飞行员在云中为何分不清上下？（空间定向障碍）

空间定向障碍

在云中，飞行员可能失去对上下方向的判断，这种情况叫空间定向障碍。听起来不可能。你会以为倒飞肯定感觉得到。1999年7月16日夜，一架小型单发飞机沿康涅狄格州海岸向东飞往玛莎葡萄园岛。

小约翰·F·肯尼迪驾驶飞机，机上还有2名乘客。他有约310小时飞行经验，其中夜航约55小时。他还没有仅凭仪表飞行资格。当晚没有暴风雨。

但有薄雾，夜色很暗；其他飞越海面的飞行员都说完全看不到地平线。飞机在距该岛约11公里的开阔海面开始连续转弯。随后滚入右转，坡度不断增大，机头开始下沉。下降结束时，下降率约为每分钟1430米，也就是每分钟超过4700英尺。

最后一次雷达回波出现在晚上9点40分，当时飞机在海面上方约340米，也就是1100英尺。机上3人全部遇难。接在无线电上的小录音机被发现时已摔碎，未留任何内容，所以没人能确知他最后几分钟的感受。为什么驾驶飞机的人感觉不到飞机正俯冲向海面？

外界消失后，飞行员还能控制飞机多久？1954年，研究人员把20名飞行员置于模拟云层，计时他们能控制多久。他们的发现稍后再说。先从旋转椅上的飞行员说起，再讲改变飞行史的1929年飞行。

旋转椅上的飞行员

1926年，旧金山克里西机场，陆军飞行员威廉·奥克坐上旋转椅。飞行外科医生戴维·迈尔斯上尉主持测试。这是医生测试平衡感用的巴拉尼转椅。奥克闭眼，迈尔斯转椅。

奥克分不清椅子是否在转，也分不清转向。接着换法。他们把转弯仪放进带小灯的鞋盒；它显示飞机是否转弯。椅子转动时，奥克只看盒内。

这次他能准确判断方向和速度。身体没通过，仪表通过了。奥克多年推动陆军训练飞行员用仪表飞行。1932年，他与卡尔·克兰中尉合写《Blind Flight in Theory and Practice》，即《盲飞理论与实践》。

1943年，他去世1年后，军方定其方法为全军飞行员标准训练。今天空军仍用旋转训练器，让学员安全感受错觉。要知身体为何出错，得看耳朵。

耳中的陀螺仪

地面上，上下感主要来自眼睛。美国航空监管机构FAA称，方向感最多90%来自视觉。其余来自身体：皮肤压力、肌肉关节信号，以及每只耳朵深处的小器官。它叫前庭系统，即内耳平衡系统。

前庭系统有两类传感器。第一类感知转动。想象3个装液体的小环，彼此呈直角。这就是半规管。

三个环分别感知点头、左右摇头和头向肩倾斜。头开始转时，液体会滞后，像突然旋转杯中的咖啡。杯子转了，咖啡暂时不动。滞后的液体使细毛弯曲，告诉大脑你在转。

设计巧妙，却有两个弱点。第一是转得太慢。转弯若足够平缓，液体几乎不滞后，细毛几乎不弯。飞机滚转足够慢且平顺，飞行员可能毫无感觉；安全指南以每秒约2度为经验标准。

略低于这个速度，飞机的机翼十五秒内能倾斜二十或三十度，飞行员仍无感觉。实验室里，黑暗中的人能察觉一些低于每秒1度的短暂运动；能忽略多慢还取决于持续时间。驾驶舱却不是安静实验室。第二是时间。

稳定转动约10到20秒，液体会追上半规管。细毛变直，转动感消失。你仍在转，身体却告诉你已停下。真停下时，液体向另一侧晃，你会觉得朝相反方向转。

第二类传感器叫耳石器官。这里，感知毛在细小晶体层下，晶体比周围凝胶重。歪头时，重力拉动晶体，感知毛弯曲。所以耳石器官告诉你下方在哪。

但它也有弱点：分不清重力和加速度。飞机向前加速，晶体向后滑，就像头向后仰。美国空军手册说，仅凭耳石器官信号，几乎不可能找出真正下方。地面上，眼睛通常能理清这些混杂信号。

