《飞机：技术发展历程》（二）

吴砺

                         《飞机：技术发展历程》（二）

附《飞机：技术发展历程》摘录：

“20世纪人类在科学技术方面最伟大的贡献之一，就是发明了飞机。1903 年 12月17日，美国莱特兄弟驾驶自己制造的飞机从北卡罗来纳州基蒂霍克飞入空中，实现了人类首次持续的动力飞行，从此开创了人类航空史的新纪元。2003 年 12月17日是人类动力飞行 100 周年纪念日，这本书就是为这个特殊的日子而撰写的。

该书作者是航空界最受尊重的专家之一：小约翰D．安德森。安德森博士早年毕业于佛罗里达大学，获得航空工程学学士学位；然后在俄亥俄州立大学获得航空航天工程学博士学位。他也曾在怀特，帕特森空军基地航空航天研究实验室和美国海军军械实验室从事过10多年的航空工作。他是美国航空航天学会( AIAA)的荣誉会员，

该书主要介绍的是关于飞机技术的发展史，从莱特兄弟之前的几个世纪讲起，一直讲到今天。全书共分为7章：第五章为导论；第2章介绍19世纪以前的航空发展；第3章介绍19世纪的航空进展；第4章介绍莱特兄弟的“飞行者”飞机；第5、，6、7章分别给出了双翼飞机时代、螺旋桨飞机时代及喷气飞机时代的飞机技术发展。在叙述过程中，作者将设计师和工程师们在科学理论上的突破与具体实践相结合，给我们展示了一段清晰的飞机技术发展历程。全书通俗易懂，对于非航空专业读者与航空专业读者均不无裨益。P000

没有1000 年的工夫，人类难以实现飞天梦。

维尔伯·莱特在一时绝望中的感慨

1901 年

星期四上午进行了4次成功的飞行，都是在时速21mileCD的风速下、单靠发动机动力水平起飞的。最长飞行时间为57s，平均时速为31mile。告知新闻报社，回家过圣诞节。

奥维尔·菜特

一份原文带有印刷错误的电报

（奥维尔·莱特发给他父亲的电报）

1903 年 12月17日P001

然而，与普遍的看法相反，飞机并不是莱特兄弟发明的，但是他们发明了第一架带动力成功飞行的飞机。飞机这个概念早于莱特飞行 100多年就已提出了，莱特兄弟继承了一个世纪以来航空研究与发展的前期成果。到 20世纪初，实现动力飞行的时机成熟了。P002

这次飞行的意义是重大的。这是历史上重于空气的动力飞行器第一次成功实现了持续飞行。它向世界证明了动力飞行的技术可行性是不必怀疑的，这对于莱特兄弟有着重要影响，莱特兄弟随后也认为这种技术可行性是理所当然的。兰利的Aerodrome 5号和莱特兄弟的“飞行者”一同被存放在国家航空航天博物馆里。直到 1896 年，一些人明确意识到当时离成功发明有人驾驶飞机其实已经近在咫尺。但是这个荣誉不归兰利所有，虽然他最终设计出了一个更大的载人Aerodrome，然而他1903年的两次单独试飞均以失败告终（原因将在第2章中讨论）。

相反，莱特兄弟通过他们的独创性、献身精神和毅力，最终发明了第一架成功飞行的飞机。事实上，现在所有常规布局的飞机都有着与莱特“飞行者”同样的基本组成部分——用来产生升力的机翼、水平尾翼和垂直尾翼，以及产生向前推力的推进装置，甚至还包括根据飞行员意愿来使飞机做滚转、俯仰和偏航运动的控制设备。尽管具有划时代意义的第一次飞行（1903 年 12月17日，斩魔山）仅持续了12s，尽管在当天上午接下来的3次飞行中，最长时间为59s，飞行航程为852ft。然而，到 1905 年，莱特兄弟改进的飞机在空中最长停留时间已达到了38min，飞行航程达到了24 mile，最后只是因为燃油耗尽而不得不降落。P003

本书介绍的是关于飞机技术的历史，本来是面向非航空专业读者的，但是，对于航空专业读者来说，里边的故事也同样有趣。本书的飞机技术史将从莱特兄弟之前的几个世纪讲起，一直讲到当今。

