中國古代的“四大航空發(fā)明”

?中國航母遼寧艦進行艦載機起降訓練

風箏：巧出助飛效應

在遼闊的渤海，中國海軍航空兵某部正在進行艦載機起降訓練。只見遼寧艦保持30節(jié)（約為55.6km/h）航速迎風疾駛，一架架戰(zhàn)機轟鳴。航母的前甲板不足200米長，重達20～30噸的殲-15戰(zhàn)斗機要從航母前端滑躍式甲板上一躍而起，直上云天，這是怎么做到的呢？

這其中的原理就離不開“風箏效應”啦！風箏，古人稱之為鳶（yuān）。它有骨架、面布和平衡尾3個部分。骨架是用來保持輪廓和有效的受風面積，并支撐和固定面布的;面布是提供風箏的受風面，使風箏產(chǎn)生升力的作用部件，也可使風箏呈現(xiàn)多樣的畫面效果;平衡尾有配重、穩(wěn)定的作用，也可保持風箏放飛時的姿態(tài)。

?風箏升空原理及受力分析（繪圖 / 林漢京）

風箏的升空利用了“力的合成與分解”和“作用力與反作用力”（牛頓第三定律）兩項物理學原理。風箏飛起時，其迎風面與空氣會有個相對運動方向的迎角（α），風箏拉線會產(chǎn)生拉力（T）。根據(jù)牛頓第三定律，就會產(chǎn)生一個大小相等的反作用力（T反），且反作用力的方向與拉力的方向相反。風箏拉線與面布的交接點（A點）在垂直方向會受到空氣壓力（F壓）的分力（F升）、線拉力（T）的分力（T下）和風箏重力（G）共同作用。調(diào)整風箏的放飛迎角（α），使F升≥T下+G，風箏就可上升或在空中靜止;如若F升<T下+G，風箏就會下墜。

遼寧艦飛行甲板的前端向上斜翹，使艦載機在加力起飛的最后階段機身向上與水平方向呈大約14o的迎角。此時的機翼與機身下表面相當于一個巨型的風箏。殲-15戰(zhàn)斗機在滑跑起飛時可獲得較大的輔助升力。同時殲-15戰(zhàn)斗機發(fā)動機產(chǎn)生的推力方向也因迎角向上傾起，艦載機實現(xiàn)短距滑跑快速起飛。

在軍用飛機各種戰(zhàn)術飛行動作中也能找到風箏效應的身影。飛行員依靠對迎角的準確掌握，完成各種復雜的特技動作，從而達成各種戰(zhàn)斗任務。

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飛機升空主要依靠伯努利效應，但飛機在低速狀態(tài)時伯努利效應尚不明顯，因此風箏效應對飛機的起降輔助效果反而較強。20世紀40年代中期以前，飛機多以活塞發(fā)動機和螺旋槳為動力裝置，飛機航速較低，起飛速度較慢，因此多采用后三點式起落架布局，以使飛機有固定的迎角，在滑跑全程獲得風箏效應。而現(xiàn)代噴氣式飛機起飛速度快，無需再借助風箏效應，為便于駕駛員觀察，避免著陸時發(fā)生“機頭倒立”等安全事故，多采用前三點式起落架布局。

?低速飛機起落架布局為后三點式。在第二次世界大戰(zhàn)時，后三點式的起落架仍廣泛使用

?K-27軍用艦載直升機采用的同軸反轉螺旋槳，也是竹蜻蜓原理的變身

?竹蜻蜓（螺旋槳）受力分析（繪圖 / 林漢京）

竹蜻蜓：變身螺旋槳

以竹蜻蜓為原型的螺旋槳推進器，被應用于噴氣時代以前幾乎所有的飛機。即使是現(xiàn)在，大大小小的直升機依然在它們的頂部安裝至少兩部大大的竹蜻蜓—旋翼。這個誕生于中國東晉時（317年—420年）的玩具，怎么就如此深遠地影響了人類的航空歷史呢？

伴隨著絲綢之路的貿(mào)易，竹蜻蜓來到西方，被稱為“中國螺旋”。1796年，英國人喬治·凱利對其進行了研究。1903年，美國萊特兄弟發(fā)明了飛機，竹蜻蜓成了飛機的重要推進部件—螺旋槳。

