《如何离开地球表面》 田牧歌解读
《如何离开地球表面》| 田牧歌解读
你好，欢迎每天听本书，今天我想与你分享的书是《如何离开地球表面》，副标题是“人类航空航天小史”。顾名思义，这是一本系统性介绍人类航空航天发展史的科普书。
离开地球表面，在天空自由飞翔，是人类由来已久的梦想，这个梦想不分时代，不分国度，自人类文明诞生之初就已经种下渴望的种子。古埃及神话中，太阳神“拉”就是一位长着猫头鹰头颅的人；古希腊神话中，爱神丘比特则长着一双翅膀，在空中把爱情之箭射向一对对男女；古代中国，同样有着嫦娥奔月、列子御风的浪漫幻想。这个关于飞行的梦，人类做了几千年。
当然，我们不会把渴望止步于幻想，离开地球表面的尝试同样由来已久。据记载，9世纪末一位来自西班牙安达卢西亚的发明家菲尔纳斯，就曾试图用羽毛覆盖住自己的身体，然后扑向空中。在明代中国，有个叫陶成道的人擅长制作火器，被朱元璋封赏万户采邑，因此又被称为“万户”。这位万户先生为了实现飞行梦想，把47支火箭绑在一把椅子上，打算把自己发射上天，然而火箭点燃后发生爆炸，万户不幸牺牲，只留下万户飞天的传说。
这些关于飞行的早期尝试，虽然精神可嘉，但失败也属必然。因为当时的人们不了解飞行背后的物理规律，所以最多也只能简单模仿自然界的飞行现象，没有理论的指导，实践就是无源之水、无本之木，自然无法获得成功。
直到18世纪，随着热气球和飞艇的陆续出现，人类才首次离开了地球表面；而直到1903年，莱特兄弟制造的“飞行者1号”升空，人类才真正开启了自己的飞行时代。从那以后，各个国家的航空技术你追我赶，在短短几十年时间里就彻底改变了人类的生活方式。基本上在同一时期，以太空为目的地的航天技术也迅速突破，尤其是冷战期间发生在美国和苏联间的太空竞赛，更是催生了人类航天事业的一系列壮举。
今天带我们回顾这些历史的是本书作者张博深（卢西），他是一名在德国工作的航空工程师，主要从事喷气式客机客舱的研发工作，同时，他也是一名优秀的航空领域科普答主，喜爱撰写科普文章。今天这本《如何离开地球表面》，他通过两个部分，分别带我们回顾了人类航空事业和航天事业的发展历程。
说起航空和航天，可能有朋友分不太清，其实二者的区别很简单：航空是指飞行器在地球大气层中的飞行活动，它的活动范围在大气层里面；航天则是指进入、探索、开发和利用地球大气层以外的宇宙空间的活动，它的探索范围超过了大气层，进入到了没有空气的真空环境中。
那么接下来，我也按照讲述逻辑，通过两个部分，分别为你介绍人类在航空和航天领域的探索故事。
我们先来聊聊航空。
说起航空事业的先驱，我想大家最先想到的，很可能都是飞机的发明人莱特兄弟。不过，其实早在莱特兄弟驾驶飞机起飞前120年，也就是1783年，法国造纸商孟戈菲兄弟就用纸、布片和柴火成功造出来一个巨大的热气球，并让其搭载着动物短暂升空。同年，两位试飞员自告奋勇，乘坐热气球完成了人类离开地面的首次壮举。
第二年，法国人让-皮埃尔·布朗夏尔又更进一步，他在氢气球上安装了一个手摇螺旋桨，勉勉强强地实现了人类第一次可控飞行，飞艇也由此诞生。后来飞艇的用途越来越广泛，设计也不断得到改进。1852年，法国人亨利·吉法尔把蒸汽机搬上了飞艇，让飞艇获得了更强大的动力。1900年，德国工程师费迪南·冯·齐柏林抛弃了柔软的充气式飞艇艇身，改用坚硬的金属骨架制造出了第一艘硬壳飞艇。
