昨天剛剛度過(guò)第六個(gè)全國(guó)科技工作者日。明天又要迎來(lái)六一兒童節(jié)。作為一名從業(yè)半個(gè)多世紀(jì)的老航空科技工作者，也作為一個(gè)擁有孫輩的老人，我以此文與全國(guó)的科技工作者共勉——生命有盡，奮斗無(wú)涯！向全國(guó)少年兒童致節(jié)日祝賀——好好學(xué)習(xí)，天天向上！也祈愿自己童心不泯，與他們多多地、久久地相伴，樂(lè)見(jiàn)他們快樂(lè)長(zhǎng)大！
迎著疫情防控的艱困，5月22日下午，我受中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)的邀請(qǐng)，走進(jìn)位于亦莊的“抖音”拍攝基地，為六一兒童節(jié)錄制科普視頻節(jié)目。嚴(yán)控之下，那里的少男少女們還在堅(jiān)守工作。在我并不熟悉的專(zhuān)業(yè)氛圍里，洋溢著熱烈和敬業(yè)的精神，著實(shí)令人感動(dòng)。愿他們?nèi)巳税埠?，事業(yè)升騰！
平生頭一遭，站在燈光迷離的圓形講壇上，略顯局促地對(duì)著大型攝影機(jī)，完成近一個(gè)小時(shí)的視頻錄制。課件名《航空是頂天立地利國(guó)惠民的大事業(yè)——致全國(guó)少年兒童們》。
頂天立地，指航空的空間概念和科學(xué)意義；利國(guó)惠民，指航空與國(guó)計(jì)民生的息息相關(guān)及其社會(huì)意義；大事業(yè)，是說(shuō)航空的產(chǎn)業(yè)體量、技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和理應(yīng)做出的更大貢獻(xiàn)。
我力求用通俗易懂的語(yǔ)言，把航空的一些基本知識(shí)，盡量準(zhǔn)確地告訴少年兒童們，包括航空與航天的“同”與“不同”。其中一些內(nèi)容，對(duì)于青年朋友和成年人，可能也會(huì)有些用處。現(xiàn)將一部分幻燈片連同解說(shuō)詞，貼在這里。這里的解說(shuō)詞，要比實(shí)錄和剪輯后的內(nèi)容稍多些。在敬饗眾人的同時(shí)，也供年輕的讀者朋友們參考。
親愛(ài)的小朋友們，節(jié)日好。很高興能在你們的節(jié)日里，與你們分享關(guān)于航空的知識(shí)。
這是一張宇宙星云圖。浩瀚而神奇。從小我也神往宇宙，想知道天是什么，天有多大，那里蘊(yùn)含著什么奧妙。一輩子了，宇宙對(duì)于我仍是神秘之所在。
宇宙之大難以描述。讓我們的目光聚焦?？矗∵@是銀河系，壯美瑰麗。它是宇宙中無(wú)數(shù)星系中的一個(gè)，仍然是巨大無(wú)比。現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道，它的直徑有10萬(wàn)光年。光年不是時(shí)間單位，而是一個(gè)長(zhǎng)度單位，就是光在一年里可以穿越的距離。光速是每秒30萬(wàn)千米，乘上60（每分鐘60秒），再乘上60（每小時(shí)60分鐘），再乘上24（每天24小時(shí)），再乘上365（每年365天），得出94608億千米，我們粗略記作10萬(wàn)億千米吧。這樣算下來(lái)，銀河系的直徑大約100萬(wàn)億千米。在銀河系里，有1000億到4000億顆恒星，構(gòu)成一個(gè)又一個(gè)恒星系。所有恒星系都繞著銀河系的中心旋轉(zhuǎn)，我們把它叫做“銀心”。太陽(yáng)系是其中之一，它位于距銀心大約2.6光年的一個(gè)旋臂上。