云中或夜间飞越黑暗海面时，眼睛没有参照物。

倾斜错觉与墓地螺旋

把这些弱点放进云中驾驶舱。一侧机翼缓慢下沉，慢到内耳察觉不到。飞行员毫无感觉。耳石器官也不会察觉，原因如下。

平稳协调转弯时，转弯推力与重力合成一力，正指向座椅。所以身体的“下方”仍指向机舱地板。无人修正倾斜，机翼升力减小，机头下沉。飞机加速并下降。

高度表显示高度；飞行员看到读数下降，常后拉杆抬头。但飞机倾斜时，后拉操纵杆只会收紧转弯。下降更陡更快。飞行员称之为墓地螺旋。

这是快速紧密的下降转弯，不是尾旋，因为机翼仍产生升力。FAA宣传册称墓地螺旋比墓地尾旋常见。螺旋中，飞行员可能感觉下降却感觉不到转弯，仿佛直线俯冲。现在，假设飞行员确实察觉到了，并猛地把机翼拉平。

半规管里的液体晃动，身体告诉你飞机向另一侧倾斜。飞行员于是把飞机压回原来的倾斜方向。这叫“倾斜错觉”，FAA称其为飞行中最常见的错觉。FAA安全通告引用大规模飞行员调查：45%说，机翼改平后，他们往往又向另一侧倾斜。

百分之三十九的人说，飞机实际转弯时，他们却感觉自己平直飞行。还有一种错觉，会在飞机加速时出现。飞机突然向前加速，耳石晶体向后滑，飞行员感觉机头抬起。这叫“躯体重力错觉”。

感觉机头抬起时，飞行员可能在起飞或中止着陆时把机头压向地面。注意，这一切都没有天旋地转的感觉。空间定向障碍通常不是眩晕。身体往往不惊慌，只是平静地报告错误答案。

178秒

这让我们回到模拟云层里的20名飞行员。1954年，伊利诺伊大学团队想教没有仪表训练的飞行员活着飞出云层，先测他们无帮助时能撑多久。研究由AOPA的一个基金会资助。AOPA是美国飞机所有者和飞行员协会。志愿者是20名19岁到60岁的飞行员：19人有私人执照，1人是学生，没人按仪表飞过。

他们驾驶常见的4座比奇·博南扎，机上有教员。窗户盖着琥珀色塑料，每人戴蓝色护目镜，只能看仪表板。研究人员遮住人工地平仪，也就是显示天空图像的仪表，对飞行员来说就像飞进几乎无参照的云层。20人中19人进入墓地螺旋。

第20人把机头抬得太陡，飞机差点失速。最快的那个人20秒后失控。最长480秒，也就是8分钟。平均178秒，刚好不到3分钟。

后来飞行训练反复引用这个数字，称作“178 seconds to live”。但这是20人的平均值，实际范围很大。最近一篇文章甚至写成研究于2003年，但研究实际来自1954年。接下来这部分反而不常被引用。

研究人员给同一批飞行员上了约4小时课，只教一套简单的脱离云层程序。双手离开操纵杆，让飞机减速自行飞行；只用方向舵和小转弯指针缓慢转180度，再沿来路飞出。最终测试中，每人完整执行3次，共60次。唯一一次失败，是有人忘设动力，飞机慢慢掉高。

改变的是他们信任的东西。之前靠身体感觉飞，之后看仪表板指针，并把手放开。即使训练过，从相信身体到相信仪表也不会立刻完成。FAA通告说，即使合格的仪表飞行员看不见地面，也可能长达35秒才能完全用仪表控制飞机。

研究人员遮住的人工地平仪，恰是最重要的仪表。身体不可靠时，为什么它可信？

陀螺仪表：旋转的陀螺如何保持方向

答案从一个玩具说起。把陀螺转起来，它就立在尖端。旋转轮子会抵抗倾倒。飞行员教材称之为“空间刚性”：旋转陀螺仪会始终指向同一方向，不管周围发生什么。

1852年，法国物理学家莱昂·傅科把它命名为“陀螺仪”，词源自希腊语，大致意为“转圈”和“观察”。他用它证明地球在下方转动。旋转轮子还会做一件怪事。推旋转轮子，它不会朝推动方向倾倒。

它反而转向侧面，仿佛推力延迟四分之一圈才到。这叫“进动”。把高速旋转轮子装进框架，让飞机能绕它自由转动。飞机倾斜时，轮子保持水平，仪表外壳绕它转动。

把地平线图像连到轮子上，就得到姿态仪，也叫人工地平仪。它显示小飞机符号，旁边是一条始终与真实地平线水平的线。这是一条能带进云层的地平线。许多小型飞机用发动机驱动真空泵抽气，气流让轮子持续旋转。

