人類飛行的夢(mèng)

1、人類飛行的夢(mèng)林清一人類自古以來(lái)看鳥在天上飛、雲(yún)在天上飄，星星、月亮高掛在天空中，日復(fù)一日的循環(huán)不已，觀測(cè)分析天空的現(xiàn)象、憧憬飛行的夢(mèng)想早已存在人類接觸航空太空的歷史文獻(xiàn)了。早在西元前3500年的“巴比倫帝國(guó)”，他們留下一個(gè)印章上面刻著一個(gè)牧羊人坐在天使的背上飛，這是虛構(gòu)的呢？還是看到的呢？在中國(guó)的歷史故事中的“嫦娥奔月”，也是人類典型的飛行幻想，想將嫦娥送到月宮去。在航空太空的科學(xué)尚未啟蒙發(fā)展以前，人類對(duì)飛行的夢(mèng)想大概止於如何將自己裝上一個(gè)翅膀，變成一個(gè)會(huì)飛的“鳥人”而已。觀念與思考完全掙脫不了鳥類的形狀與能力。到了16世紀(jì)以後，物理化學(xué)為主的新科學(xué)誕生之後，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了有些氣體比空氣還輕，於

2、是，人類想升空就有不同的想法了。飛上天與升空一樣，可以像鳥的飛行或雲(yún)的飄動(dòng)，能到高高的天空上去看更遠(yuǎn)更廣的視野了。想飛的第一個(gè)思考，如何借力使力來(lái)克服地球的吸引力。1. 可升空的風(fēng)箏很多人從小都必定玩過(guò)許多風(fēng)箏，風(fēng)箏的設(shè)計(jì)與製作至少已經(jīng)傳承了幾個(gè)世紀(jì)。人類從觀察鳥類的飛行、樹葉的飄降、棉絮的飛揚(yáng)，獲得了以風(fēng)為動(dòng)力的啟示，漸漸的有了心得與構(gòu)想，於是設(shè)計(jì)出會(huì)升空的翅膀，形成可以升上天空翱翔的風(fēng)箏。風(fēng)箏會(huì)飛與不會(huì)飛在於如何借用風(fēng)的力量，使風(fēng)成為推著風(fēng)箏上升的力量，因此風(fēng)箏的設(shè)計(jì)好壞有很大的差異。風(fēng)箏必需能阻擋吹來(lái)的風(fēng)，然後產(chǎn)生向上的力，這就是我們所說(shuō)的借力使力。向上的力必需大於向下的重力(地心引力的

3、重量)，才可以升空。因此，選擇的材料，如骨幹、紙材或繩線，必需質(zhì)量輕且堅(jiān)固。在日本的文獻(xiàn)記載中，身體輕巧的忍者能夠隱身在一個(gè)大風(fēng)箏中，飛到天空去偵察敵營(yíng)。基本上如何做到一個(gè)風(fēng)箏能夠負(fù)擔(dān)45公斤左右的重量，也十分不可思議的構(gòu)想。雖然文獻(xiàn)的記載如此，但是事實(shí)上現(xiàn)代科技也無(wú)法重現(xiàn)或證明它的可行性?，F(xiàn)代的風(fēng)箏細(xì)心的計(jì)算流體力學(xué)的效應(yīng)，可以做到數(shù)百公尺道一千公尺以上。想飛的另一個(gè)思考，利用比空氣還輕的氣體來(lái)設(shè)計(jì)飛行載具。2. 比空氣輕的飛行載具 孔明燈、飛行船、熱氣球 - 中國(guó)的歷史記再這孔明在三國(guó)時(shí)代設(shè)計(jì)了孔明燈作為訊號(hào)傳遞的工具?？酌鳠魹槭颤N會(huì)升空呢？ 因?yàn)楣糯擞^察到生火產(chǎn)生的煙或熱氣上升的現(xiàn)象，

4、原理上空氣因受而熱膨脹，熱空氣分子密度減低了，當(dāng)然也比冷空氣輕了，因此會(huì)有上升的力量。聰明的孔明先生就加以利用，設(shè)計(jì)了薄棉紙製成的燈籠或氣囊，在它的內(nèi)部裝入燃燒的棉球，加熱內(nèi)部的空氣，成為有史以來(lái)有文獻(xiàn)記載而且能證明的一種飛行載具?？茖W(xué)家對(duì)物理化學(xué)原子分子瞭解後，發(fā)現(xiàn)了氫氣(17世紀(jì))及氦氣(19世紀(jì))等比空氣輕的氣體，使得人類想升空的條件變得十分簡(jiǎn)單可行。第一、有一個(gè)容器能儲(chǔ)存或蓄積足夠的氣體，當(dāng)然是比空氣還輕的氣體。第二、有一個(gè)可以承受人體重量的載具，但最好越輕越好，如竹、藤製品。第三、如果有夠膽量且構(gòu)技術(shù)的飛行人員。那麼這個(gè)“比空氣輕的飛行載具”就可以飛上天空了。除了氫氣與氦氣比空氣輕外

