大航空，能開(kāi)啟人類的2.0時(shí)代？
前段時(shí)間，亞馬遜創(chuàng)始人貝佐斯進(jìn)行了太空旅行，完成了飛天夢(mèng)想，而在他之前，英國(guó)的理查德·布蘭森，也乘坐自家公司維珍銀河的飛行器“升空”，飛到了距地球86.1公里高的“太空”，最終安全“回家”。
從布蘭森創(chuàng)辦維珍航空，到貝索斯的藍(lán)色起源，再到馬斯克的SpaceX，在推動(dòng)太空領(lǐng)域的商業(yè)化的同時(shí)，首富們爭(zhēng)相邁向了兒時(shí)的夢(mèng)想。
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航空技術(shù)是21世紀(jì)的重要議題，但在21世紀(jì)剩下的時(shí)間里，會(huì)有很多今天尚在萌芽階段，甚至還沒(méi)有出現(xiàn)苗頭的科技成就，我們無(wú)法將它們列舉出來(lái)，今天談?wù)?0年后的科技，也難以做出準(zhǔn)確的判斷。實(shí)際上我們的眼光也只能看到10年，至多20年之內(nèi)的事情，并且人類通常會(huì)高估1~5年的科技進(jìn)步速度，而低估10~50年的發(fā)展水平。
從我們今天的需求出發(fā)，根據(jù)已有的技術(shù)積累，沿著能量和信息所提示的方向看，至少在航空領(lǐng)域，我們繼承夢(mèng)想，又試圖開(kāi)創(chuàng)屬于人類的2.0時(shí)代。
人類一直夢(mèng)想像鳥一樣飛行。從中國(guó)古代的風(fēng)箏，到古希臘人制造的機(jī)械鴿，從文藝復(fù)興時(shí)期達(dá)·芬奇設(shè)計(jì)的飛行器，到明朝陶成道用爆竹制成的火箭，都反映出人們對(duì)飛行的渴望。但是，沒(méi)有科學(xué)基礎(chǔ)的嘗試是難以成功的。
1505年，在研究了鳥類的飛行特征之后，達(dá)·芬奇寫出了航空科學(xué)的開(kāi)山之作《論鳥的飛行》一書。17世紀(jì)，意大利科學(xué)家博雷利研究了動(dòng)物肌肉、骨骼和飛行的關(guān)系，他指出，人類沒(méi)有鳥類那樣輕質(zhì)的骨架、發(fā)達(dá)的胸肌和光滑的流線型身體，是無(wú)法像鳥類那樣振動(dòng)翅膀飛行的。也就是說(shuō)，各種模仿鳥類飛行的努力都不可能成功。
18世紀(jì)，科技理論成果和工業(yè)革命讓真正的飛行成為可能。波義耳和馬略特等人的科學(xué)研究成果表明，熱空氣體積大、質(zhì)量小，可以上升，而紡織工業(yè)的發(fā)展又帶來(lái)了更輕巧、更結(jié)實(shí)的布料，這兩件事情促成了熱氣球的誕生。1783年6月4日，法國(guó)的孟格菲兄弟成功將熱氣球升上天空。同年11月，他們又進(jìn)行了熱氣球載人實(shí)驗(yàn)，兩位法國(guó)人乘坐熱氣球上升到910米的高空，并飛行了9千米，然后安全降落，歷時(shí)25分鐘。
熱氣球試飛后不久，人類又開(kāi)始用氫氣制造氣球。1783年12月，兩名法國(guó)人首次乘坐氫氣球在巴黎進(jìn)行了自由飛行。此后，氫氣球發(fā)展成了自帶動(dòng)力的飛艇。
1893年，德國(guó)著名的飛艇大師斐迪南·馮·齊柏林開(kāi)始設(shè)計(jì)大型硬式氫氣飛艇，并在1900年試飛成功。齊柏林飛艇長(zhǎng)達(dá)128米，直徑11.58米，艇下裝有兩個(gè)吊艙，可乘5人，采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以遠(yuǎn)距離飛行。齊柏林的飛艇成了當(dāng)時(shí)最有實(shí)用價(jià)值的民用和軍用飛行器。最成功的齊柏林伯爵號(hào)飛艇一共飛行了100多萬(wàn)英里（約160萬(wàn)千米），在1929年8月完成了環(huán)球飛行。
