從那支竹蜻蜓開始：人類早期直升機技術探索史

李航

圖1 竹蜻蜓

竹蜻蜓何時在中國出現(xiàn)，目前的文獻已經(jīng)很難考證。有資料顯示，大約在14世紀時，竹蜻蜓被西方傳教士帶入了歐洲。現(xiàn)存的一些文藝復興時代的繪畫中，已經(jīng)有了竹蜻蜓的形象。

在19世紀末，歷史學家在意大利的米蘭圖書館，發(fā)現(xiàn)了文藝復興巨匠達 · 芬奇的一份從未發(fā)表過的手稿，手稿中有一張達 · 芬奇繪制的想象圖。

這是一個用上漿亞麻布制成的巨大螺旋體，看上去好象一個巨大的螺絲釘。它以彈簧為動力旋轉(zhuǎn)，當達到一定轉(zhuǎn)速時，就會把機體帶到空中。螺旋體下方有一個底盤，駕駛員站在底盤上，拉動鋼絲繩，以改變飛行方向。

圖2 達·芬奇的“空中螺旋”設計草圖

歷史學家把達芬奇手稿中的這臺機器稱為“空中螺旋（aerial screw）”。研究表明，這份手稿繪制于1475年左右，是在中國的竹蜻蜓傳入歐洲之后。

這臺從未被制造出來的機器，被視為人類最早的直升機設計圖。不過，從手稿來看，達 · 芬奇似乎沒有考慮給這臺機器安裝一個減速裝置。

圖3 被譽為“俄羅斯啟蒙之父”的百科全書式學者，米哈伊·伊萬諾維奇·羅蒙諾索夫

在1754年7月，被譽為“俄羅斯啟蒙之父”的百科全書式學者米哈伊爾 · 羅蒙諾索夫，發(fā)明了一種改進版的竹蜻蜓——當時歐洲人稱竹蜻蜓為“中國螺旋（China top）”——它的結構和竹蜻蜓大致相同，只不過采取了同軸旋轉(zhuǎn)的兩片葉片，在頂部多了一個鼓起來的彈簧裝置，里面裝有彈簧用來提供動力。

羅蒙諾索夫?qū)⑦@種“改進版竹蜻蜓”展示給了俄羅斯科學院，并提出可以使用這種裝置將氣象儀器帶入高空。后來，俄國直升機設計大師尼古拉 · 伊里奇 · 卡莫夫曾承認，其“同軸雙旋翼”結構受到羅蒙諾索夫發(fā)明的影響。

羅蒙諾索夫之后，1783年，法國人勞諾伊（Christian de Launoy）和彼恩韋努（Bienvenu）制造了一個和羅蒙諾索夫的發(fā)明差不多的裝置，只不過為了提升升力，在葉片上綁上了一組火雞羽毛。

被譽為“英國航空之父”的喬治 · 凱利爵士（Sir George Cayley）被譽為自達 · 芬奇后第一位真正系統(tǒng)研究飛行問題的先驅(qū)者。他受到勞諾伊發(fā)明的影響，也制造了一個類似的裝置，但將動力裝置改為由鐘表的發(fā)條提供動力，據(jù)說最長可在空中停留27分鐘。

圖4 喬治·凱利爵士，被譽為“英國航空之父”

1861年，法國發(fā)明家古斯塔夫 · 德蓬頓 · 德 · 阿默庫特（Gustave de Pontond'Amécourt）設計了一種小型蒸汽動力裝置，并造出了模型。

按照阿默庫特的設計，這一裝置使用蒸汽機驅(qū)動葉片旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)升空。不過，這臺裝置從未被制造出來，其模型也從未真正升空。唯一留下的是阿默庫特為這臺裝置起的名字——“直升機”（helicopter）。這也是“直升機”一詞的起源。

圖5 法國發(fā)明家古斯塔夫·德蓬頓·德·阿默庫特（Gustave de Ponton d'Amécourt）

1878年，意大利工程師恩里克·弗蘭尼尼（Enrico Forlanini）發(fā)明了一種裝置：也由蒸汽機提供動力驅(qū)動葉片旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)升空。這種裝置被制造了出來，并進行了測試。它不能載人，卻可以在測試中起飛升空至12米左右的高度，在空盤旋大約20秒。

1901年7月，德國發(fā)明家赫爾曼·甘斯溫特（Hermann Ganswindt）發(fā)明了一種被稱為“直升機”的裝置，在柏林-舍訥貝格進行了首飛。甘斯溫特的裝置或許是第一個可載人的垂直起降飛行器。當時有人拍攝了首飛的電影，但遺憾的是，影片資料現(xiàn)在已經(jīng)無法找到了。

