中外科学家发明家丛书:齐奥尔科夫斯基-第3节
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眼见自己有关制造全金属飞艇的设想无法实现，齐奥尔科夫斯基心中百
感交集。视科学研究为生命的他又将研究领域转向一个当时很少有人涉足的
新领域——比重大于空气的飞机的研究。
从 1892年开始，齐奥尔科夫斯基陆续发表了一系列有关飞机研究的论
文。就在这一年，他完成了第一篇飞机研究的论文——《论用翅膀飞行的几
个问题》。儒柯夫斯基看完这篇论文后，对他的研究给予了很高的评价：“齐
奥尔科夫斯基先生的这篇大作给予我十分可喜的印象，因为在我用作者的方
法进行分析与试验后，得到了正确的结果。”
在该文中，齐奥尔科夫斯基详尽地分析了平板在流体 （液体与气体的总
称）中运动时，流体对于平板的作用力；在这里他所研究的平板，实际上就
是一对简单翅膀，它在空气中的运动就可以看作是鸟类在高空飞翔的动作复
制。在鸟类飞翔时，由于鸟与空气气流的相对移动，在鸟的翅膀上就产生了
空气动力，正是这种空气动力的产生，使得鸟类能在天空中自由飞翔。同样
的原理，当平板在空气中移动时也能够产生空气动力。这时的空气动力可以
分解为：垂直于物体表面、托浮起物体的力——升力；与物体运动的方向相
反、阻止物体运动的力——阻力。直到今天，如何尽量提高飞机的升力、减
少空气对飞机的飞行阻力，依然是空气动力学家以及飞机设计师们所要更好
解决的重要课题。
那么如何减少飞机在空中飞行时的阻力呢？齐奥尔科夫斯基用自制的仪
器进行了初步的研究。他在一块平板上固定了二个支座，在支座上装了一只
能够自由旋转的、带有圆筒的轴；圆筒上缠着一段带有铅锤的细线，这样铅
锤运动时线就带动着圆筒旋转；在垂直于转轴的方向上安装着两根细铁丝，
而细铁丝的两端分别固定着两块厚纸作的平板。这两块平板就是他的研究对
象。
在实际应用中，齐奥尔科夫斯基拿着这件仪器在屋子里、街道上走动，
并有意识地忽快忽慢，仔细观察并记录下平板旋转速度的变化，再经过一系
列的计算，最终就测定出了在不同条件下，平板所受到的不同阻力。
在观察与测定过程中，齐奥尔科夫斯基发现：平板所受到的阻力大小与
平板的长度和宽度之比有关。在实际记录中，他写道：“通过如此多的实验
我可以证明：长方形平板愈长、宽度愈窄，气流作用于其上的压力就愈小。”
他的这个结论完全符合现代航空理论，他的话用现代航空术语来表达，就是：
飞机飞行时的阻力值同翼展（飞机左右机翼之间的距离）和弦长（机翼最前
端与最后端两点间的距离）之比成反比，它们间的比值越大，阻力值就越小。
齐奥尔科夫斯基的这一发现对于未来飞机机翼的设计理论起到了重要作用。
1892年，齐奥尔科夫斯基全家迁往卡卢加地区，他在当地中学教授物理
与数学。虽然是来到了一个新地方，换了一批新学生；但他一如既往地对学
生们倾注了自己的爱心与关怀。由于他的讲课是那么风趣，实验又是那样的
熟练，所以学生们很喜欢这位和蔼可亲而又知识渊博的新老师。
在进行教学工作的同时，齐奥尔科夫斯基仍然抓紧时间继续研究关于飞
机飞行理论的问题。1894年，他又发表了《飞机或类似飞鸟的飞行机器》一
文。在这篇论文中，他向别人介绍了自己对于飞机制造的设想：“让我们所
制造的飞行机器具有一种能在一定高度自由飞翔的鸟类的形状；假设我们用
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二只船用螺旋推进器去代替它的头；用燃烧燃料的中型发动机去代替它的肌
肉——而且这些发动机并不需要太多的燃料，也不需要笨重的锅炉以及大量
的水，还可以用空气使工作汽缸冷却，这一点在实践中已经采用过了；然后
