空氣動(dòng)力學(xué)及飛行幻想

空氣動(dòng)力學(xué)及飛行幻想

有趣的是，古代中國(guó)人對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)與飛行關(guān)系作出了最早的科學(xué)猜測(cè)。《莊子·逍遙游》寫道：“風(fēng)之積也不厚，則其負(fù)大翼也無力。故九萬里則風(fēng)斯在下矣，而后乃今培風(fēng)；背負(fù)青天而莫之夭閼〔e厄〕者，而后乃今將圖南?！币馑际钦f，大氣若是沒有足夠的厚度，那么它要承載巨大的翅膀就沒有力量。所以大鵬展翅九萬里，那是由于它下有大氣的支托，后有快速流動(dòng)的旋風(fēng)；因此它背負(fù)青天飛行而沒有阻礙，然后才能飛往南海。想象奇特的莊子在此推測(cè)了大鵬展翅九萬里的力學(xué)原因。他的設(shè)想，包括了飛行物體的“翼”、大氣及其阻力、大風(fēng)或旋風(fēng)的舉力。這個(gè)設(shè)想幾乎包含了近代飛行動(dòng)力學(xué)中全部物理因素。直到近代科學(xué)誕生之后，甚至到19—20世紀(jì)才逐漸地、緩慢地得到科學(xué)證實(shí)。17世紀(jì)后期，惠更斯(C.Huygens，公元1629—1695年)首先估算了物體在空氣中運(yùn)動(dòng)的阻力；18世紀(jì)，牛頓將這種阻力表述為數(shù)學(xué)式。此后，隨著流體力學(xué)和航空技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)初人們才提出飛行機(jī)翼或翼型、飛行器所需的舉力、減小飛行阻力和提高速度等問題，證實(shí)了莊子在《逍遙游》中的猜想。

科學(xué)想象到科學(xué)實(shí)踐之間的確有一段相當(dāng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的距離。要實(shí)現(xiàn)科學(xué)想象，尚需付出艱辛的勞動(dòng)，甚至一代又一代孜孜不倦的探索。從《莊子》的想象到飛機(jī)最終在天空中安全飛行，人們付出了多少代價(jià)，就可想而知了。我們暫且撇開飛行動(dòng)力學(xué)的理論問題不談，而先談?wù)劰糯袊?guó)人所作出的有助于飛行技術(shù)發(fā)展的某些努力、幻想、發(fā)明，看看他們的舉動(dòng)哪些是幼稚的，哪些是聰明的。

眾所周知，戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的墨子曾和他的弟子花三年工夫制造一只會(huì)飛行的木鳶。東漢張衡也創(chuàng)制了飛行木鳥，“假以羽翮，腹中施機(jī)，能飛數(shù)里”(《太平御覽》卷七五二引《文士傳》)?？上?，這些記載過于簡(jiǎn)略，我們難于推測(cè)其中的奧秘。然而，中國(guó)人發(fā)明的風(fēng)箏被世界航空史界公認(rèn)為最早的飛行器。對(duì)于16世紀(jì)之前的歐洲人來說，它是聞所未聞的東西。第一次世界大戰(zhàn)前，某些飛行先驅(qū)稱自己的試驗(yàn)飛機(jī)是“動(dòng)力風(fēng)箏”、“巢形風(fēng)箏”，可見它對(duì)動(dòng)力學(xué)思想的發(fā)展曾起著重要作用。

風(fēng)箏，初名為紙鳶、紙鷂、風(fēng)鳶，形狀似鳥。它在空中飛行受到三種力的作用：重力、空氣動(dòng)力和拉線張力。(圖2-19)稍有氣流，它就上升。放風(fēng)箏者常拉緊線奔跑，借助相對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)使之飄浮升空。無風(fēng)時(shí)，它因重力而下降。風(fēng)箏飛行是沿一大圓弧運(yùn)動(dòng)，拉線之長(zhǎng)即其運(yùn)動(dòng)軌道的半徑。它與飛機(jī)相似之處是，都有羽翼，靠氣流浮力上升。當(dāng)然，飛機(jī)尚有機(jī)械動(dòng)力的作用。

