黃沛

1843年至1900年這一階段，以英國(guó)工程師亨森完成第一架完整的飛機(jī)設(shè)計(jì)藍(lán)圖為起點(diǎn)，隨著活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)世與成功應(yīng)用而結(jié)束，被譽(yù)為有動(dòng)力飛行器的試驗(yàn)階段。在這短暫的半個(gè)多世紀(jì)，世界各國(guó)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(jì)與試驗(yàn)爭(zhēng)先恐后，最為亮眼的是蒸汽機(jī)等動(dòng)力的出現(xiàn)及其在航空業(yè)的應(yīng)用。

這一時(shí)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(duì)空氣動(dòng)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(shí)進(jìn)行了探索。

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

以達(dá)芬奇撰寫(xiě)的近35000字關(guān)于鳥(niǎo)類(lèi)飛翔的論著作為飛行原理基礎(chǔ)，當(dāng)時(shí)大多數(shù)學(xué)者更傾向于模擬鳥(niǎo)類(lèi)設(shè)計(jì)撲翼機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人類(lèi)的飛翔夢(mèng)想，然而鳥(niǎo)類(lèi)飛行的復(fù)雜性使得這個(gè)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(guó)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(jì)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(dòng)力學(xué)原理及應(yīng)用時(shí)，表明設(shè)計(jì)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(guó)工程師威廉·塞繆爾·亨森設(shè)計(jì)并獲得專利的蒸汽動(dòng)力飛機(jī)公布于眾，即刻受到了公眾的關(guān)注，這是人類(lèi)首次對(duì)裝有動(dòng)力裝置的機(jī)械型飛機(jī)進(jìn)行如此詳細(xì)的設(shè)計(jì)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(gè)固定翼概念——空中蒸汽客車(chē)，這對(duì)后來(lái)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(chē)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(jì)出來(lái)的。翼展45.72米、單翼面積430平米、總重1350千克，裝載一臺(tái)18.4至22.1千瓦的蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)兩副六葉螺旋槳。雖然在外觀上，這架空中蒸汽客車(chē)還類(lèi)似于一只巨型的鳥(niǎo)，但配備的蒸汽動(dòng)力和固定機(jī)翼，已經(jīng)具備了現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計(jì)雛形。

隨后，由于建立空中運(yùn)輸公司的夭折，亨利逐漸對(duì)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?！叭齻€(gè)總面積為2.6平米的疊合面、一個(gè)0.7平米的尾翼、總重量不到5.5千克，通過(guò)一個(gè)1/3馬力的蒸汽機(jī)燃燒甲基化酒精提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(dòng)到電線高度停了下來(lái)，由于缺乏平衡性，最終沒(méi)有完成自由飛行。而且，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣流總使得發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，其蒸汽發(fā)動(dòng)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(dòng)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(shí)大多數(shù)研究者仍更傾向于將翱翔藍(lán)天的夢(mèng)想寄希望于模擬鳥(niǎo)類(lèi)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(jì)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(méi)有取得試驗(yàn)成功，但同一時(shí)期，各國(guó)科學(xué)家開(kāi)啟了飛向天空的競(jìng)爭(zhēng)，繼續(xù)著相關(guān)的蒸汽機(jī)航空試驗(yàn)與研究。

1857年，法國(guó)海軍軍官費(fèi)利克斯·迪唐普勒設(shè)計(jì)制作了法國(guó)第一架飛機(jī)。該機(jī)機(jī)身類(lèi)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(tái)小型蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)。尾部設(shè)有兩只舵，一個(gè)處于水平位置，用來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)翼的傾斜角度;一個(gè)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(guò)一段下坡加速后能通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力起飛，雖未完成一定時(shí)間的持續(xù)飛行，但還是成為了人類(lèi)歷史上第一架全尺寸、離開(kāi)地面、有動(dòng)力裝置的飛機(jī)。

有動(dòng)力載人飛機(jī)的成功首飛

1889年，法國(guó)工程師克萊芒·阿代爾憑借著當(dāng)時(shí)相對(duì)成熟的蒸汽機(jī)技術(shù)和對(duì)航空業(yè)的高度興趣，制作了一架蒸汽動(dòng)力大型飛機(jī)。這架飛機(jī)名為“伊奧利”號(hào)，翼展14米、長(zhǎng)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(dòng)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(jì)申請(qǐng)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(lái)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(hào)，在他的報(bào)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(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力和機(jī)翼的升力，擦著地飛行了50多米。這是人類(lèi)歷史上第一次駕駛由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的飛機(jī)離開(kāi)地面，雖然不管是飛行距離還是飛行高度都十分有限，但無(wú)法否認(rèn)依然是人類(lèi)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(guó)、法國(guó)先后成立了各自的國(guó)家航空協(xié)會(huì)，并舉辦航空展覽會(huì)、發(fā)動(dòng)機(jī)、飛行器設(shè)計(jì)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(shí)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(lái)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(jì)提供了知識(shí)儲(chǔ)備。不同動(dòng)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(dòng)機(jī)（1883年，蒂桑迪耶兄弟）先后被應(yīng)用于飛行器上。

然而對(duì)整個(gè)航空界來(lái)說(shuō)，此項(xiàng)研究還處于初級(jí)階段，合適的驅(qū)動(dòng)裝置還需要在不斷的試錯(cuò)當(dāng)中找尋。1883年，法國(guó)工程師古皮制作的單翼飛機(jī)，飛機(jī)前端配有可手動(dòng)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(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)、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(guó)塔木樸里兄弟研究飛機(jī)攻角、壓力中心與尾翼動(dòng)作等。1866年，英國(guó)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(guó)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(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算有了相對(duì)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)工具。1872年，英國(guó)人佩諾在飛機(jī)設(shè)計(jì)上提出空氣阻力、材料阻力和輕型發(fā)動(dòng)機(jī)三個(gè)問(wèn)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(guó)人菲利浦通過(guò)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(guó)航空業(yè)在憑借歷史經(jīng)驗(yàn)積累的同時(shí)也開(kāi)始從西方世界獲取相關(guān)知識(shí)。1855年，中國(guó)開(kāi)始編譯關(guān)于國(guó)外航空知識(shí)的文章和圖片。當(dāng)時(shí)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(kāi)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(shí)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(guò)程中升空十幾丈高，這是國(guó)人自行制造并釋放成功的第一個(gè)氫氣球。1899年，旅澳華人謝鉆泰設(shè)計(jì)出鋁殼結(jié)構(gòu)電機(jī)推進(jìn)的“中國(guó)號(hào)”飛艇，這是中國(guó)人首次設(shè)計(jì)的有動(dòng)力飛行器。（本文圖片由作者提供）