追溯人类航空科技的源头（二）

黄沛

1843年至1900年这一阶段，以英国工程师亨森完成第一架完整的飞机设计蓝图为起点，随着活塞发动机的问世与成功应用而结束，被誉为有动力飞行器的试验阶段。在这短暂的半个多世纪，世界各国航空科学家勇于尝试，飞艇、扑翼机、滑翔机、固定翼机等多种航空器的设计与试验争先恐后，最为亮眼的是蒸汽机等动力的出现及其在航空业的应用。

这一时期，虽然除了飞艇、热气球之外，大多数的飞机在试验中还处于跳跃式的飞行状态，但飞机结构的基本雏形已经确定，飞行的理论基础也得到进一步研究：众多航空科学家已经着手对空气动力学原理、飞行的稳定性、飞机的结构等航空知识进行了探索。

这一时期，多个科学家尝试将蒸汽机、内燃机、电动机应用于飞艇等飞行器，为后来莱特兄弟实现人类第一次飞行提供了理论与知识的土壤。

以达芬奇撰写的近35000字关于鸟类飞翔的论著作为飞行原理基础，当时大多数学者更倾向于模拟鸟类设计扑翼机来实现人类的飞翔梦想，然而鸟类飞行的复杂性使得这个研究方向异常艰难。1843年，被誉为“重于空气飞行的先驱”英国航空学者乔治·凯利不仅多次尝试多款滑翔机的设计与试验，还定义了机械飞行的原理：重量、提升、拖拽和推力之间的关系。他在阐述空气动力学原理及应用时，表明设计能够让空运成为可能，甚至畅想出携家带眷进行比乘船更为安全的旅行。

现代飞机概念提出

1843年4月，英国工程师威廉·塞缪尔·亨森设计并获得专利的蒸汽动力飞机公布于众，即刻受到了公众的关注，这是人类首次对装有动力装置的机械型飞机进行如此详细的设计描述。早在一年前，亨森将蒸汽机安装在飞行器上，创造了第一个固定翼概念——空中蒸汽客车，这对后来重于空气的航空器的发展产生了巨大影响。

这架空中蒸汽客车是亨森在助手约翰·斯特林费洛的协助下，参考了前辈学者凯利的航空力学理论设计出来的。翼展45.72米、单翼面积430平米、总重1350千克，装载一台18.4至22.1千瓦的蒸汽机驱动两副六叶螺旋桨。虽然在外观上，这架空中蒸汽客车还类似于一只巨型的鸟，但配备的蒸汽动力和固定机翼，已经具备了现代飞机的设计雏形。

随后，由于建立空中运输公司的夭折，亨利逐渐对航空失去了兴趣，他的助手约翰·斯特林费洛继续进行单翼机的试验研究。1868年，斯特林费洛在首次世界航空展上展示的三翼飞机获得了世人的瞩目和认同。“三个总面积为2.6平米的叠合面、一个0.7平米的尾翼、总重量不到5.5千克，通过一个1/3马力的蒸汽机燃烧甲基化酒精提供动力驱动中央螺旋桨。”遗憾的是，在试验中，三翼飞机向上运动到电线高度停了下来，由于缺乏平衡性，最终没有完成自由飞行。而且，运行时产生的气流总使得发动机熄火，其蒸汽发动机也在试验中由于多次使用需要维修。

此次航空展览共展出15种发动机、60种扑翼机、2种固定翼飞机等试驗模型，这也反映出当时大多数研究者仍更倾向于将翱翔蓝天的梦想寄希望于模拟鸟类的扑翼机身上，这也反衬出装载蒸汽机固定机翼飞机的设计显得异常珍贵。

蒸汽机在航空业的应用

虽然斯特林费洛及其儿子在调整螺旋桨的数量和飞机机翼数量后也没有取得试验成功，但同一时期，各国科学家开启了飞向天空的竞争，继续着相关的蒸汽机航空试验与研究。

1857年，法国海军军官费利克斯·迪唐普勒设计制作了法国第一架飞机。该机机身类似一艘小艇，机翼和机身呈14度夹角，螺旋桨位于小艇前端，由一台小型蒸汽机驱动。尾部设有两只舵，一个处于水平位置，用来调节机翼的倾斜角度;一个处于垂直位置，作用和水平舵一样。