飞机技术的历史就是空气动力学、动力、结构及材料、飞行控制的进步史，他们是动力飞行的4项基本技术特征。P003

从古希腊到 20世纪，科学史有一个共同的特征，即通常在学者和技工之间存在着文化上与形式上的教育差距。学者通常努力去推动对科学知识的理解，而技工则努力设计工具，并使其能够工作。除少数例子外，这两种文化并没有相互交流，因此长期形成了一种技术转化的鸿沟，直到20世纪这个鸿沟才似乎得以消除。在19世纪，两者的对立依然存在，但各自和谐发展，推动了航空的进步。例如，在19世纪，人们对流体力学学科基本理论的认识取得了很大的进展，代表性的人物有：巴黎高等理工学院的路易斯。纳维；剑桥的乔治，斯托克斯；柯尼斯堡大学、波恩大学、海德堡大学和柏林大学的赫尔曼·冯·亥姆霍兹，以及曼彻斯特大学的奥斯本·雷诺。这些都是接受过大学教育的学者，他们当中没人对飞机有丝毫的兴趣。事实上，从开尔文勋爵的声明中反映出对航空工作的蔑视：“除热气球外，其他空中航行一点都不靠谱。”开尔文对此事的看法也代表了当时的主流观点。

另一方面，一些技工正在努力地去理解飞行的基本规律，这样他们才能成功地制造飞机。这些人包括：英国的乔治。凯利、弗朗西斯。韦纳姆、霍雷肖。菲利普斯以及海勒姆·马克西姆，他们并没有接受过大学教育，但通过自学，他们掌握了大量知识。此外，这些专注于技术的技工们也试图将对飞行物理定律的直觉理解运用到飞机设计当中。1866 年，大不列颠航空学会成立了，其成立的目的是鼓励这些研究人员进行讨论及交流。最终，在这个航空工程技工团体当中，航空工程专业的雏形慢慢形成了，但是在这个过程当中，学者们并没有做出任何贡献。例如，整个19世纪存在着学者们快速发展流体动力学和技工们迫切需要了解空气动力学应用规则之间的巨大鸿沟。这种技术转化的缺乏严重影响了莱特兄弟对最先进技术的继承。我们将在以后章节里更加详细地介绍该鸿沟。

让我们开始讨论早期的飞行技术吧！在你读完这本书之后，我希望你下次登上一架飞机时，你会感受到它的技术发展历程。如果你能做到这一点，那么我的目标就实现了。P006

人类的智慧可以制造出各式各样的发明，为了达到同一目标往往会使用各式各样的器具，但这些发明永远不会比自然界所创造的事物更美丽、更经济或更直接，因为大自然的创造完美无瑕：  多一分则损，少一分则亏。

列奥纳多·达芬奇

15世纪

（摘自达芬奇手稿，现存放在英国英格兰温莎市的皇家图书馆）P007

然而，在航空史上，特别是在飞机技术的发展史上，高台跳跃者们没有做出任何贡献。P008

在写这本书的时候，还没有人成功实现人力扑翼飞机飞行。在飞机技术的发展过程当中，扑翼飞机同样没能做出任何贡献。P008

人类真正离开地面进行自由飞翔的时间是1783 年 11月21日，当时一个气球搭载着派里特·德，罗齐埃和马奎斯。达尔郎德升到空中，并在巴黎上空飘行了Smile（见图2-5）。该气球下面有一个大柳条筐，里面燃烧着一团明火，该火团引起的热空气使气球膨胀并飘浮在空气中。气球的设计和建造是由蒙哥尔费兄弟（约瑟夫和埃田尼）来完成的。1782 年，约瑟夫，蒙哥尔费注视着他的壁炉，然后构想出利用来自火焰热空气的“升力能量”可以把人从地球表面举起来。于是兄弟俩便立即开始工作，利用纸和亚麻制成的袋子进行实验，这个袋子用来把火焰产生的热空气限制在里面。在阿诺奈，约瑟夫和埃田尼曾经一直在他们父亲的纸厂从事纸加工工作，所以对材料非常熟悉，并且掌握了建造气球的技能。他们的气球曾公开进行过几次没有乘客的飞行演示，其中搭载过一个笼子进行了8 min的航行，笼子里边装有一只羊、一只公鸡和一只鸭。在此基础上，蒙哥尔费兄弟准备再向前迈出一大步。1783 年 11月21日下午 1：54，第一次载多人飞行的气球庄严地升到了空中，并持续飞行了25 min。这是人类有史以来第一次离开地面升到空中，并能持续停留在空中一段时间。在这以后不久，法国著名的物理学家J．A。C查理（物理学上查理气体定律的发现人）在巴黎杜乐丽花园建造了一个填充氢气的气球，并于1783 年 12月1日进行了试飞。

