人类飞行的梦

1、人類飛行的夢林清一人類自古以來看鳥在天上飛、雲在天上飄，星星、月亮高掛在天空中，日復一日的循環不已，觀測分析天空的現象、憧憬飛行的夢想早已存在人類接觸航空太空的歷史文獻了。早在西元前3500年的“巴比倫帝國”，他們留下一個印章上面刻著一個牧羊人坐在天使的背上飛，這是虛構的呢？還是看到的呢？在中國的歷史故事中的“嫦娥奔月”，也是人類典型的飛行幻想，想將嫦娥送到月宮去。在航空太空的科學尚未啟蒙發展以前，人類對飛行的夢想大概止於如何將自己裝上一個翅膀，變成一個會飛的“鳥人”而已。觀念與思考完全掙脫不了鳥類的形狀與能力。到了16世紀以後，物理化學為主的新科學誕生之後，科學家發現了有些氣體比空氣還輕，於

2、是，人類想升空就有不同的想法了。飛上天與升空一樣，可以像鳥的飛行或雲的飄動，能到高高的天空上去看更遠更廣的視野了。想飛的第一個思考，如何借力使力來克服地球的吸引力。1. 可升空的風箏很多人從小都必定玩過許多風箏，風箏的設計與製作至少已經傳承了幾個世紀。人類從觀察鳥類的飛行、樹葉的飄降、棉絮的飛揚，獲得了以風為動力的啟示，漸漸的有了心得與構想，於是設計出會升空的翅膀，形成可以升上天空翱翔的風箏。風箏會飛與不會飛在於如何借用風的力量，使風成為推著風箏上升的力量，因此風箏的設計好壞有很大的差異。風箏必需能阻擋吹來的風，然後產生向上的力，這就是我們所說的借力使力。向上的力必需大於向下的重力(地心引力的

3、重量)，才可以升空。因此，選擇的材料，如骨幹、紙材或繩線，必需質量輕且堅固。在日本的文獻記載中，身體輕巧的忍者能夠隱身在一個大風箏中，飛到天空去偵察敵營。基本上如何做到一個風箏能夠負擔45公斤左右的重量，也十分不可思議的構想。雖然文獻的記載如此，但是事實上現代科技也無法重現或證明它的可行性。現代的風箏細心的計算流體力學的效應，可以做到數百公尺道一千公尺以上。想飛的另一個思考，利用比空氣還輕的氣體來設計飛行載具。2. 比空氣輕的飛行載具 孔明燈、飛行船、熱氣球 - 中國的歷史記再這孔明在三國時代設計了孔明燈作為訊號傳遞的工具。孔明燈為什麼會升空呢？ 因為古代人觀察到生火產生的煙或熱氣上升的現象，

4、原理上空氣因受而熱膨脹，熱空氣分子密度減低了，當然也比冷空氣輕了，因此會有上升的力量。聰明的孔明先生就加以利用，設計了薄棉紙製成的燈籠或氣囊，在它的內部裝入燃燒的棉球，加熱內部的空氣，成為有史以來有文獻記載而且能證明的一種飛行載具。科學家對物理化學原子分子瞭解後，發現了氫氣(17世紀)及氦氣(19世紀)等比空氣輕的氣體，使得人類想升空的條件變得十分簡單可行。第一、有一個容器能儲存或蓄積足夠的氣體，當然是比空氣還輕的氣體。第二、有一個可以承受人體重量的載具，但最好越輕越好，如竹、藤製品。第三、如果有夠膽量且構技術的飛行人員。那麼這個“比空氣輕的飛行載具”就可以飛上天空了。除了氫氣與氦氣比空氣輕外

