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        空氣動力學及飛行幻想【點擊數:


        有趣的是,古代中國人對空氣動力學與飛行關系作出了最早的科學猜測。《莊子·逍遙游》寫道:“風之積也不厚,則其負大翼也無力。故九萬里則風斯在下矣,而后乃今培風;背負青天而莫之夭閼〔e厄〕者,而后乃今將圖南。”意思是說,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,后有快速流動的旋風;因此它背負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了大鵬展翅九萬里的力學原因。他的設想,包括了飛行物體的“翼”、大氣及其阻力、大風或旋風的舉力。這個設想幾乎包含了近代飛行動力學中全部物理因素。直到近代科學誕生之后,甚至到19—20世紀才逐漸地、緩慢地得到科學證實。17世紀后期,惠更斯(C.Huygens,公元1629—1695年)首先估算了物體在空氣中運動的阻力;18世紀,牛頓將這種阻力表述為數學式。此后,隨著流體力學和航空技術的發展,20世紀初人們才提出飛行機翼或翼型、飛行器所需的舉力、減小飛行阻力和提高速度等問題,證實了莊子在《逍遙游》中的猜想。

        科學想象到科學實踐之間的確有一段相當長遠的距離。要實現科學想象,尚需付出艱辛的勞動,甚至一代又一代孜孜不倦的探索。從《莊子》的想象到飛機最終在天空中安全飛行,人們付出了多少代價,就可想而知了。我們暫且撇開飛行動力學的理論問題不談,而先談談古代中國人所作出的有助于飛行技術發展的某些努力、幻想、發明,看看他們的舉動哪些是幼稚的,哪些是聰明的。

        眾所周知,戰國時期的墨子曾和他的弟子花三年工夫制造一只會飛行的木鳶。東漢張衡也創制了飛行木鳥,“假以羽翮,腹中施機,能飛數里”(《太平御覽》卷七五二引《文士傳》)。可惜,這些記載過于簡略,我們難于推測其中的奧秘。然而,中國人發明的風箏被世界航空史界公認為最早的飛行器。對于16世紀之前的歐洲人來說,它是聞所未聞的東西。第一次世界大戰前,某些飛行先驅稱自己的試驗飛機是“動力風箏”、“巢形風箏”,可見它對動力學思想的發展曾起著重要作用。

        風箏,初名為紙鳶、紙鷂、風鳶,形狀似鳥。它在空中飛行受到三種力的作用:重力、空氣動力和拉線張力。(圖2-19)稍有氣流,它就上升。放風箏者常拉緊線奔跑,借助相對氣流運動使之飄浮升空。無風時,它因重力而下降。風箏飛行是沿一大圓弧運動,拉線之長即其運動軌道的半徑。它與飛機相似之處是,都有羽翼,靠氣流浮力上升。當然,飛機尚有機械動力的作用。


        圖2-19 風箏受力作用示意圖

        關于風箏的起源有多種說法。較為可靠的是起源于6世紀。梁武帝太清三年(公元549年),侯景反于壽陽,圍臺城。簡文帝在城內糧草斷絕,外無援兵。困守之際,一名叫“羊車兒”的戰士向簡文帝“獻計作紙鴉,系于長繩,藏敕于中。簡文帝出太極殿前,因西北風而放,冀得書達援軍。”(《通紀》卷七)這大概是風箏發明最早的確切記載。此后200年,即公元781年,唐朝節度使田悅反叛,攻臨洺城。守將張伾在糧儲漸乏之時,放風箏告求援軍。他“以紙為風鳶,高百余丈,過悅營上。悅使善射者射之,不能及。”(《新唐書·田悅傳》、《舊唐書·張伾傳》)可見,風箏的發明是與軍事通訊密切相關的。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,市上就有專賣風箏的經紀人了。詩人以此為題賦,畫家也以此作畫。

        除了風箏之外,東晉的學者葛洪發明的“飛車”是直升旋翼和飛機螺旋槳的始祖。據《抱樸子·內篇》卷一五記載,它的主要部件是一個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的風扇葉。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。拉動繩帶,竹片急速旋轉。旋轉著的竹片借其彎面造成的氣流而上升。葛洪稱這股強烈的氣流為“罡風”。

        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“中國陀螺”,并引起了早期航空實驗家們的極大注意。他們紛紛仿造竹蜻蜓,并由此引發了直升機旋翼和螺旋槳的設計構想。

