科技飞机1（古老发明与现代航空）

二、古老发明启迪了现代航空

中国古代航空四大发明，虽然外形简陋，但在原理上却与四类航空器一脉相承，而且对于后者的诞生具有启迪与借鉴作用。

1、孔明灯的原理与历史作用

热气球加热中

相比于热气球，孔明灯要小巧和简陋得多，但在原理上二者同属于浮力飞行。孔明灯由框架、糊纸、灯架、灯芯等组成，顶端封闭，底端开口。关于孔明灯的原理，有三个基本点：

孔明灯结构与原理试图

一是热胀冷缩。点燃灯芯后，灯内的空气受热膨胀，热空气上升，冷空气下降，位于灯内底部的冷空气因热空气膨胀被挤出到灯外，灯内空气质量减少，灯的总重力，即灯和灯内空气的重力之和就会减小。灯内温度越高，空气膨胀得就越厉害，被挤出到灯外的冷空气就越多，总重力就越小。

阿基米德浮力原理

二是浮力原理。物体在空气中受到的浮力等于它所排开的空气重力之和。孔明灯的体积越大，它所排开的空气就越多，在空气中受到的浮力也就越大。

孔明灯受力分析

三是惯性原理。如果没有外力作用，物体将保持匀速直线运动或静止状态。在孔明灯上作用着两个力，一个是灯外空气给予的向上的浮力，另一个是向下的孔明灯的总重力。如果孔明灯受到的浮力大于总重力，则灯在空气中上升；如果孔明灯受到的浮力小于总重力，则灯在空气中下降；如果孔明灯受到的浮力等于总重力，则灯在空气中的高度保持不变。

综上，随着灯芯被点燃，灯内空气被加热，温度不断升高，热空气逐渐膨胀，冷空气不断被挤出，总重力不断减小，一旦作用在灯上的浮力大于总重力，孔明灯就会冉冉升起。

1772年，在法国巴黎博览会上，蒙哥尔菲兄弟见看到了起源于孔明灯的“日本灯”，激发了小哥俩的极大兴趣。他们历经十年探索，终于在1783年10月15日实现了热气球载人升空，也实现了人类的飞天梦想。

2、风筝的原理与历史作用

固定翼飞机

风筝的升力原理与固定翼飞机的机翼升力原理异曲同工，同属于空气动力飞行，都得益于升力体与迎面气流之间的相对运动。

风筝组成示意图

风筝由骨架、风筝面、尾巴、提线和放飞线组成，提线用于调整风筝迎角，放飞线用于牵引风筝和控制风筝放飞高度，尾巴用于增强风筝稳定性。骨架和风筝面的组合体可以看作是一块平板，气流流过平板时有三种情形：

（1）平板迎角为零

平板迎角为零

图中为气流流过翼型，但不影响分析，下同。此时，平板与气流方向重合，气流流过平板后方向没有改变，说明在垂直方向上气流与平板之间没有力的作用与反作用，平板不会产生升力。

（2）平板迎角大于零

平板迎角大于零

此时，平板与气流方向有正向夹角，气流流过平板时就会沿平板表面向其流动方向的下方偏斜，说明气流受到向下的作用力，同时气流也会给平板一个向上的反作用力，这个反作用力就是平板的升力。

当平板迎角继续增大时，气流流过平板后的偏斜程度加大，说明气流受力增大，其反作用力，即平板的升力也随之增大。

（3）平板迎角增大到超出某一限度

平板迎角超出某一限度

此时迎角过大，气流不能紧贴平板表面继续流动，造成平板后缘气流严重分离，升力不升反降。这一现象称为失速，对应于某一限度的极限迎角为失速迎角。平板风筝的失速迎角在60°左右。

放风筝时，适度增大迎角有利于风筝起飞，但是超过失速迎角会陷入失速，升力不增反降，导致风筝突然掉落。

莱特兄弟风筝实验

杜蒙特的风筝式飞机

风筝也给航空先驱们带来了灵感与启发，英国航空之父乔治×凯利、滑翔机之父奥托×李林达尔、飞机之父莱特兄弟等都曾借助风筝进行了大量试验，积累了宝贵数据和丰富经验，正是基于这些积累，1903年12月17日，莱特兄弟实现了冲天一飞，人类进入了航空时代。