硬质外壳让飞艇更结实，体型更大，性能也更强。比如20世纪30年代最先进的飞艇“兴登堡号”，艇身长达245米，可以容纳20万立方米的气囊，整体大小和排水量5万吨的“泰坦尼克号”差不多。这么一个庞然大物，能在400—600米的高空，以每小时135公里的速度航行，单次航程可达16500公里，这个距离甚至超过了现在的民航客机，性能指标还是相当优秀的。
然而随着时代的发展，飞艇这条技术路线最终还是没落了。一是因为飞艇在性能和安全方面有着天然的局限性；二是因为飞机技术的快速发展，让飞艇相形见绌。而且话说回来，热气球和飞艇本质上都是浮空器，它们飘浮在空气中，而不是飞行在空气中，人类自由飞翔的梦想，归根到底还要靠飞机去实现。
制造飞机需要解决三个难题，第一个难题是升力，也就是如何让飞机离开地面。英国物理学家艾萨克·牛顿提出的三大运动定律，以及瑞士物理学家丹尼尔·伯努利提出的流体力学中的“伯努利原理”，完整解释了鸟类翅膀获得升力的机制。简单来说，升力由两部分组成，一是气流经过翅膀后斜向下弯折，会给翅膀一个向上的反推力，二是气流以不同的速度经过翅膀的上下两面，也会给翅膀带来一个向上的压力差。二者合并，共同组成了翅膀的总升力。
不过话说回来，飞机的发明人莱特兄弟在设计机翼时，其实并没有仔细钻研这些原理，而是在借鉴前人研究成果的基础上，通过自己设计的风洞，不断调整机翼构型，并最终确定了升力最大的机翼形状。这种方法虽然简单直接，但也相当有效。
制造飞机的第二个难题是动力，也就是如何让飞机往前飞。人的力量太小，所以动力必须来自机器，然而蒸汽机又太重，不适合用在飞机上面，那该怎么办呢？幸好，19世纪内燃机技术不断进步，内燃机重量轻、动力大，为飞机的出现提供了技术可能。莱特兄弟就在机械师的帮助下，制作了一个重82公斤，能产生12马力的飞机发动机。这个性能指标在当时已经相当优秀了，足以满足飞机的动力需求。
制造飞机的第三个难题是飞行控制，也就是如何让飞机按照人的意愿安全地飞。对于飞行控制问题，英国人乔治·凯利和德国人奥托·李林塔尔先后进行过深入研究。他们设计了一系列装置，比如平衡飞行器重心的滑块，以及稳定飞行姿态的尾翼，都取得了有意义的成果。
莱特兄弟则在前人的基础上，最终攻克了飞行控制难题。他们的方案叫做翘曲机翼，思路很取巧，他们认为，既然鸟类通过扇动翅膀来改变飞行姿态，那么要想控制飞机的飞行姿态，最简单的方法就是改变机翼形状。为此，他们把一系列连接杆和绳索连在机翼上面，只要拉动这些连接装置，就能改变机翼的形状，从而控制飞行姿态。
在解决了三大难题后，莱特兄弟在1903年驾驶“飞行者1号”腾空而起，完成了人类的第一次飞行，真正开启了航空时代。可惜的是，莱特兄弟后来主要把精力放在了维护飞机专利和打官司上面，没有再在飞机制造领域有什么建树。而且客观地讲，他们的翘曲机翼方案也有着天然的局限性，因为只有柔软的机翼才能改变形状，但飞机要想不断提升性能，后面就必然会用到更加坚固的机翼，所以莱特兄弟的设计方案很快就被淘汰了。
我们观察今天的飞机，会发现机翼外侧都有几片能上下摆动的舵面，这些舵面叫做副翼，副翼能很好地控制飞行姿态，同时也能用在坚固的机翼上面，所以最终成了飞行控制的主流方案。副翼方案的发明人，美国工程师格伦·柯蒂斯还曾和莱特兄弟有过一段专利纠纷。“每天听本书”栏目曾经解读过莱特兄弟的传记，书名就叫《莱特兄弟》，有兴趣的朋友可以去了解一下这段历史。