圖2-19風(fēng)箏受力作用示意圖

關(guān)于風(fēng)箏的起源有多種說法。較為可靠的是起源于6世紀(jì)。梁武帝太清三年(公元549年)，侯景反于壽陽，圍臺(tái)城。簡(jiǎn)文帝在城內(nèi)糧草斷絕，外無援兵。困守之際，一名叫“羊車兒”的戰(zhàn)士向簡(jiǎn)文帝“獻(xiàn)計(jì)作紙鴉，系于長(zhǎng)繩，藏敕于中。簡(jiǎn)文帝出太極殿前，因西北風(fēng)而放，冀得書達(dá)援軍?！?《通紀(jì)》卷七)這大概是風(fēng)箏發(fā)明最早的確切記載。此后200年，即公元781年，唐朝節(jié)度使田悅反叛，攻臨洺城。守將張伾在糧儲(chǔ)漸乏之時(shí)，放風(fēng)箏告求援軍。他“以紙為風(fēng)鳶，高百余丈，過悅營(yíng)上。悅使善射者射之，不能及。”(《新唐書·田悅傳》、《舊唐書·張伾傳》)可見，風(fēng)箏的發(fā)明是與軍事通訊密切相關(guān)的。后成為宮中娛樂，至于為平民百姓、尤其是兒童的嬉玩之物，那更是后來的事了。南宋時(shí)，市上就有專賣風(fēng)箏的經(jīng)紀(jì)人了。詩(shī)人以此為題賦詩(shī)，畫家也以此作畫。

除了風(fēng)箏之外，東晉的學(xué)者葛洪發(fā)明的“飛車”是直升旋翼和飛機(jī)螺旋槳的始祖。據(jù)《抱樸子·內(nèi)篇》卷一五記載，它的主要部件是一個(gè)加工成斜面或彎曲面的薄竹片，如圖2-20。薄竹片類似向下吹風(fēng)的風(fēng)扇葉。竹片中央榫接一根直立軸。將繩帶以類似木工用的弓鉆方式絞紐在立軸上。拉動(dòng)繩帶，竹片急速旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)著的竹片借其彎曲面造成的氣流而上升。葛洪稱這股強(qiáng)烈的氣流為“罡風(fēng)”。

葛洪的“飛車”，后來稱為“竹蜻蜓”，成為兒童喜好的玩器。它傳到歐洲后，被稱為“中國(guó)陀螺”，并引起了早期航空實(shí)驗(yàn)家們的極大注意。他們紛紛仿造竹蜻蜓，并由此引發(fā)了直升機(jī)旋翼和螺旋槳的設(shè)計(jì)構(gòu)想。

向下壓弓

圖2-20竹蜻蜓

前述陀螺和平衡環(huán)也是飛行機(jī)械中不可缺少的部件。還有，雨傘、陽傘，特別是具有滑動(dòng)杠桿的折疊式傘也是中國(guó)人發(fā)明的。傳說中的舜帝在受其繼母虐待時(shí)，曾手持兩笠從高處跳下而免遭禍害。(《史記·五帝本紀(jì)》)南宋時(shí)，有人手持兩傘從屋脊跳下竟安然無恙?？梢姡敖德鋫恪钡母拍钤谥袊?guó)也有悠久的歷史。18世紀(jì)的歐洲人，曾受到中國(guó)歷史上的這些記載啟發(fā)，而進(jìn)行跳傘實(shí)驗(yàn)。由此可知，古代中國(guó)人對(duì)飛行動(dòng)力和飛行技術(shù)曾作過多種多樣先行性的探索。

在人類進(jìn)化史的早期，可能某些人已產(chǎn)生飛行幻想。人們見鳥自由飛行，便希望自己也能遨游太空。在幻想支配下，中國(guó)古代也有許多關(guān)于“羽人”、“飛天”的神話和圖畫。漢代藝術(shù)家曾用銅鑄造了兩個(gè)羽人跪座像。其人形狀奇特，長(zhǎng)臉尖鼻，顴骨與眉骨隆起，雙耳高過頭頂，腦后錐形發(fā)髻，背部長(zhǎng)兩只巨大翅膀。在航空科學(xué)尚處愚昧的古代，美好的神話幻想往往會(huì)促使勇敢者去實(shí)踐一番。公元19年，中國(guó)人首次進(jìn)行了滑翔飛行嘗試。

其時(shí)，西漢末年，王莽政權(quán)與匈奴交戰(zhàn)。王莽意欲召天下有奇術(shù)之士，以為反攻匈奴之兵將。受名利的驅(qū)動(dòng)，有人聲言自己不食米谷而可作戰(zhàn)數(shù)月；有人揚(yáng)言自己不用舟楫可使三軍渡江；也有人說，自己能飛，一日千里，可在天空窺探匈奴軍情。應(yīng)招募者不下萬計(jì)，個(gè)個(gè)躍躍欲試，以圖一官半職。王莽一一召驗(yàn)。據(jù)載，那些聲稱會(huì)飛天的人，身著羽毛，作成鳥，架翅膀以為翼，身上還裝有環(huán)紐機(jī)關(guān)，從山頂滑翔而下。雖有的飛數(shù)百步而墜，但幾乎都一個(gè)個(gè)摔得鼻青臉腫。王莽“知其不可用，茍欲獲其名”，也就滿足他們?cè)竿?，凡未摔死的“皆拜為理事，賜以車馬”(《漢書·王莽傳》)。這大概是航空史上最早的，也是最大規(guī)模的一次人類飛行試驗(yàn)。

