方向舵与飞机的两种侧滑
方向舵与飞机的两种侧滑
方向舵（Rudder）
自飞机的发明以来，方向舵（Rudder）存在的意义其实是被夸大的。尽管它属于三大主操纵面（Primary Flight Control）之一，但它的作用其实是一种辅助。尽管它被命名为方向舵，但是我们知道飞机的转弯和它并没有直接关系。方向舵在转弯中的作用只是抵消副翼的反向偏转（Adverse Yaw）而已。当然，除了反向偏转力，方向舵还需要抵消垂直稳定翼和机身所产生的阻力。 有些测验机型的设计把方向舵和副翼连接了起来，使副翼和方向舵永远协同变化。 这样设计的飞机不需要飞行员操作方向舵，便可以很稳定甚至更稳定的转弯，保持协调（Coordination）。这里值得一提的是这些测验机型上副翼和方向舵的连接是机械的，副翼和舵的协同率是线性的。这导致了不同空速下的协同效果并不是很完美。但实验证明这种机械的协同效果依然要比飞行员的操作更协调（Langewiesche, 1972, p. 186)。
当莱特兄弟第一次驾驶飞行者一号的时候，他们并没有把方向舵设计在内。尽管最终型号的成功飞行得力于方向舵的添加，但是莱特兄弟自始至终都明白方向舵的作用只是用来在转弯时抵消阻力而已（Langewiesche, 1972, p. 185)。那么除了在转弯中抵消反向偏转力，机身阻力之外，方向舵是否还有其它的存在意义呢？ 有。 比如说单发螺旋桨飞机有时需要右舵来抵消机头左倾（Left Turning Tendancy)。比如说失速（Stall）状态下方向舵能够改出尾旋（Spin）。再比如说侧风进近时的修风（Cross Wind Correction）。
可是机头左倾可以通过飞机的设计来改良，事实上大多数单发螺旋桨飞机的发动机和螺旋桨其实都是向左倾斜偏置的。更何况只要飞机的起落架不是尾轮布局（Tailwheel Landing Gear），起飞的左倾其实是完全可以通过操作前起落架的转向来抵消的（Langewiesche, 1972, p. 177)。然而对于方向舵能够改出尾旋这一用途也显得有些牵强。因为以常规姿态飞行的飞机，本身就不应该被处于失速的状态，或者临近失速的危险当中。
可能最能显示出方向舵作用的就是进近时的修风了。可是对于常规起落架布局（Tricycle Landing Gear）的飞机来说，无修风姿态着地只是增加了起落架的压力而已，只要侧风在一定风限以内，安全落地依然是没有问题的（Langewiesche, 1972, p. 186)。
内侧滑与外侧滑（Slip and Skid）
顾名思义，内侧滑指的是机头偏向预计转弯轨道以内，我们可以把它看作是转弯过度。而外侧滑指的是机头偏向预计转弯轨道以外，可以看作是转弯不足。转弯时，方向舵的输入不足直接导致内侧滑（Slip），输入过量则直接导致外侧滑（Skid）(Udris, par. 7,par.13) 。方向舵与副翼的协调匹配，成了飞行员训练的着重点之一。首先我们需要搞清楚为什么飞机转弯需要随时保持协调（Coordinated）。 其实飞机的转弯和摩托车是一样的。 摩托车转弯的主导动作并不是通过转动把手来改变前轮方向，而是通过侧倾。侧倾好比是飞机的翻滚角（Roll Angle），前轮把手就好比是方向舵（Rudder）。不过，在转弯的过程中，摩托车可要比飞机稳定得多了，因为不管摩托车手以多少半径转弯，摩托车+车手的倾倒重量永远是与转弯产生的离心力完美抵消的。 在一个转向率不变的弯道中，摩托车手所受的离心力始终垂直于他的座椅。这是一种平衡，和飞机转弯时的协调（Coordination）是一样的。 一旦这种平衡被打破，摩托车的转弯就无法完成。飞机也是一样。不协调的转弯（Uncoordinated Turn）会打破这种平衡，所以此时飞机的姿态是不稳定的。这种转弯的协调性在滑翔机（Glider）上尤为明显。滑翔机机身轻，机翼长，垂直稳定翼大，反向偏转（Adverse Yaw）力极大。在滑翔机上如果忽略方向舵的操作，光靠盘（Aileron）的输入基本上是不可能实现转弯的。协调转弯对于滑翔机更加重要。所以滑翔机上同样也有转弯协调表（Turn Coordinator）。但与动力飞机（Powered Aircraft）不同的是，它是一根短绳，粘在驾驶舱的外部。绳子的直与斜直接反应了转弯的协调性。因为协调的转弯是稳定的，而稳定的转弯就来自于平行于机身的相对风（Relative Wind)。相对风要是平行于机身，绳子就是直的，反之则是斜的。转弯的协调性就是如此的重要。
这种转弯的不协调就是内侧滑与外侧滑的开始。