人类终于离开了地面！虽然气球或者蒙哥尔费兄弟所谓的“航空机器”，这些都没有能给飞机带来真正技术层面上的贡献，但从另一方面来看，它们却带来了一个巨大的影响，即引起了公众对空中飞行的兴趣。气球生动地证明了人类可以真正长时间地离开地面，去体验在此之前只有鸟类才能感受到的飞翔感觉，这是之后超过100 年时间内唯一的飞行方式。P019

总之，凯利为飞行器设计做出了重大且不可磨灭的贡献，相比较而言，此前的设计师们的贡献显得非常苍白。正如法国航空史学家查理，多尔富斯在1923 年所写的那样：

飞机起源于英国、：实质上几乎所有的构思都来源于乔治·凯利，一位 19世纪前叶英国伟大的工程师。然而，凯利这个名字鲜为人知，即使在自己的祖国也是如此。这位航空天才的工作虽然少为人知，然而通过研究他的著作，人们发现他将自己的发明创造力、逻辑思维和判断力展露无余，也由衷地让人钦佩。这位第二帝国时期的伟大工程师不仅发明了现代意义上的飞机，而且意识到航空问题须划分为理论研究和试验验证两方面，带动力的滑翔机便包含这两方面。乔治，凯利本人为航空率先进行了空气动力学试验。P024

对纵向稳定性设计准则的基础研究是佩诺对航空发展的最大贡献。再回到凯利1804年设计的滑翔机（见图3 -1），它设计有一个具有正迎角的很大的平尾，这使得机翼的压心必须位于重心之前，我们可以看到凯利的设计完全背离了这一设计准则。凯利的滑翔机飞出了自己预期的效果，但是它纵向是不稳定的。佩诺给出了迄今为止我们仍然采用的保证飞机纵向稳定性的设计准则，而且，他在稳定性问题的理论和实践方面都是成就斐然。因此，佩诺被誉为航空巨人之——与凯利、莱特兄弟齐名。P030

由于失望、抑郁和疾病困扰，佩诺感觉自己失去了所有的希望，于1880 年 10月自杀，结束了自己年仅30岁的生命。但是他已经在航空史上留下了自己的印迹。他的工作并没有因为他的去世而被束之高阁。相反，他的研究广为人知且深深影响着之后的航空研究者，至今依然如此。凯利的工作因为没有理论依据到 1870 年时已经变得黯淡无光，而佩诺的研究却被之后的航空研究者所熟知。具有讽刺意味的是，事实上直到生命后期，佩诺才了解凯利的研究，因此也做了一些重复工作，但后来重新燃起了人们对凯利及其工作的兴趣。最终，佩诺极力推崇凯利并重塑了凯利在之后研究者中的声誉。

佩诺的英年早逝给19世纪的航空发展带来了沉重的损失。他在很多方面来看都是一个航空天才，他或许会促进。或许可能（如果不是他过早结束了自己的生命）  自己会在莱特兄弟之前就能成功实现动力飞行。但是，谁又知道呢？P031

因此，我们可以看出19世纪的学术圈一直致力于对流体动力学的研究，使其发展到了相当成熟的水平。但是这些理论研究者们却没有兴趣把技术转化到飞行器的发展上去。这些科学家，包括当时的大部分公众，都认为发明飞行器的人精神有问题，是在浪费时间。在19世纪，对飞行器设计的尝试与努力都不受欢迎。这可以从著名英国科学家开尔文勋爵的评论中看出来，“除热气球外，其他空中航行一点都不靠谱”。开尔文只是反映了当时人们对航空发展的主流看法。

文化的差异也是一个重要的原因。流体动力学的研究者都是受过大学教育、处于学术前沿的学者。飞行器的发明家大都是自学成才的人，虽未受过大学教育，但他们有着良好的阅读能力且知识渊博，如乔治·凯利。这两类人之间存在着巨大的分歧。19世纪早期的飞行技术丝毫没有得益于同时期相对成熟的流体动力学的发展。实际上，下面我们将会看到飞行器设计完全沿着另外一条路在发展。P032

