萊特兄弟發(fā)明飛機成功的創(chuàng)造學(xué)啟示

劉家岡李俊清王本楠

（1北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）（2中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085）

萊特兄弟發(fā)明飛機成功的創(chuàng)造學(xué)啟示

劉家岡1李俊清1王本楠2

（1北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）（2中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085）

分析了萊特兄弟發(fā)明飛機成功的歷史經(jīng)驗及其創(chuàng)造學(xué)啟示：正確選題；重視學(xué)習(xí)和繼承前人的研究成果；抓住主要矛盾并確定正確的主攻方向；注重理論的指導(dǎo)作用；強調(diào)試驗和實驗的重要性；具體問題具體分析并尋找解決問題的可能途徑；抓住新技術(shù)誕生的歷史機遇.

創(chuàng)造學(xué)；萊特兄弟；飛機；發(fā)明課題；繼承；主要矛盾；理論；試驗和實驗；具體分析；集成

1903年12月17日是人類歷史上意義深遠(yuǎn)的日子.那天上午11時左右，奧威爾·萊特作第一次試飛，他駕駛他們設(shè)計的“飛行者一號”（見圖1）終于成功地升空飛行.這一天，萊特兄弟分別駕駛“飛行者一號”進(jìn)行了4次試飛.當(dāng)天，他們的最好成績是留空59s，飛行距離260m.成功地實現(xiàn)了人類第一次載人動力飛行.

圖1 萊特兄弟發(fā)明的飛機

飛機是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，經(jīng)過100多年的努力，現(xiàn)已在民用航空、通用航空和軍用航空等方面得到了高度的發(fā)展，對社會、經(jīng)濟、科技、文化和軍事等領(lǐng)域，都產(chǎn)生了巨大而深遠(yuǎn)的影響［1～3］.

飛機的發(fā)明，和電機、核能、計算機、激光一樣，都是屬于原創(chuàng)性發(fā)明.這些原創(chuàng)性發(fā)明的成功經(jīng)驗是人類非常寶貴的財富，值得我們?nèi)フJ(rèn)真總結(jié)和借鑒.然而現(xiàn)今的創(chuàng)造學(xué)教程對此卻沒有或很少涉及，更缺乏系統(tǒng)的分析和總結(jié)（見文獻(xiàn)［4］、［5］）.對原創(chuàng)性發(fā)明分析的缺位，是傳統(tǒng)創(chuàng)造學(xué)的重大不足，是很需要補上的.

本文對萊特兄弟發(fā)明飛機成功的過程，從創(chuàng)造學(xué)的角度作了分析，初步總結(jié)了他們的成功經(jīng)驗.鑒于本文的目的，我們不對萊特兄弟發(fā)明飛機的歷史過程進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)描述，而只是引用相關(guān)的內(nèi)容［1～3］并作一些點評.對萊特兄弟乃至人類發(fā)明飛機的過程感興趣的讀者，可以參考相關(guān)文獻(xiàn)，尤其是文獻(xiàn)［1］，它以大量翔實的資料，向我們展示了一幅人類飛向天空、征服太空的完整歷史畫卷.本文所用的資料，主要都是從文獻(xiàn)［1］引用的.為了不引起歧義，我們在有些重要的地方，盡量使用原文原句.

據(jù)我們分析，萊特兄弟發(fā)明飛機之所以獲得巨大成功，有以下幾點重要經(jīng)驗值得我們總結(jié).這些經(jīng)驗，我們認(rèn)為具有創(chuàng)造學(xué)的普遍意義.

1 人類的理想產(chǎn)生發(fā)明課題

可能自從人類出現(xiàn)，就對鳥類的自由飛翔羨慕不已，幻想著自己也能像鳥一樣自由飛翔.這種幻想或者夢想，逐漸演變成美麗的傳說.在中國古代就有嫦娥奔月的故事，還傳說魯班制作木鳥，飛天三日不落等等；古希臘也有類似阿波羅自由飛行英雄式的傳說.

