飛機百年史

    20世紀，是人類征服天空並向太空延伸的時代，同時，由於飛機製造涉及到一系列高新技術，因此，航空業的發達程度已成為一個國家現代化的重要指標。

    姜振寰

    1903年12月7日，美國的萊特兄弟（W. & O. Wright）實現了首次載人動力飛機飛行，這是現代航空業的開端。在這短短的100年中，無論是飛機的動力、結構材料、性能還是控制技術方面，其發展速度之快，對軍事、經濟、文化、社會乃至人們觀念的影響之大，都是任何其他交通工具無法比擬的。

    它改變了戰爭的狀態，形成了地空一體化的「立體戰」模式，制空權成為決定戰爭勝負的重要因素；它大大地縮短了人類旅行、運輸的時間，與通訊技術的進步相結合，使偌大的一個地球縮成一個「地球村」。它也為抗災救災提供了便利的交通工具。值此載人動力航空100週年之際，草成此文以誌紀念。

    氣球、飛艇、滑翔機

    人類自古以來就幻想能在空中飛行，古希臘、阿拉伯及東方各民族均留傳下來許多關於人類飛行的神話和傳說。到了中世紀，歐洲有人模仿鳥的飛行，製造各種由人工支配的翼，進行冒險飛行實驗，但均以失敗而告終。達文西自30歲起用了20餘年時間認真研究鳥類的飛行，完成了《論鳥的飛行》研究手稿，科學地論述了鳥的飛行原理，並設計了撲翼機、降落傘和直升機，為現代航空業的出現，做了許多奠基性的工作。

    18世紀，氣球、氣艇、滑翔機的出現，成為飛機的前奏。有人利用阿基米德浮力定律製成氣球，使人類第一次實現了載人升空的夢想。

    1783年6月5日，法國的蒙哥菲爾兄弟（J.-M.&J.-E. Montgolfier）將熱空氣和濃煙充入氣球，氣球升高457米，空中滯留10分鐘。同年的8月27日，法國物理學家查理（J.-A.-C. Charles）公開表演了他研製的氫氣球，升高914米，滯空達1小時。同年11月21日，法國人戴爾朗德（F. -L. d\'Arlandes）和戴羅奇埃（Pilatre de. Rozier）共乘熱氣球升空，飛行23分鐘，高度達700米，飛行了10公里。1785年1月7日，法國人J.-P.-F. Blanchard和美國人J. Jeffries乘氣球用2.5個小時從英國飛越英吉利海峽到達法國。

    氣球在19世紀除了一般性表演外，還用於高空偵察和通訊。在第一次世界大戰中氣球被用於高空偵察，第二次世界大戰中日本曾用氣球攜帶炸彈襲擊美國。20世紀後半葉，氣球主要用於高空宇宙觀測和氣象研究。

    飛艇是一種可以控制飛行方向和速度的「氣球」。自氣球飛行成功後，人們為克服氣球飛行方向的不可控性，進行了長年的研究。1851年，法國技師H. J. Giffard製成了裝有小型蒸汽機驅動螺旋槳的飛艇，並於1852年9月24日駕駛飛艇飛行了28公里。1898年，法國的A. Santos-Dumont製成安有戴姆勒汽油發動的飛艇。這些飛艇均採用不透氣編織物的充氣氣囊，其下用繩索吊掛吊包的結構方式，俗稱「軟式飛艇」。

    1898年，德國人齊伯林（F. Zeppelin）研製成功以輕金屬鋁為外殼，在內部各小包室中放置氫氣囊的「硬式飛艇」。1909年，齊伯林創辦了Delag飛艇公司，開始了旅客空中運輸。1919年7月2日，英國建造的R34號飛艇起飛，歷經108小時12分、5797公里的不著陸飛行，7月6日在美國紐約安全著陸。1929年8月8日，德國齊伯林公司生產的大型硬式飛艇「齊伯林伯爵」號完成了環球航行。1936年，齊伯林公司製造完成裝備完善、設備豪華的巨型飛艇「興登堡號」，該艇1936年3月首航，總航程達332571公里，曾37次跨越大西洋。1937年5月7日，「興登堡號」在美國新澤西州赫斯特湖的海軍機場降落時，遭雷擊起火爆炸。「興登堡號」飛艇的失事，宣告了飛艇時代的結束。

    早在18世紀末19世紀初，英國人卡萊（G. Cayley）就從空氣動力學的角度對飛行器進行了研究，確立了飛機升力、飛行穩定性和飛行控制的有關理論。他於1799年設計了一個滑翔機，1805年又設計了一個帶垂直尾翼的滑翔機，並於1849年和1853年進行了滑翔機載人飛行試驗。

