Das Wetter ist zu heiß und Sie möchten „in den Himmel fliegen“ und der Sonne eine Lektion erteilen? Hier sind drei Möglichkeiten, Ihnen zu helfen:

„Ich möchte in den Himmel fliegen und Schulter an Schulter mit der Sonne stehen …“

Fliegen war schon immer ein tief im Herzen der Menschen verborgener Traum. Dank dieses Traums haben wir Drachen, Wasserstoffballons und ... moderne Flugzeuge.

Wenn Sie Bücher und Dokumente zum Thema Luft- und Raumfahrt durchsehen, werden Sie Folgendes feststellen: Derzeit gibt es für Menschen nur drei Möglichkeiten, ins All zu fliegen!

Nr.1

Leichter als Luft werden

Unter Standardbedingungen beträgt die durchschnittliche relative Molekülmasse von Luft 29. Solange Sie etwas mit einem geringeren Molekulargewicht als Luft finden, kann es in der Luft schweben. Wenn es „leicht“ genug ist, kann es Menschen sogar „fliegen“ lassen, wie beispielsweise Wasserstoffballons, Heliumballons usw.

Leichter-als-Luft-Aerostat, Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften

Chinas erster Wasserstoffballon wurde von Hua Hengfang hergestellt, einem Militärexperten der späten Qing-Dynastie. Seine Methode zur Herstellung von Wasserstoffballons erscheint heute sehr einfach. Er ließ eine starke Säure mit Metall reagieren, um Wasserstoff zu erzeugen, und füllte dann den Ballon mit Wasserstoff.

„Ballonstart an der Militärakademie“ – Hua Hengfangs Ballonstart

Der uns bekannte Heißluftballon verwendet heiße Luft anstelle von Wasserstoff oder Helium, die leichter als Luft sind. Da die Dichte des Gases umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur ist, können Dichte und Masse des Gases durch Erhöhung der Temperatur reduziert werden, wodurch der Zweck erreicht wird, leichter als Luft zu sein. Die antike Kongming-Laterne ist der älteste Heißluftballon.

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Ob Wasserstoffballons oder Heißluftballons: Obwohl beide gut sind, ist es schwierig, ihre Flugrichtung zu kontrollieren. Um die Fluglage und -richtung besser kontrollieren zu können, wurden Luftschiffe nach dem Grundgedanken „leichter werden“ entworfen und gebaut.

Das Luftschiff wird mit einem Gas gefüllt, das leichter als Luft ist (normalerweise Helium, das sicherer ist), um Auftrieb zu erzeugen. Anschließend werden Motoren am Luftschiff angebracht, um die Antriebskraft für die horizontale Bewegung des Luftschiffs bereitzustellen und so seine Fluglage zu steuern.

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Nr.2

Erzeugen Sie einen Luftdruckunterschied, um abzuheben

Wenn ein Objekt in der Luft fliegt, kann es auch fliegen, indem man die Luftströmungsrate auf der Oberseite größer macht als auf der Unterseite und so einen Luftdruckunterschied erzeugt.

Wenn zwischen der Ober- und Unterseite ein Luftdruckunterschied besteht, kann das Objekt Auftrieb erhalten. Wenn dieser Auftrieb groß genug ist, um die Schwerkraft der Erde zu überwinden, kann das Objekt den Boden verlassen!

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Vögel fliegen, indem sie Luftdruckunterschiede ausnutzen. Vögel verfügen über die natürlichen physikalischen Voraussetzungen zum Fliegen: Flügel, die die Aerodynamik geschickt ausnutzen, eine Skelettstruktur aus harten und leichten hohlen Knochen, gut entwickelte Brustmuskeln, ein einzigartiges Atmungssystem sowie leichte und seidige Federn.

Der Hauptgrund, warum Vögel fliegen können, liegt darin, dass sie die Flugtechnik beherrschen, nämlich „Luftdruckunterschiede zu erzeugen“. Wenn ein Vogel durch die Luft gleitet, entsteht zwischen der Ober- und Unterseite seiner Flügel ein Druckunterschied. Dadurch entsteht ein Auftrieb, der den Vogel in der Luft hält und ihn am Absturz hindert[6].

Darüber hinaus erzeugen Vögel durch aktiven Schlagflug einen gewissen aerodynamischen Auftrieb. Wenn die Flügel von Vögeln schlagen, entsprechen sie den Propellern oder Düsenantrieben eines Flugzeugs und ermöglichen es den Vögeln, einen kontinuierlichen Flugzustand aufrechtzuerhalten.

