天氣太熱想“飛上天”教訓(xùn)太陽一頓？給你提供三種方法

“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，你會發(fā)現(xiàn)：目前，人類飛上天的方法只有三種！

No.1

變得比空氣更輕

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。

輕于空氣的浮空器，圖片來源：中國科學(xué)院

中國第一個氫氣球是由晚清軍工專家華蘅芳制造的，他制造氫氣球的方法，在今天看來其實很簡單，就是利用強酸和金屬反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，然后再將氫氣充入氣球內(nèi)。

《武備學(xué)堂演放氣球》華蘅芳的氣球升空情景

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，由于氣體的密度與絕對溫度成反比，因此可以通過升高溫度來減小氣體的密度和質(zhì)量，從而達到比空氣輕的目的。古老的孔明燈是最早出現(xiàn)的熱氣球。

圖庫版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

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)動機為飛艇水平移動提供推行動力并借此來控制飛行姿態(tài)。

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No.2

制造空氣壓差來升空

當(dāng)物體在空中飛行時，使上表面空氣流速大于下表面，形成空氣壓差，也是實現(xiàn)飛行的一種方法。

當(dāng)上下表面存在空氣壓差，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！

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鳥類就是利用空氣壓差來飛行的。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、由堅硬輕細的中空骨頭構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)、發(fā)達的胸肌、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)于飛機的螺旋槳或噴氣推進裝置，使鳥類可以保持持續(xù)的飛行狀態(tài)。

其實在早期，魯班制造的木鳥、達芬奇的撲翼飛機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)原理的認知，盲目模仿鳥類翅膀的幾何外形和撲動形式。

達芬奇的撲翼飛機圖紙，圖片來源：Britannica

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——飛機得以誕生。飛機和風(fēng)箏的飛行原理一樣，都是通過機翼上下表面的氣流速度不同，制造氣壓差，進而獲得升力。

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總而言之，不管是鳥類、風(fēng)箏、螺旋槳、噴氣式飛機還是直升機，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。

No.3

向下噴射物質(zhì)獲得飛天動力

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。所以需要借助其他力量實現(xiàn)飛行。

火箭升空，圖片來源：中國載人航天官網(wǎng)

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)動機不需要空氣也可以工作。

另外，燃料和氧化劑在發(fā)動機燃燒室里燃燒，產(chǎn)生大量高壓氣體，高壓氣體從發(fā)動機噴管高速噴出，進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>

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。

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！

本文由科普中國出品，肖君柏（中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所）制作，中國科普博覽監(jiān)制

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