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夢想飛上青天(一):使出渾身解數,我要登天去!

現今,乘著飛機橫跨陸海之間,是再日常不過的事。但將歷史往前推,人類要如同飛鳥翱翔空中根本不可能,因此我們將「登天」用以形容難以達成之事。在真實駕著飛機飛行以前,人類用了哪些登天秘訣呢?
 
 

人類對飛行的渴望 

 
人們生活在地表,抬頭仰望無盡的天空,飛鳥自由自在地翱翔於其中,實在令人羨慕。人,有可能飛翔嗎?
 

藉由想像,古人創造出許多飛天的人物,例如中國的嫦娥服用了仙藥跑到月球上去,希臘神話中的妙手工匠代逵羅斯(Daedalus)則是以蠟結合鳥的羽毛製造出飛行翼可以在地面飛行。這些都顯示古人認為飛行需要特別的神力、技能的幫忙,一般人是很難達到這樣的夢想。

 

但還是有人在空氣中運用浮力、動力的方式飛行,數千年來許多人有不同嘗試,包括風箏、孔明燈(天燈)、竹蜻蜓、沖天炮(火箭)、滑翔翼等。還有人注意到月亮的飛行最特別,永遠不會落到地面,這是怎麼做到的?

 

萬有引力將飛行科學化

 

一直到17世紀的牛頓(1642~1726)發現萬有引力之後,再從拋擲物體的曲線去配合地球的曲面來計算出永遠不會掉回地表的投擲速度,才算出物體的速度要大於每秒11.2公里才可以讓物體一直在外旋繞,不會掉回地表。

 

牛頓雖然得出這個理論值,但是當時還在工業革命之前,陸地上最快的交通工具是馬車,大約一小時20公里(每秒5公尺),這與他的理論值差距很大,因此這似乎只能是個「理論」,實際上很難達到。

 
牛頓算出物體的速度要大於每秒11.2公里才可以讓物體一直在外旋繞,不會掉回地表。但因工業技術未臻成熟,飛行夢翔仍難達成。(圖/Wikipedia)
▲牛頓算出物體的速度要大於每秒11.2公里才可以讓物體一直在外旋繞,不會掉回地表。但因工業技術未臻成熟,飛行夢翔仍難達成。(圖/Wikipedia)
 

小說家率先用想像力飛行

 

飛行的科學與技術在科學家與工程師的協助下緩慢地發展,但小說家已經先跨出一大步去想像登陸月球的情景了。

 

1865年,法國的科幻作家凡爾納(1828~1905)寫了一本《從地球到月球》的小說,內容是以美國南北戰爭結束時為背景,3位美國和法國探險家計劃乘空心炮彈去月球探險。

 
法國的科幻作家凡爾納寫了小說《從地球到月球》,內容是為探險家計劃乘空心炮彈去月球探險。(圖/Wikipedia)
▲法國的科幻作家凡爾納寫了小說《從地球到月球》,內容是為探險家計劃乘空心炮彈去月球探險。(圖/Wikipedia)
 

書中的探險家建造了一枚高3.65公尺、直徑2.74公尺的空心砲彈,搭載人飛向月亮,經過4天的飛行終於靠近。不過,由於炮彈速度和軌道略微偏差,他們無法抵達目的地月球,而是在離月球4500公里的地方繞月運行,成為月球的一顆衛星。

 

這本書在搭載人的部分略顯簡單,但基本的軌道參數還不算太離譜,與後來的登月計畫許多方面還蠻符合的,還有人認為登月計畫是依此故事為藍本去發展,但這一步跨得太大了,接下來還是讓我們先看看其他的飛行器吧!

 

飛行工具的先行者——熱氣球與飛船

 
1759年工業革命後,人類邁入了工業社會。當科技文明進步,飛行工具也得以發展。
 
1783年法國的孟格菲兄弟搭乘熱氣球升高到1000公尺飛行了12公里,但它沒有操控裝置,只能隨風漂流;等到1852年法國人把熱氣球加上螺旋槳才可操控方向,形成了飛船,首航28公里。不過這兩種飛行器體積巨大、成本與維護費用很高,航速緩慢,安全性也差,因此許多人開始把目光投向設計能像老鷹飛行的固定翼飛機研究。
 
熱氣球無法操控方向,加上螺旋槳後便成為飛船,但飛行的效率與穩定度仍有限制。(圖/Wikipedia)
▲熱氣球無法操控方向,加上螺旋槳後便成為飛船,但飛行的效率與穩定度仍有限制。(圖/Wikipedia)
 
機翼模仿鳥類翅膀 民航機雛形誕生
 

用機翼來模仿鳥類的翅膀,劃過空氣產生升力來飛行,並藉由尾翼來維持方向,一開始是沒有動力裝置的滑翔翼,後來則希望加上動力成為飛機。1903年萊特兄弟在美國西海岸小鎮的試飛,被認為是開起飛機時代的里程碑,此後短短期間就有很大的進步。1913年俄羅斯人西科爾斯基成功試飛了4個發動機的大型飛機。才幾年的光陰就讓飛機的性能大大提高,飛行速度可達每小時200公里,續航時間超過13小時,飛行高度達到6500公尺,這已是目前民航機的雛形。

 
 
空中螺旋設計持續進化 直升機成為可能
 
另外還有種飛行方式是螺旋槳可垂直升降,這雖然早在西元前400年的中國就可見兒童將竹蜻蜓當一種具有「旋轉飛翔翅膀」的玩具,但進一步的研究發展要到西方科學發展接手後才開始。
 
達文西螺旋飛行器的手稿。(圖/Wikipedia)
▲達文西螺旋飛行器的手稿。(圖/Wikipedia)
 
文藝復興時的達文西(1452~1519)曾繪出機械模型的手稿,那是一種「空中螺旋」的設計。在他之後也有人不斷嘗試,然而型態又回復到古代的「旋轉翅膀」,但由於這類型的飛行器之平衡與控制的問題更複雜,因此它的成功原型要等發動機與螺旋槳的製作更加完善,再加上對氣流與平衡研究更透徹之後才有長足的進展,因此第一架直昇機是到1907年才試飛成功,時至今日,無人空拍機都有四個螺旋槳。
 
飛行器的發展真是精采,但這些都要靠空氣才能飛。如果想衝破大氣層該怎麼辦呢?

 

 

責任編輯:張志立/國家太空中心、傅麗玉/國立清華大學

審校:品保組 型管小組/國家太空中心

 
 
 
來源:
  • 科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」
  • 原標題:夢想飛上青天(一)
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