追溯人類(lèi)航空科技的源頭（三）

陳洋

19世紀(jì)，懷揣飛行夢(mèng)想的科學(xué)家們一直被一個(gè)問(wèn)題所苦惱：如何獲得驅(qū)動(dòng)飛機(jī)持續(xù)飛行所需的強(qiáng)大動(dòng)力？數(shù)十年間，人們先后試圖將蒸汽機(jī)、火藥發(fā)動(dòng)機(jī)、熱氣發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)等各式動(dòng)力裝置用于飛機(jī)上，然而最終都無(wú)功而返。

進(jìn)入20世紀(jì)后，航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)終于取得了突破。1900年至1914年是航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展史上極其關(guān)鍵的一段時(shí)期，短短的14年間，以汽油為燃料的活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始盛行，航空技術(shù)應(yīng)用邁入新紀(jì)元。

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是最早用于給飛行器提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)。

因?yàn)槭怯善?chē)內(nèi)燃機(jī)演變而來(lái)，所以它和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是一樣的，主要由汽缸、活塞、連桿、曲軸、機(jī)匣（發(fā)動(dòng)機(jī)殼體）、氣門(mén)機(jī)構(gòu)、螺旋槳減速器構(gòu)成，以汽油為燃料，帶動(dòng)螺旋槳等推進(jìn)器為飛機(jī)提供動(dòng)力。

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞的作用是承受燃燒氣體的壓力，并將此力通過(guò)活塞銷(xiāo)傳給連桿以推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。連桿的作用是將活塞承受的力傳給曲軸，并將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)、完成能量轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生并傳遞動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，通過(guò)它把燃料燃燒后發(fā)出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。

圖1 活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)

全球首款工業(yè)化生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)是安托瓦內(nèi)特發(fā)動(dòng)機(jī)。1906年至1908年間，裝備了安托瓦內(nèi)特發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器均取得了不錯(cuò)的成績(jī)，由此引發(fā)多缸高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)的盛行。1909年后，塞甘兄弟借鑒其他行業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，將發(fā)動(dòng)機(jī)改成中間曲軸固定，氣缸圍繞曲軸旋轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)形式，讓氣缸在懸空狀態(tài)下工作。

從外形上看，這種發(fā)動(dòng)機(jī)和后來(lái)的星型氣冷活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的造型幾乎完全一致，各氣缸呈圓形均勻排列，但在運(yùn)行的原理上卻大相徑庭。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸是與螺旋槳一起旋轉(zhuǎn)的，而曲軸卻是固定的，也就是說(shuō)與普通的發(fā)動(dòng)機(jī)正好相反。塞甘兄弟推出的旋轉(zhuǎn)氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)取得了驕人成果，在航空領(lǐng)域引發(fā)了一場(chǎng)革命。

固定式發(fā)動(dòng)機(jī)通常是用冷卻方式來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，有風(fēng)冷和水冷兩大類(lèi)，氣缸的排布方式也各式各樣，從最簡(jiǎn)單的直列4缸、直列6缸到氣缸倒置、扇形3缸分列、扇形6缸分列等形式。在1907年，埃斯諾-佩特里在他的飛機(jī)上安裝了一組扇形排列發(fā)動(dòng)機(jī)（2缸和3缸發(fā)動(dòng)機(jī)各一臺(tái)），采用了風(fēng)冷系統(tǒng)，這也是飛機(jī)首次采用風(fēng)冷系統(tǒng)。

后來(lái)，克萊芒、格諾姆等公司相繼研發(fā)出水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)，法爾戈和克萊熱公司則在1908年推出水平排列星型發(fā)動(dòng)機(jī)，然后安扎尼公司又對(duì)排列形式做了改進(jìn)，將其改為垂直排列，采用風(fēng)冷和水冷混合冷卻系統(tǒng)。

在飛機(jī)問(wèn)世的前六年內(nèi)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率基本都維持在50馬力至70馬力之間，直到1913年至1914年，格諾姆和克萊熱才成功研制出200馬力的疊置發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2 “飛行者”1號(hào)