美麗的傳說在人們心目中確立了飛行的目標(biāo)，進(jìn)而成為人類探索飛行的動力.

中國古代就有風(fēng)箏、竹蜻蜓、孔明燈和箭羽等飛行器的成功先例，還有相風(fēng)鳥、走馬燈等與飛行有關(guān)的發(fā)明，更為偉大的發(fā)明是火藥和火箭.這是中國人民高度智慧的體現(xiàn)，也是對世界航空事業(yè)的重大貢獻(xiàn).

西方古代人們更加傾向于親自嘗試，他們勇敢的飛行冒險，許多似乎有點魯莽的犧牲，卻體現(xiàn)了偉大的創(chuàng)新精神.他們研究了鳥類的飛翔原理，設(shè)想過撲翼機、降落傘、直升機的可能，發(fā)明了熱氣球、氫氣球、飛艇、滑翔機.

千百年來人類將飛行的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實的努力，逐漸形成偉大的滾滾洪流.到19世紀(jì)，飛行器的研究已經(jīng)有了豐富的研究成果和積累.但重于空氣的飛行器——飛機的發(fā)展依然十分緩慢，發(fā)明家們經(jīng)歷了一系列慘痛的失敗，主要原因是航空理論研究還未取得突破，功率重量比更高的新型發(fā)動機還未面世.

在這個萬事俱備，只欠東風(fēng)的歷史時刻，萊特兄弟應(yīng)運而生.他們勇敢地繼承了人類飛翔理想的偉大發(fā)明課題.他們在航空理論方面取得了突破，并及時抓住了內(nèi)燃機發(fā)明的歷史機遇，使自己在飛機的發(fā)明方面首先取得了成功.

2 非常重視學(xué)習(xí)和繼承前人的研究成果

李林塔爾在1896年試飛中不幸遇難逝世的消息，促使萊特兄弟開始關(guān)注航空和飛行的問題.他們主要是作一些航空入門，閱讀有關(guān)書籍以加深對于航空的了解.在這兩、三年間，他們的航空研究仍屬于業(yè)余狀態(tài)，并沒有立志進(jìn)行飛機研究.

在他們開始認(rèn)真對待飛行問題后，就感到不那么簡單，問題成堆.但他們不是閉門造車，自己悶頭研究，而是首先求助科研機構(gòu).1899年5月，威爾伯·萊特給著名的科學(xué)機構(gòu)史密斯研究院寫信求助，向他們索取與航空有關(guān)的資料.研究院給他們提供了一份清單，其中有查紐特的《飛行機器的發(fā)展》、蘭利的《空氣動力學(xué)試驗》、李林塔爾的《作為航空基礎(chǔ)的鳥類飛行》以及1895、1896和1897年的《航空年鑒》.在仔細(xì)地閱讀了這些文獻(xiàn)之后，他們“驚奇地發(fā)現(xiàn)，在人的飛行問題上，已經(jīng)花費了大量時間和金錢，而且有那么多杰出的科學(xué)家和發(fā)明家都在這方面進(jìn)行過研究，包括達(dá)·芬奇、喬治·凱利博士、蘭利教授、貝爾博士（電話發(fā)明人）、馬克辛（機槍發(fā)明者）、查紐特、帕察斯（蒸汽渦輪發(fā)明者）、托馬斯·愛迪生、李林塔爾、阿爾代、菲利普斯先生和許多其他人.”這些文獻(xiàn)對他們幫助最大的是《航空年鑒》和《飛行機器的發(fā)展》.他們甚至把后者稱為航空學(xué)的《舊約全書》.

看過這些資料之后，他們深深感到自己原來對航空知識的了解竟然是那樣的少.通過研究這些資料，他們獲得了重大教益.一是學(xué)到了許多基本的、系統(tǒng)的航空知識，特別是設(shè)計飛機所必須的基本部件和空氣動力學(xué)知識，這使他們從一開始就有了較高的起點，避免走很多的彎路.二是他們認(rèn)識到飛機研制面臨的重重困難，認(rèn)識到前人存在的不足從而想到飛機研制應(yīng)該采取正確的道路.

