想飛上天和太陽肩并肩？教你3種上天的方法

“想飛上天，和太陽肩并肩……”

飛天，一直是深藏在人類心中的一個夢想，因為這個夢想，我們有了紙鳶、氫氣球、以及……現(xiàn)代飛行器。

翻看航空航天相關(guān)的書籍文獻(xiàn)，你會發(fā)現(xiàn)：目前，人類飛上天的方法只有3種！

第一，變得比空氣更輕

輕于空氣的浮空器

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

我們知道在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，空氣的平均相對分子質(zhì)量為29，只要能找到比空氣分子量更小東西，它就能在空氣中飄起來，如果足夠“輕”，甚至能把人帶“飛”，如氫氣球、氦氣球等。

中國第一個氫氣球是由晚清軍工專家華蘅芳制造的，他制造氫氣的方法，在今天看來其實很簡單，就是將濃硫酸稀釋成稀硫酸后，與鐵等活潑金屬發(fā)生反應(yīng)，從而獲得氫氣（化學(xué)反應(yīng)方程式如下），再將氫氣充入氣球內(nèi)。

H2SO4+Fe?H2↑+FeSO4

《點石齋畫報》華蘅芳的氣球升空情景

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

我們熟悉的熱氣球，則利用熱氣代替比空氣更輕的氫氣或氦氣，由于氣體的密度ρ與絕對溫度T成反比，因此可以通過升高溫度來減小氣體的密度和質(zhì)量，從而達(dá)到比空氣輕的目的。古老的孔明燈是最早出現(xiàn)的熱氣球。

熱氣球

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

氫氣球也好，熱氣球也罷，二者雖然都很好，卻難以控制它們的飛行方向，為了更好的控制飛行姿態(tài)和方向，同樣基于“變得更輕”的思想方法，人們設(shè)計制造了飛艇。

飛艇把比空氣更輕的氣體（一般使用安全性更好的氦氣）充入內(nèi)部，用以提供升力，然后在飛艇上安裝發(fā)動機(jī)為飛艇水平移動提供推行動力并借此來控制飛行姿態(tài)。

現(xiàn)代飛艇

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

第二，制造空氣壓差來升空

“制造空氣壓差”其實就是當(dāng)物體在空中飛行時，使上表面空氣流速大于下表面。根據(jù)伯努利方程，流速大的地方壓強(qiáng)小，流速小的地方壓強(qiáng)大。

若是可以制造上下表面的壓差，物體就可以獲得一個升力，要是這個升力大到足夠克服地球引力，物體就可以離開地面了！

鳥類飛行

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

鳥類是使用空氣壓差方法飛行的鼻祖，鳥類具有天生的飛行身體條件：巧妙運用空氣動力學(xué)的翅膀、由堅硬輕細(xì)的中空骨頭構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)、發(fā)達(dá)的胸肌、獨特的呼吸系統(tǒng)以及輕而柔滑的羽毛等。

鳥類能夠飛行的主要原因是因為它們掌握了“制造空氣壓差”的飛行知識。當(dāng)鳥兒在空中滑翔時，空氣在翅膀上、下部形成壓強(qiáng)差，產(chǎn)生一個向上的升力，從而可以把鳥兒托在空中而不至于往下掉[6]。

除此之外，鳥類采用積極主動的撲翼飛行來產(chǎn)生一定的氣動升力，鳥類的翅膀在撲動時，相當(dāng)于飛機(jī)的螺旋槳或噴氣推進(jìn)裝置，使鳥類可以保持持續(xù)的飛行狀態(tài)。

魯班制造木鳥

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[7]）

達(dá)芬奇的撲翼飛機(jī)圖紙

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[8]）

其實在早期，魯班制造的木鳥、達(dá)芬奇的撲翼飛機(jī)都企圖模仿鳥兒的飛行狀態(tài)來實現(xiàn)升空的目的，但他們的飛行計劃都以失敗告終，其原因就在于缺乏對空氣動力學(xué)原理的認(rèn)知，盲目模仿鳥類翅膀的幾何外形和撲動形式。

不過，當(dāng)人們開始開始了解空氣動力學(xué)并研制出像風(fēng)箏一樣的固定翼飛行器時，成功飛天的現(xiàn)代交通工具——飛機(jī)得以誕生。飛機(jī)和風(fēng)箏的飛行原理一樣，都是通過機(jī)翼上下表面的氣流速度不同，制造氣壓差，進(jìn)而獲得升力。

