想飞上天和太阳肩并肩?教你3种上天的方法
发布时间:2022-07-22
出品:科普中国
作者:肖君柏(中国科学院光电技术研究所)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  “想飞上天,和太阳肩并肩……”

  飞天一直是深藏在人类心中的一个梦想因为这个梦想我们有了纸鸢氢气球以及……现代飞行器

  翻看航空航天相关的书籍文献你会发现目前,人类飞上天的方法只有3种!

第一变得比空气更轻


  轻于空气的浮空器

  图片来源参考文献[1]

  我们知道在标准状况下,空气的平均相对分子质量为29,只要能找到比空气分子量更小东西,它就能在空气中飘起来,如果足够“轻”,甚至能把人带“飞”如氢气球、氦气球等。

  中国第一个氢气球是由晚清军工专家华蘅芳制造的,他制造氢气的方法,在今天看来其实很简单,就是将浓硫酸稀释成稀硫酸后,与铁等活泼金属发生反应,从而获得氢气(化学反应方程式如下),再将氢气充入气球内。

  

  《点石斋画报》华蘅芳的气球升空情景

  图片来源参考文献[3]

  我们熟悉的热气球,则利用热气代替比空气更轻的氢气或氦气,由于气体的密度与绝对温度成反比,因此可以通过升高温度来减小气体的密度和质量,从而达到比空气轻的目的。古老的孔明灯是最早出现的热气球。


  热气球

  图片来源参考文献[3]

  氢气球也好热气球也罢二者虽然都很好却难以控制它们的飞行方向为了更好的控制飞行姿态和方向,同样基于“变得更轻”的思想方法,人们设计制造了飞艇。

  飞艇把比空气更轻的气体(一般使用安全性更好的氦气)充入内部,用以提供升力,然后在飞艇上安装发动机为飞艇水平移动提供推行动力并借此来控制飞行姿态。


  现代飞艇

  图片来源参考文献[3]

第二制造空气压差来升空

  “制造空气压差”其实就是当物体在空中飞行时,使上表面空气流速大于下表面。根据伯努利方程流速大的地方压强小,流速小的地方压强大。

  若是可以制造上下表面的压差,物体就可以获得一个升力,要是这个升力大到足够克服地球引力,物体就可以离开地面了!


  鸟类飞行

  图片来源参考文献[3]

  鸟类是使用空气压差方法飞行的鼻祖,鸟类具有天生的飞行身体条件:巧妙运用空气动力学的翅膀、坚硬轻细的中空骨头构成的骨架结构、发达的胸肌、独特的呼吸系统以及轻而柔滑的羽毛等。

  鸟类能够飞行的主要原因是因为它们掌握了“制造空气压差”的飞行知识。当鸟儿在空中滑翔时,空气在翅膀上、下部形成压强差,产生一个向上的升力,从而可以把鸟儿托在空中而不至于往下掉[6]

  除此之外,鸟类采用积极主动的扑翼飞行来产生一定的气动升力,鸟类的翅膀在扑动时,相当于飞机的螺旋桨或喷气推进装置,使鸟类可以保持持续的飞行状态。


  鲁班制造木鸟

  图片来源参考文献[7]


  达芬奇的扑翼飞机图纸

  图片来源参考文献[8]

  其实在早期,鲁班制造的木鸟、达芬奇的扑翼飞机都企图模仿鸟儿的飞行状态来实现升空的目的但他们的飞行计划都以失败告终其原因就在于缺乏对空气动力学原理认知盲目模仿鸟类翅膀的几何外形和扑动形式。

  不过当人们开始开始了解空气动力学并研制像风筝一样的固定翼飞行器时,成功飞天的现代交通工具——飞机得以诞生飞机和风筝的飞行原理一样都是通过机翼上下表面的气流速度不同,制造气压差,进而获得升力。


  商用飞机

  图片来源参考文献[3]


  风筝

  图片来源参考文献[3]

  总而言之,不管是鸟类、风筝、螺旋桨、喷气式飞机还是直升机,它们都是通过“制造压差”的方法飞行的,只不过它们的获得上升条件的形式不一样。

第三向下喷射物质获得飞天动力

   没错,使用这种方法上天的就是它——火箭!


  火箭升空

  图片来源参考文献[9]

  假如我们飞天的目标是冲出地球那么前两种方法也许就不太适用了因为太空中是一个失重环境,基本没有空气也制造不了压差。

  而对于火箭来说,由于火箭内部不仅携带了燃料,也携带了氧化剂,因此发动机不需要空气也可以工作。

  另外,燃料和氧化剂在发动机燃烧室里燃烧,产生大量高压气体,高压气体从发动机喷管高速喷出,进而火箭获得一个沿气体喷射相反的反作用力,使火箭升空飞行。

  这种向下喷射物质实现飞行的方法,其实早在17世纪,牛顿就很清晰地进行了描述:如果以一定速度向后抛出一定质量,就会受到一个反作用力的推动,向前加速。

  火箭是我们为了冲出大气层、太空航行而设计制造的航天器,为实现成功飞天的目的至少需要让航天器达到7.91千米/秒的飞行速度,也就是第一宇宙速度。

  然而按照目前的技术水平来说,还不存在可以到达此目的的一级火箭,现有成功升空的火箭大多2-4级。

  因此,每个上太空的火箭都是多级火箭,在它们的发射直播中,我们经常可以看到“助推器分离”、“一级火箭分离”、“二级火箭点火”、“二级火箭分离”等发射步骤。正是不断向下喷射物质,火箭才获得源源不断的飞行动力。

  在现代航空航天器中,为了实现更高目标的飞行,设计师们并不只是单纯地使用这三种“飞天”方法的某一种构建飞行器,而是将它们综合起来应用。如超音速战斗飞机为了获得更快的飞行速度,采用会向后喷射物质的冲压发动机。

  虽然,目前人类已经掌握的飞行方式无外乎“变得比空气更轻”、“制造空气压差”、“向下喷射物质获得飞天动力”这三种,但是在不远的未来,一定会有更多的人发现更多切实可行的飞上天的办法!

  天似穹庐,笼盖四野,我们的活动版图里应有一大块是天空。天上有我们太多未知的事物,当我们努力消除这些未知时,人类的文明将得到极大的发展!

  编辑王婷婷

参考文献

  [1] 摘自中国科学院, https://www.cas.cn/.

  [2] 小敏.晚清军工专家华蘅芳与中国第一个氢气球[J].航空世界,2019(10):12-15.

  [3] 摘自百度图片, https://graph.baidu.com/

  [4] 摘自百度百科, 孔明灯,

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

  [5] 摘自知乎《鸟的持续飞行原理是什么啊?》中upas000的回答

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

  [6] 摘自《生命世界》杂志中《像鸟儿一样飞行》

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

  [7] 摘自百家号带志逐梦文章《最早期的“航天器”,风筝的历史》

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

  [8] 摘自搜狐辛东方文章《500多年前达芬奇就描述了“飞机”的模型,这究竟是怎么一回事》

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

  [9] 摘自中国载人航天网站文章《火箭“加油”的那些事儿》

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

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