书城科普人类的航天历程(神秘的太空世界丛书)
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第2章 人类从天空到太空的征程(2)

飞艇的发明引起了德国的注意并很快被引入战场,飞艇从此成为最早用于战争的航空器。1915年,德国出动了LZ-38型齐柏林飞艇对英国进行了首次空袭,一时间,在英国民众中造成了很大恐慌。在整个战争期间,德国飞艇共对英国进行了208架次的空袭,投下的炸药达200多吨。

当时飞机虽然诞生了,但不管在飞行高度还是机载武器上,飞机对飞艇都构不成威胁。然而,德国在1917年却被迫放弃了飞艇战,主要原因是参战飞艇损失严重。尽管当时飞机无力拦截强大的飞艇,但是海上变化无常的天气却能够阻止这些德国空中巨物去英国“串门”。在齐柏林飞艇空袭伦敦之后不久,一架英国皇家海军的战机在比利时上空拦截住德军的一艘飞艇,攀升到飞艇之上,并用炸弹将其击落,造就了齐柏林飞艇的首败记录。

1916年之后,飞机击败飞艇的成功率大大增加,这要归功于几种新型航空机枪子弹和燃烧弹的问世。在投入空袭的齐柏林飞艇中,共有80架毁于炮火或者恶劣的天气。

第一次世界大战前后是飞艇发展较快的时期,英国和法国使用小型软式飞艇执行反潜巡逻任务。德国则建立了齐柏林飞艇队,用于海上巡逻、远程轰炸和空运等军事活动。“兴登堡”号飞艇飞艇体积大、速度低、不灵活、易受攻击,同时由于飞机性能的不断提高,军用飞艇逐渐被飞机所取代,但飞艇的商业飞行仍有发展。

1929年德国制成的大型飞艇“兴登堡”号,长245米,直径超过41米,总重206吨,曾10次往返飞行于美国和德国之间,运送旅客1000多人。

英国和法国也先后参照齐伯林式飞艇制造了本国的大型飞艇“R-100”号和“阿克隆”号。这时的飞艇大都使用氢气作为浮升气体,易燃易爆,很不安全。1937年,“兴登堡”号在着陆时因静电火花引起氢气爆炸,35人遇难。英、美也有多艘大型飞艇相继失事,此后飞艇的发展陷于停滞状态。

20世纪70年代以来,由于科学技术的进步,飞艇改用安全的氦气,其发展又呈活跃。采用多种新技术的新型飞艇被用于空中摄影摄像、巡逻等方面,洛杉矶、汉城和巴塞罗那奥运会和北京亚运会都可在会场上空看见它的身影。

19世纪80年代后期,人们开始使用汽油发动机来做实验飞艇的动力。

在飞艇逐渐统治者广袤天空的同时,飞机的诞生开始向这种空中霸王发出挑战。到20世纪30年代,在飞机逐渐地完善化和实用化的同时,飞艇却先后发生了若干次艇毁人亡的灾难,这使得飞艇在它诞生后不到一个世纪就被飞机取代了位置。

飞得更高:飞机的出现

尽管人们很早就模仿鸟类,制造出了各式各样、千奇百怪的飞行器,如滑翔机、扑翼机等等,但它们都不是真正的飞机,只能像风筝一样,靠风的力量起步,在天空飞行。如果天空中无一丝的风,它们就无法上天,更谈不上在天空翱翔了。

翻开人类的航空历史,就会发现世界上第一架真正的飞机,是由美国的莱特兄弟发明和制造的,至今已有100多年的历史。

在20世纪初的1900年,美国俄亥俄州的代顿市,有一对开自行车商店的兄弟,他们当时30多岁,兄长叫威尔伯·莱特,弟弟名叫奥维尔·莱特。他们经营自行车的制造和销售已有多年,有了一些钱并积累了一些制造方面的经验。于是,他俩便开始将注意力转向制造飞行器,以满足和了却兄弟俩从少年时代起就萌发的在天空飞行的夙愿。

当时,人们制造的飞行器只是一些类似风筝一样的滑翔机和一些不能飞起来的扑翼机,没有任何真正有用的经验。图书馆里少有的几本书也是错误百出。但这时人们的确发现了一个有用的真理:拱形的物体可以在流动的空气里获得升起来的力量。莱特兄弟一开始就注意到了这一点。

他们首先制造了一架双翼风筝式滑翔机,像放风筝一样被放到了空中。不过,这架滑翔机是无人驾驶的,依靠绳子来操纵,可以转弯和依靠风的力量爬升。莱特兄弟将这架飞机的机翼做得弯弯的,就像老鹰展开的翅膀。为了产生更大的升力,机翼做成了上下两层。当时,他们不知道,并不是多层机翼就一定会产生更大的升力,即使是升力大了,因为多层机翼制造需更多材料,而增加的重量也可能将这部分增加的升力抵消掉。

