《飞机：技术发展历程》（一）

吴砺

                         《飞机：技术发展历程》（一）

翻阅《飞机：技术发展历程》／（美）安德森( Anderson，J.D.)著；宋笔锋等译，——北京：航空工业出版社，2012.6（AIAA航空航天技术丛书）

每次坐飞机，我对飞机的敬畏之心，决不亚于第一次看到飞机的山区没有读过书的老农。这很大程度上，因为我没有学过航空学的专业知识，而科普的一两篇文章，总让我觉得像一个五岁小孩一样茫然无助……我对那样一个金属盒子像鸟儿一样飞翔，一直觉得不可思议……

理解为什么飞机能够飞起来，以及如何适应大自然的法则，从而能够改善飞机的飞行，对所有人都是不易的事。“航空史学家理查德·史密斯曾说过一句名言：‘飞机为科学所做的贡献，要比科学为飞机所做的贡献大得多。’”P157

一年前，我的老同学刘伟先生，用一周时间带我在美国西雅图游山玩水；加上我的老朋友郭若驹先生，又带我在波音公司飞机装配车间走了一圈，大大的激发了我学习航空科普书籍的兴趣。于是，我买了这本书。只是我278页的16开的科普读物，我读到了188页，竟然放下来了……因为我略知了一二，就放下了，毕竟这样的技术书籍读进去，还是要毅力的，可我却是世界上最缺乏这种精神的人……

你或许说，飞机技术关你什么事？老实说，我也只是三心二意的新知识的爱好者……本质是一个俗人，现在我想写什么才会读什么，这有用……如同一个人到市场上买什么鱼，一定是想吃什么才买什么，只是偶尔会看到没有吃过的鱼，才会去买下来尝鲜……

只是我一走进书店，真恨不得变成一个粉碎机，一口气将书架上我感兴趣的全粉碎，吃过肚子里……

好奇心是儿童的重要标示，一个人有童心，意味着好奇心还没有消失……

任何一个对人类历史感兴趣的人，一定时常从内心深处感受到这过去一百多年，人类在技术上的进步让人觉得不可思议震惊而畏惧……

我们任何人都不可能拥有这些知识的万分之一。文艺复兴时代中世纪那些通才，不会出现了……人类的知识，真正变成了所有人面前的真正的知识海洋。

奇怪的是，我们现在网上常看到还有人，沉浸在几十年前的观念中……

看这样的技术进展过程，看人类的天才们怎样突破一个个的技术关口，这真的是一个激动人心的阅读过程。读完这本书，飞机将不会再是一个唐突的天外来客……

不过，对飞机有如此的安全性，我仍是心存敬畏之心……怎样的人类的人才梯队，才能实现这样空中的奇迹啊……

我记得二十年前，我的一个学生就问我：你看的各种杂书，是不是对你工作中的一系列的发明专利有潜意识里面的启发作用？

或许真是有。最大的收获，或许是不会为现有的思路所束缚，总是本能的想超越一切已有的技术方案——这一点极重要：若你根本不想超越，则不会有新主意生成的……

工程师们从盲人摸象般的凭直觉造飞机开始，几十年至上百年中的天才们并不连贯的努力，最终使人类在天空中如履平地，这真是大自然最不可思议的事情……

人类的伟大，让我不可思议，他们的愚蠢和血腥同样的让人不禁无言以对……我从少年开始到现在，一直吃惊于人类的历史……

众多的领域，都可以让我们每个人作为旁观者了解，只是他们实在是太多了……但我们人类在天空中飞翔，永远是不可思议……

我也震惊这本书的作者描写飞机技术历史的能力……

我每次坐飞机，几乎总是一刻不停注视着窗外的天空、云层和大地，从来没有看够……这些景色，过去只有住在高山之上的人类，才能看到其中一小部分……

飞机又让人们想到了二战期间成千架飞机出动，去轰炸平民……最不可思议技术，成为最有效的屠杀工具，也同样让人不可思议……

人类真是太让人不可思议……

这本书中文译者前言有一段话说：

“相比欧美等发达国家，我国并没有系统地经历科学革命和工业革命的洗礼。科学技术和工业基础落后，是导致我们高端制造业发展缓慢的原因之一。科学技术的进步非一朝一夕之力。通常来讲，一个产业发展所依托的先进技术至少需要10 – 20 年的储备周期。”

需要10 – 20 年的储备周期，对飞机制造完全不够啊。中国正在开发中型客机C919，90%核心技术和部件仍是进口的。我们只是在学习民用别人飞机部件自己组装，距离全部自行设计，非常遥远……

本书作者小约翰·D．安德森在前言中写道：

“约翰·麦吉少尉在1941 年 9月写下了一首著名的诗篇《高高翱翔》，该诗的开场白为：

‘嘿！我已挣脱地球的桎梏，

伸展欢乐的银色机翼在空中飞舞。’

希望大家在读这本书的时候，能感受到上面诗句的意境。更重要的是，在看完这本书时，我希望大家能够对过去的两个世纪里，发明家和航空工程师们为挣脱‘地球的桎梏’设计建造飞行器并最终成功制造成‘欢乐的银色机翼’所做的艰辛工作有更好的理解。”

书中对莱特兄弟介绍文字我是第一次看到，我也在我的这篇评述重点放在他们身上，因为他们开创了一个新的历史，我从这本书先摘录如下评述：

“维尔伯和奥维尔从来没有正式地从高级中学毕业，大学就更谈不上了。维尔伯曾在印第安纳州里士满的中学上学，当时他们家住在那里。他是一个聪明的学生，学习了希腊语、拉丁语、几何、自然哲学、地质学和写作等课程，学习成绩优秀。此外，他还是一个优秀的体操运动员。维尔伯表现优异，米尔顿和苏珊本来准备送他去耶鲁大学。不幸的是，1884 年 7月，在维尔伯即将毕业之时，米尔顿出于政治考虑，突然举家搬到了代顿。维尔伯为此不能完成毕业所需的课程，也就不能参加毕业实习。因此，维尔伯从来没有获得过毕业证书，也没有机会去耶鲁。然而，维尔伯坚持学习，其最终的阅读水平高于大部分的大学毕业生。

奥维尔在代顿中心高级中学上学。和维尔伯相比，奥维尔不是一个表现突出的学生，他的成绩处于中上等，可是他善于经营。不像维尔伯，他对接受高等教育不感兴趣。就在他准备继续上高年级时，他的母亲去世了。不过他决定不返回学校的主要原因是，他选了几门特殊的高级课程，结果达不到毕业所需的学分。由于不能和其他同学同时毕业，他决定放弃学业。奥维尔对印刷业很有兴趣，并且将兴趣转化为行动，包括创建自己的印刷厂。然而，他在印刷业的商业冒险并不成功。简而言之，首架飞行器的发明人从来没有获得过高级中学的毕业证书。

到 1892 年，维尔伯和奥维尔俩人都成为了自行车的狂热爱好者。1892 年 12月，他们在代顿的西三街开了一家自行车铺。刚开始时，只销售和修理自行车。到 1895 年，他们开始制造和出售自己设计的自行车，这是一个利润丰厚的行业。1890 年，自行车已经成为当时主要的交通工具，在19世纪90 年代达到高峰，当时美国有300家公司每年制造超过100万辆的自行车。莱特兄弟设计与制造自行车的天赋对于他们后来的飞行器工作具有重要影响。彼得。雅各布在他的权威著作《飞行器的憧憬》中，准确地总结了当时的情景：

当主要的自行车制造商借鉴枪械和缝纫机行业的经验，开发批量生产技术时，菜特兄弟仍旧保持小规模生产，并且继续手工制作。正当制造业逐渐机械化并即将迎来 20世纪的时候，莱特兄弟继续保持经典的手工制作传统，认真地完成每一个零件。专注于细节和手工制作，是菜特兄弟飞行器的一个特点。飞行器上的每一个零件都要精心地设计和仔细地加工，以发挥特殊的不可或缺的功能。20世纪如此具有影响的发明，居然由一个坚守19世纪工艺的人创造，多少有点讽刺意味。

莱特兄弟的身上同时体现了19世纪的另一个现象，即他们属于自学工程师一类，没有受过大学高等教育，却推动着具有重大意义的工程行业的进展。英国航空界最初也是由这样的一群人组成。航空工程师的称呼开始出现，李林达尔和陈纳在他们的著作中开始使用这个称呼。然而，莱特兄弟是第一个真正意义上值得被称为航空工程师的人。”P060

“从前面的叙述中，我们可以看出，当莱特兄弟开始研究航空时，航空领域的研究已经具备了一定的基础。事实上，他们继承了前人的技术积累，这些积累在内容与思想等许多方面十分丰富，并且给莱特兄弟指出了一个大概的发展方向，使他们最后取得成功。彼得，雅各布在《飞行器的憧憬》一书中，用下面的话进行了概括：

在莱特兄弟开始研究飞行器之前，航空领域已经进行了大量的研究，对于关键技术已经有了研究基础，这些对于下一代研究者是十分宝贵的财富。发明飞机的情形，就像在草堆里找针，现在最起码已经知道要在哪个草堆中寻找了。

雅各布就前人研究成果对莱特兄弟的影响，还发表了如下观点：

他们的前辈们，做了很多工作去揭示基础问题的本质但并未给出答案，他们在失败和误解中摸索前行，这些有助于莱特兄弟迅速地将精力集中在需要解决的基础问题上。莱特兄弟完成的许多工作具有独创性，但是19世纪后期的研究，的确给他们一些有用的帮助，并且把他们从许多无结果的研究思路中解救出来。如果莱特兄弟出生在19世纪早期，根本无法确定他们能够避开某些绊脚石，而这些绊脚石在19世纪中期才开始被研究。莱特兄弟的天分是毋庸置疑的，但是没有理由相信，他们的天分能在毫无基础的条件下得以发挥，在任何时候开始研究都能成功地发明飞机。