與這些自愿充當(dāng)“羽人”而挨摔的冒險(xiǎn)者相比，北齊文宣帝高洋(公元529-559年)卻是個(gè)以飛行實(shí)驗(yàn)殺人的暴君。一次，他下令讓那些死囚，以紙翼、草翼為翅，從金鳳臺(tái)上飛下，如安全著地，則可獲赦。名為“放生”，實(shí)則視其摔死為樂。其中唯有一人叫“元黃頭”的死囚隨風(fēng)“飛”到城外安全降落?；蛟S他曾受過滑翔訓(xùn)練，成為唯一的幸存者。盡管此人后來仍被文宣帝活活餓死(《資治通鑒》卷一六七)，但卻是一次成功的飛行。

自然，這些飛人實(shí)驗(yàn)，幾乎都以仿效鳥的飛行進(jìn)行的。既無機(jī)械助飛，也無保護(hù)措施，當(dāng)然是一種極為危險(xiǎn)的嘗試。

古代人也有“飛車”的設(shè)想。最早的想象可能是西晉郭璞在注《山海經(jīng)》中以神話故事講出來的。他說，有一個(gè)稱為“奇肱國(guó)”的國(guó)民，善于機(jī)巧，能作飛車，從風(fēng)遠(yuǎn)行。后來，這樣的故事越編越多。到了明清時(shí)代，又有人畫圖示之。明初成書的《異域圖志》中，繪有兩人在空中合乘一車，車輪中輪齒的方向?qū)χL(fēng)向，恰似一立式風(fēng)輪。(圖2-21)清代成書的《山海經(jīng)存》繪有另一種飛車圖：車輪頗有螺旋槳意味。(圖2-22)。顯然，自葛洪創(chuàng)制竹蜻蜓以來，人們對(duì)于螺旋槳式葉輪在飛行中的作用無疑有著深刻的印象。

圖2-21《異域圖志》繪“奇肱飛車”

這種科學(xué)幻想到后來成為章回小說的部分內(nèi)容。清代李汝珍在其著《繪圖鏡花緣》(成書于1829年)中描寫并繪畫的飛車，是一件極為有趣的事。李汝珍就飛車的設(shè)想寫道：

國(guó)舅家人已將三輛飛車搭放院中，都向西方，按次擺了。眾人看時(shí)，那車只有半人高，長(zhǎng)不滿四尺，寬約二尺有余，系用柳木如窗欞式做成，極其輕巧。周圍用鮫綃為幔，車內(nèi)四面放著指南針。車后拖一小木，如船舵一般。車下盡是銅輪，大小不等，有大如面盆的，有小如酒杯的，橫豎排列，約有數(shù)百之多，雖都如同紙薄，卻極堅(jiān)剛。當(dāng)時(shí)議定，國(guó)舅、若花坐前車；紅紅、亭亭坐中車；蘭蘭與仆人坐后車。國(guó)舅把鑰匙交給仆人，又取三把鑰匙交給紅紅道：‘一是起匙，一是行匙，上面都有名目，用時(shí)不可錯(cuò)誤。如要車向左，將舵朝右推去；向右，朝左推去。緊隨我車，自無舛錯(cuò)?！囍妫幸货o綃小帆，如遇順風(fēng)，將小帆扯起，尤其迅速。

圖2-22《山海經(jīng)存》繪飛車

李汝珍的想象多么豐富！他設(shè)想的飛車包括車制大小、輕重、各種轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪或車輪、操作機(jī)構(gòu)(舵)、起動(dòng)與加速閥門(“起匙”與“行匙”)、導(dǎo)航儀(指南針)等等，幾乎將古代機(jī)械成就與空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)都包括在內(nèi)了。繪畫中的車輪極為類似螺旅槳葉(圖2-23)。他想象如紙薄而堅(jiān)剛的合金，直到今天人們才勉強(qiáng)為之。唯一不足的是，他沒有想象到飛車的動(dòng)力設(shè)備。

在空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)如此高深的今天，在各類飛行器漫游太空之時(shí)，人們不會(huì)忘記古代中國(guó)人所作出的探索與成就，在嘗試飛行的歷史上，寫下了值得贊頌的一筆。

圖2-23《繪圖鏡花緣》插圖

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