为了进一步掌握操纵飞机的道理,他们造出了另一架靠人操纵的滑翔飞机。不过,这种飞机的样子很怪,它的升降舵不像现代飞机那样装在飞机的尾巴上,而是装在双层机翼的前面,也没有什么驾驶舱,驾驶员爬在机翼上,依靠移动身体的位置来操纵滑翔机飞行。起飞的方法也十分可笑,一人抓住一个机翼,迎着狂风向前猛跑,就像放风筝一样。时常是在飞行中稍不小心,就从空中栽下来,不过好在升降舵装在飞机的前面,飞机坠地时,可以起到缓冲作用,使莱特兄弟不受伤害。他们进行了上千次的滑翔飞行,也不知从空中摔下了多少次,从这些飞行和失败中积累了许多宝贵的经验。

1903年夏天,莱特兄弟在对200多个机翼剖面进行反复的实验比较后,制造出了一架机翼长达10米,面积有29平方米的飞机,并第一次将一台可以产生12马力(1马力=735499瓦)的发动机装在飞机上,用来带动一个直径255米的木头做的螺旋桨,从而产生向前飞行的拉力。12马力就好比12匹马在拉着飞机向前跑。

这第一架飞机在1903年的冬天作了第一次飞行。飞机没有装起飞着陆的轮子,莱特兄弟发明了一个奇特的起飞装置,使飞机弹射起飞。他们将飞机放在20米长的滑槽上,用绳子拴住飞机,绳子的另一头系在木制塔楼上的一个重物上,比如一块大石头或者一大麻袋的泥土。当重物从高高的塔楼上落下时,就牵引着飞机高速地从滑槽上飞起来,颇有点像我们今天看到的在航空母舰上飞机的“弹射起飞”。

人类第一次真正飞机的飞行是具有特别意义的,即使是莱特兄弟这样两个亲密无间的人,都因为究竟该由谁第一个操纵它而争执不下,兄弟俩只好以掷硬币的方式决定谁先飞。结果是兄长威尔伯赢了,但他却未能成为这架飞机的第一个飞行员,因为在起飞时,他操纵失误,飞机刚起飞便一头栽到了沙滩上。

这架名叫“飞鸟”的飞机在轮到弟弟奥维尔试飞时,却表现得十分出色。1903年12月17日早晨,奥维尔·莱特成为第一个驾机实现连续操纵飞行的人。这次具有历史意义的飞行总共只有12秒的时间,飞行的距离也不过36米多远,但这毕竟是人类的首次飞行纪录,是人类的第一次随心所欲的自由飞行。同一天,接着的第三次飞行,持续了59秒,飞行了255米远,人类从此进入飞行时代。

此后,莱特兄弟又对飞机进行了无数次的改进。1905年,他们制造的飞机,不仅能任意倾斜、转弯,还可以毫不费劲地在空中做划圆圈和“8”字飞行。1908年,莱特兄弟驾驶着他们新制造的装有一台30马力功率的发动机、两副螺旋桨的飞机,在法国进行了一次公开表演,飞行速度为60多千米/时,比当时的火车速度快2倍,引起了全世界的轰动。

莱特兄弟的飞机进入欧洲以后,欧洲的飞行先驱将它进行了巨大的改进,将升降舵移到了飞机机翼的后面,也就是尾巴上,这就是今天飞机的“雏形”。最后一架莱特飞机的改进型出现在1915年,它装有一台70马力的发动机,能用于军事侦察飞行,这大概是第一架军用侦察飞机。

完全由本身动力所驱动的第一架载人飞机,是由法国人克莱门特·艾德尔所制造。1890年10月9日,在法国阿尔曼维利耶,他驾驶那架“埃奥利”号飞机,首次飞行了约50米。这架飞机的动力系统是一台由克莱门特·艾德尔自己设计的20马力(15千瓦)的轻型蒸汽发动机。

据英国皇家航天学会资料表明,1717年在瑞典出版了最早的飞行机器“合理设计”,作者是瑞典的伊曼纽尔·斯韦登伯格。

世界上翼展最大的飞机要属“云杉木鹅”号木制飞机了,它的翼展为9751米,但它飞行还不到9144米。1982年,一辆大型起重机将它吊过了美国加利福尼亚州的长滩的港湾,移动了966千米,并将它安放在一个顶盖直径为21336米的建筑物内,成为走向博物馆的一个通道。它的旁边是“玛丽女王”号客轮,1936~1940年,“玛丽女王”号客轮曾是世界上最大的客轮。现在停泊在长滩的J号码头。人们可以在几小时内在几米远的距离内观看这两个世界纪录的创造者。

