不久前，小朋友们可能被这样一条新闻刷过屏：我国“天问一号”探测器已经进入火星停泊轨道，开始环绕火星执行为期3个月的科学探测任务……

把时间拉回到八个月之前，海南文昌卫星发射中心，搭载着“天问一号”的“长征五号”运载火箭拔地而起……
在长征五号的箭身上印着几个蓝色的大字：中国航天。
“天问一号”去火星探险要坐火箭，而小朋友们如果要出远门旅行就要坐飞机。在民航客机的机身上通常也会印上几个大字：XX航空。
那么，都是飞行器，为什么火箭是“航天”，而飞机是“航空”？航天和航空有什么区别呢？
一、航空和航天
简单来说：大气层外的飞行叫航天，大气层内的飞行叫航空。
由于万有引力的作用，在地球四周吸附着一圈大气层。越高的地方地球的引力越弱，空气就越稀薄。所以小朋友们如果去西藏这样高海拔的地方旅游，可能会出现“高原反应”，因为空气不够用了。
空气从稠密到稀薄是一个随高度渐变的过程，并不存在一道明显的分界线。地球上99%的空气都集中在海拔25Km~35Km以下，而在海拔100Km以上几乎就不存在空气分子了。我们通常把飞行在这个高度以下的飞行器叫做航空飞行器。
比如民航飞机的巡航高度为10~12Km,喷气式战斗机的升限记录是37Km,开放式的热气球最高能上升到21Km,而封闭式的探空气球曾经到达过距离地面53Km的高度，在这个高度空气已经非常稀薄，你可以看到整个地球圆形的轮廓。
还想要飞得更高，可以用一架喷气式飞机吊着一架装配有火箭发动机的小飞机，飞到高空释放后再点火。采用这种方式，小飞机可以到达距离地面112Km的高度。这种飞行器已经不再是通常意义的飞机，我们把它叫做“空天飞行器”，介于航空和航天之间的飞行器。
还想要飞得更高，就需要依靠多级火箭，通过层层接力，最终把载荷送入太空。
我们把飞机、气球这样在较低高度、稠密空气中的飞行叫做航空，而把火箭、卫星这种在更高的高度近似真空中的飞行叫做航天。
二、动量守恒和伯努利原理
现在我们已经明白了航空和航天的区别，那么接下来的问题是：为什么要区分航空器和航天器？为什么既要发明飞机又要发明火箭？为什么飞机要横着飞，而火箭要竖着飞？总而言之，航空器和航天器的基本原理有什么差异？
最关键的区别还是在于有没有空气。我们打一个比方：古时候一个人出远门，路上要吃饭，可以靠化缘或者下馆子。但是如果经过的地方人烟稀少，就得自带干粮。
前一种情况就是航空器，它的“食物”来自环境。后一种情况是航天器，“食物”靠自带。
航天器自带的“食物”就是燃料。火箭通过向下喷射燃料获得向上的速度。空间站在太空中通过“直接力”，也就是反喷气体完成对接。这背后的原理叫作：动量守恒。
航天器除了控制质心的直线运动，还需要调整自己的姿态，也就是围绕质心的转动。比如哈勃望远镜通过控制六对反作用飞轮的转速，来改变拍摄方向。这背后的原理叫作：角动量守恒。
航天器依靠动量守恒和角动量守恒来进行运动控制。这两个定理李老师曾经都详细介绍过，请小朋友们自行复习。
说完了航天器的基本原理，我们再来看看航空器。
航空器大致可以分成两类：比空气轻的（密度小于空气）和比空气重的（密度大于空气）。
热气球就属于前者，这类航空器的微观原理是“布朗运动”，也就是大量空气分子的无规则运动，在宏观上表现为“阿基米德原理”，也就是浮力定律。小朋友们应该都很熟悉了。
轻于空气的航空器就像“化缘”，不用付出就获得了升力，但也只能被动地随风飘荡。想要主动把握方向，还得靠“花钱下馆子”，这就是飞机。
飞机这类重于空气的航空器依靠的是“伯努利原理”。气体流速越大，压强越小。小朋友们可以做个实验，把乒乓球放到一个杯子里，然后对着杯子上方吹气，看看乒乓球会怎么运动。或者把两个气球并排在一起，对着中间的缝隙吹气，看看气球是会相互分开还是靠近。
飞机的机翼经过特殊的外形设计，使得流过它上表面的空气比下表面的流速更快，于是产生了向上的压力差，也就是升力。当升力大于飞机本身的重力时，飞机就起飞了。
可以看到，飞机付出的“钱”是向前的速度，得到的“菜”是向上的升力，中间的“餐馆”是伯努利原理。而这个餐馆里最重要的厨师叫作：攻角。
简单来说，攻角是飞机的轴线方向和速度方向的夹角。飞机起飞时都要“昂起头迎风奔跑”，就是为了建立攻角，攻角再通过“伯努利原理”带来升力。
但并不是头抬得越高就越傲娇，攻角和升力的关系如下图曲线所示：
当攻角超过一定限度后，升力不但不会继续增加，反而会急剧减小。所以飞机不能像火箭那样竖着飞，而必须横着飞，把攻角控制在最佳的范围内。攻角太大或者太小都会损失升力，严重时还会造成“失速”，非常危险。下面这个视频就是一次因为飞机重心后移（货物滑到飞机尾部），使得飞机快速仰头，导致攻角超限，造成的失速事故。
所以按照民航规定，即使飞机上有空座，乘客也不能随意调换座位，这里面就有出于飞行安全因素的考量。
既然我们已经知道了飞机和火箭的飞行原理，那你知道是开飞机更容易还是“开”火箭更容易吗？敬请关注：航空与航天（二）。

作者简介：FCperson，航空工程师、两个孩子的爸爸，业余时间关注用理工思维生活育儿，有一个随缘更新的公众号“周工讲理”。
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