飞上蓝天

像鸟一样飞行是人类很早就有的梦想。从中国古代的风筝，到古希腊人制造的机械鸽，从文艺复兴时期达·芬奇设计的飞行器，到明朝万户陶成道用爆竹制成的火箭，都反映出人们对飞行的渴望。但是，没有科学基础的尝试是难以成功的。

文艺复兴时期，人们才开始理性研究飞行。1505年，达·芬奇在科学地研究了鸟类的飞行之后，写出了航空科学的开山之作《论鸟的飞行》一书。17世纪，意大利科学家博雷利（Giovanni Alfonso Borelli，1608—1679）从生物力学的角度研究了动物肌肉、骨骼和飞行的关系，他指出，人类没有鸟类那样轻质的骨架、发达的胸肌和光滑的流线型身体，因此，人类肌肉力量不足以像鸟类那样振动翅膀飞行。博雷利的结论宣告了人类各种模仿鸟类飞行的努力都不可能成功。

18世纪的热力学成就和工业革命为人类真正的飞行奠定了基础。波义耳和马略特等人的科学研究成果表明，热空气体积大、质量小，可以上升，而纺织工业的发展又带来了更轻巧、更结实的布料，这两件事情促成了热气球的诞生。1783年6月4日，法国的孟格菲兄弟（Montgolfier brothers）成功地进行了第一次热气球公开升空表演。同年11月，孟格菲兄弟进行了热气球载人试验，两位法国人乘坐热气球上升到910米的高空，并飞行了9千米，然后安全降落，历时25分钟（见图7.8）。孟格菲兄弟二人因此当选法兰西科学院院士，而他们的父亲则被册封为贵族。今天，法语中的气球一词montgolfière就是他们的名字。孟格菲兄弟后来留下这样一句格言：sic itur ad astra，意思是“我们将这样走到星星那边”。

热气球试飞后不久，人类又开始用较轻的氢气制造气球。1783年12月，两名法国人乘坐氢气球在巴黎首次进行了自由飞行。此后，氢气球发展成了自带动力的飞艇。1893年，德国著名的飞艇大师斐迪南·冯·齐柏林（Ferdinand Graf von Zeppelin，1838—1917）开始设计大型硬式氢气飞艇。随后他花了好几年时间进行融资、制造飞艇，终于在1900年试飞并获得成功。齐柏林飞艇长达128米，直径11.58米，艇下装有两个吊舱，可乘5人，采用内燃机驱动，可以长距离飞行。不久，齐柏林的飞艇成了当时最有实用价值的民用和军用飞行器。最成功的齐柏林伯爵号飞艇一共飞行了100多万英里，并且在1929年8月完成了环球飞行。

▲图7.8 英国伦敦科学博物馆藏的孟格菲兄弟气球模型

直到二战前的1937年，飞艇一直在航空工业中占有重要位置。不过，这一年的5月6日，当时最大、最先进的兴登堡号飞艇在一次例行载客飞行中（从法兰克福横跨大西洋飞往美国新泽西）起火焚毁，造成飞艇上37人死亡，飞艇从此退出了历史舞台。在这之后，虽然热气球作为观光工具还在被使用，但不再是交通工具。

▲图7.9 兴登堡号飞艇

飞机的出现则比飞艇晚得多，因为飞机的比重远远大于空气，要想让这样的飞行器升空并持续飞行，难度远大于把比重小于空气的飞艇送上天。

实现可控制的飞行必须解决三大难题：升力的来源、动力的来源和可操纵性。这些问题并不是哪个发明家能一次性解决的，而是经过了三代发明家共同努力才逐步解决。

第一代发明家以空气动力学之父、英国的乔治·凯利（George Cayley，1773—1857）为代表，他的研究工作主要是在19世纪初。凯利受到中国竹蜻蜓的启发，从理论上设计了一种直升机，当然它只存在于图纸上，不可能实现。凯利随后又试图模仿鸟类，设计振翼的飞机，但是不成功。后来他认识到鸟类的翅膀不只是提供动力，还提供升力，更重要的是，他发现空气在不同形状的翼面流过时产生的压力不同，从而提出了通过固定机翼（而非振翼）提供飞行升力的想法。

