武际可:人类飞起来前后

——力学史杂谈之十五
选择字号:   本文共阅读 3924 次 更新时间:2008-07-22 11:04

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武际可 (进入专栏)  

提要 简要地叙述了莱特兄弟发明飞机之前,前人对飞行的研究,并且介绍了莱特发明飞机和力学学科的关系,还介绍了围绕飞机发明权的诉讼。

关键词 飞机,莱特兄弟,空气动力学,恰纳特, 柯蒂斯。

1903年12月17日,莱特兄弟第一次实现了人类飞行的梦想。开辟了航空时代。这件事过去了整整一百年,现在世界各国都在隆重地纪念这一伟大的事件。本文就莱特兄弟发明飞机的前后,介绍几件有关的历史事实,以表纪念。

莱特之前的飞行研究

人类对飞行的向往是源远流长的。飞机的发明决不是莱特兄弟心血来潮的幸运所得,而是人类时代前赴后继奋斗和积累的结果。

我国在战国时代有了风筝、三国时代有了孔明灯、晋代有了竹蜻蜓、宋代有了火箭的发明。它们是人类早期对重物升空的尝试。

在欧洲的文艺复兴时代,在达·芬奇的扎记中记载了他对滑翔升空的构想。据说他曾经花了20多年观察与研究鸟、蝙蝠、昆虫的飞行,并且计划将他的发现写成一本著作。1505年,达·芬奇写成了研究手稿《论鸟的飞行》。

19世纪初,英国人乔治·凯利(George Cayley,1773-1857)为了对空气的阻力与升力进行定量研究,1804年12月,凯利自己设计和制造了一架悬臂机,用于研究平板的升力和阻力。利用这个装置,凯利得到了最早关于升力和速度方面的数据。他初步的结果是,平板的升力与面积成正比、与迎风角成正比、与速度的平方成正比。他在悬臂机试验中还发现了流线型对减少阻力的重要性。他经过精心计算,给出了一架飞机的设计参数,并且说:“如果这块平板能在动力作用下高效率运动,空中航行就会实现。”

大莱特曾说过:“我们设计的飞机,完全按照凯利爵士的非常精确的计算方法。”所以后来西方的航空专家都称凯利为航空之父。

在19世纪的后期,在英国、俄国、德国、法国都有一些动力飞行的探索者。其中法国的彭橈(Alphonse Pénaud. 1850-1880)1871年发明的橡筋动力的飞机模型,飞行距离超过60米,后来几经改进。他是19世纪继凯利之后在欧洲影响最大的空气动力学家。

1842年英国的汉森申请了他的飞机设计专利,这是世界上第一个有关飞机的专利。他的飞机上装置的动力是蒸汽机,他将这种飞行器定名为“空中蒸汽车”。后来他自己进行了模型试验,在头几次试验失败后,他的财力已经耗尽,无力继续而停止了。

1857年,法国的布里斯制造了一架大型滑翔机,他的起飞方式是将滑翔机固定在马车上,然后驱车沿大路奔跑,当马车达到一定速度时,把滑翔机放出去。在第二从试飞时,不幸遇到了下降的气流,滑翔机摔坏,他本人也摔断了大腿。过了10年,他又东山再起,继续继续滑翔机试验,试验又遭失败,从此他退出了航空。

德国的利林塔尔,1889年发表了一本《鸟类飞行的艺术》,这本书对后来的飞行影响很大。他还制造了具有蝙蝠形状机翼的滑翔机,为了改进他制造的滑翔机,他进行了2500次以上的飞行试验。他对滑翔机不断改进,最长的一次飞行是从15米高的山头上起飞,滑翔了300米远。

利林塔尔对航空最大的贡献是在准备飞行前,要在地面上进行一系列的试验。他试验了不同的翼型以确定对飞行最为有利的特点。有些机翼是平直的,而有些就像鸟翼一样是弯曲的。利林塔尔发现弯曲的形状更有利。后来莱特兄弟知道了利林塔尔的这些结果,并且把它应用到自己的设计中去了。