竹蜻蜓（螺旋槳）升空原理與風箏相似，主要還是牛頓第三定律、力的分解與合成。如上頁圖所示，螺旋槳逆時針旋轉，有傾角的葉片對空氣產(chǎn)生推擋，其A點作用力分別是向下的F下和切線方向的F切。同時對葉片的反作用力F反可分解為使螺旋槳向上的推力F反升和沿葉片旋轉切線方向相反的作用力F反切。

孔明燈：催生熱氣球

孔明燈俗稱許愿燈。相傳這種燈籠的外形酷似三國時期蜀國宰相諸葛孔明戴的帽子，也有人說這種會飛的燈是諸葛亮發(fā)明的，故得其名。但在早于孔明生卒年代的西漢時期，《淮南子·萬畢術》中已有類似現(xiàn)象記載：“取雞子，去其汁，然（燃）艾火納空卵中，疾風因舉之飛?！币馑际钦f在空雞蛋殼中燃艾絨，蛋殼可飛上天空。這說明我們的先祖很早就認識到輕盈的物體可以在熱空氣作用下升空。

如右圖所示，左側燈體中蠟燭未點燃時，溫度較低（t1），燈內(nèi)空氣密度大，燈的總重量較大（G1）;右側燈體中蠟燭點燃時，溫度升高至t2，燈內(nèi)空氣密度變小，燈的總重量變小至G2。這個時候孔明燈受到的浮力就等于其排出同體積的環(huán)境空氣的重力（空氣質(zhì)量乘以重力加速度）。根據(jù)阿基米德定律，當浮力大于孔明燈自身與燈內(nèi)的氣體重力的總和G2時，孔明燈就能在空氣中漂浮起來。

孔明燈在中國古代多做軍事用途，主要用來傳達軍事訊息，以及探測風向和風速。熱氣球運動則是其原理在現(xiàn)代的發(fā)展與應用。

?孔明燈與熱氣球的升空原理相同

?孔明燈升空原理分析（繪圖 / 林漢京）

?在渦輪噴氣發(fā)動機技術基礎上改進發(fā)展而來的新型大功率航空渦輪風扇發(fā)動機。展品陳列于民航博物館 （攝影 / 張翔）

走馬燈：孕育噴氣發(fā)動機

走馬燈的構造很像竹蜻蜓與孔明燈的組合體。它的內(nèi)部有一根可以旋轉的立軸，上部裝一個葉輪（有多個葉片的竹蜻蜓），立軸下端則裝一盞燈或一支蠟燭作為熱源。熱源點燃后，上方空氣受熱上升，通過葉輪后從燈體的上方離去，而冷空氣由下方源源不斷進入燈體。這樣形成空氣在燈體內(nèi)由下向上的單向流動從而推動葉輪，并帶動與立軸相連的圖像（走馬）在燈內(nèi)轉動。

走馬燈具體發(fā)明時間尚不清楚，但到秦朝時它已制作精良。它是世界上第一款使用熱動力驅動渦輪旋轉做功的機械裝置，它實現(xiàn)了熱能向機械能的轉換，成為渦輪噴氣發(fā)動機的鼻祖。1921年法國人獲得了第一個噴氣發(fā)動機的專利;1939年8月德國制作了世界上第一架噴氣式飛機;1950年，朝鮮空戰(zhàn)成為世界上第一次噴氣式飛機的對決。噴氣式飛機的出現(xiàn)催生了軍用飛機的升級換代，加大了航空在軍事上的作用，也加強了制空權在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位。

?走馬燈

科學發(fā)明走向實際應用，需要大量的科學實踐解決工程化問題。由于中國古代科學受生產(chǎn)力和政治制度的限制，這些重要航空發(fā)明未能在中國獲得應有的發(fā)展與轉化。新中國的建立，特別是改革開放后，中華民族的科技事業(yè)邁入嶄新的年代，航空工業(yè)快速發(fā)展。我們期待更多優(yōu)秀的發(fā)明創(chuàng)造出現(xiàn)在中國，改變我們的生活，改變我們的世界。