張開(kāi)遜

在東方與西方神話傳說(shuō)中，神都會(huì)飛：希臘神話中的神藉翅膀飛，阿拉伯《天方夜譚》故事中的神施魔法踏毯而飛，中國(guó)的神則乘白云飛……在我國(guó)山東省嘉祥縣出土的東漢時(shí)期武梁祠石刻畫像中，有一幅《雷神出巡圖》，眾多天神推著雷神安坐云朵在天空疾行。從公元336～1368年，我國(guó)敦煌壁畫中出現(xiàn)的飛天畫面多達(dá)4500個(gè)，莫高窟492個(gè)洞窟的壁畫上都有飛天。古代人類不能飛，讓神為自己圓夢(mèng)。

科學(xué)史家懷特在一篇題為《中世紀(jì)的宗教與技術(shù)》的文章中談到這樣一則故事：大約1000年前，英國(guó)修道院有一位名叫埃默爾的修士，他為自己裝上人造翅膀，模仿鳥(niǎo)兒飛行動(dòng)作，從教堂房頂乘風(fēng)而降，結(jié)果摔斷了雙腿。當(dāng)人們把他從地上抬起來(lái)時(shí)，他說(shuō)：“我忘記在背上裝一條像鳥(niǎo)尾那樣的長(zhǎng)尾巴，所以無(wú)法在空中保持平衡。”這是有歷史記載的人類最早的試飛記錄。400年之后，一位法國(guó)修士模仿埃默爾，帶著翅膀從教堂的塔尖上跳下，不幸當(dāng)場(chǎng)身亡。

第一個(gè)對(duì)飛翔進(jìn)行科學(xué)探索的人是達(dá)·芬奇，他相信鳥(niǎo)類有飛行的秘密，而人類能夠復(fù)制這種秘密。在1486～1514年間，他設(shè)計(jì)了多種由人操縱的飛行器械，包括滑翔機(jī)、直升機(jī)和降落傘。幸好他沒(méi)有親自試飛，否則人類會(huì)過(guò)早地失去一位天才。實(shí)際上，人體的構(gòu)造和功能是不適合飛翔的。有人計(jì)算過(guò)，如果要像鳥(niǎo)兒那樣展開(kāi)雙翅飛翔，人體需要有1.8米長(zhǎng)的胸骨架，才能支持牽動(dòng)翅膀的肌肉。

人類第一次借助自然的力量離開(kāi)地面，應(yīng)該歸功于兩位法國(guó)年輕人，哥哥蒙特哥菲·約瑟夫（1740-1810）和弟弟蒙特哥菲·雅克（1745-1799）。兄弟倆喜歡數(shù)學(xué)，熟悉富蘭克林有名的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)，讀過(guò)英國(guó)化學(xué)家普利斯特萊關(guān)于空氣性質(zhì)的論文，而且愛(ài)動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。1782年，在注視爐子的煙冉冉上升時(shí)，他們突然想到：煙會(huì)不會(huì)把什么物體托起來(lái)？他們將一個(gè)敞口的綢布袋袋口朝下地正對(duì)爐火，當(dāng)煙充滿綢布袋時(shí)松開(kāi)雙手，結(jié)果煙托著綢布袋升到了天花板。兄弟倆又在室外點(diǎn)燃一堆碎羊毛和麥秸以產(chǎn)生熱氣和煙，結(jié)果綢布袋升至23米高后才緩緩降落到地。后來(lái)，兄弟倆又用紙糊了一個(gè)大氣球，用布做襯里，下端開(kāi)口兜住熱氣。他們?cè)诘厣蠠鹨欢鸦鹬貜?fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果氣球升至1800米高，降落在1600米之外，引來(lái)無(wú)數(shù)人圍觀。