不同于耳内液体，轮子不会20秒后失去作用。它并不完美：猛烈加速或长时间转弯后，约1分钟内可能偏差几度，但不会像内耳那样悄悄失效。但总得有人先把这个旋转轮子装进飞机。

放开双手：第一台自动驾驶仪

20世纪初，美国发明家埃尔默·斯佩里为军舰造陀螺罗盘。他的儿子劳伦斯想把陀螺仪装进飞机。1914年6月18日，他在法国得到机会。巴黎附近的塞纳河举行航空安全竞赛。

21岁的劳伦斯·斯佩里驾驶装有陀螺稳定器的柯蒂斯水上飞机。飞过评委时，他把手离开操纵杆。机械师埃米尔·卡尚爬出机舱，沿机翼走。飞机下倾，稳定器自行拉回水平。

斯佩里赢得50000法郎奖金。到1918年，斯佩里公司已为飞行员测试转弯仪。劳伦斯·斯佩里没活到盲飞成为常规。1923年12月，他在雾中飞越英吉利海峡时坠机，31岁去世。

飞机坠毁原因不明。

1929年9月24日：第一次盲飞

20世纪20年代，飞行员飞进雾里很可能失控。飞行员一看不见地面，就反复进入螺旋俯冲并坠毁。奥克和同事卡尔·克兰中尉甚至把蒙眼鸽子扔下飞机。失去视觉后，鸟和云中飞行员一样失去方向感。

1926年，商人丹尼尔·古根海姆设立250万美元基金，让飞行更安全。目标之一是在雾中安全飞行。基金在纽约附近米切尔机场设立全飞行实验室。试飞员是陆军军官吉米·杜立特。

杜立特用布帘罩住驾驶舱，练习100多次。他依靠新仪表，其中3种最关键。第一种是保罗·科尔斯曼制造的新型高度表，比当时标准高度表精确得多。第二种是埃尔默·斯佩里二世制造的人工地平仪，他是劳伦斯的弟弟。

第三种是无线电信标，告诉他是否在航线上；他通过带振动金属簧片的仪表读出信号。1929年9月24日，杜立特驾驶联合飞机公司NY-2双翼机起飞，驾驶舱布帘完全放下。他飞约15分钟，转弯后返回着陆。他从未看见外面的世界。

安全飞行员本·凯尔西中尉坐在前舱，双手举起，人人都看得见。杜立特后来写道，据他所知，这是第一架仅凭仪表起飞、按既定航线飞行并着陆的飞机。云中飞行的规则渐渐形成：相信仪表，不信身体感觉。但拥有仪表是一回事，信任它又是另一回事。

当身体感觉胜过判断

FAA安全手册称，空间定向障碍导致通用航空事故的5%至10%，即航空公司和军方之外的飞行事故。其中约90%致命。2025年，FAA研究人员分析了2003年至2021年的367份致命事故报告。在390起空间定向障碍事故中，94%致命。

他们还发现，这类事故与飞行时间不足500小时的飞行员密切相关。空间定向障碍不常见，却通常致命。2000年8月23日，海湾航空的一架A320夜间飞越海面，准备在巴林着陆。机组在跑道附近低空绕小圈，随后放弃着陆，爬升重试。

不到1分钟后，飞机撞入浅海，143人全部遇难。调查发现，机组很可能经历了某种空间定向障碍。机长可能错误地感觉飞机正在抬头。这就是前面那种错觉：飞机加速且飞行员看不见外面时会出现。

2004年1月，闪光航空的一架波音737夜间从埃及沙姆沙伊赫起飞，飞越红海。起飞约2分30秒后，飞机坠海，148人全部遇难。埃及调查人员说，找不到可能原因的确凿证据。美国调查人员不同意，称只有空间定向障碍能解释全部证据；法国BEA也指出空间定向障碍，并提到疲劳。

2020年1月26日，一架西科斯基S-76直升机飞入洛杉矶以西卡拉巴萨斯附近云层。机上有篮球运动员科比·布莱恩特、女儿吉安娜和另外7人。飞行员经验丰富，告诉空管飞机正爬升至4000英尺，约1200米。实际上，直升机刚爬至最高约720米，即约2370英尺，随后左转下降。