“飞行者1号”首飞后，人类的航空制造业进入快速发展阶段，飞机的应用范围也越来越广。1911年，飞机首次被应用在战争中，意大利王国在和奥斯曼帝国作战期间，派遣飞机完成了侦察、炮火引导和轰炸任务，凭借空中优势很快就取得了战争的胜利。1914年，现代民航业诞生，美国佛罗里达州两座隔海相望的城市间，首次出现了定期往来的航班，乘坐飞机出行逐渐成为一种全新的生活方式。
自此，飞机制造业进入了在应用中改进，在改进中应用的良性循环。接下来，我重点介绍几个飞机技术上的关键突破。
首先是全金属机身的出现。从莱特兄弟到一战以前，飞机机身基本都是构架式结构，简单说就是在一个木头架子上套一个帆布蒙皮，飞机的所有受力，都是由这个木架提供的，这种机身构造重量轻但是强度差，没法满足高性能飞机的需求。
那什么材料强度足够大呢？我们都知道，金属的强度很大，但问题是金属要比木头重得多，飞机太重连飞都飞不起来，性能就无从谈起。不过1915年，德国工程师雨果·容克斯还真造出了一架全金属机身的飞机——容克斯J-1，他的解决方案简单粗暴，用一个词形容就是“力大砖飞”，只要动力足够大，砖都能飞起来。
虽然J-1飞机的金属机身由硅钢制成，重量达到了920千克，比以往的飞机更重，但容克斯为飞机配备了一台梅赛德斯直列六缸发动机，能提供120马力的动力输出，功率达到了“飞行者1号”的10倍。大功率发动机，强度更大的机身，加上更光滑的金属表面，让容克斯J-1不仅飞了起来，而且还能以最高170km/h速度飞行，性能可以说是相当优秀。后来在改进型号中，容克斯又用更轻更强的硬铝替换了笨重的硅钢，从那以后，硬铝在很长一段时间里都是飞机机身的主流材料。
第一次世界大战的战争需求，让包括全金属机身在内的各项飞机技术极速进化，等到1918年战争结束时，航空工业已经得到了长足发展，很多小型飞机厂商也迅速成长，它们抓住和平年代的机遇，转向民航飞机领域，取得了很多新的突破。比如美国波音公司首创的加压客舱，就成了后来民航飞机的标配。
波音凭借在一战中为美国军队制造飞机，确立了自己的行业地位，战后波音于1933年推出了自己的第一款民航飞机——波音247，这架飞机的各项指标都非常优秀，它飞得快、跑得远、载重量大，远远超过了一战期间人们不惜成本制造的远程轰炸机。但美中不足的是，波音247的巡航高度只有3000米，和如今民航客机动辄万米的巡航高度比起来，还是太低了。
有人可能会问，客机飞那么高有什么用吗？其实飞行高度非常重要。因为高空中的平流层气流稳定，飞机飞起来更平稳，飞行乘坐更舒适，而且高空的空气温度低，有助于提高飞机发动机的工作效率。那是什么原因限制了波音247的巡航高度呢？一个关键因素是气压，飞机飞那么高，如果客舱没有特殊设计的话，乘客就会出现高原反应，容易发生危险。
为此，波音在后续的波音307客机中首创了加压客舱结构。这架飞机能把高空中稀薄的空气通过发动机压缩成高压空气，然后除湿、调温，变成适合人体的空气，再注入密封性良好的客舱当中，这样一来，飞机就能在7000米以上的高空中巡航了。
波音307首飞完后不久，二战爆发。二战让人们看到了飞机的战争潜力，所以这次各国都投入了大量资源用于飞机研发。也正是在此期间，航天技术出现了下一个重大突破——涡轮喷气式发动机。
此前，飞机的动力都来自转动的螺旋桨，一开始用着还没什么问题，可人们发现，随着飞机速度越来越快，螺旋桨的推进效率会明显下滑，达到一定速度后就很难突破了。要想进一步提高飞行性能，必须采用全新的推进模式，喷气发动机应运而生。喷气式发动机完全依赖燃气流产生推力，它的优点是速度快、高空性能好，不会像螺旋桨那样在高速飞行时出现效率的陡然下滑，也不会随着高度上升而出现功率滑坡。
