书城科普读物走进科学丛书:发明让人类享受生活
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第20章 飞机简史(1)

飞机已经成为现代文明不可缺少的交通工具。它通过许多条空中航线把世界各国连接了起来,从而为人们提供了既方便又迅速的运输和旅游途径。一些大型的农业和林业经营单位,经常使用飞机来喷洒杀虫剂,以便大面积控制病虫害,或者用飞机在一些较广阔的丘陵或山丘播撒下优良的林木或花草种子,以绿化大地。地理工作者还用飞机准确而迅速地对广大地区进行测绘,把那些从空中拍摄的照片一张一张地拼接起来,以便绘出极好的地形图来。甚至,气象工作者也利用飞机进行气象观测或人工降雨等。

但是,这偌大的金属飞机,怎么就在那么高的天空上飞起来了呢?还是让我们看看飞机的来龙去脉吧。

人类早期的飞行

自古以来,能够像鸟一样地在天空中飞行,一直是人们梦寐以求的事情。中国的神话故事里就充分表达了这种梦想,比如《封神演义》中的哪吒和那些仙女们、天兵天将们,《西游记》中的孙悟空等。在中国的广大人民中间,还广泛地流传着一个嫦娥奔月的美丽故事。

在古代希腊人的神话、传说中,有关于代达罗斯与伊卡洛斯的故事,也同样表现了人类像鸟儿一样翱翔天空的梦想。

而最早记录人类飞行历史的是中国。《墨子?鲁问》中就提到著名的发明家鲁班曾用竹子制作一个“木鹊”,可以在天空飞行,三天而不坠落。墨子本人也曾花三年时间制造了一只木鸟,在天上飞行了一天。这些应该是最早的飞机的雏形了。在《汉书?王莽传》中,记载着这样一件事,约在公元9年~公元12年间,有人“取鸟翮为两翼,头与身皆着毛”,用环钮把两个翅膀绑在身上,飞行几百步远就坠落下来。这跟近代欧洲人最初的滑翔飞行非常相似,应该说是人类最早的飞行试验。

大约在公元3~4世纪,我国还出现了一种升空车。如晋代著名道人和炼丹家葛洪在《抱朴子?杂应》中说:“用枣木心为飞车”,用牛皮绳环绕车柄,迅速抽出皮绳,使飞车旋转,能“上升四十里”。这与多年以前人们在市场上见到的直升机玩具,在升空和飞行原理上都是一样的。后人把这种升空车体积缩小,结构简化,就变成了一种用双手一搓就能飞起来的“竹蜻蜓”。只是到了西方的文艺复兴时期,应该不早于13世纪,竹蜻蜓才传到欧洲,那时众多的启蒙学者们几乎人手一只,玩弄起来觉得十分奇妙。

从历史上来看,对现在的飞行技术有重要影响的,应当是风筝。这也是最早由中国人发明的。大约在公元前1000年,还出现过能把人带起来的大型风筝。但史书对此记载不详。而在唐代李著的《独异志》中,记述了公元547-549年,南朝梁的首都金陵(今南京)被敌人围困,当时的萧纲(即梁朝简文帝)曾用“纸鸢”(即风筝)飞到城外传送警报。后来,人们在风筝上用竹片绷紧一根弦,风吹时能发出嗡嗡的响声,像古筝一样,人们才称它为“风筝”。

在欧洲,15世纪时,著名的意大利画家、学者达?芬奇就对鸟类的飞行作过科学的考察,并绘制出人造鸟翼的图纸。之后,博雷里于1680年也进行过类似的研究。同时,不少人还设计了直升机和扑翼机的模型,直升机发展了竹蜻蜓的飞行技术,扑翼飞机则是对鸟类飞行的模仿。类似的设计和制造,在18~19世纪,史书有记载的有数十人之多。但是,大多数试验是失败的,只有橡筋动力的直升机玩具还算比较成功。随后,研制飞行器的活动开始由活动翼转向固定翼,这方面最有特色的是英国著名的乔治?凯利爵士。

凯利在1799年就写论文,论证了滑翔机是可能制成的,并在1804年制成了一架没有发动机的飞机,这是一台具有像风筝一样的单翼,并带有十字形尾翼的滑翔机模型,曾拿到一个较高的山冈上,做了一次成功的试飞。当凯利为飞机装上蒸汽机时,飞机因变得过于沉重而未能飞离地面。但在有多年的模型飞机放飞的经验后,年近八旬的凯利爵士终于在1852-1853年间,制成了一架大型滑翔机,曾成功地载人飞行两次,一次是载着一位极不情愿的马车夫,飞过一个山谷。一次是载着一位少年。可惜的是,这个成功的试验未能留下完整的文字记录。