直到二戰(zhàn)前的1937年，飛艇一直在航空工業(yè)中占有重要位置。不過(guò)，這一年的5月6日，當(dāng)時(shí)最大、最先進(jìn)的興登堡號(hào)飛艇在橫跨大西洋的時(shí)候起火焚毀，造成飛艇上37人死亡，飛艇從此退出了歷史舞臺(tái)。在這之后，雖然熱氣球作為觀光工具還在被使用，但不再是交通工具。
飛機(jī)的出現(xiàn)則比飛艇晚得多，因?yàn)轱w機(jī)的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣。要想讓這樣的飛行器升空并持續(xù)飛行， 難度遠(yuǎn)超過(guò)把比重小于空氣的飛艇送上天。
實(shí)現(xiàn)可控制的飛行必須解決三大難題：升力的來(lái)源、動(dòng)力的來(lái)源和可操縱性。這些問(wèn)題并不是哪個(gè)發(fā)明家能一次性解決的，而是經(jīng)過(guò)了三代發(fā)明家共同努力才逐步解決。
第一代發(fā)明家以“空氣動(dòng)力學(xué)之父”、英國(guó)的喬治·凱利為代表，19世紀(jì)初，凱利受到中國(guó)竹蜻蜓的啟發(fā)，從理論上設(shè)計(jì)了一種直升機(jī)，它只存在于圖紙上，不可能實(shí)現(xiàn)。凱利隨后又試圖模仿鳥類，設(shè)計(jì)振翼的飛機(jī)，再次失敗了。后來(lái)他認(rèn)識(shí)到，鳥類的翅膀不只是提供動(dòng)力，還提供升力。更重要的是，他發(fā)現(xiàn)空氣在不同形狀的翼面流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的壓力不同，從而提出了通過(guò)鞏固機(jī)翼（而非振翼）提升飛行升力的想法。
凱利不僅是一個(gè)理論家，更是實(shí)踐者。他一生嘗試了多次飛行實(shí)驗(yàn)， 并在1849年，用一架三翼滑翔機(jī)，實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次載人滑翔飛行。凱利對(duì)自己的研究工作都有詳細(xì)的記錄，特別是留下了論文《論空中航行》，成了航空學(xué)的經(jīng)典。在這篇論文中，凱利明確指出，升力機(jī)理與動(dòng)力機(jī)理應(yīng)該分開(kāi)，人類飛行器不應(yīng)該單純模仿鳥類的飛行動(dòng)作，而應(yīng)該用不同裝置分別實(shí)現(xiàn)升力和動(dòng)力。
第二代飛行器發(fā)明家以德國(guó)的奧托·李林塔爾為代表。和凱利不同，李林塔爾更善于實(shí)踐，他是世界上最早實(shí)現(xiàn)自帶動(dòng)力滑翔飛行的人，也是最早成功重復(fù)進(jìn)行滑翔實(shí)驗(yàn)的人。不幸的是，李林塔爾在一次實(shí)驗(yàn)中喪生了。
第三代發(fā)明家萊特兄弟，與凱利和李林塔爾相比要幸運(yùn)得多。他們出生得足夠晚，有凱利的理論，有李林塔爾的實(shí)踐，還有奧托的內(nèi)燃機(jī)；他們出生得又足夠早，飛機(jī)還沒(méi)有被發(fā)明出來(lái)。當(dāng)然，光靠運(yùn)氣是制造不出第一架飛機(jī)的，萊特兄弟在理論積累和工作方法上不僅全面超越了他們的前輩，也超越了同時(shí)代的人。
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萊特兄弟雖然是自學(xué)成才，但是系統(tǒng)學(xué)習(xí)了空氣動(dòng)力學(xué)，有著扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且做事情非常嚴(yán)謹(jǐn)。在飛機(jī)的設(shè)計(jì)上，萊特兄弟最大的貢獻(xiàn)是發(fā)明了控制飛機(jī)機(jī)翼的操縱桿，從根本上解決了飛機(jī)控制的問(wèn)題。至此，制造飛機(jī)的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)都具備了：升力問(wèn)題被凱利解決了，動(dòng)力問(wèn)題被奧托解決了，控制問(wèn)題被萊特兄弟解決了。