再在它尾部的水平和垂直平面上装上二只舵。”
这就是齐奥尔科夫斯基关于未来飞机的设想，从示意图中我们可以发
现，他所设计的“鸟形飞机”的外形完全符合现代空气动力学的理论。为了
减小飞机飞行的阻力，他将机身设计成流线型，并将单机翼的末端做成了弯
曲状。为了使飞机能够加速飞离地面并安全降落，他在飞机底部装设了轮式
起落架；为了能够控制飞机的飞行高度与方向，他在飞机的尾部设计安装了
升降舵与方向舵。
齐奥尔科夫斯基所设计的飞机，经过了十几年以后才出现在天空中，由
此可见他超人的设计天才。尤为令人惊叹不已的是，在当时蒸汽机统治动力
来源的时代，他就大胆的预见到内燃机可以作为未来飞机的动力源，并对这
种远景充满了自信。在工作日志中，齐奥尔科夫斯基这样写道：“我确信在
不久的将来，设计师们就可以制造出非常轻而且功率又很大以汽油为燃料的
高效发动机，它们完全符合飞行任务的要求。”同时，在飞机设计中，他还
考虑到减轻驾驶员的疲劳程度的问题，提出了在驾驶舱安装能自动调节航向
的陀螺仪，这就为现代飞机中自动驾驶仪的设计奠定了成功的基础。
但是，在沙皇统治下的俄国一团漆黑，统治阶层所想的只是如何对外进
行掠夺、扩张自己的势力范围，所以对于齐奥尔科夫斯基的这种先进科学设
计根本不感兴趣，他们不愿花费大量的财力认真研制在当时看来没有太大用
途的飞机。
看到自己的科研工作如此地不受重视，齐奥尔科夫斯基感到极为苦闷，
在工作日志中他记下了自己在这一时期的心情：“在实验中我得出了许多新
的结论，但是这些新结论却往往受到政府的怀疑。这些结论可以在任何实验
中重演，但什么时候才能进行这些实验并且将其应用到实践之中呢？我不知
道，真不知道。这许多年来，我都是在不顺利的条件下紧张地工作着，没有
任何希望和任何支持。”
令齐奥尔科夫斯基感到欣慰的是，他按气体力学原理所设计的单翼飞机
的构造原理，终于在十多年之后得到了实际应用。他对单翼飞机设计的独特
构想，对后来的飞机设计产生了重大影响。
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六、建成俄国第一座风洞
在全金属飞艇和飞机的设计过程中，齐奥尔科夫斯基需要不断地研究空
气动力现象，以便对它们的阻力值进行测试。与此，他就大量地采用了实验
方法。例如，在他自己制造的测量风阻的简单仪器的基础上，他又进一步加
以改造，在房子顶上，他安置了两根直径为25厘米，长为75厘米的管子，
一根管子中放置一块平板，而另一根管中放着准备进行阻力值测量的模型；
然后再用细杆将模型与平板连接起来；这时，在有风的条件下，平板就会迎
风旋转。于是他一面仔细观测，一面不断改变平板的尺寸大小，使整个装置
重新获得平衡，然后，再依据平板的大小计算出不同的阻力。虽然通过这种
方法求得的阻力不够精确，但同实标的误差已经不大了。然而对科学研究一
丝不苟的齐奥尔科夫斯基并不满足，他需要的是完全接近实际的数值。
显然，采取以往的实验方法是无法精确地研究空气动力现象的，因为自
然空气气流的原动力——风，是难以控制和变幻莫测的。所以，齐奥尔科夫
斯基就希望能制造一台人工造风的机器以产生理想中的稳定气流。但是，要
制造这样的一台“送风机”，需要几百卢布的费用，身为中学教师的他根本
无力拿出这么多的钱，于是他抱着一线希望给俄罗斯物理化学协会写了一封
信，请求协会给予帮助，然而协会却以“试验计划太简单”为借口拒绝给齐
奥尔科夫斯基拨款。
尽管无法得到外界的支持，齐奥尔科夫斯基却没有因此而放弃自己的计
划，他依靠自己那微薄的薪水，在妻子的支持下省吃俭用，积攒了一笔钱；