德国人首先在二战中制造出“燕式”喷气战斗机，它一经问世就显示出无与伦比的优势，当同盟国的战机拼尽全力达到600km/h的速度时，“燕式”战斗机已经能飞到870km/h了。正当德国人跃跃欲试，想要挑战超音速飞行时，一个难题突然跳了出来。研究人员发现，当战斗机的飞行速度达到0.86倍音速时，飞机就会在空中解体。原因比较复杂，概括来说就是，超音速流体和亚音速流体的特征完全不同，当飞机接近音速时，气流的特征会发生质变，飞行阻力和飞行控制特征也会截然不同，没经过特殊设计的飞机很快就会在超音速气流的作用下解体。
后来经过大量研究，人们逐渐摸透了超音速流体的脾气，找到了超音速飞行的解决方案，最终在1947年，美国军方制造的试验机成功突破了音速，带领人类正式步入超音速时代。
人们对超音速飞行的狂热，还影响了民航业。1976年，英国和法国联合研制的协和式超音速客机正式投入运营，这款民航客机能以2倍音速的速度飞行，从纽约到伦敦只需要3小时，而通常亚音速喷气式客机则最少要8小时。但协和式客机也有很明显的缺点：它的飞行成本太高，票价极其昂贵，而且产生的噪声也实在太大，所以只被允许在海面上进行超音速飞行，这就严重影响了其应用范围。因为商业上的不成功，协和式客机最终在2003年全部退役。但回过头来看，这段超音速民航史其实正标志着人类对飞行永无止境的追求态度。
好，篇幅所限，关于人类航空事业的发展历程，我们就先说这么多。航空和航天是一对孪生兄弟，它们都以飞向天空为目标，只不过航天的路程要更远一些。接下来第二部分，就让我们一起聊聊人类航天事业的发展历程。
人类现代航天事业的开创者，当属俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。齐奥尔科夫斯基的人生经历非常传奇，他起初只是一名中学数学老师，但怀揣着对航天事业的极高热情，他利用业余时间对航天飞行进行了大量理论研究。航天器姿态调整、多级火箭原理，甚至是空间站需要的氧气和食物循环系统都在他的研究范围内。1903年，齐奥尔科夫斯基发表了航天史上的划时代著作《利用反作用力设施探索宇宙空间》，书中详细阐述和论证了火箭的原理，提出了火箭飞行速度同火箭发动机喷气速度、火箭质量、燃料质量关系的公式，这个公式至今都在指导着人类每一枚火箭的发射。
虽然当时的俄国没有诞生火箭的土壤，但齐奥尔科夫斯基还是凭借大量开创性、基础性的研究，被后世尊称为航天之父。后来，制造火箭的接力棒先后在美国和德国科学家手中传递，并最终传到了德国天才火箭科学家冯·布劳恩手中。布劳恩大学毕业后就开始研究火箭，并先后成功试射了一系列型号，其中就包括大名鼎鼎的V-2火箭。V-2火箭高14米，重量达到13吨，性能非常优异，在1942年的第三次试射中，就已经达到了83公里的飞行高度，并最终创下了174.6公里的高度纪录。这早已超过距离地面100公里，学界公认的地球大气与外太空的分界线，所以V-2火箭成为史上第一个进入太空的人造物体。
然而在二战的历史背景下，V-2的诞生更像是一个悲剧，它被纳粹德国用在战争当中。德国发射的3000多枚火箭，造成了近3000人的伤亡；然而它的生产过程更致命，纳粹德国奴役工人制造V-2火箭，让2.6万名工人失去生命。而且V-2采用75%的酒精作为燃料，其消耗的燃料酒精，使得德国所有的马铃薯几乎都被用于发酵。这对于当时本已饿殍遍地的德国来说，完全是丧心病狂。