1903年12月17日，萊特兄弟在美國(guó)西海岸小鷹鎮(zhèn)成功試飛了自行研制的飛行者一號(hào)。從此，人類進(jìn)入了飛機(jī)時(shí)代。
但是，在阿波羅計(jì)劃實(shí)施50年之際的今天，人類并沒(méi)有在載人航天領(lǐng)域取得什么突破性的進(jìn)展。2018年2月，SpaceX（美國(guó)太空探索技術(shù)公司）的重型獵鷹運(yùn)載火箭成功發(fā)射，讓很多人又一次燃起了登陸火星的激情，一時(shí)間這件事成了關(guān)心科技的中國(guó)讀者熱議的話題。
對(duì)于SpaceX的重型獵鷹運(yùn)載火箭技術(shù)，中外航天專家都不看好。但是，SpaceX創(chuàng)始人馬斯克的另類航天思路，倒是給了各國(guó)政府支持的航天機(jī)構(gòu)一個(gè)啟發(fā)，即能否回收火箭，通過(guò)重復(fù)使用來(lái)降低火箭發(fā)射的成本，讓航天變得有利可圖，從而得到長(zhǎng)期可持續(xù)性的發(fā)展，而不是像阿波羅計(jì)劃那樣做一些象征意義大于實(shí)際意義的事情。
人類探索太空的意義非常重大，除了滿足好奇心，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，還需要為人類找到地球的備份系統(tǒng)。當(dāng)今地球上的能源、環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)岌岌可危，探索未來(lái)的生存空間是一個(gè)大的命題。但是目前星際旅行對(duì)于人類自身來(lái)講是難以完成的任務(wù)，因?yàn)樵诘厍蛏线M(jìn)化了上百萬(wàn)年的人類并不適合長(zhǎng)期在太空生活，而移民到哪怕是條件和地球很相似，離地球距離不算太遠(yuǎn)的火星，都不是一件容易的事情。按照阿波羅計(jì)劃的思路進(jìn)行載人火星飛行是無(wú)法現(xiàn)實(shí)的，人類必須在能量利用和信息利用上有質(zhì)的飛躍，才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)。
載人航天在被各國(guó)放在了科技戰(zhàn)略中不重要的位置還有一個(gè)原因，因?yàn)檫h(yuǎn)程通信、人工智能和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使得很多原本需要人完成的任務(wù)可以由機(jī)器人完成了， 比如火星的早期探測(cè)。如果人類在未來(lái)真的會(huì)親自到火星探索，就需要先搭建供人類居住的火星站，這件事也將交給機(jī)器人去完成。只要人類掌握可控核聚變技術(shù)，星際旅行的能量將不是問(wèn)題，因?yàn)樵谔?yáng)系內(nèi)，有足夠多可供核聚變的氫元素供我們使用。
在人類大航海時(shí)代，從歐洲到美洲早期的殖民者，如果沒(méi)有當(dāng)?shù)卦∶竦膸椭菬o(wú)法生存和立足的，而在未來(lái)的大航空時(shí)代的星際探索中，或許那些被人類事先派去工作的機(jī)器人，將扮演太空移民時(shí)代原住民的角色，而我們則將真正意義上開(kāi)啟人類2.0時(shí)代。
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《給孩子的科技史》
作者：吳軍
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