后，一张个人信息统计表的奥秘所在：每人身高体重早已登记在案，前后左右早有定数，我坐在第一排，紧邻右侧舷窗。

谷歌地球显示的当日下午飞行轨迹，两次陡升陡降清晰可见，第二次陡降高度8 000英尺 （约2 400米）。

上午的体验项目有3项：纵向静稳定性、操控稳定性以及失速。飞行时需要监控重要表盘，并通过一些动态曲线来了解自动控制过程的反馈延迟性、调节程度。飞机上天，首先得满足静态平衡。这一项中，我们需要记录升降舵偏转角、气流速度、升力的变化情况，由此来验证是否满足静态平衡方程：飞机的升力主要由机翼和升降舵提供，这两个力相对重心所产生的扭矩，必须大小相等方向相反才能保持平衡。根据这一原理，飞行员可控制升降舵迎角方向来调整机身的倾斜程度。此外，飞行当然不只有“和风细雨”的平飞，在做俯仰、扭转动作时也需满足“操纵平衡”。比起静态过程，操纵过程中又加了一项“操纵力”。此时机长猛拉操纵杆做纵向俯冲-爬升运动，我们则记录飞机在弧线的法向加速度（可由机身仰角变化率得到），对应可得到“操纵力”，加上机翼和升降舵的升力，可验证这3种力矩是否平衡。此次测试中，包括我在内的第一排乘客还被调至最后一排，以此改变飞机重心，从而通过两个操纵平衡方程求得操纵点（Manoeuvre Point）。这两个过程机长都还算心慈手软，法向加速度最大也不过五分之一重力加速度。或许机长猜透了我们的心理，觉着30°左右的俯仰还不过瘾。接下来的几个动作揭开了惊悚旅程的序幕。

零重力的恐惧感

瞬间刺激开始了。首先是0.2秒内的一个脉冲机动，仰角突然猛增10°再复原，舱内一片“嚎叫”，此时我的大脑猛然充血抬不起头，但还能坚持观察飞机对这一扰动的抵抗能力，以及对应的输入-响应曲线。机身还算灵敏，尽管有延迟，还是在2秒内恢复过来。这一过程就是所谓的“短周期俯仰振荡”（The Short Period Pitching Oscillation）。由于过程非常快，飞行员一般很难控制，因此设计飞机时会通常由电控系统而非人工操纵来应对。下一项是“长周期振荡”（Phugoid Oscillation），尽管听起来好像煎熬的时间更长一些，但整个过程并不是十分痛苦。升降舵在瞬间引入一个1°左右的摆幅，飞机仰角则相应地在正负10°内上下震荡，整个振荡过程大概持续了5分钟之久——尚可忍受。

似乎机长有意给我们一份“不期而遇”的礼物，失速警报并没有拉响，一切毫无征兆，继续爬升。由于没有预警，我还故作镇定，斜眼瞄了一下窗外，参考云层判断爬升角约30°。几秒后，表盘显示仰角加速增大、速度迅速降低，恐惧感陡增，汗滴开始从两鬓沁出。5秒钟后，仰角升至60°，我开始大口喘气、心慌，遂以深呼吸来减轻难受感，觉着到此应该结束了。然而机长一个“微小的工作”——操纵杆继续拉动，各个表盘都迅速“爆表”，定睛一看速度105节，约194千米/小时，竟降到了普通动车的速度。为避免眩晕，我的眼皮已“保护性”地自主合上了，此时大脑震颤、心慌加剧。挤开眼缝，向窗外一瞥，飞机似乎“察觉”了我的“偷窥”，顷刻间，机身一阵抖动——全身冒汗、如梦中一般坠入万丈深渊——最可怕又很“熟悉”的失速发生了。

由于仰角过大，气流从机翼表面飞腾而起，飞机几乎完全失去升力，一坠“直下三千尺”，瞬间天旋地转，手中笔和本飞落一侧，差点跌进前方的驾驶室，身体仅靠安全带维系。为了抵消心慌感，我摆出男低音架势，轰隆隆地喊了出来。此时机舱氛围大变，在坐的体验者们都在“哀嚎”，极似飞机失事时的场景——东倒西歪、方向混乱，窗外嘭嘭轰鸣，舱内嚎叫一片。我们这些原本泰然自若的“勇士们”，也垂死空中惊坐起，天翻地覆入骨寒。刹那间，寒的不是气温，而是心脏强烈收缩、血液流动凝滞，顿觉“时空骤停，万劫不复”。

约2秒左右，机身宛若“潜艇沉底”，靠着自动控制，颠簸了几下，飞行高度、仰角恢复了正常。大概又过几秒，机身一转，一道斜阳从机头舷窗撒入，晃入眼中，湛蓝色与金色交相辉映，仿佛置身天宫，心理因素加之环境变幻，此时竟产生一种释然洒脱之感。此时，机长拿起话筒提示返航，实时卫星图显示，飞机已飞至30多千米开外的北安普敦上空。一个大盘旋之后，我们“班师回场”，上午体验结束。

