论文部分内容阅读
在东方与西方神话传说中，神都会飞：希腊神话中的神藉翅膀飞，阿拉伯《天方夜谭》故事中的神施魔法踏毯而飞，中国的神则乘白云飞……在我国山东省嘉祥县出土的东汉时期武梁祠石刻画像中，有一幅《雷神出巡图》，众多天神推着雷神安坐云朵在天空疾行。从公元336～1368年，我国敦煌壁画中出现的飞天画面多达4500个，莫高窟492个洞窟的壁画上都有飞天。古代人类不能飞，让神为自己圆梦。
科学史家怀特在一篇题为《中世纪的宗教与技术》的文章中谈到这样一则故事：大约1000年前，英国修道院有一位名叫埃默尔的修士，他为自己装上人造翅膀，模仿鸟儿飞行动作，从教堂房顶乘风而降，结果摔断了双腿。当人们把他从地上抬起来时，他说：“我忘记在背上装一条像鸟尾那样的长尾巴，所以无法在空中保持平衡。”这是有历史记载的人类最早的试飞记录。400年之后，一位法国修士模仿埃默尔，带着翅膀从教堂的塔尖上跳下，不幸当场身亡。
第一个对飞翔进行科学探索的人是达·芬奇，他相信鸟类有飞行的秘密，而人类能够复制这种秘密。在1486～1514年间，他设计了多种由人操纵的飞行器械，包括滑翔机、直升机和降落伞。幸好他没有亲自试飞，否则人类会过早地失去一位天才。实际上，人体的构造和功能是不适合飞翔的。有人计算过，如果要像鸟儿那样展开双翅飞翔，人体需要有1.8米长的胸骨架，才能支持牵动翅膀的肌肉。
人类第一次借助自然的力量离开地面，应该归功于两位法国年轻人，哥哥蒙特哥菲·约瑟夫（1740-1810）和弟弟蒙特哥菲·雅克（1745-1799）。兄弟俩喜欢数学，熟悉富兰克林有名的风筝实验，读过英国化学家普利斯特莱关于空气性质的论文，而且爱动手做实验。1782年，在注视炉子的烟冉冉上升时，他们突然想到：烟会不会把什么物体托起来？他们将一个敞口的绸布袋袋口朝下地正对炉火，当烟充满绸布袋时松开双手，结果烟托着绸布袋升到了天花板。兄弟俩又在室外点燃一堆碎羊毛和麦秸以产生热气和烟，结果绸布袋升至23米高后才缓缓降落到地。后来，兄弟俩又用纸糊了一个大气球，用布做衬里，下端开口兜住热气。他们在地上烧起一堆火重复这个实验，结果气球升至1800米高，降落在1600米之外，引来无数人围观。
这一发明引起了科学家和皇室的兴趣，蒙特哥菲兄弟被邀请到巴黎。人们希望他们做一次动物升空实验，看看在高空它们能不能存活。1782年9月，一个装载着羊、公鸡和鸭子的吊篮随着热气球升上高空，然后安全返回，动物安然无恙。法国国王路易十六希望兄弟俩到凡尔赛宫广场表演，并打算让两个死囚犯登上吊篮随热气球升空。青年历史学家罗吉尔对此极为愤怒，他怒吼：“罪恶的死囚可以光荣地成为第一次升空的人吗？我才该去！”1783年11月21日，罗吉尔和另一个志愿者爬进吊篮，在巴黎上空航行25分钟后平安降落在距起飞地9千米的地方。这是人类历史上第一次成功的自由飞行。三年之后，罗吉尔在一次气球飞行事故中丧生，成为第一位空难牺牲者。
使气球升空的力量，来自四周空气的浮力。在海平面附近，当温度为20℃时，每立方米空气的质量大约为1.3千克。温度升高，空气密度减小。当温度为90℃时，每立方米空气的质量大约为1.04千克。一只直径20米的气球，充满热气之后产生的升力可以达到1000千克以上，足以克服气球的自重，而且可以提起一只不断燃烧产生热气的炉子，带动载有几个人的吊篮升空。由于这种气球利用热空气产生浮力升空，故又称为热气球。
就在人类第一次升空10天之后，第二次载人飞行又开始了，还是在巴黎。不过，这次气球里灌的是氢气——英国科学家卡文迪什于1766年发现了这种比空气轻的气体。年轻的物理学家查尔斯和他的同伴坐在吊篮里飞行了两个小时，距离达到43千米；当气球降落，同伴爬出篮子后，升力骤然增加，气球带着查尔斯又飞上了天空，一直飞到接近3000米的高度。查尔斯好不容易才令气球重新返回地面。心有余悸的他发誓再也不上气球的吊篮了。
人们能够乘气球浪漫地升上天空，但是难以控制气球飞行的方向。于是，有人提出为它装上可以调节角度的帆，有人主张给它装上像鸟儿一样的扑翼，还有人提出装上人力转动的螺旋桨推进器。然而，这些方案都不成功，因为与庞大的气囊相比，它们产生的力量实在是微不足道。
1852年，法国人吉法尔德发明了使用机械动力推动气球改变方向的技术。他在气球下面吊载一台3马力的蒸汽机，用它带动一个大风扇。风扇叶片旋转产生水平推力，只需调整风扇的方向即可改变气球的飞行路线。他把气球做成长长的椭球体，像一支巨大的雪茄烟，以便减小阻力，人们称其为“飞艇”。实际上这种设计产生的水平推力也很有限，飞艇只能在无风的天气航行且速度很慢，仅为每小时10千米，比人在地上步行略快。
19世纪末，人们用内燃机取代蒸汽机作为飞艇的推进动力。由于内燃机的重量比蒸汽机轻很多，而高速旋转的桨叶可产生更大的水平推力，飞艇的飞行性能因此大为改观。1883年，德国工程师迪生代尔发明电动空中飞行器，首次采用蓄电池驱动的电动机为动力，消除了飞艇的噪声，减少了氢气爆炸的危险。
1897年，奥地利人施瓦尔茨采用轻金属铝制作骨架支撑柔韧的气囊，使飞艇既牢固又减轻了自重；1897～1904年间，在法国谋生的阿根廷人桑托斯建造了几艘这样的飞艇，环绕埃菲尔铁塔飞行，还获了奖。后来，德国退休军官齐伯林在与施瓦尔茨的遗孀结婚后，继承了铝质骨架飞艇专利，并在德国政府支持下开始大量制造军用飞艇。这种飞艇能够在空中滞留24小时以上。在第一次世界大战中，德军曾利用这种飞艇轰炸英国。
第一次世界大战之后，德国与英国都加速发展飞艇。1918年，英国建造的飞艇首次飞越大西洋，耗时108小时。1928年，德国建造了豪华飞艇“齐伯林号”，长236米、宽30.5米，载客20名，飞越大西洋往返费用每人1000～3000美元。这艘飞艇共144次飞越大西洋，航程超过16万千米，运送旅客1.3万人，为当时航程最远、运载人数最多的飞行器。 1923年，美国人从大气中分离出稀有化学元素氦，并发明了充氦气的飞艇。氦是一种较空气轻的惰性气体，不会燃烧和爆炸，用于飞艇非常安全。第二次世界大战前，美国严格禁止向纳粹德国出口氦气，德国人只能小心翼翼地驾驶氢气飞艇航行。1936年，德国建造了一艘比“齐伯林号”更大、更豪华的飞艇“兴登堡号”（以德国总统的名字命名）。1937年5月6日，它运载50名乘客首航到达美国，当其在新泽西州着陆时起火爆炸，当场死亡36人。至今人们也未查明这一事件的产生原因，有人说是人为的故意破坏，有人说是电气火花引燃泄漏在空气中的氢气。这一悲惨事故熄灭了人们对飞艇的热情。
早在蒙特哥菲兄弟的热气球升空之后不久，法国发明家凯利便开始探索如何使比空气重的物体飞上天空。1804年，他设计制造了世界上第一架可以飞行的模型飞机。为了减轻重量，他用纸糊的风筝做机翼，机身采用一根轻巧结实的木棒，木棒的后端装有十字交叉的水平尾翼和垂直尾翼。当垂直尾翼转动时，可以控制飞机向右向左运动；当水平尾翼上倾或下斜时，可以控制飞机爬升或俯冲。
1809年，凯利出版了他的重要著作《在空气中航行》，阐明比空气重的物体可以在空中飞行。他在书中提出了飞行的原理以及制造飞机必须注意的三个问题：升力、阻力和控制。为了增大升力，提高飞行的稳定性，他还提出双翼飞机和三翼飞机的设计，这种飞机像是从上到下长着两对或三对翅膀的大鸟。凯利的构想超出了人类模仿飞鸟的阶段。
