追溯人類航空科技的源頭（三）

陳洋

19世紀，懷揣飛行夢想的科學家們一直被一個問題所苦惱：如何獲得驅動飛機持續飛行所需的強大動力？數十年間，人們先后試圖將蒸汽機、火藥發動機、熱氣發動機和電動機等各式動力裝置用于飛機上，然而最終都無功而返。

進入20世紀后，航空發動機技術終于取得了突破。1900年至1914年是航空發動機發展史上極其關鍵的一段時期，短短的14年間，以汽油為燃料的活塞式航空發動機開始盛行，航空技術應用邁入新紀元。

活塞式發動機的發展

活塞式發動機是最早用于給飛行器提供動力的發動機。

因為是由汽車內燃機演變而來，所以它和汽車發動機的工作原理是一樣的，主要由汽缸、活塞、連桿、曲軸、機匣（發動機殼體）、氣門機構、螺旋槳減速器構成，以汽油為燃料，帶動螺旋槳等推進器為飛機提供動力。

活塞式發動機中，活塞的作用是承受燃燒氣體的壓力，并將此力通過活塞銷傳給連桿以推動曲軸旋轉。連桿的作用是將活塞承受的力傳給曲軸，并將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動。曲軸是發動機實現工作循環、完成能量轉換的傳動機構，是發動機產生并傳遞動力的機構，通過它把燃料燃燒后發出的熱能轉變為機械能。

圖1 活塞式航空發動機

全球首款工業化生產的航空發動機是安托瓦內特發動機。1906年至1908年間，裝備了安托瓦內特發動機的飛行器均取得了不錯的成績，由此引發多缸高轉速發動機的盛行。1909年后，塞甘兄弟借鑒其他行業發動機技術，將發動機改成中間曲軸固定，氣缸圍繞曲軸旋轉的設計形式，讓氣缸在懸空狀態下工作。

從外形上看，這種發動機和后來的星型氣冷活塞式航空發動機的造型幾乎完全一致，各氣缸呈圓形均勻排列，但在運行的原理上卻大相徑庭。這種發動機的氣缸是與螺旋槳一起旋轉的，而曲軸卻是固定的，也就是說與普通的發動機正好相反。塞甘兄弟推出的旋轉氣缸發動機取得了驕人成果，在航空領域引發了一場革命。

固定式發動機通常是用冷卻方式來進行分類，有風冷和水冷兩大類，氣缸的排布方式也各式各樣，從最簡單的直列4缸、直列6缸到氣缸倒置、扇形3缸分列、扇形6缸分列等形式。在1907年，埃斯諾-佩特里在他的飛機上安裝了一組扇形排列發動機（2缸和3缸發動機各一臺），采用了風冷系統，這也是飛機首次采用風冷系統。

后來，克萊芒、格諾姆等公司相繼研發出水平對置發動機，法爾戈和克萊熱公司則在1908年推出水平排列星型發動機，然后安扎尼公司又對排列形式做了改進，將其改為垂直排列，采用風冷和水冷混合冷卻系統。

在飛機問世的前六年內，飛機發動機功率基本都維持在50馬力至70馬力之間，直到1913年至1914年，格諾姆和克萊熱才成功研制出200馬力的疊置發動機。

圖2 “飛行者”1號

活塞式發動機類飛機

20世紀初，美國的萊特兄弟在總結前人經驗教訓的基礎上，設計出一個風洞來測量氣流對飛機機翼作用力的大小和方向，他們對托舉、阻力還有其他影響飛行的因素進行了測量，并將這些數據以表格形式記錄下來。1903年12月17日，萊特兄弟的“飛行者”1號試飛成功。該機裝載著一臺改裝四缸直列式水冷發動機，其缸徑與行程為10cm，功率僅為8.95kW，重量為81kg，功重比只有0.11kW/daN。

當日10時35分，弟弟奧威爾·萊特勇敢地登上飛機，在基蒂霍克起飛，完成了歷史性的12秒飛行，成為人類歷史上第一個駕機飛上天空的人。在當天最后一次飛行中，威爾伯·萊特駕駛“飛行者”1號在空中停留了59秒，飛行距離達260米。

在今天看來，此次飛行并不十分成功，萊特兄弟所采用的發動機性能也不夠優越，但它是世界上第一臺成功驅動飛機飛行的航空發動機，標志著飛行時代的到來，人類從此開辟了航空領域的新紀元，拉開了航空發動機的第一個時代——活塞時代的序幕。