5、，還有其他許多種氣體都合乎條件，但是氦氣及氫氣比空氣的分子質(zhì)量差值較多，能夠產(chǎn)生較大的浮力。在十九世紀(jì)中科學(xué)家已經(jīng)能由電解的方式獲得氫氣，以及爾後發(fā)現(xiàn)的氦氣均能夠製造取得。但是能夠大量獲取氦氣則是二十世紀(jì)的事了。氫氣有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是它的自燃性，會(huì)爆炸的！氦氣則十分安定，它的危險(xiǎn)性較低，但是價(jià)格十分昂貴。比空氣還輕的熱空氣當(dāng)然可以利用，於是從十九世紀(jì)以來(lái)熱氣球也成為一種安全簡(jiǎn)單的飛行載具了。熱氣球升空後必須藉著氣流來(lái)飛行，因此在熱氣球的飛行中，氣象資訊十分重要。在1999年初，歐洲的熱氣球愛(ài)好者也完成了環(huán)球二萬(wàn)公里飛行的壯舉。二十世紀(jì)初期科學(xué)家與航空工程師們對(duì)大型氣球飛船甚感興趣，因此陸續(xù)

6、的推出各種以氫氣填充的飛船。最有名的是齊柏林飛船。一直到二次大戰(zhàn)前，因?yàn)轱w船遭人破壞爆炸後，飛船的發(fā)展才稍微平息。然而到了1980年代以後，大型飛船的研究發(fā)展又開始受到重視。現(xiàn)代的飛船設(shè)計(jì)以加拿大的CAS1200為最大，長(zhǎng)約457公尺(足球場(chǎng)的長(zhǎng)度約為100公尺)，船身直徑60公尺，載重580噸，續(xù)航力6400公里。想飛是否設(shè)計(jì)飛行翅膀，讓比空氣重的載具能夠升空而且飛得更自由呢？ 19世紀(jì)末，英國(guó)皇家科學(xué)院的院長(zhǎng)曾經(jīng)下過(guò)一個(gè)斷語(yǔ)，任何比空氣重的東西絕對(duì)不可能飛上天空。3.比空氣重的飛行載具 飛機(jī)、滑翔機(jī)、直升機(jī) - 利用氣流螺旋槳推進(jìn)原理我們將一張薄紙放在嘴巴下緣，用力將氣體吹出，可以使得原來(lái)

7、下垂的薄紙向上飄。這是用來(lái)證明急速流動(dòng)的氣體與慢速或靜止的氣體產(chǎn)生的壓力不同，流速越快，壓力用小。因此嘴巴吹出來(lái)的那一面紙張受到較小的壓力，因而薄紙向上飄。這就是白努利定律。因此我們?nèi)绻麑⒁粋€(gè)上下曲度不對(duì)稱的翼面，產(chǎn)生流速不相等的氣流時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生垂直於翼面一個(gè)方向的作用力，因此設(shè)計(jì)出機(jī)翼來(lái)了。機(jī)翼是一個(gè)特殊的造型，能使翼面上的氣流比翼面下來(lái)得快。由於流速高的一面會(huì)有較低的壓力，特殊設(shè)計(jì)的翼面下受到向上的力，比翼面上受到向下的力來(lái)得大，即獲得升力。1903年萊特兄弟用工程技術(shù)讓比空氣還重的載具飛上天空了？想飛除了有翼面的升力效應(yīng)外，我們還需要?jiǎng)恿?。牛頓的反作用定理是說(shuō)：某一個(gè)物體施力(作用力)於