他又向朋友们借了一些钱，终于筹措到了足够的经费。1897年，他成功地制
成了自己理想中的“送风机”——俄国航空史上的第一座实验风洞。
用现代科学术语来解释，风洞就是产生人工气流的管道装置，用以研究
空气或其他气体绕物体的流动情况和物体的空气动力特性。试验时，把需要
测试的模型或实物置于风洞之中，就可以测量并研究空气在物体周围流动时
所产生的动力及其作用。
齐奥尔科夫斯基所制造的第一座风洞的实物现已不复存在，但他的设计
草图却保存到了今天，从这份原始草图中，可以了解到这座风洞是如何运作
的：在蜗牛形的喇叭口里安放一只靠重锤的牵动来转动的轮子，轮子的叶片
转动后，就会产生气流从喇叭口里冲出来，并吹到喇叭口前面的模型上。为
了测定模型受到的阻力值，齐奥尔科夫斯基将模型放置在一个木架上，并使
它在装满了水的铁容器的水面上处于飘浮状态；再用一条细线将模型与木支
架上的可移动金属摆连接在一起，于是，根据金属摆的倾斜度，就可以判断
出所产生的阻力值了。为了能够从风洞出口处得到均匀的气流（即要求出口
截面上每点的气流速度值均等），齐奥尔科夫斯基还首创了在喇叭口的出口
处安装整流格栅的方法。这样，当气流通过出口处的这种蜂窝状的小格子后，
速度就变得十分均匀了。
从以上的介绍可以看出，齐奥尔科夫斯基所设计的“送风机”结构虽然
很简单，但在原理上已经与现代的大型风洞完全一致。在科学技术高度发展
的今天，风洞技术在进行空气动力学的实验研究中得到了极为广泛的应用，
比如：在飞机、火箭以及其它飞行器的研制过程中，寻求最完善的外形设计；
分析运动员在运动过程中各方面所受到的作用力，以便进一步提高运动成
绩；在高层建筑的设计中，许多地方都要考虑到飓风的影响，风洞就是模拟
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风力大小的最佳工具。
齐奥尔科夫斯基利用他自制的风洞，研究了各种形状的物体模型，并在
不断的研究中得出了一些重要的结论。然而，一个长期存在的问题依然困扰
着他，这就是经费问题，由于实验经费不足，他无力进行更大规模的研究。
鉴于上次的教训，所以他这次向俄国科学院发出了求援信，希望科学院的权
威们能够对他所进行的工作进行审查与评估，然后伸出援助之手以帮助他继
续进行新的科学试验。他在信中诚恳地写道：“诸位尊敬的先生们，如果您
对我所进行的工作评估良好，我是否能够得到科学院物质方面的帮助，以制
造一个功率更大的风洞？这样，我就可使用更大的气流来进行有关空气阻力
的新试验。我可以保证，所有的这些试验都是内容丰富、数据精确的新试验。”
科学院接到齐奥尔科夫斯基的来信后，就向他索取了详细的试验计划、
设计图纸以及其他的有关资料。在严格的审查之后，认可了齐奥尔科夫斯基
的创造性研究，并答应资助他一千卢布的实验经费。
不久，齐奥尔科夫斯基收到了这笔经费，这令他欣喜万分，这也是他在
十月革命以前唯一的一次得到官方组织的资助。利用这笔钱，在1900年12
月，他制造了一座新的风洞，这座风洞的口部是方形的，截面尺寸为 71×71
平方厘米；利用这个新风洞，他又进行了更大量的研究，得到了许多新数据。
1901年春天，科学院收到了他的详细的实验报告。
随后，在儒柯夫斯基的亲自参加下，俄国科学院按照齐奥尔科夫斯基的
设计方案制造了风洞，并进行了飞艇模型与飞机机翼的研究。
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七、星际航行理论的奠基者
对飞行在地球大气层内的飞行器进行了深入研究之后，齐奥尔科夫斯基
的研究领域扩展到了火箭技术与星际航行理论方面，并开创性地提出了远程
火箭的飞行图解�
