飛翔之夢（上）回望人類發明之路之二十二

張開遜

在東方與西方神話傳說中，神都會飛：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，中國的神則乘白云飛……在我國山東省嘉祥縣出土的東漢時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，我國敦煌壁畫中出現的飛天畫面多達4500個，莫高窟492個洞窟的壁畫上都有飛天。古代人類不能飛，讓神為自己圓夢。

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

第一個對飛翔進行科學探索的人是達·芬奇，他相信鳥類有飛行的秘密，而人類能夠復制這種秘密。在1486～1514年間，他設計了多種由人操縱的飛行器械，包括滑翔機、直升機和降落傘。幸好他沒有親自試飛，否則人類會過早地失去一位天才。實際上，人體的構造和功能是不適合飛翔的。有人計算過，如果要像鳥兒那樣展開雙翅飛翔，人體需要有1.8米長的胸骨架，才能支持牽動翅膀的肌肉。

人類第一次借助自然的力量離開地面，應該歸功于兩位法國年輕人，哥哥蒙特哥菲·約瑟夫（1740-1810）和弟弟蒙特哥菲·雅克（1745-1799）。兄弟倆喜歡數學，熟悉富蘭克林有名的風箏實驗，讀過英國化學家普利斯特萊關于空氣性質的論文，而且愛動手做實驗。1782年，在注視爐子的煙冉冉上升時，他們突然想到：煙會不會把什么物體托起來？他們將一個敞口的綢布袋袋口朝下地正對爐火，當煙充滿綢布袋時松開雙手，結果煙托著綢布袋升到了天花板。兄弟倆又在室外點燃一堆碎羊毛和麥秸以產生熱氣和煙，結果綢布袋升至23米高后才緩緩降落到地。后來，兄弟倆又用紙糊了一個大氣球，用布做襯里，下端開口兜住熱氣。他們在地上燒起一堆火重復這個實驗，結果氣球升至1800米高，降落在1600米之外，引來無數人圍觀。

這一發明引起了科學家和皇室的興趣，蒙特哥菲兄弟被邀請到巴黎。人們希望他們做一次動物升空實驗，看看在高空它們能不能存活。1782年9月，一個裝載著羊、公雞和鴨子的吊籃隨著熱氣球升上高空，然后安全返回，動物安然無恙。法國國王路易十六希望兄弟倆到凡爾賽宮廣場表演，并打算讓兩個死囚犯登上吊籃隨熱氣球升空。青年歷史學家羅吉爾對此極為憤怒，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，羅吉爾和另一個志愿者爬進吊籃，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，來自四周空氣的浮力。在海平面附近，當溫度為20℃時，每立方米空氣的質量大約為1.3千克。溫度升高，空氣密度減小。當溫度為90℃時，每立方米空氣的質量大約為1.04千克。一只直徑20米的氣球，充滿熱氣之后產生的升力可以達到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生熱氣的爐子，帶動載有幾個人的吊籃升空。由于這種氣球利用熱空氣產生浮力升空，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始了，還是在巴黎。不過，這次氣球里灌的是氫氣——英國科學家卡文迪什于1766年發現了這種比空氣輕的氣體。年輕的物理學家查爾斯和他的同伴坐在吊籃里飛行了兩個小時，距離達到43千米；當氣球降落，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節角度的帆，有人主張給它裝上像鳥兒一樣的撲翼，還有人提出裝上人力轉動的螺旋槳推進器。然而，這些方案都不成功，因為與龐大的氣囊相比，它們產生的力量實在是微不足道。

1852年，法國人吉法爾德發明了使用機械動力推動氣球改變方向的技術。他在氣球下面吊載一臺3馬力的蒸汽機，用它帶動一個大風扇。風扇葉片旋轉產生水平推力，只需調整風扇的方向即可改變氣球的飛行路線。他把氣球做成長長的橢球體，像一支巨大的雪茄煙，以便減小阻力，人們稱其為“飛艇”。實際上這種設計產生的水平推力也很有限，飛艇只能在無風的天氣航行且速度很慢，僅為每小時10千米，比人在地上步行略快。

19世紀末，人們用內燃機取代蒸汽機作為飛艇的推進動力。由于內燃機的重量比蒸汽機輕很多，而高速旋轉的槳葉可產生更大的水平推力，飛艇的飛行性能因此大為改觀。1883年，德國工程師迪生代爾發明電動空中飛行器，首次采用蓄電池驅動的電動機為動力，消除了飛艇的噪聲，減少了氫氣爆炸的危險。

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，在法國謀生的阿根廷人桑托斯建造了幾艘這樣的飛艇，環繞埃菲爾鐵塔飛行，還獲了獎。后來，德國退休軍官齊伯林在與施瓦爾茨的遺孀結婚后，繼承了鋁質骨架飛艇專利，并在德國政府支持下開始大量制造軍用飛艇。這種飛艇能夠在空中滯留24小時以上。在第一次世界大戰中，德軍曾利用這種飛艇轟炸英國。