8、另一個(gè)物體時(shí)，同時(shí)會(huì)受到大小相等方向相反的反應(yīng)力(反作用力)。牛頓的反作用運(yùn)動(dòng)原理，是從人類經(jīng)驗(yàn)力的使用所發(fā)展出來(lái)的。因此，理論上假設(shè)我們坐在一個(gè)對(duì)地完全沒(méi)有摩擦力的椅子上，例如在滑冰時(shí)只有很小的摩擦力，當(dāng)我們向前猛吹空氣時(shí)，應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生反作用的效果而開始倒退。由這個(gè)原理，人類想到了有斜角的葉片，放在一個(gè)圓周上旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生了向前或向後吹的風(fēng)，也可以產(chǎn)生反作用力。(想一想，家裡的電風(fēng)扇為何不會(huì)後退或倒下呢？ 因?yàn)轱L(fēng)扇的推力還不是很大，而且電扇的底座設(shè)計(jì)得較重的緣故)。於是如同“小叮噹”帽子上加裝螺旋槳的構(gòu)想，引發(fā)人類製造出會(huì)產(chǎn)生推力的大風(fēng)扇。我們也可以將白努利定律應(yīng)在螺旋槳葉片的設(shè)計(jì)上，如果葉片的

9、上方曲度比下方大，則可以產(chǎn)生向上的推力。螺旋槳旋轉(zhuǎn)後所產(chǎn)生的推力：第一個(gè)利用，我們可以直接利用克服飛行載具受地心引力的重力，於是設(shè)計(jì)出直昇機(jī)來(lái)了。幾百年來(lái)我們的童玩“竹蜻蜓”也是採(cǎi)用此種科學(xué)原理製作出來(lái)的。第二個(gè)例子，因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)的螺旋槳所產(chǎn)生的推力，可以使飛行載具向前快速前進(jìn)。有了向前的推力，因此飛機(jī)可以向前飛，白努利機(jī)翼才能發(fā)揮產(chǎn)生升力的效應(yīng)。當(dāng)飛機(jī)獲得推力向前高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)翼受到向上的作用力，稱為升力，比向下的作用力，包括飛行載具的重量，總稱為重力，來(lái)得大時(shí)，飛機(jī)就有足夠的升力可以飛上天了。因此，在大氣中的固定翼飛行器，如飛機(jī)等，均有一個(gè)曲面造型的機(jī)翼，上面曲度比下面大，其推力甚大於阻力

10、，因此能夠加速至很快的速度，並且由機(jī)翼產(chǎn)生足夠的升力來(lái)克服重力，於是飛機(jī)就飛上天空了。螺旋槳飛機(jī)的速度大約僅能在0.6馬赫以下，(“馬赫”是指聲音傳播速度的單位，約每秒334公尺)，航高大約20000呎，續(xù)航力也僅能達(dá)到3000公里。事實(shí)上，鳥類的翅膀比機(jī)翼的構(gòu)造更複雜，如果可以觀察鴿子的羽毛，可以看出羽毛的骨幹左右並不對(duì)稱，請(qǐng)羽毛長(zhǎng)度由內(nèi)向外逐漸縮小，鳥類在飛行翱翔時(shí)就是靠氣流推進(jìn)以及翅膀產(chǎn)生的升力來(lái)飛行的。因此，無(wú)動(dòng)力滑翔機(jī)被拉到空中後也是靠氣流的變化，以及機(jī)翼的造型，可以在空中飛行、爬升及自由翱翔。4. 比空氣重的飛行載具 噴射飛機(jī) - 利用渦輪噴射推進(jìn)原理科學(xué)家知道燃燒的原理之後，想到

11、將高能量單元的燃料密集地點(diǎn)燃，燃燒或爆炸後變成氣體產(chǎn)生了壓力的變化(體積變大但是容器卻堅(jiān)硬不變)。於是有內(nèi)燃機(jī)引擎或渦輪噴射引擎的發(fā)明，前者用於產(chǎn)生機(jī)械推力，後者則可產(chǎn)生噴射氣流，產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流反作用力來(lái)推動(dòng)飛機(jī)。渦輪噴射引擎更以燃料噴霧特性來(lái)增加燃燒效率，減少氧氣的供應(yīng)密度，發(fā)展成為飛機(jī)的動(dòng)力引擎。由於噴射引擎的發(fā)明，飛機(jī)能夠飛得更高，空氣阻力減小以節(jié)省油料，飛得更快，以及飛得更遠(yuǎn)。今日的噴射飛機(jī)能飛到80,000呎，1200公里時(shí)速，航程12000公里的空中飛行。飛機(jī)翼形的設(shè)計(jì)原理上不變，只是它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須增強(qiáng)許多，才能適應(yīng)高速度大約如0.63馬赫範(fàn)圍的飛行。所有的飛機(jī)都有一個(gè)基本特性必