利林塔尔在滑翔机上增加了舵,并且准备装上动力,可惜在1896年8月的一天,在试飞时,因为机翼折断而折断了脊骨,于次日牺牲。他离开人世时最后的遗言是:“如果没有牺牲,任何事都不会成功。”

这些只是动力飞行的早期探索者中的少数例子。是这些勇敢的冒险家的前仆后继的探求,人们又不断从中总结经验,才有后来的飞行世纪。诚然,像后来最早飞行成功的莱特兄弟,那样的胜利者的业绩值得庆贺,而像利林塔尔,这样的失败者的业绩也是可歌可泣的。

兰利(Samuel Pierpont Langley,1834-1906)是美国的职业科学家,起先曾从事土木工程工作,后来靠自学成为著名的天文学家。他发展了测辐射热仪,对太阳光谱测量作出了重要贡献,1867年,任美国匹兹堡大学的物理与天文学教授。他从幼年便对鸟的飞翔产生了极大的兴趣。经常连续数小时观看鸟的飞行。

1887年兰利移居华盛顿,出任当时美国学术权威机构斯密森学会的秘书。他建造了一座60英尺的悬臂机,该机靠煤气发动机驱动,外周速度可达每小时70海里。利用这座悬臂机,他进行了大量的空气动力实验,研究平板与鸟翼在空气中运动时的阻力与升力的规律,由此得到了许多定量的结果,并且纠正了前人的不少错误。兰利将他的研究结果写成一本书《空气动力学实验》,于1891年由华盛顿的斯密森学会出版。这本书是最早的比较系统的实验空气动力学著作,对后来的飞机研究者,包括莱特兄弟影响很大。

除了实验室研究外,兰利还动手做飞行试验。他先后从1891年开始试制了橡筋动力模型飞机、设计并制造了轻型蒸汽机、并且设计了空中旅行者0-6共7个型号的飞机模型、对其中的第5、6两号在1896年进行了成功的飞行、后来又在1903年进行了两次不成功的载人的飞行试验。后来因为财政拮据和新闻界的冷嘲热讽,以及兰利本人年事已高(接近70岁)的诸多原因,放弃了试验,兰利也于1906年逝世。后人总结他载人飞行的失败主要是由于结构上的不合理,当时他的发射架如果采用轮式起落架,试飞很可能是另一种结果。

莱特发明的飞机

人类探索飞行的牺牲,给媒体带来了冷嘲热讽的口实,报纸上说试制的飞机是自杀机。

在俄亥俄州制造自行车的莱特兄弟(哥哥威布尔 Wilbur Wright,1867-1912,弟弟奥维尔Orville Wright,1871-1948)却不顾媒体的嘲讽,决心试制飞机。莱特兄弟自幼痴迷于航空,这可以从兄长威布尔 莱特写给纽约斯密森学院的一封信里看得很清楚。这封信说:

亲爱的先生:

打从我还是一个孩子起,我一直对机械的和人类的飞行问题感兴趣,继凯利和彭橈的机器之后,我曾做过许多不同大小的飞行物。我的观察使我更坚定地确信人类的飞行是可能的和行得通的。仅有的问题犹如在所有的杂技表演中的技巧和知识。鸟类是世界上最理想的经过训练的体操运动员,并且特别适应于它们的工作,而人类可能永远不能够与之相比,但是当注视一只鸟追赶昆虫或别的鸟时没有人能怀疑这种能力的形成需要通常飞行的三或四倍的时间。我相信对人类来说,简单的飞行至少是可能的,独立的工作人员的大量的实验和研究,其信息、知识和技巧的积累结果将最终导向飞行的实现。

