想飛上天和太陽肩並肩？教你3種上天的方法
“想飛上天，和太陽肩並肩……”
飛天，一直是深藏在人類心中的一個夢想，因為這個夢想，我們有了紙鳶、氫氣球、以及……現代飛行器。
翻看航空航天相關的書籍文獻，你會發現：
目前，人類飛上天的方法只有3種！
第一，變得比空氣更輕
輕於空氣的浮空器（圖片來源：參考文獻［1］）
我們知道在標準狀況下，空氣的平均相對分子質量為29，只要能找到比空氣分子量更小東西，它就能在空氣中飄起來，如果足夠“輕”，甚至能把人帶“飛”，如氫氣球、氦氣球等。
中國第一個氫氣球是由晚清軍工專家華蘅芳製造的，他製造氫氣的方法，在今天看來其實很簡單，就是將濃硫酸稀釋成稀硫酸後，與鐵等活潑金屬發生反應，從而獲得氫氣（化學反應方程式如下），再將氫氣充入氣球內。
《點石齋畫報》華蘅芳的氣球升空情景（圖片來源：參考文獻［3］）
我們熟悉的熱氣球，則利用熱氣代替比空氣更輕的氫氣或氦氣，由於氣體的密度
與絕對溫度成反比，因此可以透過升高溫度來減小氣體的密度和質量，從而達到比空氣輕的目的。古老的孔明燈是最早出現的熱氣球。
熱氣球（圖片來源：參考文獻［3］）
氫氣球也好，熱氣球也罷，二者雖然都很好，卻難以控制它們的飛行方向，為了更好
的
控制飛行姿態和方向，同樣基於“變得更輕”的思想方法，人們設計製造了飛艇。
飛艇把比空氣更輕的氣體（一般使用安全性更好的氦氣）充入內部，用以提供升力，然後在飛艇上安裝發動機為飛艇水平移動提供推行動力並藉此來控制飛行姿態。
現代飛艇（圖片來源：參考文獻［3］）
第二，製造空氣壓差來升空
“製造空氣壓差”其實就是當物體在空中飛行時，使上表面空氣流速大於下表面。
根據伯努利方程，流速大的地方壓強小，流速小的地方壓強大。
若是可以製造上下表面的壓差，物體就可以獲得一個升力，要是這個升力大到足夠克服地球引力，物體就可以離開地面了！
鳥類飛行（圖片來源：參考文獻［3］）
鳥類是使用空氣壓差方法飛行的鼻祖，鳥類具有天生的飛行身體條件：巧妙運用空氣動力學的翅膀、由堅硬輕細的中空骨頭構成的骨架結構、發達的胸肌、獨特的呼吸系統以及輕而柔滑的羽毛等。
鳥類能夠飛行的主要原因是因為它們掌握了“製造空氣壓差”的飛行知識
。當鳥兒在空中滑翔時，空氣在翅膀上、下部形成壓強差，產生一個向上的升力，從而可以把鳥兒託在空中而不至於往下掉［6］。
除此之外，鳥類採用積極主動的撲翼飛行來產生一定的氣動升力，鳥類的翅膀在撲動時，相當於飛機的螺旋槳或噴氣推進裝置，使鳥類可以保持持續的飛行狀態。
魯班製造木鳥（圖片來源：參考文獻［7］）
達芬奇的撲翼飛機圖紙（圖片來源：參考文獻［8］）
其實在早期，魯班製造的木鳥、達芬奇的撲翼飛機都企圖模仿鳥兒的飛行狀態來實現升空的目的，但他們的飛行計劃都以失敗告終，其原因就在於缺乏對空氣動力學原理的認知，盲目模仿鳥類翅膀的幾何外形和撲動形式。
不過，當人們開始開始瞭解空氣動力學並研製出像風箏一樣的固定翼飛行器時，成功飛天的現代交通工具——飛機得以誕生。飛機和風箏的飛行原理一樣，都是透過機翼上下表面的氣流速度不同，製造氣壓差，進而獲得升力。
商用飛機（圖片來源：參考文獻［3］）
風箏（圖片來源：參考文獻［3］）
總而言之，不管是鳥類、風箏、螺旋槳、噴氣式飛機還是直升機，它們都是透過“製造壓差”的方法飛行的，只不過它們的獲得上升條件的形式不一樣。
第三，向下噴射物質獲得飛天動力
沒錯，使用這種方法上天的就是它——火箭！
火箭升空（圖片來源：參考文獻［9］）