第一次世界大戰之后，德國與英國都加速發展飛艇。1918年，英國建造的飛艇首次飛越大西洋，耗時108小時。1928年，德國建造了豪華飛艇“齊伯林號”，長236米、寬30.5米，載客20名，飛越大西洋往返費用每人1000～3000美元。這艘飛艇共144次飛越大西洋，航程超過16萬千米，運送旅客1.3萬人，為當時航程最遠、運載人數最多的飛行器。

1923年，美國人從大氣中分離出稀有化學元素氦，并發明了充氦氣的飛艇。氦是一種較空氣輕的惰性氣體，不會燃燒和爆炸，用于飛艇非常安全。第二次世界大戰前，美國嚴格禁止向納粹德國出口氦氣，德國人只能小心翼翼地駕駛氫氣飛艇航行。1936年，德國建造了一艘比“齊伯林號”更大、更豪華的飛艇“興登堡號”（以德國總統的名字命名）。1937年5月6日，它運載50名乘客首航到達美國，當其在新澤西州著陸時起火爆炸，當場死亡36人。至今人們也未查明這一事件的產生原因，有人說是人為的故意破壞，有人說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，法國發明家凱利便開始探索如何使比空氣重的物體飛上天空。1804年，他設計制造了世界上第一架可以飛行的模型飛機。為了減輕重量，他用紙糊的風箏做機翼，機身采用一根輕巧結實的木棒，木棒的后端裝有十字交叉的水平尾翼和垂直尾翼。當垂直尾翼轉動時，可以控制飛機向右向左運動；當水平尾翼上傾或下斜時，可以控制飛機爬升或俯沖。

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必須注意的三個問題：升力、阻力和控制。為了增大升力，提高飛行的穩定性，他還提出雙翼飛機和三翼飛機的設計，這種飛機像是從上到下長著兩對或三對翅膀的大鳥。凱利的構想超出了人類模仿飛鳥的階段。

為了測試飛機在人為產生的氣流中的受力情況，人們曾制作過多種多樣的模型飛機。結果發現，要想讓飛機升起來其實很簡單，關鍵在于機翼的形狀和機翼掠過空氣的速度。機翼的形狀應該是上面為弧面，下面為平面。這樣，當空氣流過機翼時，上面的氣流快，下面的氣流慢。而根據18世紀瑞士科學家伯努利發現的原理——慢氣流壓強大，快氣流壓強小，機翼上下兩面受到的合力就是一種向上的力。機翼面積越大，向上托舉飛機的力就越大，而氣流速度越快，飛機的升力也就越大。1871年，英國人韋納姆專門制作了一個直徑為3米的空管，用蒸汽機帶動風扇高速旋轉，在空管中可產生速度達每小時65千米的氣流。這種可以產生高速氣流的空管被叫作“風洞”，用來設計最合理的飛機。風洞試驗的結果使人們驚訝：高速氣流掠過機翼時，可以產生數倍于機翼自身重量的升力！這一發現堅定了人們制造飛機的信念。利用風洞試驗研究飛機的造型和結構，標志人類向往飛行的創造活動由冒險走向科學。

德國工程師李林塔爾（1848-1896）在對機翼進行系統研究后，制作出非常詳細的圖表，其中列出了不同形狀的機翼產生的升力，為飛機設計提供了重要的科學依據。

1894年，李林塔爾乘坐自己設計的滑翔機，在平地壘起的小土丘上經助跑躍起，成功飛行了45米，成為人類歷史上首次實現可控制飛行的先驅。李林塔爾不斷改進滑翔機的設計和結構，駕機飛行了2000多次。他堅信，如果裝上機器動力，滑翔機一定能夠飛起來。然而，他未能實現自己的有動力飛行的夙愿。1896年，在一次滑翔飛行中，一陣疾風使滑翔機失控，他從空中墜落，第二天便離開了人世。臨終前他講的最后一句話是：“如果想飛行，就要作出犧牲。”

凱利和李林塔爾的探索實踐，以及人們在風洞試驗中獲得的研究結果，為動力飛行準備了最重要的條件。實際上，風洞機翼升力實驗的結果，已經使人們找到了牽引飛機前行的有效方法。既然水平氣流掠過不動的機翼可以產生巨大的升力，如果讓兩片機翼頭對頭連接起來繞中心軸高速旋轉，就會在旋轉軸線的方向產生強勁的推力。這種力量足以使飛機克服空氣阻力，快速飛行。這種組裝在一起的旋轉機翼被稱為螺旋槳。

后來，人們開始把用做火車動力的蒸汽機搬上飛機，讓它作為螺旋槳的動力。由于蒸汽機太重，這種有動力的飛機不能飛，只能在地上跳。1874年，法國人泰蒙佩爾的蒸汽飛機可以跳起來并滯留空中兩秒鐘。1884年，法國工程師埃達爾的蒸汽飛機跳起來并飛行了46米。1896年，美國科學家蘭利制造了一架無人駕駛的蒸汽飛機，它從搭建在房頂的高臺上起飛，飛行了800米，在空中的飛行時間達90秒鐘。（未完待續）