追溯人類航空科技的源頭（二）

黃沛

1843年至1900年這一階段，以英國工程師亨森完成第一架完整的飛機(jī)設(shè)計藍(lán)圖為起點(diǎn)，隨著活塞發(fā)動機(jī)的問世與成功應(yīng)用而結(jié)束，被譽(yù)為有動力飛行器的試驗(yàn)階段。在這短暫的半個多世紀(jì)，世界各國航空科學(xué)家勇于嘗試，飛艇、撲翼機(jī)、滑翔機(jī)、固定翼機(jī)等多種航空器的設(shè)計與試驗(yàn)爭先恐后，最為亮眼的是蒸汽機(jī)等動力的出現(xiàn)及其在航空業(yè)的應(yīng)用。

這一時期，雖然除了飛艇、熱氣球之外，大多數(shù)的飛機(jī)在試驗(yàn)中還處于跳躍式的飛行狀態(tài)，但飛機(jī)結(jié)構(gòu)的基本雛形已經(jīng)確定，飛行的理論基礎(chǔ)也得到進(jìn)一步研究：眾多航空科學(xué)家已經(jīng)著手對空氣動力學(xué)原理、飛行的穩(wěn)定性、飛機(jī)的結(jié)構(gòu)等航空知識進(jìn)行了探索。

這一時期，多個科學(xué)家嘗試將蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)應(yīng)用于飛艇等飛行器，為后來萊特兄弟實(shí)現(xiàn)人類第一次飛行提供了理論與知識的土壤。

以達(dá)芬奇撰寫的近35000字關(guān)于鳥類飛翔的論著作為飛行原理基礎(chǔ)，當(dāng)時大多數(shù)學(xué)者更傾向于模擬鳥類設(shè)計撲翼機(jī)來實(shí)現(xiàn)人類的飛翔夢想，然而鳥類飛行的復(fù)雜性使得這個研究方向異常艱難。1843年，被譽(yù)為“重于空氣飛行的先驅(qū)”英國航空學(xué)者喬治·凱利不僅多次嘗試多款滑翔機(jī)的設(shè)計與試驗(yàn)，還定義了機(jī)械飛行的原理：重量、提升、拖拽和推力之間的關(guān)系。他在闡述空氣動力學(xué)原理及應(yīng)用時，表明設(shè)計能夠讓空運(yùn)成為可能，甚至?xí)诚氤鰯y家?guī)Ь爝M(jìn)行比乘船更為安全的旅行。

現(xiàn)代飛機(jī)概念提出

1843年4月，英國工程師威廉·塞繆爾·亨森設(shè)計并獲得專利的蒸汽動力飛機(jī)公布于眾，即刻受到了公眾的關(guān)注，這是人類首次對裝有動力裝置的機(jī)械型飛機(jī)進(jìn)行如此詳細(xì)的設(shè)計描述。早在一年前，亨森將蒸汽機(jī)安裝在飛行器上，創(chuàng)造了第一個固定翼概念——空中蒸汽客車，這對后來重于空氣的航空器的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。

這架空中蒸汽客車是亨森在助手約翰·斯特林費(fèi)洛的協(xié)助下，參考了前輩學(xué)者凱利的航空力學(xué)理論設(shè)計出來的。翼展45.72米、單翼面積430平米、總重1350千克，裝載一臺18.4至22.1千瓦的蒸汽機(jī)驅(qū)動兩副六葉螺旋槳。雖然在外觀上，這架空中蒸汽客車還類似于一只巨型的鳥，但配備的蒸汽動力和固定機(jī)翼，已經(jīng)具備了現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計雛形。

隨后，由于建立空中運(yùn)輸公司的夭折，亨利逐漸對航空失去了興趣，他的助手約翰·斯特林費(fèi)洛繼續(xù)進(jìn)行單翼機(jī)的試驗(yàn)研究。1868年，斯特林費(fèi)洛在首次世界航空展上展示的三翼飛機(jī)獲得了世人的矚目和認(rèn)同。“三個總面積為2.6平米的疊合面、一個0.7平米的尾翼、總重量不到5.5千克，通過一個1/3馬力的蒸汽機(jī)燃燒甲基化酒精提供動力驅(qū)動中央螺旋槳?！边z憾的是，在試驗(yàn)中，三翼飛機(jī)向上運(yùn)動到電線高度停了下來，由于缺乏平衡性，最終沒有完成自由飛行。而且，運(yùn)行時產(chǎn)生的氣流總使得發(fā)動機(jī)熄火，其蒸汽發(fā)動機(jī)也在試驗(yàn)中由于多次使用需要維修。

此次航空展覽共展出15種發(fā)動機(jī)、60種撲翼機(jī)、2種固定翼飛機(jī)等試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，這也反映出當(dāng)時大多數(shù)研究者仍更傾向于將翱翔藍(lán)天的夢想寄希望于模擬鳥類的撲翼機(jī)身上，這也反襯出裝載蒸汽機(jī)固定機(jī)翼飛機(jī)的設(shè)計顯得異常珍貴。

蒸汽機(jī)在航空業(yè)的應(yīng)用

雖然斯特林費(fèi)洛及其兒子在調(diào)整螺旋槳的數(shù)量和飛機(jī)機(jī)翼數(shù)量后也沒有取得試驗(yàn)成功，但同一時期，各國科學(xué)家開啟了飛向天空的競爭，繼續(xù)著相關(guān)的蒸汽機(jī)航空試驗(yàn)與研究。

