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人类飞天梦,氢气神助攻!

能如鸟一样在天空飞翔是人类的梦想。史前时期,人们仰望天空,目光追随空中翱翔的飞鸟,观看日月星斗的运转,云层翻滚的自然美景。人类向往离开地面自由飞翔的梦想见于神话传说和宗教形式。中国最早记录是大舜帝年幼时曾身穿羽毛服装逃脱追捕者,人类大部分神话传说和宗教故事都广泛存在神仙飞天的场景,中国最著名的神话故事,《封神榜》和《西游记》中这种故事是最经典的。
 

2000年前的中国人就发明了能飞物体风筝。据说鲁班用木头和竹子制作了一个会飞的喜鹊,飞了3天。推测这种飞翔物就是一只风筝。中国古代还有一个能飞的玩具,是一种木制纺锤,一端插羽毛,当抛出下落时,能迅速旋转使其缓缓垂直落地。这正是今天直升机飞行的基本原理。欧洲文艺复兴时期最著名的意大利科学家达芬奇,在其笔记中留下许多关于飞行的资料。他设计了一种弹簧驱动的带螺旋线的直升机模型。他曾经进行了热气球升空试验和金字塔形状的降落伞装置。
 

一般认为,1766年英国物理学家亨利·卡文迪许发现的氢气。其实早在16世纪,瑞士著名医生帕拉塞斯就描述过铁屑与酸接触时有一种气体产生,许多著名化学家都研究过这种气体,但都没有非常全面了解。17世纪时,比利时海尔蒙特曾偶然接触过氢气,但没有把它分离收集;波义耳虽偶然收集过氢气,但并未进行研究。他们只知道这种气体可燃,此外就很少了解;1700年,法国药剂师勒梅里在巴黎科学院报告上也提到过氢气。1766年,卡文迪许发现氢气燃烧能生成水的特征,法国化学家拉瓦锡重复了这一现象,并根据这一性质将该元素命名为“hydrogenium”(“生成水的物质”之意)。
 

13世纪英国哲学家罗杰·培根提出空中航行的假说。认为理想中的飞行器应该是体积非常大,中间空的金属球,重量要足够小,这样可以借助空气密度维持在空中飞行。培根根据空气也能像水给鱼提供浮力一样给飞行器提供浮力的想法。培根的这一思想思想和浮力有关,浮力理论是早他1500年的阿基米德提出来的。浸在液体或气体里的物体受到液体或气体竖直向上托的力叫做浮力。浮力产生的原因是浸在液体或气体里的物体受到液体或气体对物体向上的和向下的压力差。
 

根据氢气浮力大的特点,卡文迪许对培根的气球飞天假说提出了更具体设想。卡文迪许对氢气有比较全面了解,卡文迪许根据氢气密度非常小这个性质,在1766年提出用氢气作为气球填充气能制造出升空的气球,能给人类提供一种飞行工具。
 

虽然卡文迪许根据浮力气球理论建议用氢气为载体,但载人飞行最早成功是利用热气球,空气加热密度会下降,这样浮力超过气球重力就可在空气中上浮。人类航空史的先驱法国人Montgolfier(蒙特哥菲尔)兄弟两个是实现热气球载入的关键人物,他们最早利用热气球成功飞天和载人。蒙特哥菲尔兄弟是成功富有商人,也是最早研究氢气球的人。根据卡文迪许的理论假说,氢气浮力很大的特征被发现后,他们对氢气进行了认真研究,结果发现和前人对氢气的描述类似,使用纸袋子采集氢气时,氢气很快从袋子内泄漏。换用高级丝绸袋收集氢气,也以失败告终。今天我们都知道,用纸张和丝绸收集氢气就好比竹篮子打水一样。后来他们放弃了用氢气球,换成用热空气升空并取得成功。蒙特哥菲尔兄弟是利用自家财富搞研究,纯粹是兴趣使然。
 

同一时期法国科学院正支持年轻官方物理学学家Jacques-Alexandre-César Charles(查理定律提出者)开展热气球升空的研究。查理的想法是使用氢气,当时氢气还没有名字,叫易燃气体。查理制作了一个直径3.65米(27立方)的气球。为了获得足够多氢气,他使用226公斤硫酸和450公斤铁粉进行反应(土豪)。经过反复尝试,在1783年8月27日查理制成氢气球,并在巴黎无人升空到1000米。
 