5、，還有其他許多種氣體都合乎條件，但是氦氣及氫氣比空氣的分子質量差值較多，能夠產生較大的浮力。在十九世紀中科學家已經能由電解的方式獲得氫氣，以及爾後發現的氦氣均能夠製造取得。但是能夠大量獲取氦氣則是二十世紀的事了。氫氣有一個很大的缺點，就是它的自燃性，會爆炸的！氦氣則十分安定，它的危險性較低，但是價格十分昂貴。比空氣還輕的熱空氣當然可以利用，於是從十九世紀以來熱氣球也成為一種安全簡單的飛行載具了。熱氣球升空後必須藉著氣流來飛行，因此在熱氣球的飛行中，氣象資訊十分重要。在1999年初，歐洲的熱氣球愛好者也完成了環球二萬公里飛行的壯舉。二十世紀初期科學家與航空工程師們對大型氣球飛船甚感興趣，因此陸續

6、的推出各種以氫氣填充的飛船。最有名的是齊柏林飛船。一直到二次大戰前，因為飛船遭人破壞爆炸後，飛船的發展才稍微平息。然而到了1980年代以後，大型飛船的研究發展又開始受到重視。現代的飛船設計以加拿大的CAS1200為最大，長約457公尺(足球場的長度約為100公尺)，船身直徑60公尺，載重580噸，續航力6400公里。想飛是否設計飛行翅膀，讓比空氣重的載具能夠升空而且飛得更自由呢？ 19世紀末，英國皇家科學院的院長曾經下過一個斷語，任何比空氣重的東西絕對不可能飛上天空。3.比空氣重的飛行載具 飛機、滑翔機、直升機 - 利用氣流螺旋槳推進原理我們將一張薄紙放在嘴巴下緣，用力將氣體吹出，可以使得原來

7、下垂的薄紙向上飄。這是用來證明急速流動的氣體與慢速或靜止的氣體產生的壓力不同，流速越快，壓力用小。因此嘴巴吹出來的那一面紙張受到較小的壓力，因而薄紙向上飄。這就是白努利定律。因此我們如果將一個上下曲度不對稱的翼面，產生流速不相等的氣流時，也會產生垂直於翼面一個方向的作用力，因此設計出機翼來了。機翼是一個特殊的造型，能使翼面上的氣流比翼面下來得快。由於流速高的一面會有較低的壓力，特殊設計的翼面下受到向上的力，比翼面上受到向下的力來得大，即獲得升力。1903年萊特兄弟用工程技術讓比空氣還重的載具飛上天空了？想飛除了有翼面的升力效應外，我們還需要動力。牛頓的反作用定理是說：某一個物體施力(作用力)於

8、另一個物體時，同時會受到大小相等方向相反的反應力(反作用力)。牛頓的反作用運動原理，是從人類經驗力的使用所發展出來的。因此，理論上假設我們坐在一個對地完全沒有摩擦力的椅子上，例如在滑冰時只有很小的摩擦力，當我們向前猛吹空氣時，應該會產生反作用的效果而開始倒退。由這個原理，人類想到了有斜角的葉片，放在一個圓周上旋轉，會產生了向前或向後吹的風，也可以產生反作用力。(想一想，家裡的電風扇為何不會後退或倒下呢？ 因為風扇的推力還不是很大，而且電扇的底座設計得較重的緣故)。於是如同“小叮噹”帽子上加裝螺旋槳的構想，引發人類製造出會產生推力的大風扇。我們也可以將白努利定律應在螺旋槳葉片的設計上，如果葉片的

9、上方曲度比下方大，則可以產生向上的推力。螺旋槳旋轉後所產生的推力：第一個利用，我們可以直接利用克服飛行載具受地心引力的重力，於是設計出直昇機來了。幾百年來我們的童玩“竹蜻蜓”也是採用此種科學原理製作出來的。第二個例子，因為高速旋轉的螺旋槳所產生的推力，可以使飛行載具向前快速前進。有了向前的推力，因此飛機可以向前飛，白努利機翼才能發揮產生升力的效應。當飛機獲得推力向前高速運動時，機翼受到向上的作用力，稱為升力，比向下的作用力，包括飛行載具的重量，總稱為重力，來得大時，飛機就有足夠的升力可以飛上天了。因此，在大氣中的固定翼飛行器，如飛機等，均有一個曲面造型的機翼，上面曲度比下面大，其推力甚大於阻力