    19世紀，不少飛行愛好者設計了不同形狀的滑翔機和動力飛機，但真正對20世紀載人動力飛機發明有重要影響的，是德國人利林塔爾的滑翔機試驗。他從1891年至1896年製成了12種滑翔機，進行了上千次的試驗，積累了大量有關滑翔機結構和空氣動力學方面的資料。1896年8月9日，他駕駛自製的滑翔機進行飛行試驗時，被意外刮來的大風吹到懸崖上而遇難。

    利林塔爾的遇難，震動了歐美的航空界，他的學生P.S. Pilcher又進行了多次滑翔機試驗，並籌備進行動力飛行。他於1898年製成2.94千瓦的小型發動機，設計用它帶動螺旋槳。遺憾的是，他在1899年9月30日進行飛行試驗時失事，年僅33歲。

    萊特兄弟與

    首次載人動力飛行

    萊特兄弟自幼學習機械，後從事設計並生產當時非常流行的自行車，具有很強的機械加工與設計能力。利林塔爾的飛行失事，對他們產生了巨大刺激，他們立志繼承利林塔爾的事業。自1899年起，他們認真學習前輩關於飛行的知識，仔細觀察和分析鴿子的飛行，認為利林塔爾的失事是因為他未能解決滑翔機飛行中的平衡問題，並動手自製滑翔機進行試驗。

    1900年9月，萊特兄弟製成一架翼展5.18米的雙翼滑翔機，透過實驗掌握了翼尖翹曲平衡方法和水平升降舵的有效性，研究了升力和風阻問題。1900年冬，他們又製成改進後的第二架滑翔機，加裝了翼尖翹曲操縱桿。1901年9月至1902年8月，兄弟二人利用自製小型風洞研究了機翼形狀對升力、阻力的影響。在掌握大量實驗數據的基礎上，他們於1902年製成了第三架滑翔機，加裝可轉動的垂直尾翼，他們利用這架滑翔機成功進行了300多次滑翔機飛行試驗，掌握了航行中的控制問題。

    在此基礎上，萊特兄弟決定設計載人動力飛機。他們自己設計製造了一台四缸水冷式汽油發動機，功率為8.8千瓦，重77公斤。根據風洞升力表設計製造了兩台直徑為2.59米的雙葉螺旋槳，安裝在新設計的飛機機翼後兩側，用自行車鏈條與發動機相連。這台動力飛機總重約360公斤，翼展12.3米，駕駛員臥在下機翼中間操縱。

    自1903年9月起，他們為試飛進行了大量的準備工作。12月17日10點，在衛爾柏．萊特地面照料下，奧維爾．萊特駕駛飛機，成功進行了飛行試驗，雖然只飛行了36.6米，滯空12秒，但它為20世紀人類航空事業的發展揭開了新的一頁。當天，他們共進行了四次試飛，第二、三次均飛行了60米左右，第四次由衛爾柏．萊特駕駛，飛行59秒，飛行距離達260米。第四次飛行後，一陣大風將飛機吹翻而毀壞。

    1904年5月，萊特兄弟又製成與第一架大體相同的飛機，從5月23日起共飛行了105次，累計飛行45分鐘，最長的一次也是最後一次飛行，在5分鐘內飛行了4.4公里。同年6月，他們又在對第二架飛機改進的基礎上製成第三架飛機，自9月26日起進行了50餘次飛行試驗，曾連續飛行38分3秒，飛行距離達38.6公里。這架飛機有很好的飛行穩定性和可操縱性，被認為是一架實用的飛機。

    萊特兄弟的飛行並未引起人們及政府的足夠重視，此後的兩年中，他們致力於對發動機、螺旋槳及飛機結構的改進。1908年，他們駕駛飛機在法國勒芒進行飛行表演，轟動了歐洲，這才引起歐洲各國及美國對這一新生運輸工具的重視。

    此後，各國均自製飛機，包括有美國的G. H. Gurtiss、法國的L. Bleriot、H. Farman等人，他們在歐洲、美國各地進行了多次飛行表演並舉辦航空博覽會。1909年7月25日，Bleriot還駕駛單翼飛機用37分鐘飛越英吉利海峽。在第一次世界大戰前，從事飛機改進、製造和試驗的人們主要都是一批航空愛好者。

