追溯人类航空科技的源头（三）

陈洋

19世纪，怀揣飞行梦想的科学家们一直被一个问题所苦恼：如何获得驱动飞机持续飞行所需的强大动力？数十年间，人们先后试图将蒸汽机、火药发动机、热气发动机和电动机等各式动力装置用于飞机上，然而最终都无功而返。

进入20世纪后，航空发动机技术终于取得了突破。1900年至1914年是航空发动机发展史上极其关键的一段时期，短短的14年间，以汽油为燃料的活塞式航空发动机开始盛行，航空技术应用迈入新纪元。

活塞式发动机的发展

活塞式发动机是最早用于给飞行器提供动力的发动机。

因为是由汽车内燃机演变而来，所以它和汽车发动机的工作原理是一样的，主要由汽缸、活塞、连杆、曲轴、机匣（发动机壳体）、气门机构、螺旋桨减速器构成，以汽油为燃料，带动螺旋桨等推进器为飞机提供动力。

活塞式發动机中，活塞的作用是承受燃烧气体的压力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。曲轴是发动机实现工作循环、完成能量转换的传动机构，是发动机产生并传递动力的机构，通过它把燃料燃烧后发出的热能转变为机械能。

图1 活塞式航空发动机

全球首款工业化生产的航空发动机是安托瓦内特发动机。1906年至1908年间，装备了安托瓦内特发动机的飞行器均取得了不错的成绩，由此引发多缸高转速发动机的盛行。1909年后，塞甘兄弟借鉴其他行业发动机技术，将发动机改成中间曲轴固定，气缸围绕曲轴旋转的设计形式，让气缸在悬空状态下工作。

从外形上看，这种发动机和后来的星型气冷活塞式航空发动机的造型几乎完全一致，各气缸呈圆形均匀排列，但在运行的原理上却大相径庭。这种发动机的气缸是与螺旋桨一起旋转的，而曲轴却是固定的，也就是说与普通的发动机正好相反。塞甘兄弟推出的旋转气缸发动机取得了骄人成果，在航空领域引发了一场革命。

固定式发动机通常是用冷却方式来进行分类，有风冷和水冷两大类，气缸的排布方式也各式各样，从最简单的直列4缸、直列6缸到气缸倒置、扇形3缸分列、扇形6缸分列等形式。在1907年，埃斯诺-佩特里在他的飞机上安装了一组扇形排列发动机（2缸和3缸发动机各一台），采用了风冷系统，这也是飞机首次采用风冷系统。

后来，克莱芒、格诺姆等公司相继研发出水平对置发动机，法尔戈和克莱热公司则在1908年推出水平排列星型发动机，然后安扎尼公司又对排列形式做了改进，将其改为垂直排列，采用风冷和水冷混合冷却系统。

在飞机问世的前六年内，飞机发动机功率基本都维持在50马力至70马力之间，直到1913年至1914年，格诺姆和克莱热才成功研制出200马力的叠置发动机。

图2 “飞行者”1号

活塞式发动机类飞机

20世纪初，美国的莱特兄弟在总结前人经验教训的基础上，设计出一个风洞来测量气流对飞机机翼作用力的大小和方向，他们对托举、阻力还有其他影响飞行的因素进行了测量，并将这些数据以表格形式记录下来。1903年12月17日，莱特兄弟的“飞行者”1号试飞成功。该机装载着一台改装四缸直列式水冷发动机，其缸径与行程为10cm，功率仅为8.95kW，重量为81kg，功重比只有0.11kW/daN。

当日10时35分，弟弟奥威尔·莱特勇敢地登上飞机，在基蒂霍克起飞，完成了历史性的12秒飞行，成为人类历史上第一个驾机飞上天空的人。在当天最后一次飞行中，威尔伯·莱特驾驶“飞行者”1号在空中停留了59秒，飞行距离达260米。

在今天看来，此次飞行并不十分成功，莱特兄弟所采用的发动机性能也不够优越，但它是世界上第一台成功驱动飞机飞行的航空发动机，标志着飞行时代的到来，人类从此开辟了航空领域的新纪元，拉开了航空发动机的第一个时代——活塞时代的序幕。