Tatsächlich versuchten sowohl der Holzvogel von Lu Ban als auch das Schlagflügelflugzeug von Leonardo da Vinci in der Anfangszeit, den Flugzustand von Vögeln nachzuahmen, um das Abheben zu erreichen, doch ihre Flugpläne scheiterten alle. Der Grund dafür war, dass ihnen das Verständnis für die Prinzipien der Aerodynamik fehlte und sie blind die geometrische Form und Schlagform von Vogelflügeln nachahmten.

Leonardo da Vincis Ornithopter-Zeichnung. Bildquelle: Britannica

Als die Menschen jedoch begannen, sich mit der Aerodynamik zu beschäftigen und Starrflügelflugzeuge wie Drachen entwickelten, war das moderne Transportmittel geboren, das erfolgreich in den Himmel flog – das Flugzeug. Das Flugprinzip von Flugzeugen und Drachen ist dasselbe: Beide erzeugen Auftrieb, indem sie durch die unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit der Luft an der Ober- und Unterseite der Flügel einen Druckunterschied erzeugen.

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Kurz gesagt: Ob Vögel, Drachen, Propellerflugzeuge, Düsenflugzeuge oder Hubschrauber, sie alle fliegen, indem sie „Druckunterschiede erzeugen“, aber die Art und Weise, wie sie die Bedingungen für den Aufstieg schaffen, ist unterschiedlich.

Nr.3

Materie nach unten sprühen, um Schwung zu gewinnen

Wenn unser Flugziel darin besteht, die Erde zu verlassen, sind die ersten beiden Methoden möglicherweise nicht anwendbar, da der Weltraum eine schwerelose Umgebung ist, in der es praktisch keine Luft gibt und kein Druckunterschied erzeugt werden kann. Daher sind andere Kräfte erforderlich, um das Fliegen zu ermöglichen.

Die Rakete hebt ab. Bildquelle: Offizielle Website zur bemannten Raumfahrt Chinas

Da Raketen nicht nur Treibstoff, sondern auch Oxidationsmittel transportieren, benötigt der Motor zum Betrieb keine Luft.

Darüber hinaus verbrennen Kraftstoff und Oxidationsmittel in der Brennkammer des Motors und erzeugen dabei eine große Menge Hochdruckgas, das mit hoher Geschwindigkeit aus der Motordüse ausgestoßen wird. Dadurch erhält die Rakete eine dem Gasstrahl entgegengesetzte Reaktionskraft, die ihr den Start ermöglicht.

Diese Methode, Materie nach unten auszustoßen, um einen Flug zu ermöglichen, wurde bereits im 17. Jahrhundert von Newton klar beschrieben: „Wenn eine bestimmte Masse mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach hinten geschleudert wird, wird sie durch eine Reaktionskraft nach vorne geschoben und beschleunigt.“

Um in modernen Luft- und Raumfahrzeugen höhere Flugziele zu erreichen, verwenden die Konstrukteure beim Bau von Flugzeugen nicht einfach eine dieser drei „Flugmethoden“, sondern wenden sie in Kombination an. Um beispielsweise höhere Fluggeschwindigkeiten zu erreichen, verwenden Überschall-Kampfflugzeuge Staustrahltriebwerke, die Material nach hinten ausstoßen.

Obwohl die Flugmethoden, die die Menschheit bisher beherrscht, nichts anderes sind als „leichter als Luft zu werden“, „Luftdruckunterschiede zu erzeugen“ und „Materie nach unten zu schleudern, um Kraft zum Fliegen zu gewinnen“, werden in naher Zukunft sicherlich mehr Menschen praktischere Möglichkeiten entdecken, in den Himmel zu fliegen!

Der Himmel ist wie eine Kuppel und bedeckt das gesamte Gebiet. Ein großer Bereich unserer Aktivitäten soll der Himmel sein. Es gibt zu viele unbekannte Dinge am Himmel. Wenn wir hart daran arbeiten, diese Unbekannten zu beseitigen, wird sich die menschliche Zivilisation enorm weiterentwickeln!

Dieser Artikel wurde von Science Popularization China erstellt, von Xiao Junbai (Institut für Optoelektronik-Technologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften) produziert und von der China Science Popularization Expo betreut.

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