體育興趣類飛機

20世紀初，因運動目的而促進飛行事業發展的狂熱飛行愛好者——巴西人阿爾貝托·桑托斯·杜蒙特通過自己的小型運動飛艇激發了歐洲人的航空運動熱情。隨著一系列重于空氣的航空器的問世，杜蒙特的航空器被描述為世界上最早的真正意義上的輕型飛機。

1906年10月23日下午，杜蒙特設計出第一架“14二代”飛機，其尾部搭載一臺50馬力的活塞發動機，在數千名巴黎人的目睹下，飛機升到3米空中，足足飛了60米。巴西人認為，這次飛行才能算是人類歷史上“第一架真正意義上的飛機”的誕生。

1907年，杜蒙特設計出“少女”小型單座飛機并成功試飛。1909年9月，進行了大規模改動、加大了發動機馬力的“少女20號”在空中持續飛行了16分鐘，飛行了18公里。“少女”系列飛機是第一批為運動目的生產的飛機。

軍用飛機的產生

在軍用航空領域，1908年，一位名叫塞繆爾·富蘭克林·科迪的美國人在英國建造了第一架全尺寸動力飛機——“英國軍用飛機1號”。這是一架雙螺旋槳推進式飛機，裝備了一臺37千瓦（50馬力）的安托瓦內特活塞發動機，在1908年9月29日完成了首次認證飛行，同年10月16日其飛行成績得到了英國官方認可。經過多次改裝試驗后，這架飛機已經可以在范堡羅周圍的“拉芬平原”完成超過1小時的飛行，飛行距離達到了64公里。

在實際戰場上第一個使用飛機的國家是意大利。1911年10月22日，由于在利比亞的昔蘭尼亞和的黎波里塔尼亞兩個地區的歸屬問題上產生了分歧，意大利向土耳其宣戰，卡洛·皮耶薩隊長指揮的意大利遠征軍空中部隊，通過“布萊里奧特XI”號飛機對土耳其的黎波里和阿奇奇亞之間的軍事陣地進行了偵查活動。

直升機的萌芽

1907年11月13日，法國發明家保羅·科爾尼設計制造了一架由一臺24馬力安托瓦內特發動機驅動的直升機，該機配兩只螺旋槳，外配兩只平衡外翼。首飛時，科爾尼駕駛直升機飛離地面30厘米。盡管飛行的距離特別短，但這次升空是個歷史性的突破。

同一年，同為法國人的布勒蓋和里歇也設計并試驗了一架直升機。該機設四片垂直螺旋槳，由一臺45馬力的安托瓦內特發動機驅動，未設置控制裝置。在試驗中，該直升機成功搭載飛行員飛離了地面。1908年7月22日，布勒蓋和里歇又成功將改進后的直升機飛到了4米高，但在降落時遭到損毀。

1912年，丹麥人埃爾哈默成功試飛了一架有人駕駛的直升機，該機設兩只同心螺旋槳，下螺旋槳作為降落傘使用，試飛高度到達了60厘米。

硬式飛艇的發展

1900年，德國的斐迪南·馮·齊柏林伯爵設計制造了第一架硬式飛艇。該飛艇在吊艙中裝載兩臺16馬力的活塞發動機作為動力源，、行駛速度每小時可達14英里，艇體內有17個氣囊，總容積達到1.2萬立方米，總浮力達13噸，比當時軟式飛艇大5至6倍。這種飛艇使用結構完整的龍骨保持氣囊的外形，采用活塞式發動機作動力，因而飛行性能好，裝載量大。

1908年，齊柏林又用自己的全部財產設計制造了當時世界上最大的一艘飛艇——“Lz-4”號。齊柏林對這艘飛艇的性能非常滿意，親自駕駛這艘飛艇作了一次遠航試驗，飛艇從德國起飛，飛過阿爾卑斯山，到達瑞士后返航。隨后的幾年，齊柏林對飛艇進行升級改進，在德國法蘭克福和杜賽爾多夫之間建立了第一條定期空中航線。擔任首航任務的是“Lz--7”號飛艇，它一次可載24名旅客，有12名乘務員，飛行速度為每小時69至77公里。

差不多同時，德國軍方建立了齊柏林飛艇隊，用于海上巡邏、遠程轟炸和空運等軍事活動。但是，隨著飛機性能的不斷提高，飛艇體積大、速度低、不靈活、易受攻擊的缺點日益明顯，因而逐漸被飛機所取代，但飛艇的商業飛行仍有發展。（本文圖片由作者提供）