1856年,一位名叫让?玛利?勒布里的法国人第一次驾驶着滑翔机,进行了一次成功的飞行。

滑翔飞行直到19世纪末才有了重大进展。德国人利连塔尔制造出一系列悬挂式滑翔机,并进行过上千次滑翔试验。利连塔尔还在中学时代就试验过扑翼。但是他精心研究的结果是,只有掌握了滑翔飞行,才能进一步使用发动机,进行动力飞翔。于是,他从滑翔机模型开始,一步步地加大滑翔机的尺寸,并使它载着自己,在花园中飞行,后来又从小山坡上向下滑行,并能飞行350米远。这大概已经超过了中国古代的飞行前驱——万户。利连塔尔不仅善于实践,而且善于总结经验、积累大量数据,从而概括出了升力公式。1889年,他发表《鸟类飞行是飞行技术的基础》一书,指导了那个时代众多的飞行尝试者们的实践。在1896年8月9日,利连塔尔正在空中滑行,一阵狂风使他失去平衡,飞机载着他一起坠落下来,最终也没有逃脱万户的结局。第二天他就去世了,这时他才48岁。

人们在不断探索滑翔飞行的同时,动力飞行的尝试也在不断地进行着。英国的亨森和斯特林费洛在1847年就制造了一台动力模型飞机,它的翼展有6米,由蒸汽机驱动。但是,它不能在空中连续飞行。

第一架成功地离地升空的载人动力飞机是由法国人克莱蒙?阿代尔制作的“风神”号,形状像蝙蝠,由15千瓦蒸汽机驱动。1890年10月9日,它飞离地面50多米。阿代尔在专利证书上第一次使用“飞机”一词,并称飞机就是“会飞的机器”。接着,在法国国防部的支持下,阿代尔又制造了由两台15千瓦蒸汽机驱动的飞机。这架飞机于1897年利用斜面跳板起飞,曾离地飞行了300米,突然遇到一阵风,将这架飞机摔得粉碎。

与此同时,法国人还有其他方面的贡献。如拉克鲁瓦兄弟曾在1857年制出了分别以发条和蒸汽机为动力的模型,实现了离地飞行。14年后,佩诺德发明了橡筋动力飞机模型,能飞55米高。

看来,人类早期的飞行是充满艰辛和鲜血的。人们为此付出的代价决定了人们终究能够实现真正的飞行。

莱特兄弟

到19世纪末,随着科学技术的发展和人们对飞机的孜孜以求,真正的由人来驾驶和操纵的飞机已经是呼之即出了。而在世纪之交,一项非常接近成功的动力飞行试验就显得格外引人注目。这项试验是在美国史密斯逊研究院的院长塞缪尔?兰利的领导下进行的。

兰利在1890年前后开始进行飞行探索,而且他的方法与利连塔尔的滑翔飞行很不一样。他先是利用7350瓦的蒸汽机,带动一架直径为18米的水平螺旋桨产生人造风,来研究升力问题,然后又制造一些小的模型飞机,利用小型汽油发动机作动力,使小飞机绕着直径为12米的圈子飞翔。这为他之后的研究打下了良好的基础。

兰利又在1896年先后制出两架长达数米的大型飞机模型,在小蒸汽机的驱动下,分别飞行了800米和1200米。这是一个成功的创举。尽管有人说他跳过了载人滑行试验的阶段,但他成功的动力飞行在1898年初得到了美国国防部的5万美元资助,史密斯逊研究院也增拨2万美元,让他进行载人动力飞行试验。

终于在1903年,他花巨资将飞机造了出来。这架飞机长达17米,宽14.6米,使用了重量为100多千克的38千瓦汽油发动机。但奇怪的是,这年的10月7日,兰利的第一次试验安排在从波多马克河上的一艘船的前甲板上起飞。由于飞机前部被发射车卡住,结果连驾驶员带飞机都栽到了河里,几乎酿成惨祸。经过整修,飞机复原,同年的12月8日进行第二次试飞,遗憾的是,飞机刚一离开甲板,就又掉到河里,试验完全失败了。

多少年之后,人们才发现了兰利飞机失败的原因,而稍加修改和矫正,它也竟然飞了起来。但是,在19世纪末呼之即出的飞机,还是在几乎和兰利失败的同时被制造出来了。

1903年12月17日,莱特兄弟的载人动力飞机首次试飞,获得历史性的成功。这次成功发生在兰利第二次失败的9天之后及距他失事160千米的地方。

莱特兄弟生长在一个并不富裕的牧师家庭。当他们在分别只有7岁和11岁时的一天晚上,父亲突然把他们叫到起居室里,神神秘秘地对他们说:“我有件奇怪的东西给你们看。”说着,就把捂着的两手张开,只见一件小玩意儿飞了起来,直上天花板,飞了约1分钟,最后落到了地板上。