当时的航空学科已经具备迅速发展并成功的条件。莱特兄弟是恰当时机中恰当的人选，他们利用了自身天分的发明能力抓住了机会。如果莱特兄弟没有从事航空研究，飞机很有可能10 年后出现在欧洲。这一点最终被证实，第一架可信的飞机飞行发生在1907 年的欧洲，该飞机有点笨拙，起名为‘14 –比斯’，由活跃的巴西工程师桑托·杜蒙发明。第一次飞行是在1907 年 9月13日，仅飞行了7m，但是10月23日的第二次飞行飞了接近60m，超过了阿奇迪肯奖首次飞行的25m。此后，桑托·杜蒙采用八角形副翼，在12月12日飞行中飞行了220m，留空 21. 2s。这是欧洲官方记录的第一次动力飞机飞行，由于当时很多人没有注意到莱特兄弟，桑托·杜蒙被许多人认为是发明重于空气的带动力飞行器的第一人。几乎就是在同一年，法国人觉得飞机已经在法国发明了。尽管，14 –比斯飞机不是—架实用的飞机。然而，有一点可以肯定，如果没有莱特兄弟，飞机将由别人在20世纪早期发明。

然而，莱特兄弟是发明飞机的第一人，他们快速地完成了这项工作，完成了1903 年 12月17日的历史性飞行，从维尔伯·莱特给史密森尼学会写信至此才用了4 年多一点的时间。他们的成功不仅仅是由于他们的天赋，也因为他们有一套不同于任何前辈的工程工作方法。雅各布用下面的话，对此进行了最确切的描述：

仔细研究他们的工作方法，很明显具有许多特殊的个人色彩、天生的才能以及独特的研究技术，当这些东西以特有的方式聚在一起，就能解释为什么是这两个人发明了飞机。简而言之，莱特兄弟具有一套行之有效的工作方法，这些方法与揭开飞行秘密有着直接的关联。P063

莱特兄弟对飞机技术有什么贡献呢？这似乎是一个不需要回答的反问句，因为本章介绍的全部内容就是：莱特兄弟通过设计变革，最终制作成了首架成功的飞机。回顾一下，1903 年莱特‘飞行者’的许多方面都代表了当时成熟技术的应用。双翼飞机布局可以追溯到乔治·凯利时代。莱特兄弟使用的弯曲翼型来源于霍雷肖·菲利普斯和后来李林达尔的研究。大展弦比机翼空气动力学的优势被弗朗西斯·韦纳姆发现，并由塞缪尔。兰利试验确认，尽管后来莱特兄弟似乎是在自己的风洞试验中再次发现了这一规律。他们的结构设计在很大程度上借鉴了陈纳的经验。他们使用的汽油内燃机由塞缪尔·兰利提出，由螺旋桨产生推力的思想来源于塞缪尔·亨森和乔治。斯特林费洛。需要水平和垂直尾翼保持纵向和航向稳定性及控制也起源于凯利，阿尔方斯·佩诺对此贡献很大，尽管莱特兄弟首次将水平舵面放在了机翼之前（鸭式布局），并且莱特兄弟强烈抵制当时流行的将飞机设计成固有静稳定性的思路，他们有意将飞机设计成静态不稳定。鸭翼翼面以及固有的不稳定设计，实际上20世纪所有的飞机设计师都未采用。直到最近，由计算机控制的电传操纵和一些小型鸭翼组件，这两项新的设计技术在现代战斗机上开始使用。因此，1903 年莱特‘飞行者’没有显著特征，对飞机技术未做出新的贡献。

然而，莱特兄弟成功地做完了所有事情，他们成功设计了第一架航空系统，该系统的空气动力、推进、结构和飞行控制系统等协同工作。这是莱特兄弟对飞机技术三个贡献中的一个，即认识到飞机是个系统，所有的部件都必须成功地在一起工作。

第二个贡献是，虽然其他人也使用螺旋桨产生推力，但他们将螺旋桨理解为弯曲的机翼并且发展了第一个实用的螺旋桨设计理论。每一个成功的螺旋桨飞机都体现了莱特兄弟创新的螺旋桨设计方法。

最重要的是第三个贡献，成功地设计了飞机三轴飞行控制系统，并且特别注重横向（滚转）控制。他们绝对是第一个认识到，当飞机转弯时需要将升力方向调整至转弯方向。他们用来进行横向控制的机翼扭转装置不久就被其他的飞机设计师用副翼取代了。然而，自从1903 年莱特兄弟之后的每一架成功的飞机都具有某种形式的横向控制装置，这是莱特兄弟为飞机技术所做的独一无二的贡献。莱特“飞行者”绕着俯仰轴、偏航轴以及滚转轴漂亮的操纵控制如图4 – 23所示。这张图显示了莱特兄弟对飞机技术永恒的贡献。P090

如果我是中国现在的教育部部长，我会把这本书列为中国中学生课外必读的书籍之一。

吴砺

2019.12.9