莱特兄弟发明飞机成功的创造学启示

刘家冈李俊清王本楠

（1北京林业大学，北京 100083）（2中国科学院生态环境研究中心，北京 100085）

莱特兄弟发明飞机成功的创造学启示

刘家冈1李俊清1王本楠2

（1北京林业大学，北京 100083）（2中国科学院生态环境研究中心，北京 100085）

分析了莱特兄弟发明飞机成功的历史经验及其创造学启示：正确选题；重视学习和继承前人的研究成果；抓住主要矛盾并确定正确的主攻方向；注重理论的指导作用；强调试验和实验的重要性；具体问题具体分析并寻找解决问题的可能途径；抓住新技术诞生的历史机遇.

创造学；莱特兄弟；飞机；发明课题；继承；主要矛盾；理论；试验和实验；具体分析；集成

1903年12月17日是人类历史上意义深远的日子.那天上午11时左右，奥威尔·莱特作第一次试飞，他驾驶他们设计的“飞行者一号”（见图1）终于成功地升空飞行.这一天，莱特兄弟分别驾驶“飞行者一号”进行了4次试飞.当天，他们的最好成绩是留空59s，飞行距离260m.成功地实现了人类第一次载人动力飞行.

图1 莱特兄弟发明的飞机

飞机是20世纪最伟大的发明之一，经过100多年的努力，现已在民用航空、通用航空和军用航空等方面得到了高度的发展，对社会、经济、科技、文化和军事等领域，都产生了巨大而深远的影响［1～3］.

飞机的发明，和电机、核能、计算机、激光一样，都是属于原创性发明.这些原创性发明的成功经验是人类非常宝贵的财富，值得我们去认真总结和借鉴.然而现今的创造学教程对此却没有或很少涉及，更缺乏系统的分析和总结（见文献［4］、［5］）.对原创性发明分析的缺位，是传统创造学的重大不足，是很需要补上的.

本文对莱特兄弟发明飞机成功的过程，从创造学的角度作了分析，初步总结了他们的成功经验.鉴于本文的目的，我们不对莱特兄弟发明飞机的历史过程进行详细的系统描述，而只是引用相关的内容［1～3］并作一些点评.对莱特兄弟乃至人类发明飞机的过程感兴趣的读者，可以参考相关文献，尤其是文献［1］，它以大量翔实的资料，向我们展示了一幅人类飞向天空、征服太空的完整历史画卷.本文所用的资料，主要都是从文献［1］引用的.为了不引起歧义，我们在有些重要的地方，尽量使用原文原句.

据我们分析，莱特兄弟发明飞机之所以获得巨大成功，有以下几点重要经验值得我们总结.这些经验，我们认为具有创造学的普遍意义.

1 人类的理想产生发明课题

可能自从人类出现，就对鸟类的自由飞翔羡慕不已，幻想着自己也能像鸟一样自由飞翔.这种幻想或者梦想，逐渐演变成美丽的传说.在中国古代就有嫦娥奔月的故事，还传说鲁班制作木鸟，飞天三日不落等等；古希腊也有类似阿波罗自由飞行英雄式的传说.

美丽的传说在人们心目中确立了飞行的目标，进而成为人类探索飞行的动力.

中国古代就有风筝、竹蜻蜓、孔明灯和箭羽等飞行器的成功先例，还有相风鸟、走马灯等与飞行有关的发明，更为伟大的发明是火药和火箭.这是中国人民高度智慧的体现，也是对世界航空事业的重大贡献.

西方古代人们更加倾向于亲自尝试，他们勇敢的飞行冒险，许多似乎有点鲁莽的牺牲，却体现了伟大的创新精神.他们研究了鸟类的飞翔原理，设想过扑翼机、降落伞、直升机的可能，发明了热气球、氢气球、飞艇、滑翔机.

千百年来人类将飞行的梦想变为现实的努力，逐渐形成伟大的滚滚洪流.到19世纪，飞行器的研究已经有了丰富的研究成果和积累.但重于空气的飞行器——飞机的发展依然十分缓慢，发明家们经历了一系列惨痛的失败，主要原因是航空理论研究还未取得突破，功率重量比更高的新型发动机还未面世.

在这个万事俱备，只欠东风的历史时刻，莱特兄弟应运而生.他们勇敢地继承了人类飞翔理想的伟大发明课题.他们在航空理论方面取得了突破，并及时抓住了内燃机发明的历史机遇，使自己在飞机的发明方面首先取得了成功.

2 非常重视学习和继承前人的研究成果

李林塔尔在1896年试飞中不幸遇难逝世的消息，促使莱特兄弟开始关注航空和飞行的问题.他们主要是作一些航空入门，阅读有关书籍以加深对于航空的了解.在这两、三年间，他们的航空研究仍属于业余状态，并没有立志进行飞机研究.