外侧滑（Skid）
相对于内侧滑（Slip）来说，外侧滑（Skid）更不利于安全飞行。外侧滑更不利于安全飞行的原因是在飞机低空速，大攻角（Angle Of Attack）飞行的时候更容易导致失速尾旋（Spin）。 原因有三：
一，外侧滑使得转弯外侧的机翼空速比内侧机翼略快，使得外侧机翼升力大于内侧机翼，因此导致飞机产生向转弯方向内侧翻滚动作。这种向内翻滚的姿态很容易使飞行员在无意中向右打方向，此操作更大一步增加了内侧机翼的攻角。导致内侧机翼先于外侧机翼失速，使得飞机濒临进入尾旋(Udris, par. 7)。
那么问题来了，外侧滑这种姿态存在的意义在哪里呢？我认为对于以常规姿态，正常，安全飞行的飞机，外侧滑的存在毫无意义。踩方向舵导致外侧滑，外侧滑容易导致失速尾旋，而改出失速尾旋的关键又是踩反向舵，那么导致外侧滑的舵我们又有什么去踩它的必要呢？因为这并不是一种稳定的状态。
内侧滑（Slip）
如上所述，在飞机转弯时，外侧滑来自于过多的方向舵输入。而内侧滑，则来自于方向舵输入的不足。内侧滑虽然也不是一个稳定的飞行状态，但它要比外侧滑安全。原因是飞机内侧滑时，转弯外侧机翼的攻角一定会高于内侧机翼。如果发生失速，外侧机翼一定是先失速的那一边。这就导致了本来高过内侧机翼的外侧机翼失速后促使飞机恢复水平姿态（FAA, p. 4-9)。尽管两边机翼依然会有同时失速的可能，但至少避免了直接进入尾旋的风险。
内侧滑分两种，前侧滑（Forward Slip）和横侧滑（Side Slip）。要区分理解这两种内侧滑的差异，通过实际操作来感受很重要。前侧滑和横侧滑都是通过交叉操作（Cross Control）来实现的。比如：左盘（Aileron）+右舵，或者右盘+左舵。 我把他们看成是一种更加夸张的内侧滑，因为对于协调的转弯来说，反方向踩舵导致他们的方向舵输入更加不够，也严重不够。那么同样都是交叉操作，前侧滑和横侧滑的区别在哪里呢？我认为他们的区别在于，一，盘（Aileron）和舵（Rudder）的交叉输入量不同。二，各自侧滑的功能不同。当我们侧风进近修风的时候，上风盘下风舵（Upwind Aileron Downwind Rudder）是烂熟于心的准则。当我们用方向舵将机头对直跑道，并用驾驶盘将机身对准跑道中心线的时候，我们所作的就是横侧滑。也就是说，在静风时，横侧滑失去了意义，它本身也就不存在了。 而前侧滑则是可以在静风和侧风中存在的。当我们用横侧滑进近修风时，如果我们加大上风盘和下风舵的输入量，使得机头不再指向跑道，而同时保持地面航迹(Ground Track)依然对直跑道，这就是前侧滑。比起横侧滑，前侧滑更加夸张的增加了飞机的迎风面积，极大增加了风阻。所以前侧滑的用途便是把飞机在空中所剩余的能量，以最大的效率消耗掉。(Clay, 2017)
方向舵？
综上所述，不论是哪种侧滑，方向舵都是操作中的主导因素。可是问题来了，我们侧滑的理由是什么呢？不论内外侧滑，飞机在空气中的状态都不是稳定的，也不是最安全的。不仅如此，侧滑状态下的飞机离心力不再完全垂直于座椅，这也会让乘客感到不适。如果我们需要用前侧滑来消除飞机剩余的能量来减速或者降低高度，这已然是提前量预判的失败，或者是准备工作的不足，再或者，那就是如加航143 Gimili Glider一样的紧急情况。如果在正常进近的时候需要通过前侧滑来降落的话，最安全的选择依然是复飞。对于横侧滑修风，文章开头已经提到过，常规布局的起落架是可以在一定风限内安全降落的。对于外侧滑就更不用提了，因为它本身就没有存在的必要。所以，方向舵的存在确实只是一种辅助罢了。
参考:
Langewiesche, Wolfgang. “Stick And Rudder”, 1972. Chapter 11-12.
"Why Skids Are More Dangerous Than Slips." Boldmethod.com. N. p., 2019. Web. 6 June 2019.
“AIRPLANE FLYING HANDBOOK”. FAA, Chapter 4 “Maintaining Aircraft Control: Upset Prevention And Recovery Training”.
"Forward Slips Vs. Side Slips | Clayviation." Clayviation. N. p., 2017. Web. 6 June 2019.
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