這是萊特兄弟與其他飛機研究者不同之處，在他們之前，制造動力飛機的人很多，但很少有人認(rèn)真研究并充分吸取前人或同時代人失敗的教訓(xùn).

3 抓住主要矛盾并確定正確的主攻方向

在萊特兄弟之前，航空先驅(qū)者們在飛機結(jié)構(gòu)、空氣動力學(xué)、升力與阻力關(guān)系、平衡與操縱、發(fā)動機等等方面已經(jīng)取得了不同程度的突破.他們是航空學(xué)某一個方面的專家，但是他們往往關(guān)注于飛機的某一個或幾個方面的問題，孤立地看待和解決局部問題，而不懂得或者忽視了各個環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)，沒有從整體上、從一架完整飛機的角度上尋求解決的辦法.因此始終沒有人能夠設(shè)計出一架能夠持續(xù)飛行的載人飛行器來.

而萊特兄弟在閱讀那些資料的短短兩個月中，弄清楚了一架成功的飛機所應(yīng)具備的三要素：升舉、推進(jìn)和平衡控制.通過分析，他們認(rèn)識到解決飛機的平衡控制問題最困難，也最為關(guān)鍵，是主要矛盾.威爾伯·萊特曾說過：“平衡問題是任何試圖認(rèn)真解決人類飛行問題的最大障礙.”而他們對于制造重量輕、強度高、升力大的機翼，以及輕型動力裝置有充分的信心.因此他們把重點首先放在解決平衡控制的問題上.

為了解決平衡控制問題，他們又把主攻方向放在滑翔機的研制上.他們的理由是：滑翔機不用發(fā)動機，可以節(jié)省開支，而且駕駛滑翔機很刺激，激動人心.依我們現(xiàn)在的觀點看，除了節(jié)省開支以外，使用滑翔機的好處主要是可以集中精力研究飛行器本身的平衡控制問題，避免發(fā)動機的重量和性能問題帶來的精力分散和節(jié)外生枝的干擾.

正是因為萊特兄弟抓住了主要矛盾和選擇了正確的主攻方向，使得他們的研制工作避免了許多彎路，相對比較順利.他們首先在滑翔機上解決了飛行器的平衡控制問題，然后再加上適當(dāng)?shù)膭恿?，順利地實現(xiàn)了載人動力飛行.

4 注重理論的指導(dǎo)作用

萊特兄弟設(shè)計飛機，都是用理論指導(dǎo)實際，從不盲目設(shè)計.

舉例來說，機翼是飛機的關(guān)鍵，他們起先是根據(jù)李林塔爾的升力和阻力的數(shù)據(jù)選擇機翼的尺寸.后來在試飛過程中，感到升力不如預(yù)想的大，于是他們決定自己重新實驗測試參數(shù).結(jié)果發(fā)現(xiàn)李林塔爾的數(shù)據(jù)定性是對的，但不夠準(zhǔn)確.他們用自己新測量的數(shù)據(jù)重新設(shè)計了機翼，從而保證了升舉力的需要.

另外，他們對發(fā)動機功率和重量的要求，都是根據(jù)機翼的升阻比提出的.試飛結(jié)果證明，他們的設(shè)計是十分正確的.這就使得試驗更加順利，大大加快了飛機研制的進(jìn)程.

5 強調(diào)試驗和實驗的重要性

為了研究飛機的穩(wěn)定控制性，1899年萊特兄弟首先制作了一個1.5m寬的滑翔機，實際上有點像一只大風(fēng)箏.目的是試驗證明他們發(fā)現(xiàn)的保持平衡的翼尖曲翹方法的有效性.試驗結(jié)果是肯定的，這給予他們極大的信心.