1857年，法國海軍軍官費(fèi)利克斯·迪唐普勒設(shè)計制作了法國第一架飛機(jī)。該機(jī)機(jī)身類似一艘小艇，機(jī)翼和機(jī)身呈14度夾角，螺旋槳位于小艇前端，由一臺小型蒸汽機(jī)驅(qū)動。尾部設(shè)有兩只舵，一個處于水平位置，用來調(diào)節(jié)機(jī)翼的傾斜角度;一個處于垂直位置，作用和水平舵一樣。

1874年，費(fèi)利克斯又建造了杜·坦普單翼機(jī)。該機(jī)在經(jīng)過一段下坡加速后能通過發(fā)動機(jī)提供動力起飛，雖未完成一定時間的持續(xù)飛行，但還是成為了人類歷史上第一架全尺寸、離開地面、有動力裝置的飛機(jī)。

有動力載人飛機(jī)的成功首飛

1889年，法國工程師克萊芒·阿代爾憑借著當(dāng)時相對成熟的蒸汽機(jī)技術(shù)和對航空業(yè)的高度興趣，制作了一架蒸汽動力大型飛機(jī)。這架飛機(jī)名為“伊奧利”號，翼展14米、長6.5米、機(jī)翼面積約28平方米。機(jī)身重101千克，包括蒸汽發(fā)動機(jī)、螺旋槳、帶輪支架、冷凝器等。阿代爾將這架飛機(jī)的設(shè)計申請了專利。他采用了平面固定翼方案，固定翼表面彎曲，外觀像一只蝙蝠;飛機(jī)機(jī)翼木框架結(jié)構(gòu)包裹真絲蒙皮，飛行途中可以向前向后伸縮，駕駛者借此在飛行中可以根據(jù)飛機(jī)的速度來改變機(jī)翼大小。

1890年10月，在一處花園中，阿代爾試飛了“伊奧利”號，在他的報告中描述了這架飛機(jī)載著阿代爾飛離地面，依靠蒸汽發(fā)動機(jī)提供的動力和機(jī)翼的升力，擦著地飛行了50多米。這是人類歷史上第一次駕駛由發(fā)動機(jī)提供動力的飛機(jī)離開地面，雖然不管是飛行距離還是飛行高度都十分有限，但無法否認(rèn)依然是人類航空史上重要的事件。

航空技術(shù)的“躍進(jìn)”

1866年、1872年，航空業(yè)發(fā)展突出的英國、法國先后成立了各自的國家航空協(xié)會，并舉辦航空展覽會、發(fā)動機(jī)、飛行器設(shè)計大賽，出資組織航空科學(xué)試驗(yàn)，使得航空試驗(yàn)得以實(shí)施，技術(shù)得到發(fā)展。

這一時期，航空理論研究得到發(fā)展。一方面，飛行器的結(jié)構(gòu)和相關(guān)設(shè)備越來越完善?？茖W(xué)家在飛艇上配備螺旋槳、方向舵（1856年，德拉馬爾納）、蒸汽機(jī)、水平機(jī)翼、升降舵（1869年，瑪麗奧特），為現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計提供了知識儲備。不同動力源泉不斷在飛行器上進(jìn)行嘗試，蒸汽機(jī)（1852年，亨利）、汽油內(nèi)燃機(jī)（1872年，亨萊茵）、電發(fā)動機(jī)（1883年，蒂桑迪耶兄弟）先后被應(yīng)用于飛行器上。

然而對整個航空界來說，此項(xiàng)研究還處于初級階段，合適的驅(qū)動裝置還需要在不斷的試錯當(dāng)中找尋。1883年，法國工程師古皮制作的單翼飛機(jī)，飛機(jī)前端配有可手動控制的“調(diào)節(jié)器”，可以校正飛機(jī)側(cè)面，被譽(yù)為最早的副翼。

另一方面，專業(yè)人員對飛機(jī)設(shè)計、螺旋槳理論、飛機(jī)的穩(wěn)定性等進(jìn)行理論研究。1857年，法國塔木樸里兄弟研究飛機(jī)攻角、壓力中心與尾翼動作等。1866年，英國航空理論家維納姆提出飛行中機(jī)翼凸面形的重要性。1871年，世界上第一座小型風(fēng)洞由英國人韋納姆研制成功，木箱結(jié)構(gòu)尺寸為0.457×0.45×3.05米，使得飛機(jī)的氣動設(shè)計與計算有了相對科學(xué)的實(shí)驗(yàn)工具。1872年，英國人佩諾在飛機(jī)設(shè)計上提出空氣阻力、材料阻力和輕型發(fā)動機(jī)三個問題，并在飛機(jī)模型上應(yīng)用密封機(jī)艙、可變螺距螺旋槳、減震可收放起落架等設(shè)備概念。1893年，英國人菲利浦通過風(fēng)洞試驗(yàn)，找到多種上凸下凹的曲面翼型，為飛機(jī)翼型提供更科學(xué)的選擇。

19世紀(jì)中后期，中國航空業(yè)在憑借歷史經(jīng)驗(yàn)積累的同時也開始從西方世界獲取相關(guān)知識。1855年，中國開始編譯關(guān)于國外航空知識的文章和圖片。當(dāng)時由直隸總督兼北洋大臣李鴻章仿照西洋軍事學(xué)院創(chuàng)立的天津陸軍學(xué)堂，在1887年開始進(jìn)口飛行器，并自制了直徑1.66米的氫氣球。隨后，由當(dāng)時任教武備學(xué)堂的華蘅芳改良制造的小型氫氣球進(jìn)行了試放試驗(yàn)，試放過程中升空十幾丈高，這是國人自行制造并釋放成功的第一個氫氣球。1899年，旅澳華人謝鉆泰設(shè)計出鋁殼結(jié)構(gòu)電機(jī)推進(jìn)的“中國號”飛艇，這是中國人首次設(shè)計的有動力飛行器。（本文圖片由作者提供）