圖6 意大利工程師恩里克·弗蘭尼尼（Enrico Forlanini）發(fā)明的“直升機“，該裝置不可載人

圖7 托馬斯·愛迪生也曾參與制造過直升機

著名發(fā)明家托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）也和直升機有不解之緣。1885年，美國出版人、投資家小詹姆斯·戈登·本內(nèi)特（Thomas Gordon Bennett，Jr.）向愛迪生贈送了1000美元（購買力相當于今天的28000美元），用于制造“可垂直升空”的飛行器。

愛迪生用這筆錢設計了一架風格獨特的直升機，使用內(nèi)燃機作為動力。這架直升機造出了原型機，但在實驗中，內(nèi)燃機爆炸造成了一名工人被嚴重燒傷。之后，這一項目便不了了之。不過，在1908年，愛迪生為其設計的直升機申請了專利。但是這架直升機從未真正起飛過。

與愛迪生同時代的斯洛伐克的發(fā)明家簡·巴希（JánBah·）也設計出了以內(nèi)燃機為動力的直升機。他對愛迪生的內(nèi)燃機進行了改造。1901年，簡·巴希設計的直升機進行了試飛。

這架直升機可升空至0.5米的高度。之后，巴希又對內(nèi)燃機不斷進行改造升級，到了1905年5月5日，他的直升機飛行高度已經(jīng)可以達到4米，并可飛超過1500米的距離。不過，由于愛迪生搶先一步申請了專利，巴希的發(fā)明一直少有投資人問津。

圖8 生不逢時的斯洛伐克發(fā)明家簡·巴希

1906年，法國的博吉特（Breguet）兄弟，開始試驗多旋翼直升機。1907年，雅克·博吉特和路易·博吉特制造出來一臺名為“陀螺1號”的原型機，這臺原型機被認為是最早的四軸飛行器。

雖然日期有些不確定，但在1907年8月14日到9月29日之間的某個時間，“陀羅1號”進行了飛行測試，它將飛行員提升到約0.6米的空中，懸停了大約一分鐘。由于這個原因，“陀螺1號”的飛行被認為是第一次有人駕駛的直升機飛行，但不是自由或不受約束的飛行。

圖9 路易·博吉特

同年，法國發(fā)明家保羅·科努（Paul Cornu）設計并制造了科努直升機。它使用兩個長達6.1米的同軸反向旋轉(zhuǎn)旋翼，由一臺24馬力（18千瓦）安托瓦內(nèi)特發(fā)動機驅(qū)動。

圖10 博吉特兄弟的“陀螺1號”被視為最早的四旋翼飛行器

1907年11月13日，科努直升機進行了試飛，它可飛至0.3米的高度，并在空中停留了20秒?？婆闹鄙龣C又飛了幾次，達到了將近2.0米（6.5英尺）的高度，但它被證明不穩(wěn)定，因此被放棄了。

丹麥發(fā)明家雅各布·埃勒哈默（Jacob Ellehammer）于1912年制造了埃勒哈默直升機。它由一個裝有兩個反向旋轉(zhuǎn)圓盤的框架組成，每個圓盤的圓周上裝有六個葉片。在室內(nèi)測試之后，這架飛機在室外進行了演示，并進行了幾次起飛。對直升機的試驗一直持續(xù)到1916年9月，在起飛過程中，直升機翻倒，毀壞了旋翼。

圖11 丹麥發(fā)明家、飛機設計師雅各布·埃勒哈默（Jacob Ellehammer）

在第一次世界大戰(zhàn)期間，奧匈帝國發(fā)展了PKZ，一種實驗性直升機原型，用來取代氣球?qū)撤竭M行觀察。這種直升機屬于系留式直升機，它使用內(nèi)燃機驅(qū)動旋翼升空，但無法自由飛行，需要用纜繩系在地面的固定物上，保持在空中懸停。奧匈帝國開發(fā)這種裝置是為了取代氣球——當時的氣球多充氫氣，非常易爆。

直升機的飛行原理與制造技術比固定翼飛機要復雜很多。因此，真正意義上具有實用價值的直升機，直到第二次世界大戰(zhàn)末期才剛剛出現(xiàn)。

縱觀整個19世紀，一直到第一次世界大戰(zhàn)前，人類早期的直升機技術探索，總體來說停留在非常低的水平。

從今天的視角來看，當時的直升機，無論從設計思想、制造技術還是試飛數(shù)據(jù)，都幼稚得可笑。然而，任何技術的早期探索，都如同嬰兒的第一聲啼哭，在簡單和稚嫩之中蘊藏著無窮無盡的希望和可能性。從那支來自中國的竹蜻蜓開始，正是達·芬奇、羅蒙諾索夫、喬治·凱利、愛迪生……一代代發(fā)明家看似幼稚的探索，推動了人類對“垂直起降”夢想的不斷追尋，并催生了今日直升機技術的爆發(fā)。