兄弟俩被这神奇的东西惊呆了。他们平时只见过小鸟、蝙蝠和一些昆虫能够在天上飞。他们怎么也没想到,这无生命的小东西也会自己飞起来。这小玩意儿原来是一件简单的橡筋动力直升机模型。他们于是模仿着做了好几架类似的东西,都飞得很好。从此,制造飞行器的理想就成了兄弟俩共同的人生目标。

他们虽上了高中,但没能拿到毕业证书,只得以修理自行车为生。经济的困境并没有阻碍他们对飞机的追求。他们收集和研究了许多有关飞行的书籍杂志,对那个时代的各种飞行试验非常了解。利连塔尔的不幸遇难使他们意识到,飞行的关键问题是左右侧向的平衡。

解决问题的思索是枯燥乏味的,没有非凡的意志和惊人的毅力,实在难以支撑下去。莱特兄弟在不断地尝试各种可能的设计。终于有一天,哥哥莱特在为顾客拿自行车内胎时,无意中发现扁平的包装盒是扭曲的,便突然想到:利用扭曲机翼的办法来控制平衡。为验证这一想法,他试制了一架1.5米的盒式风筝来模拟飞机,通过几根细线来控制风筝的飞行姿态,结果十分令人满意。一架载人滑翔机的构思已经完整地浮现于他们的脑际。

为避免利连塔尔的损失,兄弟俩用一种放风筝的方式来做试验。经过调查,他们决定到北加利福尼亚的吉蒂霍克,那里一片沙漠,没有树木,风速平均在每小时24千米左右。这架简单的滑翔机重量只有24千克,总共才花了15美元。他们把绳子的一端固定在地上,另一端系到飞机头部,一个人趴在上面操纵,随风力加大,飞机果然像风筝一样飞了起来。第二天,他们又制造了一架机翼面积更大的新飞机,曾迎风滑翔了120米远。后来,他们又花15美元,制造了一架由汽油发动机带动的高宽各0.4米的风洞,测试各种形状的机翼在不同迎角和流速下的升力表。到1902年,他们制造出的滑翔机已能迎着每小时560千米的风,滑翔180米了。

时间推移到1903年,他们自己动手制造了一台重约77千克的汽油发动机,并根据风洞升力表设计了螺旋桨,制成了一架载人动力飞机,于12月17日开始了人类历史上第一次真正的载人动力飞行。

其实,这次飞行没有太多的惊人之处。它仅升空12秒,飞了近100米。即使在同一天的第四次试飞,也仅升空59秒,飞行256米,第五次试飞,因遇风把飞机都吹坏了。但是,试飞毕竟成功了。从这一天起,人类的航空事业就飞快地发展起来了。

航空事业的飞速发展莱特兄弟的试飞成功,标志着航空技术的重大突破,之后的发展便呈现群雄并起、势不可挡之势。总的来看,大致经历了由业余竞赛到军用,再到商用与军用并举这几个阶段。

实际上,莱特兄弟的成功并未引起美国人的足够兴趣,他们不得不到欧洲寻求发展。1908年,哥哥莱特在法国勒芒市一个赛马场驾驶他的“飞行者”3号进行了九次飞行表演,创造了一次留空2小时20分30秒及飞行高度110米的纪录,震动了欧洲。随后,他们又应邀到各国首都进行表演,受到各国首脑的接见。这激起了欧洲人发展航空事业的极大热情。而在此之前,1908年的1月,法国人亨利?法曼曾驾驶加布里埃尔?瓦赞制造的“瓦赞”号飞机,首次完成了1000米闭合航线飞行。1909年7月25日,法国人路易?布莱里奥首次驾机从法国加莱飞到英国的多佛尔,飞越了英吉利海峡,创造了航空史上的奇迹。到1920年7月,法国人为纪念莱特兄弟对欧洲航空事业的贡献,而在勒芒市中心建起一座10米高的纪念碑。

任何事物在刚刚发展的时候,都有许多不足之处,这就为广泛的探索提供了机会。几年时间里,各种奇形怪状的飞机陆续出现,加上各种频繁的航空竞赛,更给飞机的发展“火上加油”。

法国在1909年8月举办为期一周的国际航空竞赛盛会,38架飞机参赛,有87架次飞行距离在48千米以上。莱特兄弟的飞机在这时已显不出它的特色来了。而法曼的飞机则创造了又一个崭新的纪录:连续飞行3小时4分56秒,航行180千米。美国柯蒂斯的37千瓦双翼机每小时飞行76千米,在速度上获得冠军。而莱姆森的飞机升到1384米的高空。每个项目的优胜者都获得了4万美元的奖励。在这个时期,也出现了其他各种飞机,通过竞赛,又淘汰了不少。

当世界历史发展到1914年,第一次世界大战的爆发使得航空工业被纳入各国政府的发展规划之中,并使飞机迅速被用到战争中了。