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  空气动力学及飞行幻想【点击数:


  有趣的是,古代中国人对空气动力学与飞行关系作出了最早的科学猜测。《庄子·逍遥游》写道:“风之积也不厚,则其负大翼也无力。故九万里则风斯在下矣,而后乃今培风;背负青天而莫之夭阏〔e厄〕者,而后乃今将图南。”意思是说,大气若是没有足够的厚度,那么它要承载巨大的翅膀就没有力量。所以大鹏展翅九万里,那是由于它下有大气的支托,后有快速流动的旋风;因此它背负青天飞行而没有阻碍,然后才能飞往南海。想象奇特的庄子在此推测了大鹏展翅九万里的力学原因。他的设想,包括了飞行物体的“翼”、大气及其阻力、大风或旋风的举力。这个设想几乎包含了近代飞行动力学中全部物理因素。直到近代科学诞生之后,甚至到19—20世纪才逐渐地、缓慢地得到科学证实。17世纪后期,惠更斯(C.Huygens,公元1629—1695年)首先估算了物体在空气中运动的阻力;18世纪,牛顿将这种阻力表述为数学式。此后,随着流体力学和航空技术的发展,20世纪初人们才提出飞行机翼或翼型、飞行器所需的举力、减小飞行阻力和提高速度等问题,证实了庄子在《逍遥游》中的猜想。

  科学想象到科学实践之间的确有一段相当长远的距离。要实现科学想象,尚需付出艰辛的劳动,甚至一代又一代孜孜不倦的探索。从《庄子》的想象到飞机最终在天空中安全飞行,人们付出了多少代价,就可想而知了。我们暂且撇开飞行动力学的理论问题不谈,而先谈谈古代中国人所作出的有助于飞行技术发展的某些努力、幻想、发明,看看他们的举动哪些是幼稚的,哪些是聪明的。

  众所周知,战国时期的墨子曾和他的弟子花三年工夫制造一只会飞行的木鸢。东汉张衡也创制了飞行木鸟,“假以羽翮,腹中施机,能飞数里”(《太平御览》卷七五二引《文士传》)。可惜,这些记载过于简略,我们难于推测其中的奥秘。然而,中国人发明的风筝被世界航空史界公认为最早的飞行器。对于16世纪之前的欧洲人来说,它是闻所未闻的东西。第一次世界大战前,某些飞行先驱称自己的试验飞机是“动力风筝”、“巢形风筝”,可见它对动力学思想的发展曾起着重要作用。

  风筝,初名为纸鸢、纸鹞、风鸢,形状似鸟。它在空中飞行受到三种力的作用:重力、空气动力和拉线张力。(图2-19)稍有气流,它就上升。放风筝者常拉紧线奔跑,借助相对气流运动使之飘浮升空。无风时,它因重力而下降。风筝飞行是沿一大圆弧运动,拉线之长即其运动轨道的半径。它与飞机相似之处是,都有羽翼,靠气流浮力上升。当然,飞机尚有机械动力的作用。


  图2-19 风筝受力作用示意图

  关于风筝的起源有多种说法。较为可靠的是起源于6世纪。梁武帝太清三年(公元549年),侯景反于寿阳,围台城。简文帝在城内粮草断绝,外无援兵。困守之际,一名叫“羊车儿”的战士向简文帝“献计作纸鸦,系于长绳,藏敕于中。简文帝出太极殿前,因西北风而放,冀得书达援军。”(《通纪》卷七)这大概是风筝发明最早的确切记载。此后200年,即公元781年,唐朝节度使田悦反叛,攻临洺城。守将张伾在粮储渐乏之时,放风筝告求援军。他“以纸为风鸢,高百余丈,过悦营上。悦使善射者射之,不能及。”(《新唐书·田悦传》、《旧唐书·张伾传》)可见,风筝的发明是与军事通讯密切相关的。后成为宫中娱乐,至于为平民百姓、尤其是儿童的嬉玩之物,那更是后来的事了。南宋时,市上就有专卖风筝的经纪人了。诗人以此为题赋,画家也以此作画。

  除了风筝之外,东晋的学者葛洪发明的“飞车”是直升旋翼和飞机螺旋桨的始祖。据《抱朴子·内篇》卷一五记载,它的主要部件是一个加工成斜面或弯曲面的薄竹片,如图2-20。薄竹片类似向下吹风的风扇叶。竹片中央榫接一根直立轴。将绳带以类似木工用的弓钻方式绞纽在立轴上。拉动绳带,竹片急速旋转。旋转着的竹片借其弯面造成的气流而上升。葛洪称这股强烈的气流为“罡风”。

  葛洪的“飞车”,后来称为“竹蜻蜓”,成为儿童喜好的玩器。它传到欧洲后,被称为“中国陀螺”,并引起了早期航空实验家们的极大注意。他们纷纷仿造竹蜻蜓,并由此引发了直升机旋翼和螺旋桨的设计构想。