凯利不仅是一个理论家，更是实践者。1849年，凯利制造了一架三翼滑翔机，让一名10岁的小孩坐着它从山顶滑下（动力来自人用绳子牵引），实现了人类历史上第一次载人滑翔飞行。4年后，即1853年，凯利又制造出了可以操控的滑翔机，成功地让一位成年人（他的马车夫）实现了飞行。这次飞行的具体时长和距离没有明确记载，但是过程可能有点凶险，因为这位马车夫随后辞职不干了。关于这架滑翔机的设计和当时的一些飞行记录，凯利写成了论文《改良型1853年有舵滑翔机》，并且送到了当时世界上唯一的航空学会——法国航空学会。

但是由于当时没有轻便的发动机，也没有能量密度很高的燃料，凯利无法实现自带动力的飞行梦想。1857年，已经82岁高龄的凯利知道自己时日无多，却仍在努力研制轻质量的发动机，但终无所成。所幸的是，凯利对自己的研究工作都有详细的记录，特别是留下了论文《论空中航行》，成了航空学的经典。在这篇论文中，凯利明确指出，升力机理与动力机理应该分开，人类飞行器不应该单纯模仿鸟类的飞行动作，而应该用不同装置分别实现升力和动力，这为飞机的发明指明了正确的方向。

▲图7.10 凯利的滑翔机

1971年，英国退役空军飞行员皮戈特（Derek Piggott，1922—2019）中尉，按照凯利留下的笔记仿制了当年的滑翔机，并且在1973年为电视机前的观众做现场表演，从而证明100多年前凯利的记载是真实的。

凯利去世大约半个世纪之后，美国发明家莱特兄弟，即弟弟奥维尔·莱特（Orville Wright，1871—1948）和哥哥威尔伯·莱特（Wilbur Wright，1867—1912）实现了他的遗愿——自带动力的载人飞行。奥维尔·莱特在1912年说，他们的成功完全要感谢这位英国绅士写下的飞行器理论。他说：“乔治·凯利爵士提出的有关航空的原理可以说前无古人、后无来者，直到19世纪末，他所出版的作品毫无错误，实在是科学史上最伟大的文献。”而他的哥哥威尔伯·莱特也说：“我们设计飞机的时候，完全是采用凯利爵士提出的非常精确的计算方法进行计算的。”

在凯利之后，第二代飞行器发明家以德国的奥托·李林塔尔（Otto Lilienthal，1848—1896）为代表。和凯利不同，李林塔尔主要是实践家而不是理论家，他是世界上最早实现自带动力滑翔飞行的人，也是最早成功重复进行滑翔试验的人。但是李林塔尔的工作方法有一个天然的缺陷，就是理论研究和准备工作做得不充分，过分依赖一次次载人的飞行试验。不幸的是，李林塔尔在一次试验中丧生了。不过，他的工作对莱特兄弟非常有启发，而他的事迹也激励着这两位美国年轻人的工作。今天，依然有很多德国人认为是李林塔尔最先发明了飞机，柏林的一个机场也是以他的名字命名的。

与凯利和李林塔尔相比，第三代发明家莱特兄弟要幸运得多。他们出生得足够晚，以至凯利的理论和奥托的内燃机都已经为他们准备好了；他们出生得又足够早，飞机还没有被发明出来。当然，光靠运气是制造不出第一架飞机的，莱特兄弟在理论积累和工作方法上不仅全面超越了他们的前辈，也超越了同时代的人。

莱特兄弟非常注重飞机设计在理论上的正确性。他们二人虽然是自学成才，但是系统学习了空气动力学，有着扎实的理论基础，而且做事情非常严谨。兄弟二人后来发现了李林塔尔在计算升力时的误差（多算了60%的升力）并且进行了修正，之后又通过试验进行了验证。这是他们能够成功而李林塔尔失败的重要原因。

在飞机的设计上，莱特兄弟最大的贡献是发明了控制飞机机翼的操纵杆，从根本上解决了飞机控制的问题。在此之前，凯利没有意识到这个问题，因为当时动力的问题还没有解决，而李林塔尔虽然意识到了控制问题，却没有找到答案。因此，试图让飞行员像鸟类那样通过身体的移动来平衡飞机，是完全不可能的。至此，制造飞机的三个最关键的技术都具备了：升力问题被凯利解决了，动力问题被奥托解决了，控制问题被莱特兄弟解决了。