現(xiàn)在，讓我們來(lái)認(rèn)識(shí)與我們關(guān)系最直接的太陽(yáng)系。太陽(yáng)系以太陽(yáng)為中心，有8顆行星環(huán)繞飛行。從里向外，地球處在第三軌道。地球有一顆自然形成的衛(wèi)星，就是親親的月亮。太陽(yáng)系有多大呢？現(xiàn)在還難以確定，如果算到先是被作為行星、后來(lái)被改稱(chēng)為矮行星的冥王星，半徑達(dá)到60億千米。1977年，美國(guó)航空航天局發(fā)射了一具深空探測(cè)器，叫旅行者1號(hào)，脫離了太陽(yáng)的吸引，在向太陽(yáng)系外飛行，到現(xiàn)在已經(jīng)飛了快45年了，仍然沒(méi)有飛出去。可見(jiàn)太陽(yáng)系有多大。而如果飛出太陽(yáng)系，飛到最近的另外一個(gè)恒星系，大約需要4萬(wàn)年，由此又可以想見(jiàn)銀河系有多大。
幸運(yùn)的是，太陽(yáng)系里有一顆宜居的行星，這就是我們?nèi)祟?lèi)的家園——地球。地球的半徑為6400千米，不大不小，又不冷不熱。挨近太陽(yáng)的金星，地表平均462攝氏度。比地球離太陽(yáng)稍遠(yuǎn)的火星，又太冷，表面平均溫度零下55攝氏度，大氣密度只有地球的大約1%，完全不適合人的居住。與其它行星都不一樣的是，地球有一個(gè)特別的、得天獨(dú)厚的大氣層。組成大氣層的物質(zhì)，就是幾種不同氣體混合而成的空氣。后面，我們會(huì)不時(shí)地用到大氣層和空氣這兩個(gè)含義相近的詞。小朋友們，不管你們?cè)谀睦?，也不管什么時(shí)辰，往身邊看，往窗外看，往遠(yuǎn)處看，往天上看，空曠的空間似乎什么都沒(méi)有，但請(qǐng)別忘記，是無(wú)邊無(wú)際、無(wú)色無(wú)嗅的空氣包裹著我們。從地表向上，空氣的密度越來(lái)越小。不斷變化高度的大氣層本無(wú)界限，為了科學(xué)研究的需要，我們把它分作五層。分別是：對(duì)流層，從地表到12~20km；平流層，向上至55km；中間層，從55km到85km；熱層，從85km到800km，再向上統(tǒng)稱(chēng)為散逸層。大氣層厚度沒(méi)有明確確定，一般認(rèn)為1000km?，F(xiàn)在，我要給大家介紹一個(gè)非常重要的知識(shí)點(diǎn)了，它就是卡門(mén)線。匈牙利裔美國(guó)科學(xué)家、錢(qián)學(xué)森的老師馮·卡門(mén)經(jīng)過(guò)計(jì)算，提出大約100km高度為航空航天分界線，并被國(guó)際航空航天界認(rèn)可和采納。知道了這一點(diǎn)，現(xiàn)在就可以理解我在交流分享的標(biāo)題中說(shuō)“頂天立地是航空”的意義了！上接天庭，下立大地，每一次航空飛行的始末，都是發(fā)于大地、回到大地。在馮·卡門(mén)的自傳里，有這樣一段話，形象、可信地解釋了卡門(mén)線的計(jì)算思路以及被推薦、被采納為航空航天分界線的過(guò)程。在這段話里，馮·卡門(mén)說(shuō)，當(dāng)飛行器達(dá)到一定的高度，不能再依靠空氣產(chǎn)生升力，而靠離心力支承其重量，空氣動(dòng)力學(xué)無(wú)效了，航天學(xué)開(kāi)始發(fā)揮作用，那么，這個(gè)高度就應(yīng)該認(rèn)為是航空和航天的分界線。其中，最后兩句話很重要：分界線以下的空間屬于每一個(gè)國(guó)家，分界線以上為自由空間。
人類(lèi)不是地球上最早的生物。當(dāng)人類(lèi)出現(xiàn)后，當(dāng)人類(lèi)完成進(jìn)化，當(dāng)人類(lèi)看到數(shù)不勝數(shù)的鳥(niǎo)類(lèi)和昆蟲(chóng)都會(huì)飛，也萌生自由飛翔的強(qiáng)烈欲望。
世界各地、各族裔的先民們有過(guò)各種動(dòng)人的藍(lán)天飛夢(mèng)。中國(guó)敦煌飛天壁畫(huà)、歐洲的飛天穹頂畫(huà)是有名的代表作。