Flightradar24网站上可以清晰看出这两次失速时速度、高度变化曲线。

螺旋俯冲鬼门关

落机后，由飞行状态转至步行状态的感觉似乎更加难受，眩晕加恶心，摆在眼前丰盛的午餐依然难以下咽。中午休息片刻后，开始传说中的魔鬼动作——螺旋俯冲，同时也是测试横向-航向稳定性（Lateral-Directional Stability）。说实话，对于下午的体验活动，我内心是十分拒绝的，当“spiral”一词从老穆口中蹦出时，或许是口音问题，还以为是“sparrow”，顿时想到了《权力的游戏》 里可恶难缠的“大麻雀”，之后才反应过来是螺旋动作。极不情愿地拖着疲惫的身体登上飞机，绑上安全带，一心只想如何对付这一惊悚动作。 最开始的体验动作如坐轿一般，滚转加旋转，有如跳藏族舞蹈，兩侧机翼翼尖画圈，我们用大笑来掩盖“嚎叫”，紧接着“旋转俯冲”，机翼的摆角渐渐增大，地平线也从正右侧移到上方并逐渐消失，整个地面出现在右侧。随后，机身继续旋转，只感觉左浮右沉前坠后仰，阳光忽隐忽现，地平线早已不知歪到哪一侧，完全失去方向感。接着，“神飞两翼纵翱翔”，一个带滚转的三维弧线划过，飞机又进行了一次俯冲-爬升，宛如空中游龙，整个测试也接近尾声。

工科教学基础实

英国人对航空运动的真爱可谓渊源已久，自弗兰克·惠特尔（Frank Whittle）设计喷气发动机以来，从科学研究、工业制造到飞行活动，处处有他们的探索和挑战。如今实验室里博士生们也有“好事者”考取飞行驾照，参加滑翔活动。其实不止这类专业实践课，即使是流体力学、湍流等一些理论课程，也有“大量实践”。工程系有两个引以为傲的地方——设计与项目工作室（The Design and Project Office）和戴森中心（Dyson Centre）。前者既是本科生计算机绘图设计模型、编程计算的机房，也是报告展示科技项目的场所，后者则是加工制造中心，让学生们的奇思妙想从蓝图变为实物，甚至成为工业产品。这些场所也是课堂教学的重要部分：如工程制图、计算流体力学等课程，学期内每天都有大量助教帮助每一位学生几乎开始从零编程指导，由易到难的在短时间内通过各种算例来深刻领会基本原理、程序架构，进而掌握设计原理和物理本质。戴森中心则设立各种科技竞赛，提供专业辅导教师，吸引着无数学生“熬夜苦战”来实现他们的各种“怪点子”。

英国课程本身时间很短，一学期只有8周，因此课堂内基本只能介绍提纲和重要核心思想。整个教学活动需要学生课后阅读大量书籍文献、做习题、做实验去补充。这既离不开学生的自主性，更离不开大量充足的实验设备资源以及一对二甚至一对一的课后辅导环节（Supervision）。充分的师生互动，让学习过程更高效、扎实。与美国学校的实用至上相比，英国高校似乎是“理论派”，更注重理论扎实、推导严密的教学科研模式。工科很多课程“一考定终生”，一次期末考试，题量极大，且以“长篇”理论计算、公式推导题目为主。不少美国留学生也抱怨这种教育体制，几乎没有平时成绩，动手少，动脑动笔多。

近年来流行观点认为“英国人数学弱”，殊不知这里孕育了大量著名近代数学物理学家，且精英阶层仍是理论扎实逻辑严密，或许这也是为什么时至今日，这里仍能吸引来自哈佛、麻省理工等不少美国本科学生前来这里学习理科的原因。此外，有意思的是，剑桥大学近百年来有在“参议院”（senator house，相当于机关大楼）公开张贴学生成绩排名的传统，部分学院甚至“按排名选宿舍”，颇有我国高中曾流行的教学手段。

与中国大学相比，仅就硬件设备而言，很多领域我国顶尖高校早已领先，但限于教学资源，像这样为学生提供高质量实践平台，用丰富师资来实现“理论-实践-应用-开发”式的课后跟进辅导、拓展仍难以实现。本科生可能更关注的仅仅是期末考试成绩，习题做了多少，而且学习的内容也有些与社会发展脱节。可以期待的是，我国部分高校科技平台日趋成熟，科创竞赛、产学研结合进展迅猛，尽管可能学生参与深度与质量有待提升，课外运行培养机制还在摸索之中，但相信我国高校的软实力提升也只是时间问题，未来一定会涌现更多的世界一流大学和人才。

责任编辑：陈肖