从古代中国四大航空发明到世界首次载人可控

张聚恩/文

技术原指技能和手的技巧。随着文明的进步,技术被定义为,人类为了实现社会需要(生产产品、提供服务或完成特定的目标)而创造和发展起来的手段、方法和技能的集合,或称“技术是为某一目的共同协作组成的各种工具和规则体系”(法国狄德罗语)。

人类为了自由地翱翔蓝天,从远古和农耕时代开始,奋斗了几千年。早期,产生了不少航空发明技艺,可以将它们看作初始的技术。但由于航空的复杂性,只靠这些初始技术,人类无法实现飞行的梦想。直到工业时代,在航空科学的指引下,依托工业革命带来的技术进步,经一大批技术先驱和无数航空人士的戮力奋斗,终于在年前,美梦成真。

令人惊叹的是,在这段只有百余年的短暂历史里,一个辉煌的现代航空产业形成,并正以旺盛的活力继续发展。其中,起决定性作用的是在工程的旗帜下集结而成的航空技术体系。科学哲人主要用他们的头脑,发现事物内在的规律,建树起一个个定理、定律、方程,指引着解决问题的前路。技术先驱们则将用脑和用手(广义的手)结合在一起,巧妙地解决一个个工程问题,把美好的创意变成可以实用的航空产品。

科学揭示规律,科学指明方向,但科学不会自发地生成技术,技术必须依靠像莱特兄弟这样懂科学的聪明人、勤奋者、勇敢者,去探索、去发明、去创造。技术的鲜明指向性、目的性,决定了技术是解决现实问题之道,而这也正是技术的神奇之处。任何时候都不能鄙薄技术,尤其是在强调科学与基础研究重要性的时候,不能走到另一个极端。有一种观点,似乎只有科学突破,才有原始创新和自主创新,技术自身则不能,这是片面的,也是十分有害的。

与科学史相较,技术史呈现不一样的风貌。如果说航空科学史是巨擘擎天,那么航空技术史则是星光灿烂。航空技术蓬勃发展的时间虽不长,但事件多、人物多,不断积淀,相互迭代,对其发展进程的描述也是见仁见智。我试图从进步足迹、里程碑事件、重大技术发明和影响深远的技术思想与实践这几个不同维度,去挑选那些最重要的事项。其中大部分已为定论,少部分是我的认知,系挖掘与思考所得,不尽同于人。

简史以时间(如非确需,只写年份)为轴,以事件为主、辅以人物来引出技术,大多对应物化产品或系统,少数为技术思想或实践。在每一选项里,简释该技术的含义与作用,并简要评介后续进展及相关人物的贡献。尽量简略文字,压缩篇幅,以便于阅读。

希望得到指正和补正。通过共同努力,准确认识航空技术史。奋斗在强国征程上的国人,需要更多地了解航空,而宣传普及航空科技,包括发展进程,我们航空人责无旁贷。

飞机的发明是20世纪最重大的科技成果之一,是集众多领域技术之大成的综合体。20世纪前半叶的两次世界大战,极大地促进航空技术发展,全金属飞机、单翼结构布局、可收放起落架、密封式座舱、承力蒙皮结构、变距螺旋桨、航空无线电、自动驾驶仪等先后出现。40-50年代发动机技术的巨大进步,使航空从活塞时代走进喷气时代。80-90年代电子信息技术迅猛发展,给航空带来划时代的变化。近30年来,军用、民用航空技术仍在快速发展和进步,给航空业不断注入新的发展活力;以战斗机为代表,步入第五代装备的新阶段,民机在大型化、安全性与经济性方面也取得跨代式提升。按照上述脉络,精选了50件重大事项和50位杰出技术先驱,构成极简航空技术史。

(1)古代中国的四大航空发明

古中华、古希腊、古罗马,都有大量美妙的飞行神话,但大多是头脑中的臆想和口口相传的故事。真正有意义的是古代中国先后诞生的四项有实物依据的航空发明——风筝、竹蜻蜓、孔明灯和爆竹。令人称奇的是,这四大航空发明所蕴含的科学元素及内在的学理逻辑,恰对应四类现代航空器——飞机、直升机、浮空器和火箭,堪与古代中国四大发明(指南针、造纸、火药、活字印刷)相映媲美。但令人扼腕叹惜的是,宋代之后,中国人活跃的创新思维与活动戛然而止,上述精巧绝伦的发明也被定格在技艺层次,而非提升到技术层面,更遑论科学的高度,以至世界航空发展史上鲜有中国人的名字与业绩纪录。这一现象值得我们深思,在21世纪人类又一个航空百年中应有所改变。在进入新世纪以来,头20年开局不错,后80年仍需奋进。

(2)达芬奇的航空创意设计

-这十年间,意大利的达芬奇(-年)阐释鸟儿飞行,做出固定翼滑翔机、旋翼机和降落伞等大量创意设计,累计达字。遗憾的是,这些宝贵财富,直到年方才公诸于世。但后世的人们,仍能从达芬奇超越时代的非凡想象力与创造力中,汲取灵感和教益。