        向下壓弓


        圖2-20 竹蜻蜓

        前述陀螺和平衡環也是飛行機械中不可缺少的部件。還有,雨傘、陽傘,特別是具有滑動杠桿的折疊式傘也是中國人發明的。傳說中的舜帝在受其繼母虐待時,曾手持兩笠從高處跳下而免遭禍害。(《史記·五帝本紀》)南宋時,有人手持兩傘從屋脊跳下竟安然無恙。可見,“降落傘”的概念在中國也有悠久的歷史。18世紀的歐洲人,曾受到中國歷史上的這些記載啟發,而進行跳傘實驗。由此可知,古代中國人對飛行動力和飛行技術曾作過多種多樣先行性的探索。

        在人類進化史的早期,可能某些人已產生飛行幻想。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,中國古代也有許多關于“羽人”、“飛天”的神話和圖畫。漢代藝術家曾用銅鑄造了兩個羽人跪座像。其人形狀奇特,長臉尖鼻,顴骨與眉骨隆起,雙耳高過頭頂,腦后錐形發髻,背部長兩只巨大翅膀。在航空科學尚處愚昧的古代,美好的神話幻想往往會促使勇敢者去實踐一番。公元19年,中國人首次進行了滑翔飛行嘗試。

        其時,西漢末年,王莽政權與匈奴交戰。王莽意欲召天下有奇術之士,以為反攻匈奴之兵將。受名利的驅動,有人聲言自己不食米谷而可作戰數月;有人揚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。應招募者不下萬計,個個躍躍欲試,以圖一官半職。王莽一一召驗。據載,那些聲稱會飛天的人,身著羽毛,作成鳥,架翅膀以為翼,身上還裝有環紐機關,從山頂滑翔而下。雖有的飛數百步而墜,但幾乎都一個個摔得鼻青臉腫。王莽“知其不可用,茍欲獲其名”,也就滿足他們愿望,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,也是最大規模的一次人類飛行試驗。

        與這些自愿充當“羽人”而挨摔的冒險者相比,北齊文宣帝高洋(公元529-559年)卻是個以飛行實驗殺人的暴君。一次,他下令讓那些死囚,以紙翼、草翼為翅,從金鳳臺上飛下,如安全著地,則可獲赦。名為“放生”,實則視其摔死為樂。其中唯有一人叫“元黃頭”的死囚隨風“飛”到城外安全降落。或許他曾受過滑翔訓練,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,這些飛人實驗,幾乎都以仿效鳥的飛行進行的。既無機械助飛,也無保護措施,當然是一種極為危險的嘗試。

        古代人也有“飛車”的設想。最早的想象可能是西晉郭璞在注《山海經》中以神話故事講出來的。他說,有一個稱為“奇肱國”的國民,善于機巧,能作飛車,從風遠行。后來,這樣的故事越編越多。到了明清時代,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,車輪中輪齒的方向對著風向,恰似一立式風輪。(圖2-21)清代成書的《山海經存》繪有另一種飛車圖:車輪頗有螺旋槳意味。(圖2-22)。顯然,自葛洪創制竹蜻蜓以來,人們對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”

        這種科學幻想到后來成為章回小說的部分內容。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。李汝珍就飛車的設想寫道:

        國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,那車只有半人高,長不滿四尺,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,約有數百之多,雖都如同紙薄,卻極堅剛。當時議定,國舅、若花坐前車;紅紅、亭亭坐中車;蘭蘭與仆人坐后車。國舅把鑰匙交給仆人,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,用時不可錯誤。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。’車之正面,有一鮫綃小帆,如遇順風,將小帆扯起,尤其迅速。


        圖2-22 《山海經存》繪飛車

        李汝珍的想象多么豐富!他設想的飛車包括車制大小、輕重、各種轉動齒輪或車輪、操作機構(舵)、起動與加速閥門(“起匙”與“行匙”)、導航儀(指南針)等等,幾乎將古代機械成就與空氣動力學知識都包括在內了。繪畫中的車輪極為類似螺旅槳葉(圖2-23)。他想象如紙薄而堅剛的合金,直到今天人們才勉強為之。唯一不足的是,他沒有想象到飛車的動力設備。

        在空氣動力學知識如此高深的今天,在各類飛行器漫游太空之時,人們不會忘記古代中國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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