10、，因此能夠加速至很快的速度，並且由機翼產生足夠的升力來克服重力，於是飛機就飛上天空了。螺旋槳飛機的速度大約僅能在0.6馬赫以下，(“馬赫”是指聲音傳播速度的單位，約每秒334公尺)，航高大約20000呎，續航力也僅能達到3000公里。事實上，鳥類的翅膀比機翼的構造更複雜，如果可以觀察鴿子的羽毛，可以看出羽毛的骨幹左右並不對稱，請羽毛長度由內向外逐漸縮小，鳥類在飛行翱翔時就是靠氣流推進以及翅膀產生的升力來飛行的。因此，無動力滑翔機被拉到空中後也是靠氣流的變化，以及機翼的造型，可以在空中飛行、爬升及自由翱翔。4. 比空氣重的飛行載具 噴射飛機 - 利用渦輪噴射推進原理科學家知道燃燒的原理之後，想到

11、將高能量單元的燃料密集地點燃，燃燒或爆炸後變成氣體產生了壓力的變化(體積變大但是容器卻堅硬不變)。於是有內燃機引擎或渦輪噴射引擎的發明，前者用於產生機械推力，後者則可產生噴射氣流，產生強大的氣流反作用力來推動飛機。渦輪噴射引擎更以燃料噴霧特性來增加燃燒效率，減少氧氣的供應密度，發展成為飛機的動力引擎。由於噴射引擎的發明，飛機能夠飛得更高，空氣阻力減小以節省油料，飛得更快，以及飛得更遠。今日的噴射飛機能飛到80,000呎，1200公里時速，航程12000公里的空中飛行。飛機翼形的設計原理上不變，只是它的結構強度必須增強許多，才能適應高速度大約如0.63馬赫範圍的飛行。所有的飛機都有一個基本特性必

12、須滿足，飛機的造型必須設計到阻力最小剖面與流線形，因此飛機的外型都差不多，比起太空飛行載具可以多樣變化有很大的差異。大氣層內飛行的問題，主要是利用空氣動力的原理，產生在大氣中的升力。是否想一想，如果鳥愈飛愈高，牠能不能飛到太空中呢？同樣的，我們也會想到一個實際的問題，在高空或進入太空中，空氣變得十分稀薄或沒有空氣，飛機的螺旋槳還管用嗎？如果噴射引擎能夠自己帶著助燃的氧氣，是否有可能飛到外太空呢？5. 火箭 - 利用噴射推進原理飛出大氣層的飛行載具，除了因空氣稀薄或沒有空氣不可能考慮採用螺旋槳產生動力的飛機之外，噴射飛機也將因無法提供氧氣助燃而無法飛行。此時，我們老祖先發明沖天爆竹的構想，可能讓

13、人類達成了上天的夢想。沖天爆竹使用的火藥，即近代所謂固態火箭燃料，在點燃只需少量氧氣助燃即可發生爆炸燃燒，並迅速產生極大倍率的氣體膨脹開來。將膨脹高壓的氣體從一個細小的噴嘴極速噴出，這就是我們俗稱的固體火箭引擎。在固體燃料火箭之後，又發展出以液化氫與氧為燃料的液體燃料火箭，兩者採用完全不同的燃燒理論，但是產生噴射推力的原理是相同的。無論如何，火箭引擎進入太空中必須自備氧氣來助燃，這也是一般飛機用的噴射引擎無法上太空的原因。火箭的發展將因燃燒噴射產生極大的動力，以極高的加速度，加速至約每秒11.2公里的速度，以便能脫離地球的地心引力，進入外太空。在此一過程會產生極大的重力反應，人類需經特殊訓練才

14、能承受此種重力變化。因此火箭飛行能否成為大眾運輸工具，仍是近代工程科學與生物工程研究人員探討的問題。在使用上，液態火箭引擎比固態火箭引擎容易控制，也將未來的主要引擎系統。火箭的設計是適用於太空的飛行，因此大部份沒有顯著的翼面或控制面，最多只有在尾部裝置有起飛階段用來作輔助飛行控制的小片尾翼。為什麼大型火箭的最初級會設計成許多個輔助火箭的組合推進器呢？其實，它們除了用於提升推力外，在起飛初期還有控制火箭平衡的功能。火箭進入太空之後，火箭如何改變航向呢？科學家設計了許多從側邊噴出的姿態控制噴嘴，以便調整飛行方向或姿態。在太空中，因為作用與反作用的原理，改變方向必需產生一個反方向的力來產生動力，因此

