第17章 第十二節空氣動力學及飛行幻想

有趣的是，古代中國人對空氣動力學與飛行關係作出了最早的科學猜測。 《莊子·逍遙遊》寫道：“風之積也不厚，則其負大翼也無力。故九萬里則風斯在下矣，而後乃今培風；背負青天而莫之夭閼〔e厄〕者，而後乃今將圖南。”意思是說，大氣若是沒有足夠的厚度，那麼它要承載巨大的翅膀就沒有力量。所以大鵬展翅九萬里，那是由於它下有大氣的支托，後有快速流動的旋風；因此它背負青天飛行而沒有阻礙，然後才能飛往南海。想像奇特的莊子在此推測了大鵬展翅九萬里的力學原因。他的設想，包括了飛行物體的“翼”、大氣及其阻力、大風或旋風的舉力。這個設想幾乎包含了近代飛行動力學中全部物理因素。直到近代科學誕生之後，甚至到19—20世紀才逐漸地、緩慢地得到科學證實。 17世紀後期，惠更斯(C.Huygens，公元1629—1695年)首先估算了物體在空氣中運動的阻力；18世紀，牛頓將這種阻力表述為數學式。此後，隨著流體力學和航空技術的發展，20世紀初人們才提出飛行機翼或翼型、飛行器所需的舉力、減小飛行阻力和提高速度等問題，證實了莊子在《逍遙遊》中的猜想。

科學想像到科學實踐之間的確有一段相當長遠的距離。要實現科學想像，尚需付出艱辛的勞動，甚至一代又一代孜孜不倦的探索。從的想像到飛機最終在天空中安全飛行，人們付出了多少代價，就可想而知了。我們暫且撇開飛行動力學的理論問題不談，而先談談古代中國人所作出的有助於飛行技術發展的某些努力、幻想、發明，看看他們的舉動哪些是幼稚的，哪些是聰明的。 眾所周知，戰國時期的墨子曾和他的弟子花三年工夫製造一隻會飛行的木鳶。東漢張衡也創制了飛行木鳥，“假以羽翮，腹中施機，能飛數里”(《太平御覽》卷七五二引《文士傳》)。可惜，這些記載過於簡略，我們難於推測其中的奧秘。然而，中國人發明的風箏被世界航空史界公認為最早的飛行器。對於16世紀之前的歐洲人來說，它是聞所未聞的東西。第一次世界大戰前，某些飛行先驅稱自己的試驗飛機是“動力風箏”、“巢形風箏”，可見它對動力學思想的發展曾起著重要作用。

風箏，初名為紙鳶、紙鷂、風鳶，形狀似鳥。它在空中飛行受到三種力的作用：重力、空氣動力和拉線張力。 (圖2-19)稍有氣流，它就上升。放風箏者常拉緊線奔跑，借助相對氣流運動使之飄浮升空。無風時，它因重力而下降。風箏飛行是沿一大圓弧運動，拉線之長即其運動軌道的半徑。它與飛機相似之處是，都有羽翼，靠氣流浮力上升。當然，飛機尚有機械動力的作用。 關於風箏的起源有多種說法。較為可靠的是起源於6世紀。梁武帝太清三年(公元549年)，侯景反於壽陽，圍台城。簡文帝在城內糧草斷絕，外無援兵。困守之際，一名叫“羊車兒”的戰士向簡文帝“獻計作紙鴉，係於長繩，藏敕於中。簡文帝出太極殿前，因西北風而放，冀得書達援軍。”(《通紀》卷七)這大概是風箏發明最早的確切記載。此後200年，即公元781年，唐朝節度使田悅反叛，攻臨洺城。守將張伾在糧儲漸乏之時，放風箏告求援軍。他“以紙為風鳶，高百餘丈，過悅營上。悅使善射者射之，不能及。”(《新唐書·田悅傳》、《舊唐書·張伾傳》)可見，風箏的發明是與軍事通訊密切相關的。後成為宮中娛樂，至於為平民百姓、尤其是兒童的嬉玩之物，那更是後來的事了。南宋時，市上就有專賣風箏的經紀人了。詩人以此為題賦詩，畫家也以此作畫。

除了風箏之外，東晉的學者葛洪發明的“飛車”是直升旋翼和飛機螺旋槳的始祖。據《抱朴子·內篇》卷一五記載，它的主要部件是一個加工成斜面或彎曲面的薄竹片，如圖2-20。薄竹片類似向下吹風的風扇葉。竹片中央榫接一根直立軸。將繩帶以類似木工用的弓鑽方式絞紐在立軸上。拉動繩帶，竹片急速旋轉。旋轉著的竹片藉其彎曲面造成的氣流而上升。葛洪稱這股強烈的氣流為“罡風”。 葛洪的“飛車”，後來稱為“竹蜻蜓”，成為兒童喜好的玩器。它傳到歐洲後，被稱為“中國陀螺”，並引起了早期航空實驗家們的極大注意。他們紛紛仿造竹蜻蜓，並由此引發了直升機旋翼和螺旋槳的設計構想。 前述陀螺和平衡環也是飛行機械中不可缺少的部件。還有，雨傘、陽傘，特別是具有滑動槓桿的折疊式傘也是中國人發明的。傳說中的舜帝在受其繼母虐待時，曾手持兩笠從高處跳下而免遭禍害。 (《史記·五帝本紀》)南宋時，有人手持兩傘從屋脊跳下竟安然無恙。可見，“降落傘”的概念在中國也有悠久的歷史。 18世紀的歐洲人，曾受到中國歷史上的這些記載啟發，而進行跳傘實驗。由此可知，古代中國人對飛行動力和飛行技術曾作過多種多樣先行性的探索。