在通向这一主题的工作上,指引我入门的有Appleton出版的Marey和Jamieson的书以及许多杂志和内容丰富的文章。我为准备在我经常的买卖的时间之余期望做贡献,刚开始对这一主题的系统地学习。我希望得到像斯密森学院出版的关于这一主题的文章,并且如果可能还希望得到在以英文印刷中的文章的目录。我是一位热心者而不是没有耐心的人,我有一些去严格建造飞行机器的宠爱的理论。我希望所有已知的对我有用,并且如果可能,对未来获得最后胜利者略尽绵薄之力。我不知道你能送给我的是哪些出版物,不过一旦你通知我价格,我将如数汇出。忠实于你的Wilbur Wright

莱特兄弟首先从制造滑翔机开始,逐渐改进。上面这封信,就是他们1899年5月30日写信给斯密森研究院索取有关航空资料。他们研究前人的经验,其中包括达·芬奇、乔治·凯利、兰利教授、马克辛(机枪的发明者)、查纽特、帕森斯、托马斯·爱迪生、利林塔尔、阿代尔、等等的事迹与经验。到1902年秋,已经积累了上千次滑翔经验,掌握了飞行的理论与技术。

最后,他们决心制造装有发动机与螺旋桨的飞机。经过艰苦的研究,终于制成了4缸8马力的内燃发动机,并且用枞木制造了螺旋桨。1903年12月17日在北卡罗来纳州的刺鬼山海岸(Kill Devil Hills beach),对他们制成的“飞行者”1号进行了试飞。经过4次试飞,最好的成绩是在空中飞行59秒,飞行距离259.7米的记录。那次试飞,他们发了50封邀请信,结果只来了5个人,报界对此反映冷淡。到1905年,美国著名的科学普及杂志《科学的美国人》说这次试验只不过是一个骗局。可是,就在这一年,莱特兄弟的第三个改型飞机在10月5日那天,一次飞行了38.6千米,在空中持续飞行38分又3秒钟。

最早的飞行与力学

20世纪产生的航空事业,可以说是力学科学的产儿。它自始至终是在力学研究成果的指导和哺育下发展和成长的。一般人以为,既然莱特兄弟是卖自行车的,所以他们只是凭借他们与自行车有关的机械学的知识制造飞机的。其实不然,他们的成功一直伴随着对力学,特别是空气动力学的深入钻研。以下略微说一说这方面的事实。

为了获得有关空气动力学方面的知识,莱特兄弟向许多人写信求助。下面是莱特兄长1899年6月14日写给纽约斯密森学院的信,信中说:

亲爱的先生:

我必须谢谢你6月2日的来信,在其中你亲切地附上了一张选出的涉及航空的书目的单子。我还想感谢寄来的斯密森报告中的# 903, 93[....], 1134 与 1135等小册子。附上一美元的现钞,是打算预付你们寄给我兰利的《空气动力学中的实验》的。

忠实于你的

Wilbur Wright

从这封信里可以看出,莱特兄弟是很好学的。前面说过,兰利在当时至少是处于实验空气动力学的前缘。他们向他索要兰利的有关著作,并且进行了十分认真的实验。

1901年莱特兄弟为了实验和改进翅膀,建造了风洞,他们研究与比较了200种以上的机翼形状。这个风洞大概是美国第一座风洞。

除了莱特兄弟好学,向一切从前的和当时的人学习以外,还应当特别提到的是有一位著名的工程师直接指导莱特的力学知识。这就是法裔工程师恰纳特(Octave Hanute,1832-1910)。他是一位著名的铁路工程师,主持设计过复杂的铁路桥梁,采用新的材料进行施工。他对飞行一直保持浓厚的业余兴趣,而且他关于飞行的力学知识在19世纪80年代一直处于前缘。他与莱特兄弟一直保持通信,指导他们,并且亲自去过莱特兄弟的试验场地。在1886年8月于布法勒(Buffalo)他在美国第一次组织召开了关于航空研究可能性的讨论会。这也就是美国科学促进协会(American Association for the Advancement of Science (AAAS))的第一个系列会议。之后他与他知道的任何有志于航空研究的人通信。1889年在多伦多又召开了AAAS 的会议,会上他正式将航空计划作为一个工程问题。在1893年他趁芝加哥世界博览会之机,在芝加哥组织召开了一次国际航空会议。许多对航空有兴趣的著名人物出席了会议,其中有斯密森学院的秘书兰利、发明家爱迪生等。之后于1894年他出版了《飞行力学进展》,后来这本书成为这方面的一本经典著作。 所以美国人罗杰 劳纽斯(Roger D. Launius)说:“莱特兄弟教会了世界飞行,但是是谁教会了莱特兄弟去飞行的呢?从最广泛的意义上说是一位出生于法国,在芝加哥长大的工程师――恰纳特。”