在中華民族的悠久歷史中，出現(xiàn)了許多偉大的發(fā)明。小朋友們都知道中國(guó)古代的四大發(fā)明，造紙術(shù)、印刷術(shù)、火藥和指南針。但可能不知道還有另外一個(gè)“四大發(fā)明”，就是風(fēng)箏、竹蜻蜓、爆竹和孔明燈，這是航空四大發(fā)明。這些發(fā)明同樣體現(xiàn)古代中華文明。奇妙的是，這四大發(fā)明與人類(lèi)已經(jīng)擁有的四類(lèi)航空器在內(nèi)在學(xué)理上，一一對(duì)應(yīng)。
風(fēng)箏與飛機(jī)對(duì)應(yīng)。我曾許多次問(wèn)小朋友們，從飛行原理上飛機(jī)像什么？是鳥(niǎo)兒，還是別的什么？隨著學(xué)?？萍冀逃纳钊?，越來(lái)越多的小朋友回答是風(fēng)箏。說(shuō)風(fēng)箏是對(duì)的。因?yàn)轱L(fēng)箏能夠在天上飛，靠的是風(fēng)箏上下表面的壓力差，而我們手中的牽引繩的作用就是讓風(fēng)箏持續(xù)產(chǎn)生與空氣相對(duì)流動(dòng)的拉力，恰如飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)。說(shuō)到這里，我要提前把飛機(jī)升力的來(lái)源告訴大家。飛機(jī)的升力主要來(lái)自機(jī)翼。產(chǎn)生升力的基本條件是兩個(gè)，一是飛機(jī)與迎面而來(lái)的氣流要有一個(gè)夾角，叫迎角，也叫攻角，迎角要為正；二是飛機(jī)要有必要的速度。兩個(gè)條件都具備時(shí)，氣流在機(jī)翼上表面會(huì)形成一個(gè)低壓區(qū)，而下表面形成一個(gè)高壓區(qū)，托舉飛機(jī)的升力就來(lái)自這個(gè)壓差。小到我們制作的模型飛機(jī)，大到數(shù)百?lài)嵉木逕o(wú)霸飛機(jī)，都是如此，是不是很神奇！以后，如果有機(jī)會(huì)，你們還可以深入學(xué)習(xí)和研究、計(jì)算升力，這非常重要。
竹蜻蜓對(duì)應(yīng)直升機(jī)。直升機(jī)的升力來(lái)自主旋翼，翼面受驅(qū)動(dòng)在空氣中旋轉(zhuǎn)時(shí)空氣會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不間斷的反作用力。西方的許多航空先驅(qū)，對(duì)于傳到他們那里的中國(guó)竹蜻蜓，他們叫做飛陀螺，十分癡迷，潛心研究翼面翼型對(duì)于飛行效率的影響，對(duì)于他們的創(chuàng)新活動(dòng)產(chǎn)生重要啟迪，例如被稱(chēng)為現(xiàn)代航空科學(xué)之父的英國(guó)爵士喬治·凱利。
爆竹對(duì)應(yīng)現(xiàn)代火箭，實(shí)際上爆竹就是古代火箭。從古至今，火箭的工作原理如一，形態(tài)也沒(méi)有改變，現(xiàn)在仍然是航天器獲得脫離地心引力的高速，去遨游太空的唯一動(dòng)力。明代的萬(wàn)戶曾經(jīng)用幾十根火箭捆綁在一起，借助火箭產(chǎn)生的推力，把坐在太師椅上的自己送到高空。但他無(wú)法擺脫地心引力，摔到地面，英勇獻(xiàn)身，但是全世界都記住了他，如今月球上的一座火山口就是以他的名字命名的。
孔明燈對(duì)應(yīng)浮空器，也就是氣球和氣艇。從人類(lèi)實(shí)現(xiàn)飛翔的夢(mèng)想以來(lái)，雖然造出了許多不同的航空器，但大的分類(lèi)就是兩類(lèi)，一是重于空氣的，靠空氣動(dòng)力托舉飛行，飛機(jī)、直升機(jī)都是；二是輕于空氣的，如氣球和氣艇，是靠空氣靜力漂浮在天空的。
好了?，F(xiàn)在，我們需要對(duì)航空與航天做一個(gè)對(duì)照性的介紹了。很多小朋友，也有很多成年人都對(duì)航空與航天的相同和不同深感興趣。我們先給航空和航天做個(gè)定義。航空是利用載人或不載人的器械在地球大氣層從事的飛行及有關(guān)活動(dòng)，航天是利用載人或不載人的器械在地球大氣層外從事的飛行及有關(guān)活動(dòng)。有時(shí)，我們也把太陽(yáng)系外的航行活動(dòng)稱(chēng)為“航宇”，這是錢(qián)老（錢(qián)學(xué)森）的用語(yǔ)。
