中国古代的“四大航空发明”

 中国航母辽宁舰进行舰载机起降训练

风筝：巧出助飞效应

在辽阔的渤海，中国海军航空兵某部正在进行舰载机起降训练。只见辽宁舰保持30节（约为55.6km/h）航速迎风疾驶，一架架战机轰鸣。航母的前甲板不足200米长，重达20～30吨的歼-15战斗机要从航母前端滑跃式甲板上一跃而起，直上云天，这是怎么做到的呢？

这其中的原理就离不开“风筝效应”啦！风筝，古人称之为鸢（yuān）。它有骨架、面布和平衡尾3个部分。骨架是用来保持轮廓和有效的受风面积，并支撑和固定面布的;面布是提供风筝的受风面，使风筝产生升力的作用部件，也可使风筝呈现多样的画面效果;平衡尾有配重、稳定的作用，也可保持风筝放飞时的姿态。

 风筝升空原理及受力分析（绘图 / 林汉京）

风筝的升空利用了“力的合成与分解”和“作用力与反作用力”（牛顿第三定律）两项物理学原理。风筝飞起时，其迎风面与空气会有个相对运动方向的迎角（α），风筝拉线会产生拉力（T）。根据牛顿第三定律，就会产生一个大小相等的反作用力（T反），且反作用力的方向与拉力的方向相反。风筝拉线与面布的交接点（A点）在垂直方向会受到空气压力（F压）的分力（F升）、线拉力（T）的分力（T下）和风筝重力（G）共同作用。调整风筝的放飞迎角（α），使F升≥T下+G，风筝就可上升或在空中静止;如若F升<T下+G，风筝就会下坠。

辽宁舰飞行甲板的前端向上斜翘，使舰载机在加力起飞的最后阶段机身向上与水平方向呈大约14o的迎角。此时的机翼与机身下表面相当于一个巨型的风筝。歼-15战斗机在滑跑起飞时可获得较大的辅助升力。同时歼-15战斗机发动机产生的推力方向也因迎角向上倾起，舰载机实现短距滑跑快速起飞。

在军用飞机各种战术飞行动作中也能找到风筝效应的身影。飞行员依靠对迎角的准确掌握，完成各种复杂的特技动作，从而达成各种战斗任务。

延伸阅读：

飞机升空主要依靠伯努利效应，但飞机在低速状态时伯努利效应尚不明显，因此风筝效应对飞机的起降辅助效果反而较强。20世纪40年代中期以前，飞机多以活塞发动机和螺旋桨为动力装置，飞机航速较低，起飞速度较慢，因此多采用后三点式起落架布局，以使飞机有固定的迎角，在滑跑全程获得风筝效应。而现代喷气式飞机起飞速度快，无需再借助风筝效应，为便于驾驶员观察，避免着陆时发生“机头倒立”等安全事故，多采用前三点式起落架布局。

 低速飞机起落架布局为后三点式。在第二次世界大战时，后三点式的起落架仍广泛使用

 K-27军用舰载直升机采用的同轴反转螺旋桨，也是竹蜻蜓原理的变身

 竹蜻蜓（螺旋桨）受力分析（绘图 / 林汉京）

竹蜻蜓：变身螺旋桨

以竹蜻蜓为原型的螺旋桨推进器，被应用于喷气时代以前几乎所有的飞机。即使是现在，大大小小的直升机依然在它们的顶部安装至少两部大大的竹蜻蜓—旋翼。这个诞生于中国东晋时（317年—420年）的玩具，怎么就如此深远地影响了人类的航空历史呢？

伴随着丝绸之路的贸易，竹蜻蜓来到西方，被称为“中国螺旋”。1796年，英国人乔治·凯利对其进行了研究。1903年，美国莱特兄弟发明了飞机，竹蜻蜓成了飞机的重要推进部件—螺旋桨。

竹蜻蜓（螺旋桨）升空原理与风筝相似，主要还是牛顿第三定律、力的分解與合成。如上页图所示，螺旋桨逆时针旋转，有倾角的叶片对空气产生推挡，其A点作用力分别是向下的F下和切线方向的F切。同时对叶片的反作用力F反可分解为使螺旋桨向上的推力F反升和沿叶片旋转切线方向相反的作用力F反切。

孔明灯：催生热气球

孔明灯俗称许愿灯。相传这种灯笼的外形酷似三国时期蜀国宰相诸葛孔明戴的帽子，也有人说这种会飞的灯是诸葛亮发明的，故得其名。但在早于孔明生卒年代的西汉时期，《淮南子·万毕术》中已有类似现象记载：“取鸡子，去其汁，然（燃）艾火纳空卵中，疾风因举之飞。”意思是说在空鸡蛋壳中燃艾绒，蛋壳可飞上天空。这说明我们的先祖很早就认识到轻盈的物体可以在热空气作用下升空。

如右图所示，左侧灯体中蜡烛未点燃时，温度较低（t1），灯内空气密度大，灯的总重量较大（G1）;右侧灯体中蜡烛点燃时，温度升高至t2，灯内空气密度变小，灯的总重量变小至G2。这个时候孔明灯受到的浮力就等于其排出同体积的环境空气的重力（空气质量乘以重力加速度）。根据阿基米德定律，当浮力大于孔明灯自身与灯内的气体重力的总和G2时，孔明灯就能在空气中漂浮起来。

孔明灯在中国古代多做军事用途，主要用来传达军事讯息，以及探测风向和风速。热气球运动则是其原理在现代的发展与应用。

 孔明灯与热气球的升空原理相同

 孔明灯升空原理分析（绘图 / 林汉京）

 在涡轮喷气发动机技术基础上改进发展而来的新型大功率航空涡轮风扇发动机。展品陈列于民航博物馆 （摄影 / 张翔）

走马灯：孕育喷气发动机

走马灯的构造很像竹蜻蜓与孔明灯的组合体。它的内部有一根可以旋转的立轴，上部装一个叶轮（有多个叶片的竹蜻蜓），立轴下端则装一盏灯或一支蜡烛作为热源。热源点燃后，上方空气受热上升，通过叶轮后从灯体的上方离去，而冷空气由下方源源不断进入灯体。这样形成空气在灯体内由下向上的单向流动从而推动叶轮，并带动与立轴相连的图像（走马）在灯内转动。

走马灯具体发明时间尚不清楚，但到秦朝时它已制作精良。它是世界上第一款使用热动力驱动涡轮旋转做功的机械装置，它实现了热能向机械能的转换，成为涡轮喷气发动机的鼻祖。1921年法国人获得了第一个喷气发动机的专利;1939年8月德国制作了世界上第一架喷气式飞机;1950年，朝鲜空战成为世界上第一次喷气式飞机的对决。喷气式飞机的出现催生了军用飞机的升级换代，加大了航空在军事上的作用，也加强了制空权在现代战争中的地位。

 走馬灯

科学发明走向实际应用，需要大量的科学实践解决工程化问题。由于中国古代科学受生产力和政治制度的限制，这些重要航空发明未能在中国获得应有的发展与转化。新中国的建立，特别是改革开放后，中华民族的科技事业迈入崭新的年代，航空工业快速发展。我们期待更多优秀的发明创造出现在中国，改变我们的生活，改变我们的世界。