在他们开始认真对待飞行问题后，就感到不那么简单，问题成堆.但他们不是闭门造车，自己闷头研究，而是首先求助科研机构.1899年5月，威尔伯·莱特给著名的科学机构史密斯研究院写信求助，向他们索取与航空有关的资料.研究院给他们提供了一份清单，其中有查纽特的《飞行机器的发展》、兰利的《空气动力学试验》、李林塔尔的《作为航空基础的鸟类飞行》以及1895、1896和1897年的《航空年鉴》.在仔细地阅读了这些文献之后，他们“惊奇地发现，在人的飞行问题上，已经花费了大量时间和金钱，而且有那么多杰出的科学家和发明家都在这方面进行过研究，包括达·芬奇、乔治·凯利博士、兰利教授、贝尔博士（电话发明人）、马克辛（机枪发明者）、查纽特、帕察斯（蒸汽涡轮发明者）、托马斯·爱迪生、李林塔尔、阿尔代、菲利普斯先生和许多其他人.”这些文献对他们帮助最大的是《航空年鉴》和《飞行机器的发展》.他们甚至把后者称为航空学的《旧约全书》.

看过这些资料之后，他们深深感到自己原来对航空知识的了解竟然是那样的少.通过研究这些资料，他们获得了重大教益.一是学到了许多基本的、系统的航空知识，特别是设计飞机所必须的基本部件和空气动力学知识，这使他们从一开始就有了较高的起点，避免走很多的弯路.二是他们认识到飞机研制面临的重重困难，认识到前人存在的不足从而想到飞机研制应该采取正确的道路.

这是莱特兄弟与其他飞机研究者不同之处，在他们之前，制造动力飞机的人很多，但很少有人认真研究并充分吸取前人或同时代人失败的教训.

3 抓住主要矛盾并确定正确的主攻方向

在莱特兄弟之前，航空先驱者们在飞机结构、空气动力学、升力与阻力关系、平衡与操纵、发动机等等方面已经取得了不同程度的突破.他们是航空学某一个方面的专家，但是他们往往关注于飞机的某一个或几个方面的问题，孤立地看待和解决局部问题，而不懂得或者忽视了各个环节之间的协调，没有从整体上、从一架完整飞机的角度上寻求解决的办法.因此始终没有人能够设计出一架能够持续飞行的载人飞行器来.

而莱特兄弟在阅读那些资料的短短两个月中，弄清楚了一架成功的飞机所应具备的三要素：升举、推进和平衡控制.通过分析，他们认识到解决飞机的平衡控制问题最困难，也最为关键，是主要矛盾.威尔伯·莱特曾说过：“平衡问题是任何试图认真解决人类飞行问题的最大障碍.”而他们对于制造重量轻、强度高、升力大的机翼，以及轻型动力装置有充分的信心.因此他们把重点首先放在解决平衡控制的问题上.

为了解决平衡控制问题，他们又把主攻方向放在滑翔机的研制上.他们的理由是：滑翔机不用发动机，可以节省开支，而且驾驶滑翔机很刺激，激动人心.依我们现在的观点看，除了节省开支以外，使用滑翔机的好处主要是可以集中精力研究飞行器本身的平衡控制问题，避免发动机的重量和性能问题带来的精力分散和节外生枝的干扰.

正是因为莱特兄弟抓住了主要矛盾和选择了正确的主攻方向，使得他们的研制工作避免了许多弯路，相对比较顺利.他们首先在滑翔机上解决了飞行器的平衡控制问题，然后再加上适当的动力，顺利地实现了载人动力飞行.

4 注重理论的指导作用

莱特兄弟设计飞机，都是用理论指导实际，从不盲目设计.

举例来说，机翼是飞机的关键，他们起先是根据李林塔尔的升力和阻力的数据选择机翼的尺寸.后来在试飞过程中，感到升力不如预想的大，于是他们决定自己重新实验测试参数.结果发现李林塔尔的数据定性是对的，但不够准确.他们用自己新测量的数据重新设计了机翼，从而保证了升举力的需要.

另外，他们对发动机功率和重量的要求，都是根据机翼的升阻比提出的.试飞结果证明，他们的设计是十分正确的.这就使得试验更加顺利，大大加快了飞机研制的进程.

5 强调试验和实验的重要性

为了研究飞机的稳定控制性，1899年莱特兄弟首先制作了一个1.5m宽的滑翔机，实际上有点像一只大风筝.目的是试验证明他们发现的保持平衡的翼尖曲翘方法的有效性.试验结果是肯定的，这给予他们极大的信心.