约20秒后撞上山坡，9人全部遇难。NTSB认定，飞行员坚持目视飞入云层，导致空间定向障碍并失去控制。NTSB公布结果时，主席罗伯特·萨姆沃尔特说：“遗憾的是，我们仍看到同样的问题影响本来经验丰富的飞行员，导致他们作出糟糕决定。”巴林和卡拉巴萨斯两起事故中，调查人员都没发现飞机本身故障迹象。

身体讲出的故事，听起来更有说服力。

当仪表本身失灵

那么，飞行员该永远相信仪表吗？不能盲信，仪表也会失灵。小型飞机真空泵失灵，陀螺仪会减速漂移。有些飞机有警示灯，但飞行员仍须注意。FAA利用AOPA事故数据的报告称，真空故障每年约致3起事故，占空间定向障碍事故约11%，其中约90%致命。

1978年1月1日，印度航空波音747夜间从当时称为Bombay、如今称为Mumbai的城市起飞，飞越海面。调查人员认为，右转时故障姿态仪导致事故。黑暗海面上没有地平线可核对，飞机持续左滚超过90度。调查发现，机组没用其他仪表改正姿态。

起飞几分钟内，飞机在离岸约3公里处撞海，213人全部遇难。1999年12月22日，韩国航空波音747货机天黑后从伦敦斯坦斯特德机场起飞。前一趟飞行中，机长姿态仪曾被报告横滚显示不可靠。故障报告无误，但斯坦斯特德维修针对错部件，故障仍在。

起飞后，飞机已倾斜，机长姿态仪仍显示机翼水平。机长与副驾驶仪表读数不一致，警报响了3次。飞行机械师喊：“倾斜，倾斜。”两名飞行员都没回应。但机长继续左滚，直到倾斜约90度。

撞地时机翼近乎垂直，机头下俯约40度。起飞不到1分钟，飞机撞上大哈林伯里村边缘田地。机上4人全部遇难：3名飞行机组人员和1名公司工程师。英国调查人员发现，飞行员没有恰当回应警报。他们还发现，副驾驶要么没监控飞机姿态，要么没提醒机长。

所以教训不只是“相信仪表”。而是要互相比较，因为一个仪表可能出错，像一只内耳也可能出错。这就是大型飞机配备多个姿态仪和一个备用地平仪的原因。同样思路，即两个传感器互相核对，也装进了你口袋里的设备。

口袋里的陀螺仪

手机有陀螺仪，但里面没有东西旋转。它是刻在硅片上的微小结构，会来回振动。手机旋转时，振动部件会受到一点侧向推力，这就是科里奥利效应，即旋转产生的侧向推力。测量这股推力，就知道手机转得多快。

把转动速率随时间累加，就得到手机转过的角度。但每个微小误差也会累加，角度因此慢慢漂移。手机还用加速度计，即感受重力的传感器，判断下方并修正漂移，至少手机基本静止时如此。一个传感器测转动，一个测下方，和你的内耳是同一对。

加速度计和耳石器一样，分不清重力与加速度。现代驾驶舱用相关系统AHRS，即姿态和航向参考系统，跟踪飞机倾斜和方向。它把飞机姿态传到飞行员主屏幕，不需要旋转的轮子。宇航员则从另一面遇到内耳问题。

在轨道上，耳石器不再感受稳定重力牵引。约65%至70%的航天飞机乘员在最初3天出现太空运动病。一种解释是，大脑得重新学会理解耳石器信号。地球上的晕动病，无论在汽车里还是虚拟现实头显中，也常这样解释：感官不一致，常是眼睛和内耳不一致。

那鸟类呢？热带大型海鸟军舰鸟经常在积云中翱翔，有时高度约4000米。一项分析认为，它们在云中盘旋上升天生稳定，无需大幅修正。但20世纪20年代被蒙眼的鸽子失去了方向感。

相信仪表

飞行员为什么会在云里分不清上下？因为人体平衡系统是为睁眼在地面生活而设。它察觉不到缓慢转弯，也会忘记持续转动，还分不清重力和加速度。地面上，眼睛弥补这些弱点；云里没有。

飞行员在云中飞行的历史，就是造出更好的陀螺仪并学会相信它。1954年，20名飞行员平均不到3分钟便失控。约4小时课程后，同一批飞行员60次尝试中59次安全脱离。改变的是，身体和仪表不一致时，他们选择相信什么。

回到1999年那片黑暗海面，那架飞机里的仪表很可能正常工作。在云里，难点不是看不见，而是相信仪表板告诉你的事。