为了测试飞机在人为产生的气流中的受力情况，人们曾制作过多种多样的模型飞机。结果发现，要想让飞机升起来其实很简单，关键在于机翼的形状和机翼掠过空气的速度。机翼的形状应该是上面为弧面，下面为平面。这样，当空气流过机翼时，上面的气流快，下面的气流慢。而根据18世纪瑞士科学家伯努利发现的原理——慢气流压强大，快气流压强小，机翼上下两面受到的合力就是一种向上的力。机翼面积越大，向上托举飞机的力就越大，而气流速度越快，飞机的升力也就越大。1871年，英国人韦纳姆专门制作了一个直径为3米的空管，用蒸汽机带动风扇高速旋转，在空管中可产生速度达每小时65千米的气流。这种可以产生高速气流的空管被叫作“风洞”，用来设计最合理的飞机。风洞试验的结果使人们惊讶：高速气流掠过机翼时，可以产生数倍于机翼自身重量的升力！这一发现坚定了人们制造飞机的信念。利用风洞试验研究飞机的造型和结构，标志人类向往飞行的创造活动由冒险走向科学。
德国工程师李林塔尔（1848-1896）在对机翼进行系统研究后，制作出非常详细的图表，其中列出了不同形状的机翼产生的升力，为飞机设计提供了重要的科学依据。
1894年，李林塔尔乘坐自己设计的滑翔机，在平地垒起的小土丘上经助跑跃起，成功飞行了45米，成为人类历史上首次实现可控制飞行的先驱。李林塔尔不断改进滑翔机的设计和结构，驾机飞行了2000多次。他坚信，如果装上机器动力，滑翔机一定能够飞起来。然而，他未能实现自己的有动力飞行的夙愿。1896年，在一次滑翔飞行中，一阵疾风使滑翔机失控，他从空中坠落，第二天便离开了人世。临终前他讲的最后一句话是：“如果想飞行，就要作出牺牲。”
凯利和李林塔尔的探索实践，以及人们在风洞试验中获得的研究结果，为动力飞行准备了最重要的条件。实际上，风洞机翼升力实验的结果，已经使人们找到了牵引飞机前行的有效方法。既然水平气流掠过不动的机翼可以产生巨大的升力，如果让两片机翼头对头连接起来绕中心轴高速旋转，就会在旋转轴线的方向产生强劲的推力。这种力量足以使飞机克服空气阻力，快速飞行。这种组装在一起的旋转机翼被称为螺旋桨。
后来，人们开始把用做火车动力的蒸汽机搬上飞机，让它作为螺旋桨的动力。由于蒸汽机太重，这种有动力的飞机不能飞，只能在地上跳。1874年，法国人泰蒙佩尔的蒸汽飞机可以跳起来并滞留空中两秒钟。1884年，法国工程师埃达尔的蒸汽飞机跳起来并飞行了46米。1896年，美国科学家兰利制造了一架无人驾驶的蒸汽飞机，它从搭建在房顶的高台上起飞，飞行了800米，在空中的飞行时间达90秒钟。（未完待续）
科学史家怀特在一篇题为《中世纪的宗教与技术》的文章中谈到这样一则故事：大约1000年前，英国修道院有一位名叫埃默尔的修士，他为自己装上人造翅膀，模仿鸟儿飞行动作，从教堂房顶乘风而降，结果摔断了双腿。当人们把他从地上抬起来时，他说：“我忘记在背上装一条像鸟尾那样的长尾巴，所以无法在空中保持平衡。”这是有历史记载的人类最早的试飞记录。400年之后，一位法国修士模仿埃默尔，带着翅膀从教堂的塔尖上跳下，不幸当场身亡。
第一个对飞翔进行科学探索的人是达·芬奇，他相信鸟类有飞行的秘密，而人类能够复制这种秘密。在1486～1514年间，他设计了多种由人操纵的飞行器械，包括滑翔机、直升机和降落伞。幸好他没有亲自试飞，否则人类会过早地失去一位天才。实际上，人体的构造和功能是不适合飞翔的。有人计算过，如果要像鸟儿那样展开双翅飞翔，人体需要有1.8米长的胸骨架，才能支持牵动翅膀的肌肉。
人类第一次借助自然的力量离开地面，应该归功于两位法国年轻人，哥哥蒙特哥菲·约瑟夫（1740-1810）和弟弟蒙特哥菲·雅克（1745-1799）。兄弟俩喜欢数学，熟悉富兰克林有名的风筝实验，读过英国化学家普利斯特莱关于空气性质的论文，而且爱动手做实验。1782年，在注视炉子的烟冉冉上升时，他们突然想到：烟会不会把什么物体托起来？他们将一个敞口的绸布袋袋口朝下地正对炉火，当烟充满绸布袋时松开双手，结果烟托着绸布袋升到了天花板。兄弟俩又在室外点燃一堆碎羊毛和麦秸以产生热气和烟，结果绸布袋升至23米高后才缓缓降落到地。后来，兄弟俩又用纸糊了一个大气球，用布做衬里，下端开口兜住热气。他们在地上烧起一堆火重复这个实验，结果气球升至1800米高，降落在1600米之外，引来无数人围观。
