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第2章 人类的翅膀初长成——梦想与尝试(2)

火箭是以火箭发动机为动力而升空,可以在大气层内或大气层外飞行的飞行器;导弹是一种飞行武器,弹体带有战斗部,依靠制导系统控制其飞行轨迹。

关于各类飞行器的发展历程、原理、结构、用途等内容,我们会在下面的相关章节中给读者详细介绍。

知识点

八大行星

历史上曾流行“九大行星”的说法,即水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星,现在为什么又成了“八大行星”了呢?

原来,在2006年8月24日于布拉格举行的第26界国际天文联会中通过的第5号决议中,冥王星被划为矮行星,并命名为小行星134340号,从太阳系9九大行星中被除名。所以现在太阳系只有8颗行星。也就是说,从2006年8月24日11时起,太阳系只有8颗大行星,即:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。

热气球实现了人类的飞翔之梦

人类飞行的梦想是从热气球开始实现的。热气球也是人类制造的第一种成功的载人飞行器。

早在公元前3世纪,人类就发现了气球升空的原理。这应该感谢古希腊科学家阿基米德。他有一个最著名的故事是在洗澡的时候,从浴缸里溢出去的水中悟出了最简便的计算物体体积的方法,从而可以求出各种物体的比重。他还发现,任何一个物体,在液体中受到的浮力,等于它所排开的同体积的液体重量。这叫阿基米德定律,又叫浮力定律。当时阿基米德只是用水做的实验,因而它的应用当时也只限于水。

直到16世纪末、17世纪初的时候,意大利科学家伽利略将阿基米德的浮力定律由液体引申到气体。他发现,空气是有浮力的,如果一个物体的比重比空气轻,它就会浮升到空中去,就像轻于水的物体会浮在水面上的道理一样。

我国早在汉武帝时代,淮南王刘安的门客们编写的《淮南万毕术》中就记有“艾火令鸡子飞”。 到了五代时期,莘七娘随夫去福建打仗时,将松脂灯用于军事联络上。松脂灯是用竹篾扎成方架,做成大灯,点燃置于托盘上的松脂,上升的松烟把灯笼托起。

到了元朝,曾使用带颜色的“灯球”当军事联络信号。松脂灯也称“孔明灯”,在民间流传范围很广。这可以说是世界上最早的热气球。

孔明灯第一个发明轻于空气的浮空器(轻于空气的航空器称为浮空器)发明家,其发明灵感并不是来源于理论的推断,而是从自然中得到的启发。热气球的发明人蒙哥尔费兄弟是法国的造纸工人。当他们看到碎纸片在篝火上飞舞时,产生了利用热空气制造飞行物的念头。1783年6月,他们公开表演了自己制作的热气球。该气球用纸和亚麻布糊成,直径约10米,内部灌入燃烧湿草和羊毛产生的热烟,把大球鼓了起来。有史以来第一批空中旅客:一只羊、一只鸡和一只鸭,被人们放进热气球下面系着的吊篮里。一会儿,浓烟充满了气球,这只彩球徐徐升起。8分钟后,气球和吊篮降落在两千米以外的森林里。这一次成功的表演,大大鼓舞了人们:动物既然能上天,人也一定能上天。

完成了动物升空的飞行后,蒙哥尔费兄弟着手准备载人飞行的试验。那么让谁来乘坐这只气球呢?法国国王想让两名已经被判处死刑的罪犯来乘气球飞行,并且说,一旦他们完成这次乘坐蒙哥尔费气球的任务,就可以免去一死,并恢复自由。这时一名叫罗齐尔的热气球爱好者说:“第一个乘热气球飞行的荣誉绝不能给一个罪犯。”他请求法国国王将第一次升空的荣誉授给自己。于是,他成为第一个进行飞行试验的勇士。

1783年10月15日,罗齐尔乘热气球升到26米的空中。在以后的几天里,他又分别上升到了64米、80米和99米的空中。在最后一次飞行中,他还搭载了另一名乘客。1783年11月15日,罗齐尔和达兰德斯在巴黎乘一只高23米、直径15米的巨大热气球在路易十六国王和许多市民面前进行了升空表演。

蒙哥尔费兄弟的热气球

罗齐尔最终得到了他盼望已久的荣誉,他和达兰德斯,还有热气球的发明者蒙哥尔费兄弟,都被选为法国科学院院士。

气球的成功升空不是偶然的,而是和当时科技与生产力水平密切相关。从纺织工业开始的工业革命提供了既结实又很轻的纺织品,1766年,人们又发现了氢气,这都为气球的发展提供了条件。1785年,法国人布郎夏尔和美国富商杰弗利斯乘氢气球从英国的多佛尔跨越英吉利海峡抵达法国海岸。尽管这次飞行成功得很勉强,但毕竟是人类第一次从空中飞越大海,所以仍具有巨大的历史意义。从此,实用气球诞生并得到了应用。