這一發(fā)明引起了科學(xué)家和皇室的興趣，蒙特哥菲兄弟被邀請(qǐng)到巴黎。人們希望他們做一次動(dòng)物升空實(shí)驗(yàn)，看看在高空它們能不能存活。1782年9月，一個(gè)裝載著羊、公雞和鴨子的吊籃隨著熱氣球升上高空，然后安全返回，動(dòng)物安然無(wú)恙。法國(guó)國(guó)王路易十六希望兄弟倆到凡爾賽宮廣場(chǎng)表演，并打算讓兩個(gè)死囚犯登上吊籃隨熱氣球升空。青年歷史學(xué)家羅吉爾對(duì)此極為憤怒，他怒吼：“罪惡的死囚可以光榮地成為第一次升空的人嗎？我才該去！”1783年11月21日，羅吉爾和另一個(gè)志愿者爬進(jìn)吊籃，在巴黎上空航行25分鐘后平安降落在距起飛地9千米的地方。這是人類歷史上第一次成功的自由飛行。三年之后，羅吉爾在一次氣球飛行事故中喪生，成為第一位空難犧牲者。

使氣球升空的力量，來(lái)自四周空氣的浮力。在海平面附近，當(dāng)溫度為20℃時(shí)，每立方米空氣的質(zhì)量大約為1.3千克。溫度升高，空氣密度減小。當(dāng)溫度為90℃時(shí)，每立方米空氣的質(zhì)量大約為1.04千克。一只直徑20米的氣球，充滿熱氣之后產(chǎn)生的升力可以達(dá)到1000千克以上，足以克服氣球的自重，而且可以提起一只不斷燃燒產(chǎn)生熱氣的爐子，帶動(dòng)載有幾個(gè)人的吊籃升空。由于這種氣球利用熱空氣產(chǎn)生浮力升空，故又稱為熱氣球。

就在人類第一次升空10天之后，第二次載人飛行又開(kāi)始了，還是在巴黎。不過(guò)，這次氣球里灌的是氫氣——英國(guó)科學(xué)家卡文迪什于1766年發(fā)現(xiàn)了這種比空氣輕的氣體。年輕的物理學(xué)家查爾斯和他的同伴坐在吊籃里飛行了兩個(gè)小時(shí)，距離達(dá)到43千米；當(dāng)氣球降落，同伴爬出籃子后，升力驟然增加，氣球帶著查爾斯又飛上了天空，一直飛到接近3000米的高度。查爾斯好不容易才令氣球重新返回地面。心有余悸的他發(fā)誓再也不上氣球的吊籃了。

人們能夠乘氣球浪漫地升上天空，但是難以控制氣球飛行的方向。于是，有人提出為它裝上可以調(diào)節(jié)角度的帆，有人主張給它裝上像鳥(niǎo)兒一樣的撲翼，還有人提出裝上人力轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋槳推進(jìn)器。然而，這些方案都不成功，因?yàn)榕c龐大的氣囊相比，它們產(chǎn)生的力量實(shí)在是微不足道。

1852年，法國(guó)人吉法爾德發(fā)明了使用機(jī)械動(dòng)力推動(dòng)氣球改變方向的技術(shù)。他在氣球下面吊載一臺(tái)3馬力的蒸汽機(jī)，用它帶動(dòng)一個(gè)大風(fēng)扇。風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生水平推力，只需調(diào)整風(fēng)扇的方向即可改變氣球的飛行路線。他把氣球做成長(zhǎng)長(zhǎng)的橢球體，像一支巨大的雪茄煙，以便減小阻力，人們稱其為“飛艇”。實(shí)際上這種設(shè)計(jì)產(chǎn)生的水平推力也很有限，飛艇只能在無(wú)風(fēng)的天氣航行且速度很慢，僅為每小時(shí)10千米，比人在地上步行略快。

19世紀(jì)末，人們用內(nèi)燃機(jī)取代蒸汽機(jī)作為飛艇的推進(jìn)動(dòng)力。由于內(nèi)燃機(jī)的重量比蒸汽機(jī)輕很多，而高速旋轉(zhuǎn)的槳葉可產(chǎn)生更大的水平推力，飛艇的飛行性能因此大為改觀。1883年，德國(guó)工程師迪生代爾發(fā)明電動(dòng)空中飛行器，首次采用蓄電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，消除了飛艇的噪聲，減少了氫氣爆炸的危險(xiǎn)。