15、太空人在太空中“步行”顯得十分笨拙，即是因為很難像在地球上的步行，為所欲為。最近發展的太空梭與傳統火箭的不同點在於太空梭上有明顯的機翼，為什麼？因為太空梭的設計為能夠重複使用的飛行器，能夠自行返回地球後，在進入大氣層以後的飛行與一般的飛機相同，因此也必須靠機翼來作飛行控制，但是它的機翼設計比傳統飛機的機翼簡單而且小得多了。太空梭的發展將使提供一般民眾上太空旅行的機會，未來可以有很多人上太空去遊覽了。太空梭也將是人類太空探險的必要交通工具，科學家計畫利用太空梭來建造太空站，並且逐步向更遠的太空發展。6. 人造衛星 - 牛頓萬有引力定律之應用 人造衛星是以火箭或太空梭為工具送入太空的飛行器。人造衛

16、星為什麼會乖乖的在特定的軌道上運行呢？因為科學家將人造衛星的質量(此時不稱為重量，你知道為什麼嗎？)與環繞地球飛行速度所產生的離心力，與地球引力對此衛星所產生的吸引力，兩者平衡的話，人造衛星將在此一特定高度(或與地心的距離)之軌道上運行，這就是牛頓所發現的萬有引力定律。投送火箭或太空梭的任務是將人造衛星送到特定軌道附近，並給予相當的速度後脫離。人造衛星在運行一段時間後由於地心引力與阻力的影響關係，速度會減低，導致高度下降，此時必須靠內藏的小型火箭推動加速至所需速度，將衛星回升到所要求的運行高度(軌道)。人造衛星不論大小，均需有內藏的小型火箭或高壓空氣，用於補充速度或修正姿態，這些操作完全由地球

17、上的監控中心透過無線電系統來指揮控制的。當衛星內預存的燃料耗盡後，衛星將逐漸被地球吸引而降低軌道高度，及至墜毀在地球表面上。人造衛星除了需要有動力外，還需有電力，衛星表面需接受太陽能量，並將之轉換成可用電力，以提供衛星上各種儀器裝備的能源。人造衛星要能完成任務，必需有各種次系統的配合，就如同一個人一樣，需要能看(感測器)，需要能聽(天線)，需要能走(火箭)，需要能吃(太陽能板)，需要能想(電腦)，因此地面控制人員能有效的操作此顆人造衛星。 人造衛星的形狀五花八門，各種形式都有，重量從幾噸到幾公斤，最近流行的微衛星就是50公斤左右的產物。衛星的電力來源是靠太陽能板吸收太陽能轉換而得，因此太陽能板

18、的裝設十分重要。中華衛星一號屬於小型衛星，太陽能板向外伸張出去，像是長了翅膀一般；微衛星的發展則利用衛星外殼表面上直接裝上太陽能板，因此顯得更為渺小。7. 星際太空船 - 太空旅遊的夢想 科學幻想電影中，將人類帶往遙遠的外太空或銀河系外的星際太空船是如何建造的呢？能否像火箭一樣由地球發射升空？如何飛行？如何操作控制？如何補給？如何生活？可以有那些任務？會飛行多久？星際太空船的建造，可能要先由無數次的太空梭飛行任務，在太空中先建造一個太空站或太空基地，由太空站或太空基地來組裝大型的星際太空船。如"星艦迷航記"影集中的"企業號"一樣。地球上的科學家必須利用火箭或太空梭送到太空站上待命，然後登上星際太空船執行長達數月至數年的星際任務。星際太空船的飛行，將採用液態燃料為火箭的動力，或高壓氣體為動力，當然也可能利用如核能燃料等較高級的燃料來產生的動力。同時也會有姿態控制、方向控制或煞車控制等各種方向的小型火箭噴嘴。能源動力