航空和航天的相同點(diǎn)在于，它們同為飛行器，或稱(chēng)航行器，都是作為工業(yè)產(chǎn)品的人造機(jī)械裝置，同為戰(zhàn)略性、綜合性高科技的產(chǎn)物，它們的研發(fā)和使用同樣都是復(fù)雜大系統(tǒng)工程。航空航天的共同自然資源是一個(gè)連綿無(wú)盡的地球地表之上的空間。說(shuō)到這里，我還想告訴小朋友，現(xiàn)在整天說(shuō)的空間站、空間飛行等是不準(zhǔn)確的，應(yīng)該稱(chēng)為“太空站”“太空飛行”。臨近太空的空間，也不應(yīng)該叫“臨近空間”，而應(yīng)該叫“近太空”。毫無(wú)疑問(wèn)，航空是航天的基礎(chǔ)，沒(méi)有航空，不會(huì)有航天。航空飛行不僅有自己的獨(dú)立內(nèi)容，如用于打仗的軍事航空，用于客貨快速、遠(yuǎn)距運(yùn)送的民用航空，而且也是航天器從地表開(kāi)始飛行的一個(gè)環(huán)節(jié)、一個(gè)階段，航天器只有穿越大氣層才能飛入太空，對(duì)于那些往返航天器，在飛回來(lái)的時(shí)候，也要穿越大氣層，叫“再入”，而后落地。隨著技術(shù)進(jìn)步，空天一體化的趨勢(shì)愈加明顯，在技術(shù)上深度融合，在空間上綿延不絕。
說(shuō)到航空航天的不同之處，可以歸納為五個(gè)方面，飛行環(huán)境不同，飛行原理不同，飛行速度不同，所需的動(dòng)力裝置不同，飛行方式也不同。航空環(huán)境需要空氣，航空器與大氣層相愛(ài)相生、相輔相成，若不尊重自然規(guī)律、蠻力胡干，有時(shí)候也會(huì)相苦相難、相毀相殺。迄今，所有的航空器得以翱翔藍(lán)天，無(wú)外乎依賴(lài)空氣動(dòng)力或者空氣靜力。沒(méi)有空氣不行，不會(huì)用，用不好，也不行。在人類(lèi)的航空史上，由于空氣的存在，先是無(wú)法突破聲速的障礙，即跑不過(guò)聲音，被稱(chēng)“聲障”，隨著技術(shù)進(jìn)步，主要是發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)步，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，被突破了。后來(lái)又有“熱障”攔路，就是當(dāng)飛機(jī)速度不斷提高時(shí)，由于空氣與機(jī)體的摩擦，造成的加熱現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，甚至?xí)茐臋C(jī)身結(jié)構(gòu)，被稱(chēng)為“氣動(dòng)加熱”，一般在飛行速度達(dá)到2.2倍聲速時(shí)，就必須考慮防熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)了；耐熱性能更好的材料和革新性設(shè)計(jì)技術(shù)的出現(xiàn)，使這個(gè)問(wèn)題也得到解決。航空的全部科學(xué)技術(shù)問(wèn)題集中于用好空氣，又有效規(guī)避空氣帶來(lái)的負(fù)面影響，諸如氣動(dòng)生熱，飛行阻力的產(chǎn)生，跨高度自由飛行時(shí)因空氣密度變化帶來(lái)的空氣動(dòng)力效率變化、航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)效率變化和航空器飛行自動(dòng)控制問(wèn)題等。