12、須滿足，飛機(jī)的造型必須設(shè)計(jì)到阻力最小剖面與流線形，因此飛機(jī)的外型都差不多，比起太空飛行載具可以多樣變化有很大的差異。大氣層內(nèi)飛行的問(wèn)題，主要是利用空氣動(dòng)力的原理，產(chǎn)生在大氣中的升力。是否想一想，如果鳥愈飛愈高，牠能不能飛到太空中呢？同樣的，我們也會(huì)想到一個(gè)實(shí)際的問(wèn)題，在高空或進(jìn)入太空中，空氣變得十分稀薄或沒(méi)有空氣，飛機(jī)的螺旋槳還管用嗎？如果噴射引擎能夠自己帶著助燃的氧氣，是否有可能飛到外太空呢？5. 火箭 - 利用噴射推進(jìn)原理飛出大氣層的飛行載具，除了因空氣稀薄或沒(méi)有空氣不可能考慮採(cǎi)用螺旋槳產(chǎn)生動(dòng)力的飛機(jī)之外，噴射飛機(jī)也將因無(wú)法提供氧氣助燃而無(wú)法飛行。此時(shí)，我們老祖先發(fā)明沖天爆竹的構(gòu)想，可能讓

13、人類達(dá)成了上天的夢(mèng)想。沖天爆竹使用的火藥，即近代所謂固態(tài)火箭燃料，在點(diǎn)燃只需少量氧氣助燃即可發(fā)生爆炸燃燒，並迅速產(chǎn)生極大倍率的氣體膨脹開來(lái)。將膨脹高壓的氣體從一個(gè)細(xì)小的噴嘴極速噴出，這就是我們俗稱的固體火箭引擎。在固體燃料火箭之後，又發(fā)展出以液化氫與氧為燃料的液體燃料火箭，兩者採(cǎi)用完全不同的燃燒理論，但是產(chǎn)生噴射推力的原理是相同的。無(wú)論如何，火箭引擎進(jìn)入太空中必須自備氧氣來(lái)助燃，這也是一般飛機(jī)用的噴射引擎無(wú)法上太空的原因?；鸺陌l(fā)展將因燃燒噴射產(chǎn)生極大的動(dòng)力，以極高的加速度，加速至約每秒11.2公里的速度，以便能脫離地球的地心引力，進(jìn)入外太空。在此一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生極大的重力反應(yīng)，人類需經(jīng)特殊訓(xùn)練才

14、能承受此種重力變化。因此火箭飛行能否成為大眾運(yùn)輸工具，仍是近代工程科學(xué)與生物工程研究人員探討的問(wèn)題。在使用上，液態(tài)火箭引擎比固態(tài)火箭引擎容易控制，也將未來(lái)的主要引擎系統(tǒng)?；鸺脑O(shè)計(jì)是適用於太空的飛行，因此大部份沒(méi)有顯著的翼面或控制面，最多只有在尾部裝置有起飛階段用來(lái)作輔助飛行控制的小片尾翼。為什麼大型火箭的最初級(jí)會(huì)設(shè)計(jì)成許多個(gè)輔助火箭的組合推進(jìn)器呢？其實(shí)，它們除了用於提升推力外，在起飛初期還有控制火箭平衡的功能?；鸺M(jìn)入太空之後，火箭如何改變航向呢？科學(xué)家設(shè)計(jì)了許多從側(cè)邊噴出的姿態(tài)控制噴嘴，以便調(diào)整飛行方向或姿態(tài)。在太空中，因?yàn)樽饔门c反作用的原理，改變方向必需產(chǎn)生一個(gè)反方向的力來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力，因此

15、太空人在太空中“步行”顯得十分笨拙，即是因?yàn)楹茈y像在地球上的步行，為所欲為。最近發(fā)展的太空梭與傳統(tǒng)火箭的不同點(diǎn)在於太空梭上有明顯的機(jī)翼，為什麼？因?yàn)樘账蟮脑O(shè)計(jì)為能夠重複使用的飛行器，能夠自行返回地球後，在進(jìn)入大氣層以後的飛行與一般的飛機(jī)相同，因此也必須靠機(jī)翼來(lái)作飛行控制，但是它的機(jī)翼設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)飛機(jī)的機(jī)翼簡(jiǎn)單而且小得多了。太空梭的發(fā)展將使提供一般民眾上太空旅行的機(jī)會(huì)，未來(lái)可以有很多人上太空去遊覽了。太空梭也將是人類太空探險(xiǎn)的必要交通工具，科學(xué)家計(jì)畫利用太空梭來(lái)建造太空站，並且逐步向更遠(yuǎn)的太空發(fā)展。6. 人造衛(wèi)星 - 牛頓萬(wàn)有引力定律之應(yīng)用 人造衛(wèi)星是以火箭或太空梭為工具送入太空的飛行器。人造衛(wèi)