查理氢气球升空,当时美国驻法国大使富兰克林也在现场,当一位怀疑者说,“有意思,可有什么用?”,这位美国大使气愤地大声反驳“刚出世的婴儿有什么用!”。
 

一小时后,查理氢气球在24公里外巴黎郊区热内塞村的田野降落。受到惊吓的法国农民用各种武器对这个气球发起攻击,导致气球被完全破坏。人类第一个氢气球,竟然是这个尴尬的结局。
 

蒙特哥菲尔兄弟热气球成功飞天被广泛传颂,法国国王路易十六知道后,邀请他们到巴黎凡尔赛宫表演。1783年9月19日,法国国王路易十六携王后玛丽·安东尼特亲率大批文武官员来到凡尔赛广场,观看热气球表演,10多万巴黎市民闻讯后也涌入广场。蒙特哥菲尔兄弟在气球下面吊了一个笼子,笼内放入一头山羊、一只鸭子和一只公鸡。蒙特哥菲尔兄弟往热灶里添加了羊毛和干草,灶中喷出了一股股热气和浓烟,使这个色彩美丽而奇特的大气球鼓了起来。上午10点,热气球连同挂在笼子里的3位“乘客”升空了。气球上升到500米左右的高空,飞行了8分钟,3位笼内的“乘客”在大约5公里以外的巴黎郊外降落。山羊迫不及待地跳出笼子大嚼青草,鸭子昂首阔步、神采奕奕,只有公鸡遭受了小小的不幸:气球着陆时它的胸受了点儿轻伤。表演成功后,广场上一片欢腾,路易十六将圣米歇尔勋章授予了兄弟俩。从那时起,这种热气球便有了名字——“蒙特哥菲尔”气球。
 

1783年11月21日,蒙特哥菲尔兄弟再次将他们精心制作的热气球在巴黎市中心放飞,飞行时间25分钟,创造了人类首次升空的历史。首次人类升空有2名乘客,分别是医生Pilatre de Rozior(皮拉特·德·罗齐尔)和军官,德·罗齐尔医生是化学家,非常善于科学实验的表演和演讲。其中一个非常拿手的表演就是在介绍氢气的时候,他深吸一口氢气然后呼出后点燃。这说明,200多年前人类飞天第一人法国医生德·罗齐尔曾经多次吸入过氢气。如果先生天堂有知,今天氢气吸入成为一种医疗方法,他一定会为自己是最早吸氢气的人而再次自豪。
 

不过就在蒙特哥菲尔兄弟的热气球成功后10天的1783年12月1日,查理的氢气球也在巴黎上空亲自驾驶成功飞行,这次飞行除了查理外还有另一名乘客。飞行吊篮内有衣服、食物、压力表、温度表和压重沙袋,下午3点从Tuileres公园升空,2小时随风飞行43公里。乘客离开后查理决定一个人再次升空,这次的高度达到2750米。他体会到高空的刺骨低温和下降时耳朵疼痛。
 

人类飞天梦,氢气神助攻!
 

此后,法国和英国等欧洲国家出现一股气球升空探险热潮,非常令人意外的是,2年有很多次飞行,竟然没有一次导致死人的灾难事故。直到1785年,人类第一个飞行员德·罗齐尔,也可能是人类第一吸氢气的人。为了能再次获得第一而闻名于世,他不顾劝告,制造了一个热气氢气混合球,就是把查理的氢气球和蒙特哥菲尔兄弟热气球结合起来。利用氢气的强大升力,结合热气球的浮力调节灵活性,实现更高的飞行目标。这一想法简单粗暴,带着可燃气体和火种上天飞行,显然是有巨大燃烧风险的愚蠢行为。1785年夏天据目击者说,当德·罗齐尔和气球升到1000米高度时,他操作火篮时突然出现蓝色火苗,随后一声沉闷爆炸,吊篮拖着长长的烟雾和丝绸碎片直接落地,德·罗齐尔和乘客当场死亡。罗齐尔犯了低级错误,并为这一错误付出生命代价,他不仅是人类第一飞行员,也成为第一个空难事故死难者。
 

氢气球虽然不是人类第一个升空的动力,但是人类探索飞天过程中非常重要的思想动力,因为氢气的发现者卡文迪许提出的气球升空原理,就是根据氢气这种气体密度小提出来的。后来人们利用空气加热提供的浮力远远小于氢气。但受当时氢气制造难度大,一般的气球材料无法密封保留氢气,制约了氢气球的发展。尽管如此,查理的氢气球载人也只落后了10天,而且他的飞天显然有更严密的研究观察内容,也显得更加从容。如此看,氢气对人类实现飞天梦想,确实发挥了极其重要的作用。
 

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