体育兴趣类飞机

20世纪初，因运动目的而促进飞行事业发展的狂热飞行爱好者——巴西人阿尔贝托·桑托斯·杜蒙特通过自己的小型运动飞艇激发了欧洲人的航空运动热情。随着一系列重于空气的航空器的问世，杜蒙特的航空器被描述为世界上最早的真正意义上的轻型飞机。

1906年10月23日下午，杜蒙特设计出第一架“14二代”飞机，其尾部搭载一台50马力的活塞发动机，在数千名巴黎人的目睹下，飞机升到3米空中，足足飞了60米。巴西人认为，这次飞行才能算是人类历史上“第一架真正意义上的飞机”的诞生。

1907年，杜蒙特设计出“少女”小型单座飞机并成功试飞。1909年9月，进行了大规模改动、加大了发动机马力的“少女20号”在空中持续飞行了16分钟，飞行了18公里。“少女”系列飞机是第一批为运动目的生产的飞机。

军用飞机的产生

在军用航空领域，1908年，一位名叫塞缪尔·富兰克林·科迪的美国人在英国建造了第一架全尺寸动力飞机——“英国军用飞机1号”。这是一架双螺旋桨推进式飞机，装备了一台37千瓦（50马力）的安托瓦内特活塞发动机，在1908年9月29日完成了首次认证飞行，同年10月16日其飞行成绩得到了英国官方认可。经过多次改装试验后，这架飞机已经可以在范堡罗周围的“拉芬平原”完成超过1小时的飞行，飞行距离达到了64公里。

在实际战场上第一个使用飞机的国家是意大利。1911年10月22日，由于在利比亚的昔兰尼亚和的黎波里塔尼亚两个地区的归属问题上产生了分歧，意大利向土耳其宣战，卡洛·皮耶萨队长指挥的意大利远征军空中部队，通过“布莱里奥特XI”号飞机对土耳其的黎波里和阿奇奇亚之间的军事阵地进行了侦查活动。

直升机的萌芽

1907年11月13日，法国发明家保罗·科尔尼设计制造了一架由一台24马力安托瓦内特发动机驱动的直升机，该机配两只螺旋桨，外配两只平衡外翼。首飞时，科尔尼驾驶直升机飞离地面30厘米。尽管飞行的距离特别短，但这次升空是个历史性的突破。

同一年，同为法国人的布勒盖和里歇也设计并试验了一架直升机。该机设四片垂直螺旋桨，由一台45马力的安托瓦内特发动机驱动，未设置控制装置。在试验中，该直升机成功搭载飞行员飞离了地面。1908年7月22日，布勒盖和里歇又成功将改进后的直升机飞到了4米高，但在降落时遭到损毁。

1912年，丹麦人埃尔哈默成功试飞了一架有人驾驶的直升机，该机设两只同心螺旋桨，下螺旋桨作为降落伞使用，试飞高度到达了60厘米。

硬式飞艇的发展

1900年，德国的斐迪南·冯·齐柏林伯爵设计制造了第一架硬式飞艇。该飞艇在吊舱中装载两台16马力的活塞发动机作为动力源，、行驶速度每小时可达14英里，艇体内有17个气囊，总容积达到1.2万立方米，总浮力达13吨，比当时软式飞艇大5至6倍。这种飞艇使用结构完整的龙骨保持气囊的外形，采用活塞式发动机作动力，因而飞行性能好，装载量大。

1908年，齐柏林又用自己的全部财产设计制造了当时世界上最大的一艘飞艇——“Lz-4”号。齐柏林对这艘飞艇的性能非常满意，亲自驾驶这艘飞艇作了一次远航试验，飞艇从德国起飞，飞过阿尔卑斯山，到达瑞士后返航。随后的几年，齐柏林对飞艇进行升级改进，在德国法兰克福和杜赛尔多夫之间建立了第一条定期空中航线。担任首航任务的是“Lz--7”号飞艇，它一次可载24名旅客，有12名乘务员，飞行速度为每小时69至77公里。

差不多同时，德国军方建立了齐柏林飞艇队，用于海上巡逻、远程轰炸和空运等军事活动。但是，随着飞机性能的不断提高，飞艇体积大、速度低、不灵活、易受攻击的缺点日益明显，因而逐渐被飞机所取代，但飞艇的商业飞行仍有发展。（本文图片由作者提供）