话说回来，二战德国虽然战败，但此后火箭的研发进度并没有放缓。冯·布劳恩等德国火箭专家和V-2火箭的制造设备被美国接纳，苏联也获得了V-2火箭的部分物资和技术人员，两国间的军事竞赛大大加快了火箭技术的发展。1957年，苏联在另一位天才火箭科学家谢尔盖·科罗廖夫的带领下，以V-2火箭为基础，设计制造出了更先进的R-7火箭。这款火箭高34米，重280吨，率先采用了多级火箭构造。
多级火箭的理念由齐奥尔科夫斯基首创，它的意义在于，当火箭飞行一段时间后，燃料和氧化剂逐渐耗尽，这时燃料罐和发动机都会成为“死重”，影响火箭继续上升。如果把火箭分成好几级，到达一定高度和速度后抛弃一级箭体，就能大幅提高火箭后续的飞行效率。在R-7火箭诞生的同一年，由R-7略加修改而成的东方号运载火箭，把人类第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”送上了地球轨道。
眼看苏联航天技术迅速发展，美国人心急如焚，他们试射的火箭多次爆炸，发射人造卫星也接连失败。不得已之下，美国重新起用了布劳恩及其团队，在此之前，布劳恩等人因为身份原因，已经被美国边缘化了很长时间。但正所谓老将出马，一个顶俩，布劳恩复出后，仅用了89天就用“朱诺1号”火箭把美国第一颗人造卫星“探险者1号”成功送入地球轨道。作为美国最早投入使用的运载火箭，“朱诺1号”使用的是固体燃料，而非此前更常见的液体燃料。
有朋友可能会觉得，火箭用哪种燃料还值得一说吗？不就是燃料的状态不一样嘛。其实，液体燃料火箭和固体燃料火箭的区别非常大。简单来说，液体火箭有点像打火机，里面的液体燃料源源不断地燃烧，燃烧过程可以控制。固体火箭则像一个大炮仗，燃料和氧化剂再加一些黏合剂被做成固体后，装在火箭的外壳里，燃料的燃烧顺序是从内侧到外侧，它的形状直接决定了火箭起飞后的飞行状态。
假如固体燃料的截面形状是均匀的圆形，那么刚点火时燃烧面积最小，推力就最低，随着截面的圆形不断扩大，推力也会越来越大。如果把推进剂截面做成特殊形状，比如星形，那在最开始时燃烧面积最大，推力也最大，当星形结构的触角部分燃烧完后，燃烧面积变小，推力也会变小。在固体火箭发射前，工程师会根据预期的发射轨迹设计燃料的截面形状，一旦成形就不可更改。所以固体火箭是开弓没有回头箭，一旦点火就必须起飞，没有当场熄灭、推迟和再发射的可能，但它的优点是结构简单，保存方便，推力非常大。两种技术路线各有所长，没有绝对的优劣。
话说回来，美苏两国各自成功发射人造卫星后，它们在载人航天领域又开启了一系列竞赛，苏联首先将宇航员送上太空，美国则首先把宇航员送上了月球。这场太空竞赛的历史太过出名，我们就不展开介绍了，重点聊聊把人类送上月球的那枚超级火箭——土星5号。
前往月球的路途遥远，而且还要携带许多登月设备，所以执行发射任务的火箭，必须有超强的运载能力，自身必定也是个庞然大物。土星5号高110米，重量超过3000吨，要想驱动这个巨型火箭，发动机的总推力必须足够大。单纯堆砌发动机的数量肯定不行，因为数量越多，每一个发动机都完美工作的概率就越低。因此单个发动机的推力必须足够大，可是发动机做得越大，内部燃烧室压力不均匀、燃烧不稳定的现象就会越严重。为此，布劳恩带领团队投入了大量资源，重新设计了发动机燃烧室的结构，才终于克服了燃烧不稳定的问题。