于是在1900—1902年間，萊特兄弟又先后制作了3架試驗用的全尺寸滑翔機.用它們進(jìn)行了無數(shù)次試驗飛行，分別對展弦比、翼面積、翼面彎曲度進(jìn)行了調(diào)整，對水平安定面和垂直安定面進(jìn)行了改裝，使得滑翔機的穩(wěn)定性和操控性得到很大改善，升力也得到較大提高.在經(jīng)歷了多次失敗和挫折后，到1902年9月末，用第3號滑翔機試飛，威爾伯·萊特的最好成績達(dá)到26s內(nèi)滑翔190m，奧威爾·萊特的最好成績達(dá)到21s內(nèi)滑翔188m.這個巨大的成功使得萊特兄弟極度興奮，他們感到給飛機加裝發(fā)動機的時機到了，決定向動力飛行進(jìn)行最后的沖刺.

在此期間，為了獲得設(shè)計飛機所需要的可靠的數(shù)據(jù)，萊特兄弟還進(jìn)行了多次空氣動力學(xué)的實驗.特別值得一提的是，他們自制了一個小型的風(fēng)洞，風(fēng)扇功率1.5kW，長約1.5m，口徑56cm×56cm，風(fēng)速27km／h.他們用它進(jìn)行了幾千次實驗，研究了200多種不同翼型，獲得了大量數(shù)據(jù)，為他們以后的成功打下了堅實的基礎(chǔ).

在他們的動力飛機“飛行者一號”試飛取得具有巨大歷史意義的成功后，萊特兄弟并沒有滿足，他們又設(shè)計制造了“飛行者”2號和3號，反復(fù)試驗，不斷改進(jìn)飛機的性能，克服了快速轉(zhuǎn)彎時的失速、失控的問題，使之能夠作轉(zhuǎn)彎和圓周飛行、傾斜飛行、8字飛行、重復(fù)起降.到1904年10月5日，飛行者3號的最好記錄是在38′2″內(nèi)飛行了38.6km.飛行者3號被看作是世界上第一架實用動力飛機.

可以說，沒有這些試驗和實驗，就沒有萊特兄弟設(shè)計制造飛機的偉大成功.

6 具體問題具體分析并尋找解決問題的可能途徑

萊特兄弟在研制飛機的過程中，遇到了無數(shù)的問題.他們總是對于具體問題采取具體分析的方法.為了解決這些問題，他們采取從已有的理論或技術(shù)中去尋找可能的方法，或者從自然現(xiàn)象中尋找啟示，如果沒有現(xiàn)成的借鑒，就從實驗中去尋找規(guī)律.

他們對鳥類的飛行進(jìn)行了大量觀察，發(fā)現(xiàn)鴿子的翼尖沿著一個橫向軸擺動，這樣就可以控制它的橫向平衡.萊特兄弟把這種方法成功地用于飛機設(shè)計上，就是所謂“翼尖曲翹”的控制方法.

萊特兄弟的第一架滑翔機是采用李林塔爾的數(shù)據(jù)設(shè)計的.然而，他們在試飛時發(fā)現(xiàn)，滑翔機不載人時可以起飛，載人時根本飛不起來.他們認(rèn)為，李林塔爾的數(shù)據(jù)很可能不準(zhǔn)確.于是自己開展了關(guān)于一系列升力和阻力的空氣動力學(xué)的實驗，得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)后就解決了滑翔機的升力問題.

到他們的第3架滑翔機還是不夠穩(wěn)定，經(jīng)過反復(fù)試飛、觀察和分析，他們決定加裝可動的垂直舵面，同時取消前面的兩只垂直安定面.經(jīng)過這些改動后，飛行效果大不一樣，終于實現(xiàn)了他們夢寐以求的滑翔機穩(wěn)定控制飛行.