1897年，奧地利人施瓦爾茨采用輕金屬鋁制作骨架支撐柔韌的氣囊，使飛艇既牢固又減輕了自重；1897～1904年間，在法國(guó)謀生的阿根廷人桑托斯建造了幾艘這樣的飛艇，環(huán)繞埃菲爾鐵塔飛行，還獲了獎(jiǎng)。后來(lái)，德國(guó)退休軍官齊伯林在與施瓦爾茨的遺孀結(jié)婚后，繼承了鋁質(zhì)骨架飛艇專利，并在德國(guó)政府支持下開(kāi)始大量制造軍用飛艇。這種飛艇能夠在空中滯留24小時(shí)以上。在第一次世界大戰(zhàn)中，德軍曾利用這種飛艇轟炸英國(guó)。

第一次世界大戰(zhàn)之后，德國(guó)與英國(guó)都加速發(fā)展飛艇。1918年，英國(guó)建造的飛艇首次飛越大西洋，耗時(shí)108小時(shí)。1928年，德國(guó)建造了豪華飛艇“齊伯林號(hào)”，長(zhǎng)236米、寬30.5米，載客20名，飛越大西洋往返費(fèi)用每人1000～3000美元。這艘飛艇共144次飛越大西洋，航程超過(guò)16萬(wàn)千米，運(yùn)送旅客1.3萬(wàn)人，為當(dāng)時(shí)航程最遠(yuǎn)、運(yùn)載人數(shù)最多的飛行器。

1923年，美國(guó)人從大氣中分離出稀有化學(xué)元素氦，并發(fā)明了充氦氣的飛艇。氦是一種較空氣輕的惰性氣體，不會(huì)燃燒和爆炸，用于飛艇非常安全。第二次世界大戰(zhàn)前，美國(guó)嚴(yán)格禁止向納粹德國(guó)出口氦氣，德國(guó)人只能小心翼翼地駕駛氫氣飛艇航行。1936年，德國(guó)建造了一艘比“齊伯林號(hào)”更大、更豪華的飛艇“興登堡號(hào)”（以德國(guó)總統(tǒng)的名字命名）。1937年5月6日，它運(yùn)載50名乘客首航到達(dá)美國(guó)，當(dāng)其在新澤西州著陸時(shí)起火爆炸，當(dāng)場(chǎng)死亡36人。至今人們也未查明這一事件的產(chǎn)生原因，有人說(shuō)是人為的故意破壞，有人說(shuō)是電氣火花引燃泄漏在空氣中的氫氣。這一悲慘事故熄滅了人們對(duì)飛艇的熱情。

早在蒙特哥菲兄弟的熱氣球升空之后不久，法國(guó)發(fā)明家凱利便開(kāi)始探索如何使比空氣重的物體飛上天空。1804年，他設(shè)計(jì)制造了世界上第一架可以飛行的模型飛機(jī)。為了減輕重量，他用紙糊的風(fēng)箏做機(jī)翼，機(jī)身采用一根輕巧結(jié)實(shí)的木棒，木棒的后端裝有十字交叉的水平尾翼和垂直尾翼。當(dāng)垂直尾翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以控制飛機(jī)向右向左運(yùn)動(dòng)；當(dāng)水平尾翼上傾或下斜時(shí)，可以控制飛機(jī)爬升或俯沖。

1809年，凱利出版了他的重要著作《在空氣中航行》，闡明比空氣重的物體可以在空中飛行。他在書中提出了飛行的原理以及制造飛機(jī)必須注意的三個(gè)問(wèn)題：升力、阻力和控制。為了增大升力，提高飛行的穩(wěn)定性，他還提出雙翼飛機(jī)和三翼飛機(jī)的設(shè)計(jì)，這種飛機(jī)像是從上到下長(zhǎng)著兩對(duì)或三對(duì)翅膀的大鳥(niǎo)。凱利的構(gòu)想超出了人類模仿飛鳥(niǎo)的階段。