18世纪法国大革命时期,革命政府曾用气球作侦察,获得极大成功。1871年普法战争巴黎被围困期间,曾用气球载人和送信,4个月中放出几十个气球,送出3万多封信件和150多人。美国在南北战争时期也更大规模地使用了气球。另外,气球也用于研究大气(1850年),对科学研究的发展作出了贡献。

飞机问世以后,气球在军事上仍然有它的“用武之地”。第一次世界大战期间,气球曾被用来作为“空中观察哨”,监视敌人的军事行动。第二次世界大战期间,气球还被用来执行防空和轰炸任务。英国曾在伦敦周围摆下“气球阵”,用系留气球筑成一个“拦阻网”,阻止德国轰炸机进入。1944年,日本施放了9000多个气球,载着炸弹越过太平洋轰炸美国本土。

现在的热气球气球在航空器中虽然是最简单的飞行器,但用处却很多。现在,气球主要用于气象探测、污染监测、科学研究和技术试验,在军事上还可用于侦察、通信中继、跳伞训练、投掷宣传品、拦阻敌机,还可用于靶机回收、人员救生和运输等,真可谓“老当益壮”。

总之,载人气球从1783年开始,发展成为一种多用途的飞行器,其中凝聚了许多发明家的才智和心血。特别是当今人类已经能登上月球的时候,更不要忘记这样的辉煌是从一个小小的纸灯笼开始的。

知识点

大气层

大气层是包围在地球周围的一层很厚的气体,厚度在1000千米以上,但没有明显的界线。随着高度的不同,大气层表现出不同的特点。根据不同高度的大气层表现出的不同特点,科学家把整个大气层分为5层。这5层从下往上分别是对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。

大气层的成分是氮气、氧气、氩气、二氧化碳以及少量的稀有气体和水蒸气。按体积计算,氮气约占781%,氧气约占209%,氩气约占093%,二氧化碳、稀有气体和水蒸气约占07%。

在地球引力的作用下,大气层犹如一层保护伞,被牢牢地吸引在地球的周围,保护着地球上的一切。现在已经发现,太阳系的其他行星也有各自的大气层,其组成成分各不相同。

可以控制飞行方向的飞艇

当我们看到早期的气球设计图时会发现,几乎所有的设计图都毫无例外地设计了“帆”或是画上了“桨”。因为当时的设计人员错误地认为,比空气轻的飞行器就像比水轻的船在水中航行一样,安上了“桨”和“帆”就能使气球保持航向,沿着预定的航线行驶。

飞艇的构造过了很长时间人们才认识到,气球只能随着气流的移动而飘动,因此,“帆”和“桨”都是多余的。要使气球成为可控的航空器,必须增加新的技术成分。于是,气球就演变成另一种更实用的航空器——飞艇。

“飞艇是一种有推进装置、可控制飞行的轻于空气的航空器。”从以上定义可以看出,它是一种轻于空气的航空器,也就是说它的上升力是来自充填飞艇的气体,这一点是与气球相同的。但它与气球又有本质性的差别,它装有推进装置,并可控制飞行方向,也可以说是一种可操纵的气球。

飞艇可分为三种:软式飞艇、半硬式飞艇和硬式飞艇。软式飞艇和半硬式飞艇的形状是靠气囊内的气体压力来“维持”;而硬式飞艇的艇体是由刚性的骨架和外罩蒙布(或薄铝片)构成,其外形与气囊内的气体压力无直接关系。

以上是对飞艇知识的简单介绍,下面让我们回过头来看看飞艇的兴衰。

1784年,法国的一位技术军官设计了一艘可以进行控制飞行的飞艇。这位军官名叫梅斯尼埃,后来在战争中阵亡,死时已是一位将军。他设计的飞艇利用气囊内气体的压力来保持它的形状,这个原理和现在应用的软式飞艇的原理基本相同。

飞艇的外形酷似一支雪茄烟,这种外形很适用于飞艇,因而后来竟成了飞艇的“通用外形”。为了使飞艇能够依靠自身的动力飞行,他还为飞艇设计了3个双叶片的螺旋桨。当时因为人类还没有研制出发动机,他设想用一个由80人组成的乘务组以人力来驱动螺旋桨!这种想法虽然最终未能实现,但他的整个设计却是一个伟大的创举。在飞艇的发展过程中,梅斯尼埃“功不可没”。