飞机发明权之争

1903年5月,莱特兄弟曾就他们对飞机两翼升力差及平衡等问题,向英国和美国提出了专利申请,英美两国分别于1904年和1906年批准了这项专利。

柯蒂斯(Glenn Curtiss,1878-1930)早先在造摩托车与摩托发动机的行业中很有成就。1907年他以自造的摩托车在佛罗里达创造了每小时136海里的记录,被誉为“活着的最快的人”。后来他制造气球飞船用的发动机。1906年他在纽约展出他的发动机,受到电话的发明人贝尔的注意,而贝尔正想制造一架飞机,邀请柯蒂斯参加他的计划。从此投身到航空事业中去。后来专门生产飞机用的发动机。

1908年,柯蒂斯发现了飞机的副翼原理,其作用是使两翼产生升力差。

莱特兄弟闻讯,以为柯蒂斯侵犯了他们的专利权,就向法院提出了控告。

1914年1月,联邦高等法院判决莱特兄弟胜诉。柯蒂斯不服,他想重新试飞比莱特兄弟早的兰格里的“航空站号”飞机。如果兰格里的飞机试飞成功,他就能在诉讼中击败莱特兄弟。

柯蒂斯找到了斯密桑宁研究院院长沃尔科特。沃尔科特一直想替前任院长兰利争得荣誉,自然很赞同柯蒂斯的想法。他向柯蒂斯提供了2000美元的实验费。

1914年4月,兰利的飞机被送到柯蒂斯工厂重新组装,柯蒂斯对飞机改动了35处。飞机试飞成功了。

沃尔科特十分高兴。他在研究院的年度报告上,专门登载了一则声明:“根据1914年实验证明,1903年的兰格里飞机是不加以任何实质性改进,就能够由人操纵进行连续飞行的、最早的、比空气重的飞机。”

从此,兰利飞机就被人们认为是世界上第一架飞机,它被陈列在国立博物馆最显要的位置。

莱特兄弟对此自然不服,他们又向有关部门申诉。双方从1914年诉讼开始,一直争执了28年。直到1942年,莱特兄弟的飞机从伦敦博物馆运回美国,争议才告一段落。莱特的优先发明权终被确立,莱特的飞机才被放在博物馆最荣耀的地方。

在这场争议中,他们彼此造成了一些损伤,不过在柯蒂斯与莱特兄弟争讼的同时他们为了共同的利益还是有合作的。柯蒂斯不仅是一位发明家还是一位很卓越的企业家,在第一次世界大战中,生产了一万多架飞机,柯蒂斯成为世界上最大的航空公司的主席,其雇员超过两万。1929年7月5日柯蒂斯与莱特正式联合成立柯蒂斯-莱特公司。迄今这个公司已经有70多年的历史,它虽然不是最大型的企业,但良好的经营,在强手如林的美国企业中仍然办得独具特色。它目前是以制造控制系统、金属加工为主要业务。在纪念人类飞行100周年的活动中,它表现得非常活跃。

参考文献

[1]Roger D. Launius, OCTAVE CHANUTE,The Chicago Connection, and the Birth of Aviation ,Illinois Periodicals Online (IPO), Northern Illinois University Libraries funded by the Illinois State Library,2003

[2]梅子,功名争夺,当代工人杂志社,2003

[3]武际可,力学史,重庆出版社,2000年

刊登于《力学与实践》2003年06期,作者授权天益发布

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