“云杉木鹅”号由其制造者霍华德·休斯(1905—1976)驾驶试飞。休斯后来成为一名传奇式的大富豪隐士。1947年11月2日,他启动了这架飞机上的8个螺旋桨发动机,将213吨重的飞机从水面上滑行起飞,使其飞到了2143米高度,只飞行了9144米,发动机熄火后就降落到港口里,再没有飞起来。休斯为造这架飞机花费了4000万美元。

飞机的飞行高度

通常飞机在对流层飞行,短航线的飞机一般在6000米至9600米飞行,长航线的飞机一般在8000米至12600米飞行。

运输飞机一般在7000米以上飞行,那里复杂天气现象少,并尽可能在平流层巡航。个别高空战斗机或侦察机可以在同温层巡航。航天飞机可以飞入电离层。

不断发展的火箭技术

近代的火箭火箭起源于中国,是中国古代重大发明之一。火箭的发展有着漫长的历史,古今火箭有一定差别,但原理基本相同。火箭点火后,内部燃料迅速燃烧,从尾部向后喷出,在反作用力的推动下火箭向前飞行。

古代火箭是一种以火药为动力的远射兵器,是现代火箭的起源。世界公认火箭由中国首先发明。公元969年,北宋军官岳义方、冯继升造出了世界上第一种以火药为动力的飞行兵器——火箭。

“火箭”一词根据古书记载,最早出现在公元3世纪的三国时代,距今已有1700多年的历史了。当时在敌我双方的交战中,人们把一种头部带有易燃物、点燃后射向敌方、飞行时带火的箭叫做火箭。这是一种用来火攻的武器,实质上只不过是一种带“火”的箭,在含义上与我们现在所称的火箭相差甚远。唐代发明火药之后,到了宋代,人们把装有火药的筒绑在箭杆上,或在箭杆内装上火药,点燃引火线后射出去,箭在飞行中借助火药燃烧向后喷火所产生的反作用力使箭飞得更远,人们又把这种喷火的箭叫做火箭。这种向后喷火、利用反作用力助推的箭,已具有现代火箭的雏形,可以称之为原始的固体火箭。

我们无法确定火箭发明的确切时间。大部分专家认为中国人早在13世纪就研制出了实用的军用火箭。19世纪出现了几项重大技术进步:燃料容器的纸壳改为金属壳,延长了燃烧的持续时间;火药推进剂的配方标准化;制造出发射台;发现了自旋导向原理等等。

19世纪末,火箭开始用于非军事目的。19世纪末20世纪初,美国科学家戈达德和其他几位专家奠定了现代火箭技术的基础,并发射了第一枚液体燃料火箭。

“土星5”号火箭启程登月时,5台发动机每秒消耗近3吨煤油,它们产生的推力相当于32架波音747飞机的起飞推力。

20世纪70年代,美国研制出全新的火箭动力航天运载工具即航天飞机。它主要分3个部分:机身后部装有3台主发动机的轨道飞行器;装有液氢和液氧推进剂的外挂燃料箱(5分钟后脱落),保证主发动机工作;装有2台可分离的固体燃料火箭发动机(2分钟后脱落),它们与轨道飞行器主发动机同时启动,提供初始升空阶段的推力。1981年4月12日,人类第一架航天飞机“哥伦比亚”号发射升空。

宋代的火箭模型“哥伦比亚”号航天飞机中国古代火箭技术传到欧洲之后,经过改进,曾被列为军队的装备。早期的火箭射程近、落点散布大,以后被火炮代替。第一次世界大战后,随着科学技术的不断进步,火箭武器得到迅速发展,并在第二次世界大战中发挥了威力。

19世纪80年代,瑞典工程师拉瓦尔发明了“拉瓦尔喷管”,使火箭发动机的设计日臻完善。19世纪末20世纪初,液体火箭技术开始兴起。1903年,俄国的КE齐奥尔科夫斯基提出了制造大型液体火箭的设想和设计原理。1926年3月16日,美国的火箭专家、物理学家RH戈达德试飞了第一枚无控液体火箭。1944年,德国首次将有控的、用液体火箭发动机推进的V-2导弹用于战争。1931年5月,德国科学家赫尔曼·奥伯特领导的宇宙航行协会试验成功了欧洲的第一枚液体火箭。到了1932年,德国军方在参观该协会研制的液体火箭发射试验之后,意识到火箭武器在未来战争中具有的巨大潜力,便开始组织一批科学家和工程技术人员,集中力量秘密研制火箭武器。到40年代初,德国在第二次世界大战中期,先后研制成功了能用于实战的V-1、V-2两种导弹。其中V-1是一种飞航式有翼导弹,采用空气喷气发动机作动力装置;V-2是一种弹道式导弹,采用火箭发动机作动力装置。第二次世界大战以后,前苏联和美国等相继研制出包括洲际弹道导弹在内的各种火箭武器。