这一发明引起了科学家和皇室的兴趣，蒙特哥菲兄弟被邀请到巴黎。人们希望他们做一次动物升空实验，看看在高空它们能不能存活。1782年9月，一个装载着羊、公鸡和鸭子的吊篮随着热气球升上高空，然后安全返回，动物安然无恙。法国国王路易十六希望兄弟俩到凡尔赛宫广场表演，并打算让两个死囚犯登上吊篮随热气球升空。青年历史学家罗吉尔对此极为愤怒，他怒吼：“罪恶的死囚可以光荣地成为第一次升空的人吗？我才该去！”1783年11月21日，罗吉尔和另一个志愿者爬进吊篮，在巴黎上空航行25分钟后平安降落在距起飞地9千米的地方。这是人类历史上第一次成功的自由飞行。三年之后，罗吉尔在一次气球飞行事故中丧生，成为第一位空难牺牲者。
使气球升空的力量，来自四周空气的浮力。在海平面附近，当温度为20℃时，每立方米空气的质量大约为1.3千克。温度升高，空气密度减小。当温度为90℃时，每立方米空气的质量大约为1.04千克。一只直径20米的气球，充满热气之后产生的升力可以达到1000千克以上，足以克服气球的自重，而且可以提起一只不断燃烧产生热气的炉子，带动载有几个人的吊篮升空。由于这种气球利用热空气产生浮力升空，故又称为热气球。
就在人类第一次升空10天之后，第二次载人飞行又开始了，还是在巴黎。不过，这次气球里灌的是氢气——英国科学家卡文迪什于1766年发现了这种比空气轻的气体。年轻的物理学家查尔斯和他的同伴坐在吊篮里飞行了两个小时，距离达到43千米；当气球降落，同伴爬出篮子后，升力骤然增加，气球带着查尔斯又飞上了天空，一直飞到接近3000米的高度。查尔斯好不容易才令气球重新返回地面。心有余悸的他发誓再也不上气球的吊篮了。
人们能够乘气球浪漫地升上天空，但是难以控制气球飞行的方向。于是，有人提出为它装上可以调节角度的帆，有人主张给它装上像鸟儿一样的扑翼，还有人提出装上人力转动的螺旋桨推进器。然而，这些方案都不成功，因为与庞大的气囊相比，它们产生的力量实在是微不足道。
1852年，法国人吉法尔德发明了使用机械动力推动气球改变方向的技术。他在气球下面吊载一台3马力的蒸汽机，用它带动一个大风扇。风扇叶片旋转产生水平推力，只需调整风扇的方向即可改变气球的飞行路线。他把气球做成长长的椭球体，像一支巨大的雪茄烟，以便减小阻力，人们称其为“飞艇”。实际上这种设计产生的水平推力也很有限，飞艇只能在无风的天气航行且速度很慢，仅为每小时10千米，比人在地上步行略快。
19世纪末，人们用内燃机取代蒸汽机作为飞艇的推进动力。由于内燃机的重量比蒸汽机轻很多，而高速旋转的桨叶可产生更大的水平推力，飞艇的飞行性能因此大为改观。1883年，德国工程师迪生代尔发明电动空中飞行器，首次采用蓄电池驱动的电动机为动力，消除了飞艇的噪声，减少了氢气爆炸的危险。
1897年，奥地利人施瓦尔茨采用轻金属铝制作骨架支撑柔韧的气囊，使飞艇既牢固又减轻了自重；1897～1904年间，在法国谋生的阿根廷人桑托斯建造了几艘这样的飞艇，环绕埃菲尔铁塔飞行，还获了奖。后来，德国退休军官齐伯林在与施瓦尔茨的遗孀结婚后，继承了铝质骨架飞艇专利，并在德国政府支持下开始大量制造军用飞艇。这种飞艇能够在空中滞留24小时以上。在第一次世界大战中，德军曾利用这种飞艇轰炸英国。
第一次世界大战之后，德国与英国都加速发展飞艇。1918年，英国建造的飞艇首次飞越大西洋，耗时108小时。1928年，德国建造了豪华飞艇“齐伯林号”，长236米、宽30.5米，载客20名，飞越大西洋往返费用每人1000～3000美元。这艘飞艇共144次飞越大西洋，航程超过16万千米，运送旅客1.3万人，为当时航程最远、运载人数最多的飞行器。 1923年，美国人从大气中分离出稀有化学元素氦，并发明了充氦气的飞艇。氦是一种较空气轻的惰性气体，不会燃烧和爆炸，用于飞艇非常安全。第二次世界大战前，美国严格禁止向纳粹德国出口氦气，德国人只能小心翼翼地驾驶氢气飞艇航行。1936年，德国建造了一艘比“齐伯林号”更大、更豪华的飞艇“兴登堡号”（以德国总统的名字命名）。1937年5月6日，它运载50名乘客首航到达美国，当其在新泽西州着陆时起火爆炸，当场死亡36人。至今人们也未查明这一事件的产生原因，有人说是人为的故意破坏，有人说是电气火花引燃泄漏在空气中的氢气。这一悲惨事故熄灭了人们对飞艇的热情。