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)飛機(jī)

20世紀(jì)初，美國(guó)的萊特兄弟在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一個(gè)風(fēng)洞來(lái)測(cè)量氣流對(duì)飛機(jī)機(jī)翼作用力的大小和方向，他們對(duì)托舉、阻力還有其他影響飛行的因素進(jìn)行了測(cè)量，并將這些數(shù)據(jù)以表格形式記錄下來(lái)。1903年12月17日，萊特兄弟的“飛行者”1號(hào)試飛成功。該機(jī)裝載著一臺(tái)改裝四缸直列式水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，其缸徑與行程為10cm，功率僅為8.95kW，重量為81kg，功重比只有0.11kW/daN。

當(dāng)日10時(shí)35分，弟弟奧威爾·萊特勇敢地登上飛機(jī)，在基蒂霍克起飛，完成了歷史性的12秒飛行，成為人類(lèi)歷史上第一個(gè)駕機(jī)飛上天空的人。在當(dāng)天最后一次飛行中，威爾伯·萊特駕駛“飛行者”1號(hào)在空中停留了59秒，飛行距離達(dá)260米。

在今天看來(lái)，此次飛行并不十分成功，萊特兄弟所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)性能也不夠優(yōu)越，但它是世界上第一臺(tái)成功驅(qū)動(dòng)飛機(jī)飛行的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)志著飛行時(shí)代的到來(lái)，人類(lèi)從此開(kāi)辟了航空領(lǐng)域的新紀(jì)元，拉開(kāi)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的第一個(gè)時(shí)代——活塞時(shí)代的序幕。

體育興趣類(lèi)飛機(jī)

20世紀(jì)初，因運(yùn)動(dòng)目的而促進(jìn)飛行事業(yè)發(fā)展的狂熱飛行愛(ài)好者——巴西人阿爾貝托·桑托斯·杜蒙特通過(guò)自己的小型運(yùn)動(dòng)飛艇激發(fā)了歐洲人的航空運(yùn)動(dòng)熱情。隨著一系列重于空氣的航空器的問(wèn)世，杜蒙特的航空器被描述為世界上最早的真正意義上的輕型飛機(jī)。

1906年10月23日下午，杜蒙特設(shè)計(jì)出第一架“14二代”飛機(jī)，其尾部搭載一臺(tái)50馬力的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，在數(shù)千名巴黎人的目睹下，飛機(jī)升到3米空中，足足飛了60米。巴西人認(rèn)為，這次飛行才能算是人類(lèi)歷史上“第一架真正意義上的飛機(jī)”的誕生。

1907年，杜蒙特設(shè)計(jì)出“少女”小型單座飛機(jī)并成功試飛。1909年9月，進(jìn)行了大規(guī)模改動(dòng)、加大了發(fā)動(dòng)機(jī)馬力的“少女20號(hào)”在空中持續(xù)飛行了16分鐘，飛行了18公里。“少女”系列飛機(jī)是第一批為運(yùn)動(dòng)目的生產(chǎn)的飛機(jī)。

軍用飛機(jī)的產(chǎn)生

在軍用航空領(lǐng)域，1908年，一位名叫塞繆爾·富蘭克林·科迪的美國(guó)人在英國(guó)建造了第一架全尺寸動(dòng)力飛機(jī)——“英國(guó)軍用飛機(jī)1號(hào)”。這是一架雙螺旋槳推進(jìn)式飛機(jī)，裝備了一臺(tái)37千瓦（50馬力）的安托瓦內(nèi)特活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，在1908年9月29日完成了首次認(rèn)證飛行，同年10月16日其飛行成績(jī)得到了英國(guó)官方認(rèn)可。經(jīng)過(guò)多次改裝試驗(yàn)后，這架飛機(jī)已經(jīng)可以在范堡羅周?chē)摹袄移皆蓖瓿沙^(guò)1小時(shí)的飛行，飛行距離達(dá)到了64公里。