莱特兄弟最值得一提的是他们超越同时代其他发明家的工作方法。他们为了试验飞机的升力和控制系统，专门打造了一个风洞，在里面进行了大量的试验。莱特兄弟为了改进机翼，尝试了200多种不同的翼形，进行了上千次测试。他们用滑轮将砝码和飞机的机翼连接起来，准确地计算各种条件下的升力。此外，他们对如何控制飞机平衡、俯仰和转弯等航空操纵进行了大量的试验。因此，当他们设计的第一架飞机试飞时，他们确信这架飞机一定能飞起来，而且能很好地保持横侧稳定。

▲图7.11 莱特兄弟的工作笔记

莱特兄弟生性谨慎，他们不做足试验是不肯试飞的，而且，即使试飞，也要先进行无人驾驶的试飞。为了试验飞机的转向控制，莱特兄弟在1902年进行了700~1000次滑翔试验。他们制作的滑翔机在安装了可控尾舵后，进行了上百次试验，这些试验都表现出良好的可操纵性，最长的一次持续滑翔了26秒，飞了189.7米（622.5英尺）。这一年的10月8日，莱特兄弟彻底实现了真正的飞行转向控制，这是飞行史上一个重要的里程碑。在这之后，他们将精力集中到制作自带动力的飞机上。又经过了一年多的努力，1903年12月17日，莱特兄弟在美国西海岸小鹰镇成功试飞了自行研制的飞行者一号。从此，人类进入了飞机时代。

▲图7.12 莱特兄弟的第一次飞行试验

就在莱特兄弟发明飞机的前后，世界各国的发明家都在加速研制飞机，但是成功者并不多，很多发明家（包括中国的航空先驱冯如）甚至在莱特兄弟的飞机上天之后，依然付出了生命的代价，主要是因为工作方法落后于莱特兄弟。直到今天，飞机的研究和制造依然是一件极为复杂的事情，需要通过试验获取大量的信息，才有可能设计出能安全、有效飞行的飞机。莱特兄弟通过进行大量安全的、不需要载人试飞的试验，获取了足够多的信息，等到他们真的开始载人试验时，他们设计的飞机已经比同时代人的飞机原型安全许多。

莱特兄弟成功试飞的早期证据只有摄影师拍下的照片（包括摄影师在海滩上无意中拍下的一张），因此，很多人对这件事依然将信将疑。直到1908年，莱特兄弟先后在欧洲和美国当众进行了好几次成功的飞行试验，全世界对他们才由质疑转为崇拜。1909年，美国总统塔夫脱邀请莱特兄弟到白宫做客并为他们授勋。

5年后，第一次世界大战爆发，战争的需要大大加速了飞机的发展。战后，飞机开始用于民航运输，而它的第一个高速发展阶段竟然是20世纪30年代西方经济大萧条时期。民用航空的第二个发展高峰是在二战之后的20年里，出于战争需要而发展起来的航空技术被用于民航飞机，同时，大量退役战机的飞行员和机械师加入民航服务中。1949年，德·哈维兰公司制造出了首架喷气式民航客机——“彗星”客机，而波音707则成为首款被世界各国广泛使用的喷气式飞机，老式的螺旋桨飞机则只能委身于短途、低客量的航线。

1969年，波音747试飞成功，它随后成了全世界洲际飞行的旗舰飞机。同年，英法合作研制的超音速协和飞机也试飞成功，并且在1976—2003年超过1/4个世纪里提供了跨大西洋的超音速客运飞行。

自20世纪70年代以来，人类在各种交通工具上的进步处于相对停滞的状态，直到20世纪末电动汽车的兴起和进入新世纪后无人驾驶汽车的出现。

汽车出现在19世纪末，飞机出现在20世纪初，二者都具有其必然性，其中最重要的原因就是提供动力的设备——内燃机被发明出来了。同时，在核能出现之前，能量密度最高的石油成了人类重要的能量来源。当然，热力学理论、空气动力学理论是这些现代交通工具被发明和制造出来的先决条件。