追溯人类航空科技的源头

胡鑫川

人类最早幻想自己飞翔的方法是驾云、驭气、霞举和借物飞行:书画中的仙人神圣周围都常常伴有云雾而凌空飞行,中国古代的列子就有借气御风而行,春秋时代有萧史弄玉乘龙跨凤双双成仙飞去,古希腊神话中墨丘利的带翅凉鞋,古条顿传说中魏兰的飞行马甲,阿拉伯神话中的波斯飞毯、埃尔奎尔之轮等,进一步表达了人类对利用器械飞行的向往。

人类在无动力飞行器时期经历了太久也太丰富的磨炼,尤其在“人类模仿飞鸟翅膀制作的扑翼飞行器以及热气球”(《人类飞翔史》中国画报出版社,[法]夏尔·多尔菲斯 亨利·布歇编著,袁俊生译)阶段,也是人类航空史中最丰富的追寻航空科技时期,在不断失败中为人类开辟了升空飞行的途径,在挖掘风力作用时不断地向机械动力前行,航空技术的发展从此开始,并为各种飞行器的动力科技发展铺平道路。

中国篇

中国是追求人类飞翔最早的国家之一,也是模仿鸟类等大自然现象进行飞行尝试的古老民族,曾用智慧为人类的航空科技献上了五大贡献,竹蜻蜓、风筝、孔明灯、陀螺与鞭炮的诞生推进了飞行器向现代航空科技的迈进。

竹蜻蜓与旋转动力

公元265至420年间,晋·葛洪著《抱朴子·杂应》提出鹰展翅高飞是借助了上升气流的托举原理:若能乘者,可以周流天下,不拘山河……或用枣心木为飞车,以牛革结环剑以引其机,或存念作五蛇六龙三牛交罡而乘之,上昇四十里,名为太清,太清之中,其气甚刚,能胜人也。由此纪录竹蜻蜓的动力机械可以升空:薄片旋翼下是轴承,拉动皮绳,薄片就由轴承带动上升。

14世纪传入欧州时被称为“中国陀螺”的竹蜻蜓,在15世纪的意大利人达·芬奇手中描绘出了直升机草图。英国“航空之父”乔治·凯利(1773-1857年)更是在竹蜻蜓引导下仿制出用钟表发条作为动力来驱动旋转的“竹蜻蜓”,并解析出螺旋桨的工作原理。

《简明不列颠百科全书》中写道:“直升机是人类最早的飞行设想之一,多年来人们一直相信最早提出这一想法的是达·芬奇,但现在都知道,中国人比中世纪的欧洲人更早做出了直升机玩具。”

1907年11月13日法国人保罗·科尔尼研制出的一架全尺寸载人直升机试飞成功。名为“飞行自行车”的直升机垂直升空离开地面0.3米,还连续飞行了20秒钟,实现了自由飞行,被后人称为“人类第一架直升机”。

百余年后的今天,大大小小的直升机依然在它们的顶部安装至少两部大大的“竹蜻蜓”——旋翼,并繁衍出了常规型与倾转旋翼机、高速直升機、隐形直升机等各种实用现代直升机型。以竹蜻蜓为原型的螺旋桨推进器也被应用于喷气时代之前的所有飞机之中。

风筝与空气动力

较早的风筝记录是源于楚汉相争时的一个传说,张良坐在大鹞子上飞到项羽军队的上方唱“四面楚歌”而使项羽大败。

公元13世纪,意大利人马可·波罗从中国返回欧洲后,风筝在西方传播开来,并对滑翔机发明起到了重要作用。美国国家博物馆中的一块牌子写着“世界上最早的飞行器是中国的风筝和火箭”;英国博物馆也把中国的风筝称之为“中国的第五大发明”。

莱特兄弟就是以风筝为基础,制造的小型扭转机翼风筝获得成功后,开始研制试飞二架全尺寸有人驾驶滑翔机,成功实现“人类第一架有动力飞行”。

现在,人类继续保持对无动力装置滑翔机的热爱,享受依靠自身重力的分量获得前进的下滑飞行体验,也成为体育运动爱好者们的最爱。

孔明灯与热动力

汉朝的汉武帝时代已有“独灯笼”,用于军队的信号工具。诸葛亮被围困于平阳时,无法派兵出城求救,自制会飘浮的纸灯笼,系上求救的讯息升空后果然脱险。

欧洲人到了1783年11月21日才向空中释放第一个热空气气球。

孔明灯演变为“走马灯”后广为流传,也是世界上第一款使用热动力驱动涡轮旋转做功的机械装置,形成了热能向机械能转换的现代燃气涡轮工作原理。

世界上最早的喷气推进理论是由亨利·科安达提出的。1939年8月德国制作了世界上第一架喷气式飞机。通过喷气产生推力的反作用式喷气发动机,也应用于包括航天领域在内的火箭发动机中。