而航天器除了離開(kāi)地面進(jìn)入大氣層和再入大氣層這兩個(gè)階段以外，基本上都是在真空環(huán)境里、按照天體力學(xué)原理、依特定軌道飛行的，此時(shí)航天器的速度很高，但不會(huì)有航空器所遇到的那些問(wèn)題，其主要技術(shù)難題集中在軌道與姿態(tài)控制、極遠(yuǎn)距通信和特殊載荷的有效性等方面。我在這里，講這樣一段話，是想告訴小朋友們，航空與航天都很難，各有各的難，但都是名副其實(shí)、當(dāng)之無(wú)愧的高新技術(shù)。上世紀(jì)90年代末之前，大約有半個(gè)世紀(jì)，我國(guó)沒(méi)有把航空認(rèn)定為高技術(shù)，這是一個(gè)歷史的誤區(qū)。在20世紀(jì)、21世紀(jì)交替的關(guān)頭，終于撥亂反正，給了航空應(yīng)有的地位。中國(guó)航空人不辱使命，用短短20年時(shí)間，給了國(guó)人豐厚的回報(bào)，奉獻(xiàn)了井噴式發(fā)展的成果。后面，我將會(huì)講給大家聽(tīng)。
讓我們來(lái)看看航天的自然環(huán)境，主要是指太空環(huán)境，那里是漆黑一片，極低的溫度，充滿輻射，高真空，微重力等，極為嚴(yán)酷。而要飛離地面，成為和月球那樣，繞地球運(yùn)行的人造衛(wèi)星，進(jìn)而脫離地球吸引，成為和地球一樣繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的人造行星，以及脫離太陽(yáng)吸引，向其它行星或深空飛去，則分別要達(dá)到三個(gè)不同的速度，被稱(chēng)第一、第二、第三宇宙速度，分別為7.9km每秒、11.2km每秒和16.7km每秒。
航天需要配套的、復(fù)雜的人造環(huán)境。至少包括航天發(fā)射場(chǎng)、地面上的模擬太空環(huán)境、航天測(cè)控系統(tǒng)，以及載人航天器里必不可少的生活工作環(huán)境。
而航空的人造環(huán)境則主要指機(jī)場(chǎng)、空域和航路、航線，以及相應(yīng)的機(jī)場(chǎng)管理、空域管理、空中交通管理等，當(dāng)然還要包括有人航空器里的適宜人生活與工作的小環(huán)境。說(shuō)到這里，我還必須強(qiáng)調(diào)，航空與航天的另一個(gè)很大不同，是反映在產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)方面的。一般說(shuō)來(lái)，每一型航空器研發(fā)出來(lái)之后，都是有批量要求的，少則幾架、十?dāng)?shù)架、幾十架，多則上百架、數(shù)百架，甚至成千上萬(wàn)架，而且每一具航空器都有很長(zhǎng)的生命周期，迄今最長(zhǎng)的已超過(guò)半個(gè)世紀(jì)。在頻繁起降、大密度使用中，確保極高的可靠性、安全性要求，絕非易事。一款新型航空器首飛成功，只是百里行程第一步，后面的工作量極大、任務(wù)還極其繁重、漫長(zhǎng)；而且，航空對(duì)于相關(guān)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)的帶動(dòng)與輻射作用，以及作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支撐與帶動(dòng)作用，全面而強(qiáng)烈。相比而言，航天是典型的科研型，科研任務(wù)與生產(chǎn)任務(wù)重合度很高，幾乎沒(méi)有批量要求，航天所需的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，也不像航空那樣，遍及全國(guó)，覆蓋各地。至于航空的使用，更是與國(guó)計(jì)民生緊密關(guān)聯(lián)，走進(jìn)千家萬(wàn)戶。這也是題目里所用的另一個(gè)詞“利國(guó)惠民”的含義。
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