在人類進化史的早期，可能某些人已產生飛行幻想。人們見鳥自由飛行，便希望自己也能遨游太空。在幻想支配下，中國古代也有許多關於“羽人”、“飛天”的神話和圖畫。漢代藝術家曾用銅鑄造了兩個羽人跪座像。其人形狀奇特，長臉尖鼻，顴骨與眉骨隆起，雙耳高過頭頂，腦後錐形髮髻，背部長兩隻巨大翅膀。在航空科學尚處愚昧的古代，美好的神話幻想往往會促使勇敢者去實踐一番。公元19年，中國人首次進行了滑翔飛行嘗試。 其時，西漢末年，王莽政權與匈奴交戰。王莽意欲召天下有奇術之士，以為反攻匈奴之兵將。受名利的驅動，有人聲言自己不食米穀而可作戰數月；有人揚言自己不用舟楫可使三軍渡江；也有人說，自己能飛，一日千里，可在天空窺探匈奴軍情。應招募者不下萬計，個個躍躍欲試，以圖一官半職。王莽一一召驗。據載，那些聲稱會飛天的人，身著羽毛，作成鳥，架翅膀以為翼，身上還裝有環紐機關，從山頂滑翔而下。雖有的飛數百步而墜，但幾乎都一個個摔得鼻青臉腫。王莽“知其不可用，苟欲獲其名”，也就滿足他們願望，凡未摔死的“皆拜為理事，賜以車馬”(《漢書·王莽傳》)。這大概是航空史上最早的，也是最大規模的一次人類飛行試驗。

與這些自願充當“羽人”而挨摔的冒險者相比，北齊文宣帝高洋(公元529-559年)卻是個以飛行實驗殺人的暴君。一次，他下令讓那些死囚，以紙翼、草翼為翅，從金鳳臺上飛下，如安全著地，則可獲赦。名為“放生”，實則視其摔死為樂。其中唯有一人叫“元黃頭”的死囚隨風“飛”到城外安全降落。或許他曾受過滑翔訓練，成為唯一的倖存者。儘管此人後來仍被文宣帝活活餓死(卷一六七)，但卻是一次成功的飛行。 自然，這些飛人實驗，幾乎都以仿效鳥的飛行進行的。既無機械助飛，也無保護措施，當然是一種極為危險的嘗試。 古代人也有“飛車”的設想。最早的想像可能是西晉郭璞在註中以神話故事講出來的。他說，有一個稱為“奇肱國”的國民，善於機巧，能作飛車，從風遠行。後來，這樣的故事越編越多。到了明清時代，又有人畫圖示之。明初成書的《異域圖誌》中，繪有兩人在空中合乘一車，車輪中輪齒的方向對著風向，恰似一立式風輪。 (圖2-21)清代成書的《山海經存》繪有另一種飛車圖：車輪頗有螺旋槳意味。 (圖2-22)。顯然，自葛洪創制竹蜻蜓以來，人們對於螺旋槳式葉輪在飛行中的作用無疑有著深刻的印象。

這種科學幻想到後來成為章回小說的部分內容。清代李汝珍在其著《繪圖鏡花緣》(成書於1829年)中描寫並繪畫的飛車，是一件極為有趣的事。李汝珍就飛車的設想寫道： 國舅家人已將三輛飛車搭放院中，都向西方，按次擺了。眾人看時，那車只有半人高，長不滿四尺，寬約二尺有餘，系用柳木如窗櫺式做成，極其輕巧。周圍用鮫綃為幔，車內四面放著指南針。車後拖一小木，如船舵一般。車下盡是銅輪，大小不等，有大如面盆的，有小如酒杯的，橫豎排列，約有數百之多，雖都如同紙薄，卻極堅剛。當時議定，國舅、若花坐前車；紅紅、亭亭坐中車；蘭蘭與僕人坐後車。國舅把鑰匙交給僕人，又取三把鑰匙交給紅紅道：'一是起匙，一是行匙，上面都有名目，用時不可錯誤。如要車向左，將舵朝右推去；向右，朝左推去。緊隨我車，自無舛錯。 '車之正面，有一鮫綃小帆，如遇順風，將小帆扯起，尤其迅速。

李汝珍的想像多麼豐富！他設想的飛車包括車製大小、輕重、各種轉動齒輪或車輪、操作機構(舵)、起動與加速閥門(“起匙”與“行匙”)、導航儀(指南針)等等，幾乎將古代機械成就與空氣動力學知識都包括在內了。繪畫中的車輪極為類似螺旅槳葉(圖2-23)。他想像如紙薄而堅剛的合金，直到今天人們才勉強為之。唯一不足的是，他沒有想像到飛車的動力設備。 在空氣動力學知識如此高深的今天，在各類飛行器漫游太空之時，人們不會忘記古代中國人所作出的探索與成就，在嘗試飛行的歷史上，寫下了值得讚頌的一筆。