于是在1900—1902年间，莱特兄弟又先后制作了3架试验用的全尺寸滑翔机.用它们进行了无数次试验飞行，分别对展弦比、翼面积、翼面弯曲度进行了调整，对水平安定面和垂直安定面进行了改装，使得滑翔机的稳定性和操控性得到很大改善，升力也得到较大提高.在经历了多次失败和挫折后，到1902年9月末，用第3号滑翔机试飞，威尔伯·莱特的最好成绩达到26s内滑翔190m，奥威尔·莱特的最好成绩达到21s内滑翔188m.这个巨大的成功使得莱特兄弟极度兴奋，他们感到给飞机加装发动机的时机到了，决定向动力飞行进行最后的冲刺.

在此期间，为了获得设计飞机所需要的可靠的数据，莱特兄弟还进行了多次空气动力学的实验.特别值得一提的是，他们自制了一个小型的风洞，风扇功率1.5kW，长约1.5m，口径56cm×56cm，风速27km／h.他们用它进行了几千次实验，研究了200多种不同翼型，获得了大量数据，为他们以后的成功打下了坚实的基础.

在他们的动力飞机“飞行者一号”试飞取得具有巨大历史意义的成功后，莱特兄弟并没有满足，他们又设计制造了“飞行者”2号和3号，反复试验，不断改进飞机的性能，克服了快速转弯时的失速、失控的问题，使之能够作转弯和圆周飞行、倾斜飞行、8字飞行、重复起降.到1904年10月5日，飞行者3号的最好记录是在38′2″内飞行了38.6km.飞行者3号被看作是世界上第一架实用动力飞机.

可以说，没有这些试验和实验，就没有莱特兄弟设计制造飞机的伟大成功.

6 具体问题具体分析并寻找解决问题的可能途径

莱特兄弟在研制飞机的过程中，遇到了无数的问题.他们总是对于具体问题采取具体分析的方法.为了解决这些问题，他们采取从已有的理论或技术中去寻找可能的方法，或者从自然现象中寻找启示，如果没有现成的借鉴，就从实验中去寻找规律.

他们对鸟类的飞行进行了大量观察，发现鸽子的翼尖沿着一个横向轴摆动，这样就可以控制它的横向平衡.莱特兄弟把这种方法成功地用于飞机设计上，就是所谓“翼尖曲翘”的控制方法.

莱特兄弟的第一架滑翔机是采用李林塔尔的数据设计的.然而，他们在试飞时发现，滑翔机不载人时可以起飞，载人时根本飞不起来.他们认为，李林塔尔的数据很可能不准确.于是自己开展了关于一系列升力和阻力的空气动力学的实验，得到准确数据后就解决了滑翔机的升力问题.

到他们的第3架滑翔机还是不够稳定，经过反复试飞、观察和分析，他们决定加装可动的垂直舵面，同时取消前面的两只垂直安定面.经过这些改动后，飞行效果大不一样，终于实现了他们梦寐以求的滑翔机稳定控制飞行.

7 抓住内燃机诞生的历史机遇

在航空史上，曾经试验过的动力大约有人力、畜力、象筋、蒸汽机、内燃机等.扑翼机是人力的，因为人力太弱小，没有成功；滑翔机曾经使用过畜力来助力起飞，虽然成功，但显然不能成为飞机的连续性动力；象筋作为模型飞机的动力还是不错的，当然也不能作为正式的航空动力.

曾被许多人作为航空动力候选的蒸汽机，大约发明于17～18世纪，由于功率重量比不够而最后被证明不适合作为飞机的动力.蒸汽机的先天不足在于，它需要两次能量传递，首先是燃料的热量加热工作介质水，使之变为水蒸气，再由水蒸气推动活塞，将水蒸气的热能转变为机械能.每一次转换的效率都不高，因此总的效率就很低.到19世纪，虽然已经得到很大改进，蒸汽机的热效率也只有8%左右.另一方面，因为蒸汽机使用高压蒸汽，需要坚固厚重的锅炉，使得它的体积巨大而笨重.所以其功率重量比太小，不可能推动飞机连续飞行.因此用蒸汽机作为飞机动力的试验最后都失败了.