早在蒙特哥菲兄弟的热气球升空之后不久，法国发明家凯利便开始探索如何使比空气重的物体飞上天空。1804年，他设计制造了世界上第一架可以飞行的模型飞机。为了减轻重量，他用纸糊的风筝做机翼，机身采用一根轻巧结实的木棒，木棒的后端装有十字交叉的水平尾翼和垂直尾翼。当垂直尾翼转动时，可以控制飞机向右向左运动；当水平尾翼上倾或下斜时，可以控制飞机爬升或俯冲。
1809年，凯利出版了他的重要著作《在空气中航行》，阐明比空气重的物体可以在空中飞行。他在书中提出了飞行的原理以及制造飞机必须注意的三个问题：升力、阻力和控制。为了增大升力，提高飞行的稳定性，他还提出双翼飞机和三翼飞机的设计，这种飞机像是从上到下长着两对或三对翅膀的大鸟。凯利的构想超出了人类模仿飞鸟的阶段。
为了测试飞机在人为产生的气流中的受力情况，人们曾制作过多种多样的模型飞机。结果发现，要想让飞机升起来其实很简单，关键在于机翼的形状和机翼掠过空气的速度。机翼的形状应该是上面为弧面，下面为平面。这样，当空气流过机翼时，上面的气流快，下面的气流慢。而根据18世纪瑞士科学家伯努利发现的原理——慢气流压强大，快气流压强小，机翼上下两面受到的合力就是一种向上的力。机翼面积越大，向上托举飞机的力就越大，而气流速度越快，飞机的升力也就越大。1871年，英国人韦纳姆专门制作了一个直径为3米的空管，用蒸汽机带动风扇高速旋转，在空管中可产生速度达每小时65千米的气流。这种可以产生高速气流的空管被叫作“风洞”，用来设计最合理的飞机。风洞试验的结果使人们惊讶：高速气流掠过机翼时，可以产生数倍于机翼自身重量的升力！这一发现坚定了人们制造飞机的信念。利用风洞试验研究飞机的造型和结构，标志人类向往飞行的创造活动由冒险走向科学。
德国工程师李林塔尔（1848-1896）在对机翼进行系统研究后，制作出非常详细的图表，其中列出了不同形状的机翼产生的升力，为飞机设计提供了重要的科学依据。
1894年，李林塔尔乘坐自己设计的滑翔机，在平地垒起的小土丘上经助跑跃起，成功飞行了45米，成为人类历史上首次实现可控制飞行的先驱。李林塔尔不断改进滑翔机的设计和结构，驾机飞行了2000多次。他坚信，如果装上机器动力，滑翔机一定能够飞起来。然而，他未能实现自己的有动力飞行的夙愿。1896年，在一次滑翔飞行中，一阵疾风使滑翔机失控，他从空中坠落，第二天便离开了人世。临终前他讲的最后一句话是：“如果想飞行，就要作出牺牲。”
凯利和李林塔尔的探索实践，以及人们在风洞试验中获得的研究结果，为动力飞行准备了最重要的条件。实际上，风洞机翼升力实验的结果，已经使人们找到了牵引飞机前行的有效方法。既然水平气流掠过不动的机翼可以产生巨大的升力，如果让两片机翼头对头连接起来绕中心轴高速旋转，就会在旋转轴线的方向产生强劲的推力。这种力量足以使飞机克服空气阻力，快速飞行。这种组装在一起的旋转机翼被称为螺旋桨。
后来，人们开始把用做火车动力的蒸汽机搬上飞机，让它作为螺旋桨的动力。由于蒸汽机太重，这种有动力的飞机不能飞，只能在地上跳。1874年，法国人泰蒙佩尔的蒸汽飞机可以跳起来并滞留空中两秒钟。1884年，法国工程师埃达尔的蒸汽飞机跳起来并飞行了46米。1896年，美国科学家兰利制造了一架无人驾驶的蒸汽飞机，它从搭建在房顶的高台上起飞，飞行了800米，在空中的飞行时间达90秒钟。（未完待续）