后来,有一个叫梅森的英国人,他所制造的一个小型飞艇,靠发条装置驱动螺旋桨来推动,每小时可飞行8千米。但这个飞艇是一个不可操纵的飞艇。

世界上第一艘可操纵的飞艇是一个叫吉法德的法国人制造的。他把船上的发动机安在了飞艇上,让发动机来带动或推动飞艇前进和升空。这艘飞艇长44米,直径12米,飞艇上安装了一个蒸汽发动机,这台发动机可以驱动一副3个叶片的螺旋桨。1852年9月,吉法德操纵飞艇从巴黎的马戏场起飞,以每小时8千米的速度飞行,3个多小时后,在离巴黎大约28千米之外的德拉普降落。因为这个飞艇的升高是采用热气球的原理,而前进是采用了螺旋桨,所以说人类进行了有动力的半操纵飞行。

吉法德的第一艘飞艇世界上第一艘能持续飞行的飞艇,是法国军官勒纳尔和克雷布设计的。这艘名叫“法国号”的飞艇,装有一台9 马力的发动机,飞行时速可达到20千米左右,而且还可进行全方向操纵。

以上这些飞艇基本沿用了气球的结构形式,即软式结构。软式结构的飞艇刚度较差,而且无法做得很大,运载能力和飞行时间都受到很大限制。

19世纪末,铝合金问世,由于它很轻,又很坚固,很快就被用来制造飞艇。人们用铝杆做骨架,用薄铝板做气囊外壳,制成了硬式飞艇。硬式飞艇技术由德国人齐柏林开创。

从1887年开始,齐柏林就计划建造一只不同以往的,能够完成长途运输和空中作战等多种任务的大型飞艇。他的这种硬式结构的特点是,艇身全部采用铝制架制成,框架外部有织物蒙皮。框架把飞艇分成十几个舱室,每个舱室中放置一个气囊,一艘飞艇的气囊由十几个小气囊组成。

巨型商业飞艇齐柏林飞艇开创了轻航空器新时代。1909年,齐柏林创办了世界上第一家民用航空公司——德莱格飞艇公司,利用飞艇开始了空中运输业务。航空史上的飞艇时代从此开始。

飞艇问世后,被用于军事。1914年,第一次世界大战爆发,同年8月5日夜,德国的齐伯林飞艇首次轰炸了法国列日要塞;1914年12月19日,齐伯林飞艇首次轰炸了英国本土;1915年3 月20日又轰炸了巴黎;1915年8月5日,德国又出动5 艘齐伯林飞艇轰炸伦敦。

飞艇的体积大,速度低,灵活性很差,因而极易受到攻击。同时,由于飞机的性能不断提高,所以飞艇在军事上的应用从第一次世界大战后期开始逐步被飞机取代。但民用运输中仍应用飞艇。

在民用飞艇方面,德国一直居领先地位。1929年,德国制成巨型商业飞艇“齐伯林伯爵号”,曾载客16人首次进行了环球飞行。1936年,德国制成了“兴登堡号”飞艇,艇长245 米,直径约40米,曾10次往返于德国和美国之间,运送旅客1000余人。

1937年5月6日“兴登堡号”飞艇爆炸

1937年5 月6 日,“兴登堡号”飞艇越过大西洋,正准备在美国新泽西州降落时,大气中的静电点燃了飞艇泄出来的氢气。瞬时间,引发了熊熊烈火。97名旅客中有37位不幸罹难。这次航空史上的大悲剧,导致了飞艇的衰落。自此以后,作为运输工具的飞艇逐渐“销声匿迹”了。

直到20世纪70年代,由于能源危机和环境问题,人们想到曾辉煌一时的飞艇时代。飞艇节省能源并可降低环境污染,同时为了满足一些大型、不可分的整体货物运输要求,人们提出了以现代技术为基础,并采用安全的升力气体——氦来开发新一代飞艇。由此也引发了一些国家,如英国、美国等,开始进一步探讨、论证现代飞艇的各种方案,并制造了一些试验艇。

随着现代科技的发展,新能源、新材料、新设备被配置到飞艇上,使古老的飞行工具焕发出新的活力。现在的飞艇,在民用领域,主要探讨定期航班、旅游、航测、环保监测、大型货物吊运、海上救援等用途;在军用领域,主要探讨反潜、预警、布雷、巡逻、侦察等任务的适用性。

知识点

密度与浮力

热气球和飞艇是怎样借助空气的浮力上升的呢?其实,这里的秘密在于气体的密度。根据阿基米德定律,我们可以知道,在气体或液体中,物体所受到的浮力等于它所排开的同体积的气体或液体的重量。热气球和飞艇中所填充的气体密度都比空气小,这样一来,它们所排开的同体积的气体的重量就要比热气球或飞艇的重量大。也就是说,热气球和飞艇所受地浮力要比自身的重力大,它们在浮力的作用下便可以升空了。

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