7 抓住內(nèi)燃機誕生的歷史機遇

在航空史上，曾經(jīng)試驗過的動力大約有人力、畜力、象筋、蒸汽機、內(nèi)燃機等.撲翼機是人力的，因為人力太弱小，沒有成功；滑翔機曾經(jīng)使用過畜力來助力起飛，雖然成功，但顯然不能成為飛機的連續(xù)性動力；象筋作為模型飛機的動力還是不錯的，當(dāng)然也不能作為正式的航空動力.

曾被許多人作為航空動力候選的蒸汽機，大約發(fā)明于17～18世紀(jì)，由于功率重量比不夠而最后被證明不適合作為飛機的動力.蒸汽機的先天不足在于，它需要兩次能量傳遞，首先是燃料的熱量加熱工作介質(zhì)水，使之變?yōu)樗魵?，再由水蒸氣推動活塞，將水蒸氣的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能.每一次轉(zhuǎn)換的效率都不高，因此總的效率就很低.到19世紀(jì)，雖然已經(jīng)得到很大改進(jìn)，蒸汽機的熱效率也只有8%左右.另一方面，因為蒸汽機使用高壓蒸汽，需要堅固厚重的鍋爐，使得它的體積巨大而笨重.所以其功率重量比太小，不可能推動飛機連續(xù)飛行.因此用蒸汽機作為飛機動力的試驗最后都失敗了.

如果萊特兄弟在此時介入動力飛機的研究，也很難取得成功.但萊特兄弟是在1899年才對航空事業(yè)感興趣的，此時內(nèi)燃機的發(fā)展已經(jīng)有相當(dāng)一段時間了.內(nèi)燃機的概念最早出現(xiàn)于18世紀(jì)末期，1869年法國工程師雷諾發(fā)明了第一臺實用的內(nèi)燃機.這是一臺二沖程，無壓縮，電點火的煤氣機.熱效率僅為4%，還不如當(dāng)時的蒸汽機.但它畢竟平穩(wěn)運行了，并且實現(xiàn)了批量生產(chǎn).1876年，德國工程師奧托研制成功第一臺四沖程單缸煤氣機，功率達(dá)到4馬力，效率達(dá)到12～14%，這是空前的.此后這種內(nèi)燃機得到不斷改進(jìn)，到1880年，單機功率達(dá)到15～20馬力，熱效率達(dá)到15.5%.1859年，美國鉆了第一口油井，從此石油工業(yè)蓬勃發(fā)展，汽油和柴油逐漸成為普通商品，成為可以廣泛應(yīng)用的新燃料.1883年，德國工程師戴姆勒研制成第一臺現(xiàn)代汽油機.由于液體燃料密度大易儲存，使得使用汽油作燃料的內(nèi)燃機更加具有馬力大、重量輕、體積小、效率高等優(yōu)點.此后內(nèi)燃機的單機功率逐步達(dá)到了200馬力，熱效率達(dá)到20%以上.這就為萊特兄弟發(fā)明飛機成功提供了不可或缺的歷史機遇.

在此背景下，萊特兄弟抓住了這個歷史機遇.1903年，他們自己順利地制造出一臺四缸水冷汽油機，能夠長時間發(fā)出約9kW 功率、峰值功率12kW的發(fā)動機，而重量只有75kg.這大大超過了他們預(yù)期的指標(biāo)，為他們成功研制有動力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定、可操縱的重于空氣的飛行器提供了有力的動力支持.

8 小結(jié)

萊特兄弟發(fā)明飛機的這些成功經(jīng)驗，我們認(rèn)為具有創(chuàng)造學(xué)的普遍意義.

正確選題原則 需要產(chǎn)生發(fā)明課題，這是最基本的原則.有現(xiàn)實的需要和潛在的需要.人類的幻想或理想是一種重要的潛在需要，在一定的條件下，可以成為發(fā)明的課題.這種發(fā)明課題，往往是無比艱難的，也往往是偉大的.