虽然历史上第二个风洞较之第一个风洞有了很大的进步，使得菲利普斯在航空史上占有一席之地，但是他对航空发展的主要贡献是他利用风洞得到的结果。因为对韦纳姆的平板升力面模型感到不满意，菲利普斯使用了带弯度的翼型。受鸟翅膀形状的启发，菲利普斯设计了一系列的带弯度翼型，且上翼面的曲率大于下翼面——被称为“双曲面”翼型，图3 -14给出了几个此类翼型的形状。P036

菲利普斯因为历史上第二个风洞和对带弯度翼型的设计与试验而广为后人知晓，后来他自己也成为飞行器设计的研发者。P037

以这些鸟类为设计蓝本，阿代尔制作了一台非常类似蝙蝠的飞行器（见图3 -17）。这台名为“风神”( Eole)的机器诞生于1890 年，其翼展约有50ft。它是一架靠与蒸汽机连接的牵引式螺旋桨提供动力的单翼机。的确，阿代尔设计的这款能提供20hp的轻型蒸汽机非常棒，这也是到目前为止他对于飞机唯一真正的技术贡献。1890 年 10月9B，于阿曼维利耶的一个城堡的广场上，阿代尔驾驶着Eole，在滑跑90ft 之后，成功地飞离地面。它在天空飞翔了165ft后着陆。这是世界上第一架能够操控的、并依靠自身动力成功飞离地面的飞机，就此而言，阿代尔还是有点贡献的。但是．Eole上并没有任何有意义的飞行控制装置，如方向舵。除了推力装置，阿代尔所设计的飞机都在尽可能地模仿蝙蝠翅膀的运动。正因为如此，尽管有Eole已成功试飞，但是阿代尔与他的机器没有对飞机技术做出有意义的贡献。

令人意外的是，阿代尔获得了法兰西军部的资助，制作了一架更大的新飞机。他在Eole 之后，设计了一台名为“艾维Ⅲ”  (Avion Ⅲ)的新飞机。该机的翼展为56ft，重约9001b，带有两台20hp的蒸汽机分别用以驱动两个牵引式螺旋桨。阿代尔的机器的动力负载是22. 51b/hp-与马克西姆的机器相当，能够给试飞提供充足的动力。在这之前的Eole有差不多的动力负载，这很可能是它能够上天的原因——靠蛮力。Avion Ⅲ分别在1897 年的10月12日和l4日进行了试飞，不过都没有成功。阿代尔的尝试被加入到了19世纪的失败行列。P041

李林达尔最大的贡献是用空气动力学试验证明了在平直机翼中采用带弯度翼型的优越性。尽管霍雷肖·菲利普斯在李林达尔之前已经对带弯度翼型进行过试验，并为其 申请了专利，但他并没有足够的数据来证明这些翼型的可行性。然而，李林达尔填补了这方面的不足。而且我们应该感谢李林达尔为带弯度翼型制定了规范，遵循这一规范对世纪之交的飞机成功试飞起到了积极的作用（李林达尔对菲利普斯的翼型一无所知，直到他在1889 年整理一项德国关于带弯度翼型的专利时才发觉；之后，他就撤销了自己对该项专利的申请）。

李林达尔的另一项突出贡献是他在试验中采用空气动力系数来记录空气动力数值。不同于公布实际测得的空气动力数值，李林达尔将机翼在各种迎角下测得的空气动力除以机翼在90。迎角（即机翼垂直于来流时）测得的空气动力。这些无量纲的比值称为力系数，它们的值与迎角有关。如此，李林达尔所定义的系数就没有斯米顿系数的不确定性，而且与速度无关。当采用系数表示空气动力之后，斯米顿系数表示法和速度表示法就逐渐地销声匿迹了。在现代的空气动力学中，我们往往专门用升力系数和阻力系数来处理升力和阻力，这种实用方法，我们可以追溯至李林达尔。李林达尔的许多试验数据被广泛地以系数表格的形式广为传播，这种表格被莱特兄弟和其他学者命名为“李林达尔表”。李林达尔表就此闻名于世。

李林达尔对空气动力学有深远的贡献，但从飞机技术发展的历史长河来看，他还有另外一个身份——第一架实用滑翔机的发明者、制造者和试飞员。P042

吴砺

2019.12.9