(3)气球使人类首次离开地面

年,法国约瑟夫蒙哥尔斐和艾迪安蒙哥尔费兄弟制作的热气球实现人类的首次载人飞行;弗朗索瓦德罗泽尔成为乘坐热气球升空的第一人。同年亨利查理研制出利用氢气的气球,亦称“查理气球”,首飞成功。年,法国人皮埃尔布兰卡德实现气球的空中操控。年,布朗夏尔和助手乘自制氢气球,飞越英吉利海峡。法国是气球发展与应用的热土,甚至组建了最早的气球部队。

(4)真正意义上的首个航空器问世

年,英国乔治凯利制作了表面积达28平方米的滑翔机,堪称历史上真正意义的首个航空器。他既是对航空发展有拨正船头之功的科学家,又是才华罕见的实践家。年,凭借他的滑翔机3号,在公众面前,表演了人类首次载人飞行。莱特兄弟认为凯利是重于空气飞行器的真正先驱。在航空技术发展的长时间里,滑翔机发挥了极其重要的作用。在该领域的杰出代表当属德国的奥托李林达尔。他深入研究鸟类的飞行,并从年开始,制造了多架滑翔机,先后完成了两千余次飞行,积累了丰富研究成果和试飞数据,年8月10日,因前一天飞行试验时失速受伤不治而献身。年,另一位德国人珀西皮尔彻也因滑翔机试飞而牺牲,而他生前已经创造了滑翔飞行米的记录,他的使用小型重油发动机的单翼机已经接近成功。

(5)世界首例重于空气的飞行器设计专利

年,英国威廉姆塞缪尔汉森申请的以螺旋桨驱动的“空中蒸汽车”设计专利被授予。这项设计的研制实验失败,仍具有划时代意义。年,俄国莫扎伊斯基获得发明“空中飞行器”(飞机)的俄国专利权。

(6)飞艇的出现与商业航空的初兴

年,法国的亨利吉法德完成蒸汽动力飞艇的可操纵飞行,这也是人类的首次有动力航空器飞行。年,德国费尔南德齐伯林制造的世界第一架硬式飞艇首飞成功;年他创立以飞艇为工具的航空运输有限公司,商业航空初兴,直到年因“兴登堡号”空难而衰落。齐柏林集飞艇设计家、制造家、飞行家与商业航空企业家为一身,其成就为世人称颂。年7月,英国硬式飞艇R.34完成世界首次往返大西洋飞行。

(7)世界上第一座风洞建成

年,英国韦纳姆建成世界第一座风洞,为开路式木箱结构,利用蒸汽马达驱动风箱,可产生速度17.9米/秒的气流。年,莱特兄弟也制作了自己的风洞,用于机翼选型试验。在经历上千次余种不同机翼的风洞试验、取得大量数据的基础上,确定了翼型,完成了飞机设计。年,俄国茹科夫斯基也在莫斯科大学领导建设了风洞。风洞是最为重要的地面试验设施之一,采用逆向构建飞行环境,即人造气流吹动试验实物或模型的方式,模拟飞行,获取数据,以研究空气动力学规律,验证飞行器气动布局和性能计算。

(8)世界首款扑翼机问世

年,法国的阿代尔制造了一架取名“风神”的扑翼机,该机装有两台蒸汽发动机,在实验时曾飞离地面20cm,飞跃了50m距离。虽不能称为真正的成功,却昭示了仿生飞行的潜质。在迄今的年里,因各种原因,扑翼机发展缓慢,工程实用尚待时日。

(9)世界首次有动力、重于空气的大尺寸飞机试飞

年5月6日,美国塞缪尔兰利设计的有动力、重于空气、非载人、大尺寸飞机试飞成功,为世界首例。但在随后进行的多次载人飞行中,均因动力不足和结构强度不够而未获成功。其中最后一次试飞发生在年12月8日,莱特兄弟成功前9天。但兰利虽败犹荣,作为19世纪美国科技领军人物,他的贡献是多方面的,享有崇高地位。美国第一艘航空母舰和著名的空军实验室均以兰利命名。

(10)世界首次载人、有动力、可控飞行成功

年12月17日,美国的威尔伯莱特和奥维尔莱特兄弟,使用他们自己设计制造的“飞行者1号”飞机,成功完成人类第一次载人、有动力、可控飞行,开启了航空新纪元。莱特兄弟的成功是科学的成功,更是神奇技术的成功。他们如饥似渴地学习凯利的论著,从李林达尔的滑翔笔记与精神品格中获取营养。而成功的直接技术原因是:自行改制适用的发动机,良好的构型与机翼设计,以及首创和采用翘曲机翼。利用翘曲机翼使飞机可控,避免李林达尔和许多献出生命的先驱者的悲剧,而使航空科学探索得以持续与传承,是莱特兄弟对人类航空事业的重大贡献。

翘曲机翼的原理是,通过操纵机构,使一侧的机翼产生翘曲和扭转,该侧机翼升高,机身则会朝机翼较低的另一侧转向。在用机翼翘曲控制侧倾的同时,又用前置升降舵控制俯仰,尾舵控制偏航,至此,飞行姿态的三轴控制系统初步成形。




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