在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)上第一個(gè)使用飛機(jī)的國(guó)家是意大利。1911年10月22日，由于在利比亞的昔蘭尼亞和的黎波里塔尼亞兩個(gè)地區(qū)的歸屬問(wèn)題上產(chǎn)生了分歧，意大利向土耳其宣戰(zhàn)，卡洛·皮耶薩隊(duì)長(zhǎng)指揮的意大利遠(yuǎn)征軍空中部隊(duì)，通過(guò)“布萊里奧特XI”號(hào)飛機(jī)對(duì)土耳其的黎波里和阿奇奇亞之間的軍事陣地進(jìn)行了偵查活動(dòng)。

直升機(jī)的萌芽

1907年11月13日，法國(guó)發(fā)明家保羅·科爾尼設(shè)計(jì)制造了一架由一臺(tái)24馬力安托瓦內(nèi)特發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直升機(jī)，該機(jī)配兩只螺旋槳，外配兩只平衡外翼。首飛時(shí)，科爾尼駕駛直升機(jī)飛離地面30厘米。盡管飛行的距離特別短，但這次升空是個(gè)歷史性的突破。

同一年，同為法國(guó)人的布勒蓋和里歇也設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了一架直升機(jī)。該機(jī)設(shè)四片垂直螺旋槳，由一臺(tái)45馬力的安托瓦內(nèi)特發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，未設(shè)置控制裝置。在試驗(yàn)中，該直升機(jī)成功搭載飛行員飛離了地面。1908年7月22日，布勒蓋和里歇又成功將改進(jìn)后的直升機(jī)飛到了4米高，但在降落時(shí)遭到損毀。

1912年，丹麥人埃爾哈默成功試飛了一架有人駕駛的直升機(jī)，該機(jī)設(shè)兩只同心螺旋槳，下螺旋槳作為降落傘使用，試飛高度到達(dá)了60厘米。

硬式飛艇的發(fā)展

1900年，德國(guó)的斐迪南·馮·齊柏林伯爵設(shè)計(jì)制造了第一架硬式飛艇。該飛艇在吊艙中裝載兩臺(tái)16馬力的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，、行駛速度每小時(shí)可達(dá)14英里，艇體內(nèi)有17個(gè)氣囊，總?cè)莘e達(dá)到1.2萬(wàn)立方米，總浮力達(dá)13噸，比當(dāng)時(shí)軟式飛艇大5至6倍。這種飛艇使用結(jié)構(gòu)完整的龍骨保持氣囊的外形，采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力，因而飛行性能好，裝載量大。

1908年，齊柏林又用自己的全部財(cái)產(chǎn)設(shè)計(jì)制造了當(dāng)時(shí)世界上最大的一艘飛艇——“Lz-4”號(hào)。齊柏林對(duì)這艘飛艇的性能非常滿意，親自駕駛這艘飛艇作了一次遠(yuǎn)航試驗(yàn)，飛艇從德國(guó)起飛，飛過(guò)阿爾卑斯山，到達(dá)瑞士后返航。隨后的幾年，齊柏林對(duì)飛艇進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，在德國(guó)法蘭克福和杜賽爾多夫之間建立了第一條定期空中航線。擔(dān)任首航任務(wù)的是“Lz--7”號(hào)飛艇，它一次可載24名旅客，有12名乘務(wù)員，飛行速度為每小時(shí)69至77公里。

差不多同時(shí)，德國(guó)軍方建立了齊柏林飛艇隊(duì)，用于海上巡邏、遠(yuǎn)程轟炸和空運(yùn)等軍事活動(dòng)。但是，隨著飛機(jī)性能的不斷提高，飛艇體積大、速度低、不靈活、易受攻擊的缺點(diǎn)日益明顯，因而逐漸被飛機(jī)所取代，但飛艇的商業(yè)飛行仍有發(fā)展。（本文圖片由作者提供）