商用飛機(jī)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

風(fēng)箏

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

總而言之，不管是鳥類、風(fēng)箏、螺旋槳、噴氣式飛機(jī)還是直升機(jī)，它們都是通過“制造壓差”的方法飛行的，只不過它們的獲得上升條件的形式不一樣。

第三，向下噴射物質(zhì)獲得飛天動力

沒錯，使用這種方法上天的就是它——火箭！

火箭升空

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[9]）

假如我們飛天的目標(biāo)是沖出地球，那么前兩種方法也許就不太適用了，因為太空中是一個失重環(huán)境，基本沒有空氣也制造不了壓差。

而對于火箭來說，由于火箭內(nèi)部不僅攜帶了燃料，也攜帶了氧化劑，因此發(fā)動機(jī)不需要空氣也可以工作。

另外，燃料和氧化劑在發(fā)動機(jī)燃燒室里燃燒，產(chǎn)生大量高壓氣體，高壓氣體從發(fā)動機(jī)噴管高速噴出，進(jìn)而火箭獲得一個沿氣體噴射相反的反作用力，使火箭升空飛行。

這種向下噴射物質(zhì)實現(xiàn)飛行的方法，其實早在17世紀(jì)，牛頓就很清晰地進(jìn)行了描述：“如果以一定速度向后拋出一定質(zhì)量，就會受到一個反作用力的推動，向前加速?！?/p>

火箭是我們?yōu)榱藳_出大氣層、太空航行而設(shè)計制造的航天器，為實現(xiàn)成功飛天的目的至少需要讓航天器達(dá)到7.91千米/秒的飛行速度，也就是第一宇宙速度。

然而按照目前的技術(shù)水平來說，還不存在可以到達(dá)此目的的一級火箭，現(xiàn)有成功升空的火箭大多為2-4級。

因此，每個上太空的火箭都是多級火箭，在它們的發(fā)射直播中，我們經(jīng)常可以看到“助推器分離”、“一級火箭分離”、“二級火箭點火”、“二級火箭分離”等發(fā)射步驟。正是不斷向下噴射物質(zhì)，火箭才獲得源源不斷的飛行動力。

在現(xiàn)代航空航天器中，為了實現(xiàn)更高目標(biāo)的飛行，設(shè)計師們并不只是單純地使用這三種“飛天”方法的某一種來構(gòu)建飛行器，而是將它們綜合起來應(yīng)用。如超音速戰(zhàn)斗飛機(jī)為了獲得更快的飛行速度，采用會向后噴射物質(zhì)的沖壓發(fā)動機(jī)。

雖然，目前人類已經(jīng)掌握的飛行方式無外乎“變得比空氣更輕”、“制造空氣壓差”、“向下噴射物質(zhì)獲得飛天動力”這三種，但是在不遠(yuǎn)的未來，一定會有更多的人發(fā)現(xiàn)更多切實可行的飛上天的辦法！

天似穹廬，籠蓋四野，我們的活動版圖里應(yīng)有一大塊是天空。天上有我們太多未知的事物，當(dāng)我們努力消除這些未知時，人類的文明將得到極大的發(fā)展！

編輯｜王婷婷

參考文獻(xiàn)：

[1] 摘自中國科學(xué)院, https://www.cas.cn/.

[2] 小敏.晚清軍工專家華蘅芳與中國第一個氫氣球[J].航空世界,2019(10):12-15.

[3] 摘自百度圖片, https://graph.baidu.com/

[4] 摘自百度百科, 孔明燈,

https://baike.baidu.com/item/孔明燈/82234

[5] 摘自知乎《鳥的持續(xù)飛行原理是什么??？》中upas000的回答

https://www.zhihu.com/question/355541296

[6] 摘自《生命世界》雜志中《像鳥兒一樣飛行》

https://www.cdstm.cn/gallery/media/mkjx/smsj/

[7] 摘自百家號帶志逐夢文章《最早期的“航天器”，風(fēng)箏的歷史》

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1673705650727909520&wfr=spider&for=pc

[8] 摘自搜狐辛東方文章《500多年前達(dá)芬奇就描述了“飛機(jī)”的模型，這究竟是怎么一回事》

https://www.sohu.com/a/355186433_181944

[9] 摘自中國載人航天網(wǎng)站文章《火箭“加油”的那些事兒》

http://www.cmse.gov.cn/fxrw/czwhbyzhj/zhxw/202005/t20200503_46375.html

出品：科普中國

作者：肖君柏 （中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所）

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