爆竹与火箭动力

火药的起源至今仍是个谜,早在公元一世纪有了雏形,在裴松之注引的《三国志·魏明帝纪》中《魏略》篇论述,228年,魏太和二年,蜀国诸葛亮出兵攻打陈仓,魏守将郝昭“以火箭逆射其云梯,梯然,梯上人皆烧死”。此“火箭”的出现让人们开始了对现代火箭的探索。

15世纪,一位叫万户的明朝官员手执两张风筝,将自己捆绑在座椅上,椅后加装47枚火药鞭炮,用蜡烛点燃鞭炮后升空。万户虽未成功,但具有划时代的意义,他被誉为世界上尝试利用火箭“飞天的第一人”。1970年,在英国布赖顿国际天文学会议上,月球背面一座环形山正式以“WanHoo”命名,以此纪念。

中国的火药火箭传播到欧洲,经过几百年的使用和发展,直到19世纪初终于出现了近代火药火箭,逐步形成了航天学的基础技术。

他国篇

当科学思想与工业革命融合起来之后,更理性的航空梦追求变成了现实的科学行动,早期曾不断涌现出了一批具有设计、制造、飞行能力的航空先辈们,他们在无动力向动力飞行的征途中不断探索与成长。

意大利达·芬奇与人力扑翼机

在莱特兄弟发明飞机十年之后,后人才发现达·芬奇早在500年前就对航空科学技术做了大量有价值的研究,尽管达·芬奇从未在飞行器实验中取得成功,但他潜心观察鸟类飞翔20多年,绘制出航空草图多达200余幅,而他所著的《论鸟的飞行》手稿为航空科技奠定了初步理论和实践基础,并在20世纪航空科学大发展过程中也一一得到了验证。

1483年的笔记中,达·芬奇设计出了直升机草图,还做出了模型。西方人确认:这是最早的直升机设计蓝图。1485年,基于对鸟的模仿,达·芬奇设计出第一架扑翼机。2002年,根据达·芬奇图纸建造的悬挂式滑翔机飞行17秒,爬升至10米的高度。

法国蒙哥尔费兄弟和查尔斯的浮空球

1783年6月4日,蒙哥尔费兄弟研制出世界上第一个热空气动力气球,直径约11米,是以燃烧湿稻草和碎羊毛产生的热空气作为升空动力,10分钟后降落。由此揭开了人类热气球升空航行时代。

1783年8月27日,查尔斯用工业手法制作氢气,充满直径4米、体积达60立方米的气球成功升天。

法英尝试飞艇的螺旋桨动力

1784年,法国人布朗夏尔在气球上安装手摇“小风磨”的空气螺旋桨,并在后面安装了一个鸟尾巴形状的方向舵,成功地用這个装置穿越了英吉利海峡。

1784年9月,法国人罗伯特兄弟制造出一艘容积940立方米、长15.6米、最大直径9.6米,需要靠7人划动绸布空气桨螺旋的鱼形氢气飞艇,在空中艰难地移动了几千米。

1843年,英国凯利在《机械杂志》上撰文,介绍了一艘配备螺旋桨的飞艇。乔治·凯利还曾制成过以弹簧为动力源的直升机,飞过25.5米的高度。

英国乔治·凯利与滑翔机系留牵引飞行

奥维尔·莱特曾说:“我们的成功完全要感谢那位英国绅士乔治·凯利,他写的有关航空的原理是科学上最伟大的文献。”西方航空专家称乔治·凯利为“空气动力学之父”。

1809年之前,乔治·凯利制作了一架无动力滑翔机,分别进行了有人驾驶和无人驾驶试验。

1849年,乔治·凯利造了一架三翼滑翔机来证实他的空气动力学理论,让一名10岁的小孩坐在一只吊篮里,从小山上滑下来,一些人用绳子拉着滑翔机,飞机迎风飘飞了一段距离。这是人类历史上第一次载人滑翔机系留牵引飞行。

德国李林塔尔与无动力滑翔机

德国李林塔尔被称为“世界滑翔机之父”,是最早设计和制造出实用的滑翔机者,他一生进行过2000多次滑翔飞行试验,为20世纪初期动力飞行的成功作出了重要贡献。

1889年,他的《鸟类飞行──航空的基础》一书论述了鸟类飞行的特点,指出机翼也要像鸟翼那样具有弓形截面才能获得更大的升力,他还著有《飞翔中的实际试验》等书。他拟在充分掌握稳定操纵后,在滑翔机上安装蒸汽机实现动力飞行,但此愿望未能实现,而他进行的大量飞行实践和研究为后来的飞机研究者提供了宝贵的经验,特别是莱特兄弟从他的经验中获得许多教益。(本文图片由作者提供)

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