1906年10月23日，巴西航空之父桑托斯×杜蒙特在立体风筝的基础上发明的风筝式飞机也飞上了蓝天。

3、竹蜻蜓的原理与历史作用

但旋翼直升机

竹蜻蜓与直升机的旋翼极为相似，都属于空气动力飞行，原理也是相通的。

竹蜻蜓外形呈T字形，分为横片与手柄。横片有两个特点：一是相对于旋转方向，前高后低，以保持正向迎角；二是剖面为非对称翼型，以产生正向升力。

竹蜻蜓的结构特点

当手柄按图示方向旋转时，将带动横片产生两个作用：一是横片倾斜，前高后低，类似于电风扇的风叶，推动空气向下运动，形成一股强风，同时空气也会给横片一个向上的反作用力，推动横片带动竹蜻蜓上升。迎角越大，反作用力也越大。二是横片剖面呈非对称翼型，横片旋转时，与空气相对运动，相当于气流流过翼面，迫使气流向下偏转，同时气流也会给翼面一个反作用力，这个反作用力就是空气流过翼面时产生的升力。升力大小与横片的迎角成正比，与横片旋转角速度的平方成正比。增大迎角或旋转角速度都会增大升力，让竹蜻蜓飞得更高。上述两种作用的合力，就是带动竹蜻蜓上升的总升力。如果总升力大于竹蜻蜓的重力，竹蜻蜓就会越升越高；如果总升力等于竹蜻蜓的重力，竹蜻蜓就会稳定在当时高度；如果总升力小于竹蜻蜓重力，竹蜻蜓就会逐渐下落。

如果把横片换成旋翼，这就成了直升机的升空原理。也正因此，人们把竹蜻蜓称为“直升机的始祖”。当然，竹蜻蜓仅仅是直升机旋翼的雏形，要让直升机飞起来，走向实用，还有大量技术问题需要解决，这里不再展开。

英国航空之父乔治×凯利、直升机之父伊万诺维奇×西科斯基在青少年时期都曾痴迷于竹蜻蜓，并因此走上了航空之路，也都成为了一代宗师。

4、爆竹的原理与历史作用

火箭弹密集发射

烟花爆竹与现代火箭也是异曲同工，二者都采用火药或燃料燃烧，喷气推进。

烟花爆竹的基本结构如下图所示，包括引线、封土、火药、壳筒等。

爆竹的基本结构

在此基础上，可以衍生出更为复杂的组合结构。以礼花弹为例，参见下图，从左向右依次是推进部和爆炸部。可以看做是两个基本结构的组合，都包括引线、隔板（对应于封土）、炸药和壳筒。差别在于二者的功能不同，装药不同，推进部采用相对柔和的黑火药，爆炸部采用更为猛烈的烟火药。

礼花弹的内部结构

烟火药由氧化剂、可燃物、粘合剂和有色光剂等组成，具有炸药的共同特点，一遇火星便能瞬间点燃并剧烈燃烧，释放出大量热能和高温高压气体。爆竹壳体限制了高温高压气体的膨胀，迫使气体压力温度急剧升高，直到壳体无法承受，在薄弱处率先撕裂，高温高压气体迅速膨胀，对周围空气形成强烈扰动，产生声、光、热、烟和冲击波等效果，形成爆炸。

爆竹爆炸示意图

爆竹推进部的内部结构

与爆炸部相比，推进部除采用相对柔和的黑火药外，还在底部开有专供火药气体喷射的喷口。这样一来，一旦引线点燃了黑火药，黑火药也会迅速燃烧，释放出高温高压气体。但是烟花爆竹的壳体限制了高温高压气体的自由膨胀，迫使气体只能向下加速喷出。根据作用力与反作用原理，高温高压气体必然会给壳体一个向上的反作用力，从而推动烟花爆竹一飞冲天。

只要改变推进部或爆炸部的装药，或者进行不同组合，便可产生“二踢脚”、起花等具有不同爆炸效果的烟花爆竹。

烟花爆竹种类繁多，万变不离其宗，归根结底，就是两个问题，一是引爆，二是推进。至于在此基础上，怎么组合，如何扩展，就看需要了。推而广之，在原理层面，火箭、导弹也是如此。

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