假如我們飛天的目標是衝出地球，那麼前兩種方法也許就不太適用了，因為太空中是一個失重環境，基本沒有空氣也製造不了壓差。
而對於火箭來說，由於火箭內部不僅攜帶了燃料，也攜帶了氧化劑，因此發動機不需要空氣也可以工作。
另外，燃料和氧化劑在發動機燃燒室裡燃燒，產生大量高壓氣體，高壓氣體從發動機噴管高速噴出，進而火箭獲得一個沿氣體噴射相反的反作用力，使火箭升空飛行。
這種向下噴射物質實現飛行的方法，其實早在17世紀，牛頓就很清晰地進行了描述：“如果以一定速度向後丟擲一定質量，就會受到一個反作用力的推動，向前加速。”
火箭是我們為了衝出大氣層、太空航行而設計製造的航天器，為實現成功飛天的目的至少需要讓航天器達到7。91千米/秒的飛行速度，也就是第一宇宙速度。
然而按照目前的技術水平來說，還不存在可以到達此目的的一級火箭，
現有
成功升空的火箭大多為2-4級。
因此，每個上太空的火箭都是多級火箭，在它們的發射直播中，我們經常可以看到“助推器分離”、“一級火箭分離”、“二級火箭點火”、“二級火箭分離”等發射步驟。正是不斷向下噴射物質，火箭才獲得源源不斷的飛行動力。
在現代航空航天器中，為了實現更高目標的飛行，設計師們並不只是單純地使用這三種“飛天”方法的某一種來構建飛行器，而是將它們綜合起來應用。如超音速戰鬥飛機為了獲得更快的飛行速度，採用會向後噴射物質的衝壓發動機。
雖然，目前人類已經掌握的飛行方式無外乎“變得比空氣更輕”、“製造空氣壓差”、“向下噴射物質獲得飛天動力”這三種，但是在不遠的未來，一定會有更多的人發現更多切實可行的飛上天的辦法！
天似穹廬，籠蓋四野，我們的活動版圖裡應有一大塊是天空。天上有我們太多未知的事物，當我們努力消除這些未知時，人類的文明將得到極大的發展！
出品：科普中國
作者：肖君柏 （中國科學院光電技術研究所）
監製：中國科普博覽
編輯：王婷婷
參考文獻：
［1］ 摘自中國科學院， https：//www。cas。cn/。
［2］ 小敏。晚清軍工專家華蘅芳與中國第一個氫氣球［J］。航空世界，2019（10）：12-15。
［3］ 摘自百度圖片， https：//graph。baidu。com/
［4］ 摘自百度百科， 孔明燈，
https：//baike。baidu。com/item/孔明燈/82234
［5］ 摘自知乎《鳥的持續飛行原理是什麼啊？》中upas000的回答
https：//www。zhihu。com/question/355541296
［6］ 摘自《生命世界》雜誌中《像鳥兒一樣飛行》
https：//www。cdstm。cn/gallery/media/mkjx/smsj/
［7］ 摘自百家號帶志逐夢文章《最早期的“航天器”，風箏的歷史》
https：//baijiahao。baidu。com/s？id=1673705650727909520&wfr=spider&for=pc
［8］ 摘自搜狐辛東方文章《500多年前達芬奇就描述了“飛機”的模型，這究竟是怎麼一回事》
https：//www。sohu。com/a/355186433_181944
［9］ 摘自中國載人航天網站文章《火箭“加油”的那些事兒》
http：//www。cmse。gov。cn/fxrw/czwhbyzhj/zhxw/202005/t20200503_46375。html
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