如果莱特兄弟在此时介入动力飞机的研究，也很难取得成功.但莱特兄弟是在1899年才对航空事业感兴趣的，此时内燃机的发展已经有相当一段时间了.内燃机的概念最早出现于18世纪末期，1869年法国工程师雷诺发明了第一台实用的内燃机.这是一台二冲程，无压缩，电点火的煤气机.热效率仅为4%，还不如当时的蒸汽机.但它毕竟平稳运行了，并且实现了批量生产.1876年，德国工程师奥托研制成功第一台四冲程单缸煤气机，功率达到4马力，效率达到12～14%，这是空前的.此后这种内燃机得到不断改进，到1880年，单机功率达到15～20马力，热效率达到15.5%.1859年，美国钻了第一口油井，从此石油工业蓬勃发展，汽油和柴油逐渐成为普通商品，成为可以广泛应用的新燃料.1883年，德国工程师戴姆勒研制成第一台现代汽油机.由于液体燃料密度大易储存，使得使用汽油作燃料的内燃机更加具有马力大、重量轻、体积小、效率高等优点.此后内燃机的单机功率逐步达到了200马力，热效率达到20%以上.这就为莱特兄弟发明飞机成功提供了不可或缺的历史机遇.

在此背景下，莱特兄弟抓住了这个历史机遇.1903年，他们自己顺利地制造出一台四缸水冷汽油机，能够长时间发出约9kW 功率、峰值功率12kW的发动机，而重量只有75kg.这大大超过了他们预期的指标，为他们成功研制有动力、载人、持续、稳定、可操纵的重于空气的飞行器提供了有力的动力支持.

8 小结

莱特兄弟发明飞机的这些成功经验，我们认为具有创造学的普遍意义.

正确选题原则 需要产生发明课题，这是最基本的原则.有现实的需要和潜在的需要.人类的幻想或理想是一种重要的潜在需要，在一定的条件下，可以成为发明的课题.这种发明课题，往往是无比艰难的，也往往是伟大的.

知识继承原则 这在现代科研机构和科研人员的圈子里是人所共知、天经地义，不言而喻的.在任何课题开题之前，必须要作文献调研和开题报告，对于重大的课题，甚至还要召开论证会.但是在广大技术革新能手和民间发明家中，并不是人人都懂得这个道理的.在黑暗中摸索、闭门造车、低水平重复的现象比比皆是.这就要求发明家学会充分利用信息资源，包括图书馆的、专利局的和网上的资源，学习必要的理论知识，做文献调研，参加各种相关的学术交流活动，参加国际会议等等.在动手之前，发明家应先弄清楚前人已经解决了哪些问题，还存在哪些问题，存在的问题有哪些可能的解决方案或思路，等等.

具体分析原则 我们认为，“具体问题具体分析”，才是创造学的基本方法和金科玉律.通过分析，找到了矛盾之所在，才知道需要解决什么问题.为了解决遇到的问题，正确的途径是从相关的已有理论、已有技术中去寻找可能的方法，或者从自然现象中寻找启示（例如仿生学观察），如果没有现成的借鉴，就从实验中去发现规律、确定参数.

矛盾主攻原则 任何一个原创性的发明，都不是简单的.特别是像飞机这种，在莱特兄弟之前，经过许多人、许多年的努力都未取得成功的发明，一定有其复杂困难之处.需要冷静、理智的分析，找出其主要矛盾和确定正确的主攻方向.沿着正确的路线去进行研究和研制，才能事半功倍，比较顺利地获得你想要的结果.

理论指导原则 所谓理论，就是人们对客观事物规律的总结.重视理论的指导作用，就是按事物的客观规律办事.常常可以看到有一种人，一说理论，就是“理论脱离实际”.其实轻视理论，就是轻视客观规律.盲目实践，是很难取得成功的.

每一种发明对象，都有自己特殊的技术领域，都有自己特定的理论基础.发明对象越是一个大系统，涉及的理论问题就越多.如果没有一个自上而下的理论顶层设计，整个研制工作就会始终处在一种混乱的状态中，就很难有真正成功的发明.

试验实验原则 理论的指导固然重要，但不能代替试验，只有试验才能真正检验自己的设想是否正确.只有试验不断发现问题，才能不断解决问题，直到最后成功.对于规律不明确、参数不准确的地方，还需要在实验室里进行重新实验以获得正确的规律和数据.正如人们所说的：实践是检验真理的唯一标准.

技术集成原则 在人们长期研制或改进一种东西的过程中，其他相关领域可能会不断有某种新技术出现，后者也许正是人们急需的技术.谁先抓住这个历史机遇，把这个新技术集成到自己的发明中去，谁就可能抢得先机，首先取得成功.

［1］ 李成智，李小宁，田大山.飞行之梦——航空航天发展史概论［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004

［2］ 谢础，贾玉红，黄俊，吴永康.航空航天技术概论［M］. 2版.北京：北京航空航天大学出版社，2008

［3］ 张耀，曹传钧，李贺春.航空科学技术的发展［M］.北京：航空工业出版社，2007

［4］ 李建军.创造发明学导引［M］. 2版.北京：中国人民大学出版社，2009

［5］ 鲁克成，罗庆生.创造学教程［M］.北京：中国建材工业出版社，1997

2012-03-02）