為了測(cè)試飛機(jī)在人為產(chǎn)生的氣流中的受力情況，人們?cè)谱鬟^(guò)多種多樣的模型飛機(jī)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，要想讓飛機(jī)升起來(lái)其實(shí)很簡(jiǎn)單，關(guān)鍵在于機(jī)翼的形狀和機(jī)翼掠過(guò)空氣的速度。機(jī)翼的形狀應(yīng)該是上面為弧面，下面為平面。這樣，當(dāng)空氣流過(guò)機(jī)翼時(shí)，上面的氣流快，下面的氣流慢。而根據(jù)18世紀(jì)瑞士科學(xué)家伯努利發(fā)現(xiàn)的原理——慢氣流壓強(qiáng)大，快氣流壓強(qiáng)小，機(jī)翼上下兩面受到的合力就是一種向上的力。機(jī)翼面積越大，向上托舉飛機(jī)的力就越大，而氣流速度越快，飛機(jī)的升力也就越大。1871年，英國(guó)人韋納姆專門制作了一個(gè)直徑為3米的空管，用蒸汽機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)，在空管中可產(chǎn)生速度達(dá)每小時(shí)65千米的氣流。這種可以產(chǎn)生高速氣流的空管被叫作“風(fēng)洞”，用來(lái)設(shè)計(jì)最合理的飛機(jī)。風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果使人們驚訝：高速氣流掠過(guò)機(jī)翼時(shí)，可以產(chǎn)生數(shù)倍于機(jī)翼自身重量的升力！這一發(fā)現(xiàn)堅(jiān)定了人們制造飛機(jī)的信念。利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究飛機(jī)的造型和結(jié)構(gòu)，標(biāo)志人類向往飛行的創(chuàng)造活動(dòng)由冒險(xiǎn)走向科學(xué)。

德國(guó)工程師李林塔爾（1848-1896）在對(duì)機(jī)翼進(jìn)行系統(tǒng)研究后，制作出非常詳細(xì)的圖表，其中列出了不同形狀的機(jī)翼產(chǎn)生的升力，為飛機(jī)設(shè)計(jì)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

1894年，李林塔爾乘坐自己設(shè)計(jì)的滑翔機(jī)，在平地壘起的小土丘上經(jīng)助跑躍起，成功飛行了45米，成為人類歷史上首次實(shí)現(xiàn)可控制飛行的先驅(qū)。李林塔爾不斷改進(jìn)滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，駕機(jī)飛行了2000多次。他堅(jiān)信，如果裝上機(jī)器動(dòng)力，滑翔機(jī)一定能夠飛起來(lái)。然而，他未能實(shí)現(xiàn)自己的有動(dòng)力飛行的夙愿。1896年，在一次滑翔飛行中，一陣疾風(fēng)使滑翔機(jī)失控，他從空中墜落，第二天便離開(kāi)了人世。臨終前他講的最后一句話是：“如果想飛行，就要作出犧牲?！?/p>

凱利和李林塔爾的探索實(shí)踐，以及人們?cè)陲L(fēng)洞試驗(yàn)中獲得的研究結(jié)果，為動(dòng)力飛行準(zhǔn)備了最重要的條件。實(shí)際上，風(fēng)洞機(jī)翼升力實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，已經(jīng)使人們找到了牽引飛機(jī)前行的有效方法。既然水平氣流掠過(guò)不動(dòng)的機(jī)翼可以產(chǎn)生巨大的升力，如果讓兩片機(jī)翼頭對(duì)頭連接起來(lái)繞中心軸高速旋轉(zhuǎn)，就會(huì)在旋轉(zhuǎn)軸線的方向產(chǎn)生強(qiáng)勁的推力。這種力量足以使飛機(jī)克服空氣阻力，快速飛行。這種組裝在一起的旋轉(zhuǎn)機(jī)翼被稱為螺旋槳。

后來(lái)，人們開(kāi)始把用做火車動(dòng)力的蒸汽機(jī)搬上飛機(jī)，讓它作為螺旋槳的動(dòng)力。由于蒸汽機(jī)太重，這種有動(dòng)力的飛機(jī)不能飛，只能在地上跳。1874年，法國(guó)人泰蒙佩爾的蒸汽飛機(jī)可以跳起來(lái)并滯留空中兩秒鐘。1884年，法國(guó)工程師埃達(dá)爾的蒸汽飛機(jī)跳起來(lái)并飛行了46米。1896年，美國(guó)科學(xué)家蘭利制造了一架無(wú)人駕駛的蒸汽飛機(jī)，它從搭建在房頂?shù)母吲_(tái)上起飛，飛行了800米，在空中的飛行時(shí)間達(dá)90秒鐘。（未完待續(xù)）