    從第一次世界大戰

    到第二次世界大戰

    在歐美各國航空愛好者全力進行飛機性能改進、互相競爭的高潮中，迎來了第一次世界大戰。戰爭期間，各參戰國都投入大量人力、物力和財力研製飛機，出現了偵察機、轟炸機，飛機生產也開始了量化，飛機性能在短短的四年內得到飛速的提高。在1914年，飛機最大的飛行高度僅為3000米，到1918年戰爭結束時已達8000米，航程增加了3倍，起飛重量增加了20倍，載重增加了近700倍，航速增加了2倍。在戰爭期間，各國政府已充分認識到飛機在戰爭中的重要作用，開始大量生產飛機，全世界已有近200個飛機製造公司，四年間共生產了18萬多架。

    戰後，軍用民用航空及利用飛機進行遠距離飛行和探險活動開始展開，出現了各種科研機構，英國、法國、德國、日本均成立了空軍部，並大力發展軍用飛機。1920年代，一些發達國家即開始用商航改裝或建造航空母艦。早期的雙翼飛機開始向單翼機發展，至1940年代初，流線型全金屬單翼機已成為飛機主流，這些飛機安裝了變距螺旋槳和可收縮的起落架，航速已達700公里／小時。美國開發了一批大型客運飛機，其中著名的有1933年投入運行的波音公司的B247雙發動機客機、道格拉斯公司的DC-3客機等，並形成了遍布各國的航空網。

    到第二次世界大戰前，傳統的利用活塞發動機驅動螺旋槳的飛機之速度已達極限，一種新的噴氣推進方式開始出現。英國人F. Whittle於1931年研製成功渦輪噴氣發動機。1941年5月12日，由英國Gloucester公司研製的E28/29噴氣式飛機試飛成功。在此之前，德國Heinkel公司利用H. P. von Ohain研製的渦輪噴氣發動機裝備製造的He178噴氣式飛機，於1939年8月27日試飛成功。由此開創了航空噴氣時代。但是，在第二次世界大戰中參戰的各國飛機，主要還是螺旋槳飛機為主。

    第二次世界大戰，是一場規模空前的立體化戰爭，空軍在戰爭中起了重要作用，全世界共生產了100多萬架飛機，大規模的空襲、轟炸、空降、空中偵察與防空成為戰爭的重要手段。

    航空噴氣時代的來臨

    20世紀的後50年，是航空業全面發展的時期，由於材料技術、電子技術、無線電技術、雷達技術的迅速發展，使飛機性能和功能都得到了新的進步。

    軍用、民用飛機大都採用了噴氣式。到1960年代，各發達國家的戰鬥機均已超過音速，後掠翼和三角翼取代了傳統的直形和梯形機翼，還出現了變後掠翼和垂直起落的飛機。第二次世界大戰後的朝鮮戰爭、越南戰爭、海灣戰爭以及不久前的伊拉克戰爭，都進一步顯示了制空權在戰爭中的重要性。海灣戰爭共歷時42天，空襲長達38天，地面戰鬥僅4天。制空權的獲得主要在於飛機的性能，由於高技術的出現，隱形飛機、三角翼飛機、全自動飛機（無人駕駛機）等新機種開始出現。

    在民用機方面，英國於1952年最早生產出噴射式客機。到1960年代，出現了一批大型的噴射式客機，著名的有美國波音公司的B737、B747、B757，道格拉斯公司的DC-10、MD-11，英法聯合研製的空中巴士A310、A330、A340，蘇聯的圖-134、圖-154等。民用飛機的航速均在1000公里／小時左右，且裝有精確的自動導航和自動駕駛設備，保證了飛行航道和飛行時間的準確性，加上機艙設施的完善，飛機已成為一種快速、安全、舒適的空中交通工具。

    第二次世界大戰後，戰爭中的許多軍用新技術轉向民用，其中由火箭技術、導彈技術衍生出的航天技術發展十分迅速。美國在完成阿波羅登月計畫後，開始研製可以重複使用的載人航天器─航天飛機，自1972年尼克森總統批准後，經10年的研製，第一架航天飛機哥倫比亞號於1981年4月12日進入軌道。航天飛機是航天與航空技術相結合的產物，是人類開發太空重要的全新運載工具。

    20世紀，是人類征服天空並向太空延伸的時代，噴氣飛機可以使飛機在距地面1000米高的空氣稀薄空間中飛行，而1930年代出現的直升機又可以像蜻蜓一樣任意飛行和停降。飛機製造涉及到一系列高新技術，因此，航空業的發達程度已成為一個國家現代化的重要指標（本文轉載自《科學》2003年4月號）。

    姜振寰：任教哈爾濱工業大學