这款成功的发动机代号F-1，土星5号的第一级搭载了5台F-1发动机，它们每秒能烧掉13吨燃料和氧化剂，并以8马赫的速度喷出气体，产生高达3400吨的推力。由这些发动机推送上天的土星5号，也成为人类发射过的最大的火箭之一。
美苏间的太空竞赛结束后，人类航天事业的发展进程更加理性、稳健，民营航天企业逐渐崛起。比如埃隆·马斯克的Space-X公司已经在降低发射成本方面取得了很大进展，中国也有多家民营航天企业成功发射火箭。这些民间力量的出现，无疑能在未来大幅降低航天发射的成本，增大航天发射规模，从长远看，对人类航天事业的发展是很有利的。
最后，我还想和你分享一下未来航天技术的发展方向。人类未来要想登陆火星，或者走向更遥远的深空，必须大幅提高宇宙飞船的飞行速度，航行时间太久，宇航员的生存都会成为一个问题。然而传统的推进火箭需要携带大量燃料，飞船不可能一直靠火箭驱动加速，这就意味着人们必须找到全新的推进方案。
目前来看，离子喷射发动机很有前景。和传统的化学燃料发动机不同，离子喷射发动机的工作原理是先把推进剂电离成离子，然后再用电场把离子以超高速喷射出去形成推力。这个过程不涉及化学反应，只用携带少量惰性气体推进剂就能进行，所需电力也能靠太阳能或核动力电池提供。
如今的离子发动机只能产生几十毫牛的推力，大约相当于一张纸的重量，但即便如此，它的推进效率也能达到传统化学火箭的10倍以上。据估计，未来人类登陆火星时，如果用化学火箭，需要花费6个月的飞行时间，而离子发动机可以在39天内把飞船送到火星，应用潜力可见一斑。
好，到这里本书内容就介绍得差不多了。我们首先回顾了人类航空事业的主要发展历程。热气球和飞艇帮助人类离开了地面，但算不上真正意义上的飞行，直到莱特兄弟解决了升力、动力和飞行控制这三大问题，驾驶着第一架飞机飞上天空，人类才真正开启了飞行时代。后来飞机快速迭代升级，一战期间出现了全金属机身，一战后出现了加压客舱，二战期间出现了涡轮喷气式发动机，二战后飞机突破音速。每一次技术进步都体现了人类对飞行无止境的追求。
接着我们又通过几个重要节点，回顾了人类的航天发展史。齐奥尔科夫斯基为航天技术奠定了理论基础；冯·布劳恩的V-2火箭首次突破了大气层，进入宇宙空间；科罗廖夫设计的R-7火箭首次采用多级构造，并将第一颗人造卫星送上太空；美国的土星5号完成了载人登月任务，代表了人类航天领域的一个高峰。面向未来，民营航天企业正在崛起，新型离子喷射发动机则代表了新的技术路径。
回顾这段航空航天史，我们不难发现，科技的发展进程往往与历史背景密切相关，国与国之间的战争或竞争，往往是科技突破的催化剂，而和平年代则是尖端科技下放、应用成本降低的孵化场。科技就是在历史的这种循环往复中，经历着一次次迭代蜕变，从探索逐渐走向成熟。
齐奥尔科夫斯基曾说过，“地球是人类的摇篮，但人类不会永远生活在摇篮里”。从莱特兄弟的第一次飞行算起，经过上百年的努力，人类已经为自己的梦想走得很远了，我愿意相信齐奥尔科夫斯基的预言，终有一天，我们会走出自己的摇篮。
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划重点
1.制造飞机的三个难题：升力，如何让飞机离开地面；动力，如何让飞机往前飞；飞行控制，如何让飞机按照人的意愿安全地飞。
2.科技就是在历史的循环往复中，经历着一次次迭代蜕变，从探索逐渐走向成熟。
3.“地球是人类的摇篮，但人类不会永远生活在摇篮里。”——齐奥尔科夫斯基