天氣太熱想“飛上天”教訓太陽一頓？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！

01 變得比空氣更輕

在標準狀況下，空氣的平均相對分子質量為 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。

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產生氫氣，然后再將氫氣充入氣球內。

△《武備學堂演放氣球》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。

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，為了更好地控制飛行姿態(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)。

02 制造空氣壓差來升空

當物體在空中飛行時，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！

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的翅膀、由堅硬輕細的中空骨頭構成的骨架結構、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它們掌握了“制造空氣壓差”的飛行知識。當鳥兒在空中滑翔時，空氣在翅膀上、下部形成壓強差，產生一個向上的升力，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生一定的氣動升力，鳥類的翅膀在撲動時，相當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，當人們開始開始了解空氣動力學并研制出像風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。

總而言之，不管是鳥類、風箏、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。

03 向下噴射物質獲得飛天動力

假如我們飛天的目標是沖出地球，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。

對于火箭來說，由于火箭內部不僅攜帶了燃料，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。

這種向下噴射物質實現(xiàn)飛行的方法，其實早在 17 世紀，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量，就會受到一個反作用力的推動，向前加速。”

在現(xiàn)代航空航天器中，為了實現(xiàn)更高目標的飛行，設計師們并不只是單純地使用這三種“飛天”方法的某一種來構建飛行器，而是將它們綜合起來應用。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的沖壓發(fā)動機。

雖然，目前人類已經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有一大塊是天空。天上有我們太多未知的事物，當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！

責編：楊雅婷

來源：科普中國