  向下压弓


  图2-20 竹蜻蜓

  前述陀螺和平衡环也是飞行机械中不可缺少的部件。还有,雨伞、阳伞,特别是具有滑动杠杆的折叠式伞也是中国人发明的。传说中的舜帝在受其继母虐待时,曾手持两笠从高处跳下而免遭祸害。(《史记·五帝本纪》)南宋时,有人手持两伞从屋脊跳下竟安然无恙。可见,“降落伞”的概念在中国也有悠久的历史。18世纪的欧洲人,曾受到中国历史上的这些记载启发,而进行跳伞实验。由此可知,古代中国人对飞行动力和飞行技术曾作过多种多样先行性的探索。

  在人类进化史的早期,可能某些人已产生飞行幻想。人们见鸟自由飞行,便希望自己也能遨游太空。在幻想支配下,中国古代也有许多关于“羽人”、“飞天”的神话和图画。汉代艺术家曾用铜铸造了两个羽人跪座像。其人形状奇特,长脸尖鼻,颧骨与眉骨隆起,双耳高过头顶,脑后锥形发髻,背部长两只巨大翅膀。在航空科学尚处愚昧的古代,美好的神话幻想往往会促使勇敢者去实践一番。公元19年,中国人首次进行了滑翔飞行尝试。

  其时,西汉末年,王莽政权与匈奴交战。王莽意欲召天下有奇术之士,以为反攻匈奴之兵将。受名利的驱动,有人声言自己不食米谷而可作战数月;有人扬言自己不用舟楫可使三军渡江;也有人说,自己能飞,一日千里,可在天空窥探匈奴军情。应招募者不下万计,个个跃跃欲试,以图一官半职。王莽一一召验。据载,那些声称会飞天的人,身着羽毛,作成鸟,架翅膀以为翼,身上还装有环纽机关,从山顶滑翔而下。虽有的飞数百步而坠,但几乎都一个个摔得鼻青脸肿。王莽“知其不可用,苟欲获其名”,也就满足他们愿望,凡未摔死的“皆拜为理事,赐以车马”(《汉书·王莽传》)。这大概是航空史上最早的,也是最大规模的一次人类飞行试验。

  与这些自愿充当“羽人”而挨摔的冒险者相比,北齐文宣帝高洋(公元529-559年)却是个以飞行实验杀人的暴君。一次,他下令让那些死囚,以纸翼、草翼为翅,从金凤台上飞下,如安全着地,则可获赦。名为“放生”,实则视其摔死为乐。其中唯有一人叫“元黄头”的死囚随风“飞”到城外安全降落。或许他曾受过滑翔训练,成为唯一的幸存者。尽管此人后来仍被文宣帝活活饿死(《资治通鉴》卷一六七),但却是一次成功的飞行。

  自然,这些飞人实验,几乎都以仿效鸟的飞行进行的。既无机械助飞,也无保护措施,当然是一种极为危险的尝试。

  古代人也有“飞车”的设想。最早的想象可能是西晋郭璞在注《山海经》中以神话故事讲出来的。他说,有一个称为“奇肱国”的国民,善于机巧,能作飞车,从风远行。后来,这样的故事越编越多。到了明清时代,又有人画图示之。明初成书的《异域图志》中,绘有两人在空中合乘一车,车轮中轮齿的方向对着风向,恰似一立式风轮。(图2-21)清代成书的《山海经存》绘有另一种飞车图:车轮颇有螺旋桨意味。(图2-22)。显然,自葛洪创制竹蜻蜓以来,人们对于螺旋桨式叶轮在飞行中的作用无疑有着深刻的印象。


  图2-21 《异域图志》绘“奇肱飞车”

  这种科学幻想到后来成为章回小说的部分内容。清代李汝珍在其著《绘图镜花缘》(成书于1829年)中描写并绘画的飞车,是一件极为有趣的事。李汝珍就飞车的设想写道:

  国舅家人已将三辆飞车搭放院中,都向西方,按次摆了。众人看时,那车只有半人高,长不满四尺,宽约二尺有余,系用柳木如窗棂式做成,极其轻巧。周围用鲛绡为幔,车内四面放着指南针。车后拖一小木,如船舵一般。车下尽是铜轮,大小不等,有大如面盆的,有小如酒杯的,横竖排列,约有数百之多,虽都如同纸薄,却极坚刚。当时议定,国舅、若花坐前车;红红、亭亭坐中车;兰兰与仆人坐后车。国舅把钥匙交给仆人,又取三把钥匙交给红红道:‘一是起匙,一是行匙,上面都有名目,用时不可错误。如要车向左,将舵朝右推去;向右,朝左推去。紧随我车,自无舛错。’车之正面,有一鲛绡小帆,如遇顺风,将小帆扯起,尤其迅速。


  图2-22 《山海经存》绘飞车

  李汝珍的想象多么丰富!他设想的飞车包括车制大小、轻重、各种转动齿轮或车轮、操作机构(舵)、起动与加速阀门(“起匙”与“行匙”)、导航仪(指南针)等等,几乎将古代机械成就与空气动力学知识都包括在内了。绘画中的车轮极为类似螺旅桨叶(图2-23)。他想象如纸薄而坚刚的合金,直到今天人们才勉强为之。唯一不足的是,他没有想象到飞车的动力设备。

  在空气动力学知识如此高深的今天,在各类飞行器漫游太空之时,人们不会忘记古代中国人所作出的探索与成就,在尝试飞行的历史上,写下了值得赞颂的一笔。


  图2-23 《绘图镜花缘》插图


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