16、星為什麼會(huì)乖乖的在特定的軌道上運(yùn)行呢？因?yàn)榭茖W(xué)家將人造衛(wèi)星的質(zhì)量(此時(shí)不稱為重量，你知道為什麼嗎？)與環(huán)繞地球飛行速度所產(chǎn)生的離心力，與地球引力對(duì)此衛(wèi)星所產(chǎn)生的吸引力，兩者平衡的話，人造衛(wèi)星將在此一特定高度(或與地心的距離)之軌道上運(yùn)行，這就是牛頓所發(fā)現(xiàn)的萬(wàn)有引力定律。投送火箭或太空梭的任務(wù)是將人造衛(wèi)星送到特定軌道附近，並給予相當(dāng)?shù)乃俣柔崦撾x。人造衛(wèi)星在運(yùn)行一段時(shí)間後由於地心引力與阻力的影響關(guān)係，速度會(huì)減低，導(dǎo)致高度下降，此時(shí)必須靠?jī)?nèi)藏的小型火箭推動(dòng)加速至所需速度，將衛(wèi)星回升到所要求的運(yùn)行高度(軌道)。人造衛(wèi)星不論大小，均需有內(nèi)藏的小型火箭或高壓空氣，用於補(bǔ)充速度或修正姿態(tài)，這些操作完全由地球

17、上的監(jiān)控中心透過(guò)無(wú)線電系統(tǒng)來(lái)指揮控制的。當(dāng)衛(wèi)星內(nèi)預(yù)存的燃料耗盡後，衛(wèi)星將逐漸被地球吸引而降低軌道高度，及至墜毀在地球表面上。人造衛(wèi)星除了需要有動(dòng)力外，還需有電力，衛(wèi)星表面需接受太陽(yáng)能量，並將之轉(zhuǎn)換成可用電力，以提供衛(wèi)星上各種儀器裝備的能源。人造衛(wèi)星要能完成任務(wù)，必需有各種次系統(tǒng)的配合，就如同一個(gè)人一樣，需要能看(感測(cè)器)，需要能聽(天線)，需要能走(火箭)，需要能吃(太陽(yáng)能板)，需要能想(電腦)，因此地面控制人員能有效的操作此顆人造衛(wèi)星。 人造衛(wèi)星的形狀五花八門，各種形式都有，重量從幾噸到幾公斤，最近流行的微衛(wèi)星就是50公斤左右的產(chǎn)物。衛(wèi)星的電力來(lái)源是靠太陽(yáng)能板吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換而得，因此太陽(yáng)能板

18、的裝設(shè)十分重要。中華衛(wèi)星一號(hào)屬於小型衛(wèi)星，太陽(yáng)能板向外伸張出去，像是長(zhǎng)了翅膀一般；微衛(wèi)星的發(fā)展則利用衛(wèi)星外殼表面上直接裝上太陽(yáng)能板，因此顯得更為渺小。7. 星際太空船 - 太空旅遊的夢(mèng)想 科學(xué)幻想電影中，將人類帶往遙遠(yuǎn)的外太空或銀河系外的星際太空船是如何建造的呢？能否像火箭一樣由地球發(fā)射升空？如何飛行？如何操作控制？如何補(bǔ)給？如何生活？可以有那些任務(wù)？會(huì)飛行多久？星際太空船的建造，可能要先由無(wú)數(shù)次的太空梭飛行任務(wù)，在太空中先建造一個(gè)太空站或太空基地，由太空站或太空基地來(lái)組裝大型的星際太空船。如"星艦迷航記"影集中的"企業(yè)號(hào)"一樣。地球上的科學(xué)家必須利用火箭或太空梭送到太空站上待命，然後登上星際太空船執(zhí)行長(zhǎng)達(dá)數(shù)月至數(shù)年的星際任務(wù)。星際太空船的飛行，將採(cǎi)用液態(tài)燃料為火箭的動(dòng)力，或高壓氣體為動(dòng)力，當(dāng)然也可能利用如核能燃料等較高級(jí)的燃料來(lái)產(chǎn)生的動(dòng)力。同時(shí)也會(huì)有姿態(tài)控制、方向控制或煞車控制等各種方向的小型火箭噴嘴。能源動(dòng)力