1874年，费利克斯又建造了杜·坦普单翼机。该机在经过一段下坡加速后能通过发动机提供动力起飞，虽未完成一定时间的持续飞行，但还是成为了人类历史上第一架全尺寸、离开地面、有动力装置的飞机。

有动力载人飞机的成功首飞

1889年，法国工程师克莱芒·阿代尔凭借着当时相对成熟的蒸汽机技术和对航空业的高度兴趣，制作了一架蒸汽动力大型飞机。这架飞机名为“伊奥利”号，翼展14米、长6.5米、机翼面积约28平方米。机身重101千克，包括蒸汽发动机、螺旋桨、带轮支架、冷凝器等。阿代尔将这架飞机的设计申请了专利。他采用了平面固定翼方案，固定翼表面弯曲，外观像一只蝙蝠;飞机机翼木框架结构包裹真丝蒙皮，飞行途中可以向前向后伸缩，驾驶者借此在飞行中可以根据飞机的速度来改变机翼大小。

1890年10月，在一处花园中，阿代尔试飞了“伊奥利”号，在他的报告中描述了这架飞机载着阿代尔飞离地面，依靠蒸汽发动机提供的动力和机翼的升力，擦着地飞行了50多米。这是人类历史上第一次驾驶由发动机提供动力的飞机离开地面，虽然不管是飞行距离还是飞行高度都十分有限，但无法否认依然是人类航空史上重要的事件。

航空技术的“跃进”

1866年、1872年，航空业发展突出的英国、法国先后成立了各自的国家航空协会，并举办航空展览会、发动机、飞行器设计大赛，出资组织航空科学试验，使得航空试验得以实施，技术得到发展。

这一时期，航空理论研究得到发展。一方面，飞行器的结构和相关设备越来越完善。科学家在飞艇上配备螺旋桨、方向舵（1856年，德拉马尔纳）、蒸汽机、水平机翼、升降舵（1869年，玛丽奥特），为现代飞机的设计提供了知识储备。不同动力源泉不断在飞行器上进行尝试，蒸汽机（1852年，亨利）、汽油内燃机（1872年，亨莱茵）、电发动机（1883年，蒂桑迪耶兄弟）先后被应用于飞行器上。

然而对整个航空界来说，此项研究还处于初级阶段，合适的驱动装置还需要在不断的试错当中找寻。1883年，法国工程师古皮制作的单翼飞机，飞机前端配有可手动控制的“调节器”，可以校正飞机侧面，被誉为最早的副翼。

另一方面，专业人员对飞机设计、螺旋桨理论、飞机的稳定性等进行理论研究。1857年，法国塔木朴里兄弟研究飞机攻角、压力中心与尾翼动作等。1866年，英国航空理论家维纳姆提出飞行中机翼凸面形的重要性。1871年，世界上第一座小型风洞由英国人韦纳姆研制成功，木箱结构尺寸为0.457×0.45×3.05米，使得飞机的气动设计与计算有了相对科学的实验工具。1872年，英国人佩诺在飞机设计上提出空气阻力、材料阻力和轻型发动机三个问题，并在飞机模型上应用密封机舱、可变螺距螺旋桨、减震可收放起落架等设备概念。1893年，英国人菲利浦通过风洞试验，找到多种上凸下凹的曲面翼型，为飞机翼型提供更科学的选择。

19世纪中后期，中国航空业在凭借历史经验积累的同时也开始从西方世界获取相关知识。1855年，中国开始编译关于国外航空知识的文章和图片。当时由直隶总督兼北洋大臣李鸿章仿照西洋军事学院创立的天津陆军学堂，在1887年开始进口飞行器，并自制了直径1.66米的氢气球。随后，由当时任教武备学堂的华蘅芳改良制造的小型氢气球进行了试放试验，试放过程中升空十几丈高，这是国人自行制造并释放成功的第一个氢气球。1899年，旅澳华人谢钻泰设计出铝壳结构电机推进的“中国号”飞艇，这是中国人首次设计的有动力飞行器。（本文图片由作者提供）