知識繼承原則 這在現(xiàn)代科研機構(gòu)和科研人員的圈子里是人所共知、天經(jīng)地義，不言而喻的.在任何課題開題之前，必須要作文獻(xiàn)調(diào)研和開題報告，對于重大的課題，甚至還要召開論證會.但是在廣大技術(shù)革新能手和民間發(fā)明家中，并不是人人都懂得這個道理的.在黑暗中摸索、閉門造車、低水平重復(fù)的現(xiàn)象比比皆是.這就要求發(fā)明家學(xué)會充分利用信息資源，包括圖書館的、專利局的和網(wǎng)上的資源，學(xué)習(xí)必要的理論知識，做文獻(xiàn)調(diào)研，參加各種相關(guān)的學(xué)術(shù)交流活動，參加國際會議等等.在動手之前，發(fā)明家應(yīng)先弄清楚前人已經(jīng)解決了哪些問題，還存在哪些問題，存在的問題有哪些可能的解決方案或思路，等等.

具體分析原則 我們認(rèn)為，“具體問題具體分析”，才是創(chuàng)造學(xué)的基本方法和金科玉律.通過分析，找到了矛盾之所在，才知道需要解決什么問題.為了解決遇到的問題，正確的途徑是從相關(guān)的已有理論、已有技術(shù)中去尋找可能的方法，或者從自然現(xiàn)象中尋找啟示（例如仿生學(xué)觀察），如果沒有現(xiàn)成的借鑒，就從實驗中去發(fā)現(xiàn)規(guī)律、確定參數(shù).

矛盾主攻原則 任何一個原創(chuàng)性的發(fā)明，都不是簡單的.特別是像飛機這種，在萊特兄弟之前，經(jīng)過許多人、許多年的努力都未取得成功的發(fā)明，一定有其復(fù)雜困難之處.需要冷靜、理智的分析，找出其主要矛盾和確定正確的主攻方向.沿著正確的路線去進(jìn)行研究和研制，才能事半功倍，比較順利地獲得你想要的結(jié)果.

理論指導(dǎo)原則 所謂理論，就是人們對客觀事物規(guī)律的總結(jié).重視理論的指導(dǎo)作用，就是按事物的客觀規(guī)律辦事.常?？梢钥吹接幸环N人，一說理論，就是“理論脫離實際”.其實輕視理論，就是輕視客觀規(guī)律.盲目實踐，是很難取得成功的.

每一種發(fā)明對象，都有自己特殊的技術(shù)領(lǐng)域，都有自己特定的理論基礎(chǔ).發(fā)明對象越是一個大系統(tǒng)，涉及的理論問題就越多.如果沒有一個自上而下的理論頂層設(shè)計，整個研制工作就會始終處在一種混亂的狀態(tài)中，就很難有真正成功的發(fā)明.

試驗實驗原則 理論的指導(dǎo)固然重要，但不能代替試驗，只有試驗才能真正檢驗自己的設(shè)想是否正確.只有試驗不斷發(fā)現(xiàn)問題，才能不斷解決問題，直到最后成功.對于規(guī)律不明確、參數(shù)不準(zhǔn)確的地方，還需要在實驗室里進(jìn)行重新實驗以獲得正確的規(guī)律和數(shù)據(jù).正如人們所說的：實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn).

技術(shù)集成原則 在人們長期研制或改進(jìn)一種東西的過程中，其他相關(guān)領(lǐng)域可能會不斷有某種新技術(shù)出現(xiàn)，后者也許正是人們急需的技術(shù).誰先抓住這個歷史機遇，把這個新技術(shù)集成到自己的發(fā)明中去，誰就可能搶得先機，首先取得成功.

［1］ 李成智，李小寧，田大山.飛行之夢——航空航天發(fā)展史概論［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004

［2］ 謝礎(chǔ)，賈玉紅，黃俊，吳永康.航空航天技術(shù)概論［M］. 2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008

［3］ 張耀，曹傳鈞，李賀春.航空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2007

［4］ 李建軍.創(chuàng)造發(fā)明學(xué)導(dǎo)引［M］. 2版.北京：中國人民大學(xué)出版社，2009

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2012-03-02）