飞机发明的社会背景

中国人最早发明了风筝和风扇（螺旋桨），然而中国人并没有发明飞机。飞机的发明和发展是近代科学技术进步的产物。15世纪至18世纪，是西欧资本主义开始兴起的时期，也被称为前工业革命时期。18世纪60年代，英国首先发生工业革命（即产业革命）。法、德、美等国也相继于19世纪完成这一革命。工业革命使社会生产力迅猛发展。至于中国此时为什么没有出现工业革命，不是这里所要讨论的问题。

经济和贸易的增长，要求有强大的交通运输业作保障。16世纪中叶至19世纪前叶，人类完成了蒸汽机技术革命和电力技术革命，发明先进交通工具的物质基础已逐渐具备。1765年，英国人詹姆斯·瓦特（公元1736年至1819年）改进成功蒸汽机（1769年获专利权）。1807年，美国人罗伯特·富尔顿（公元1765年至1815年）发明的轮船试航成功。1814年，英国人乔治·史蒂文森（公元1781年至1848年）发明的矿山机车试车成功。为了发明天上的交通工具，世界各个角落，无数智勇之士正在前仆后继。

1784年，飞机发明前120年，就是布朗夏尔发明航空螺旋桨（用于氢气球）的那一年。德国诗人歌德（公元1749年至1832年）当时也在作热空气气球试验。这一年里，英国冶金学家亨利·科特（公元1740年至1800年）发明了搅拌法炼钢，使钢的产量大幅度提高。这对后来飞机制造业得以大规模地发展有重要作用。

1854年，有两件大事为飞机发明和发展提供了客观条件。

第一件大事：1854年，法国化学家德维尔（公元1818年至1881年）发明工业炼铝法。但当时制铝的成本很高，那一年世界铝产量只有20公斤，每公斤的价格是2400德国马克。因而拿破仑三世（公元1808年至1873年）不得不放弃用铝为士兵制作盔甲的打算。

几经努力之后，直到1889年，发明了从矾土矿石中提取制铝的原料——矾土的方法之后，制铝的成本才降了来。1896年，世界铝的产量是1800吨，每公斤铝的价格是2.60德国马克。到了第二次世界大战前的1937年，世界铝产量已达49万吨，每公斤铝的价格降低到了1.33德国马克。

轻而结实的铝合金是制造飞机机体的理想材料。但是，直到1916年，第一次世界大战中，英国军队击落德国的飞艇之后，才从飞艇的残骸中得知这种白色金属的妙用。

第二件大事：1854年，美国的化学家首先从石油中提取出煤油。原来由印地安人用来冶病的石油引起了各方面人士的重视，石油被大量开采和利用。其实，在我国西周时期（约公元前11世纪至771年）就有关于石油的记载，深井开采石油的历史也早于西方11个世纪。北宋（公元960年至1127年）时的科学家沈括（公元1031年至1095年），在《梦溪笔谈》中就有关于石油的预言：“此物后必大行于世，自予始为之”。1879年，美国标准石油公司成立，标志着石油能源时代的开始。汽油是从石油中提取煤油时的副产品，是活塞式飞机发动机不可缺少的燃料。而喷气式飞机是以高级航空煤油为燃料的。

1876年，德国工程师奥托（NikolausAugustotto，公元1832年至1891年）设计制造成第一台四冲程汽油内燃机（活塞式发动机）。它与蒸汽机（外燃机）相比，有体积小、省燃油、转速快和功率大等优点。1883年，德国人戈特利布·戴姆勒（GottliebWilhelmDaimler，公元1834年至1900年）发明的汽车发动机获得专利。1886年，戴姆勒和本茨（CarlFriedrichBenz，也译为奔驰，公元1844年至1929年）同时发明汽车。汽车所应用的发动机经改造后也可用于飞机。

飞机发明的理论准备

在航空史的记载中，第一个以科学的态度研究鸟类飞行，并设计出人力扑翼机草图的是达·芬奇。他观察了鸟类的飞行，发现气流流过鸟的翅膀时产生升力，而且气流越快，升力越大。根据这些发现，他在1505年写成了《论鸟的飞行》（SulVolodegliUccelli）一文，并绘制了扑翼机的草图。他设想通过人力向后下方扑动双翼来实现飞行。

他的人力扑翼机没有飞起来，后来的研究证明，也不可能飞起来。1680年，另一位意大利的学者齐奥凡尼·波莱里（G.A.Borelli）在《运动的动物》（DeMotuAnimalium）一书中，详细地论述了仅靠人体肌肉的力量，是无法在空中支撑自己的体重的。

1804年，英国的乔治·凯利爵士利用风筝作为机翼，制成了固定机翼的滑翔机模型。1849年至1853年间，他又制成了可载人的风筝滑翔机。他在1809年和1810年的《尼科尔森杂志》（Nicholson‘sJournal）上发表了《关于空中航行》（OnAerialNavigation）的论文，奠定了固定机翼飞机的理论基础。凯利说他自己是在抄袭自然，但他关于固定翼的主张，已不是简单地模仿自然界的飞鸟。正像另一位发明家，英籍美国人海勒姆·马克西姆（HiramStevensMaxim,公元1840年至1916年）所说：“一架成功的机车并不是以模仿一只象为基础的”。

有人曾指责，是物理学家牛顿（公元1642年至1727年）耽误了飞机的发明。因为，根据牛顿力学定律计算的结果，飞机要想得到足够的升力（平衡飞机重力，支持飞机在空中的力），机翼面积将大得在结构上无法实现。

有两位科学家的研究成果证明，情况并非如此悲观。

1860年，英国科学家弗朗西斯·赫伯特·温哈姆（公元1824年至1908年）提出双机翼的布局方案。这样既可以保证有足够的机翼面积，而又不致使其结构重量过大。另一位加拿大科学家霍雷肖·菲利浦斯（公元1845年至1926年）在简陋的风洞中实验表明：弯曲形切面的翼型要比平板翼型的升力系数大得多。此外，温哈姆还建议在飞机上安装自重轻，而功率大的汽油发动机，但未能付诸实际行动。

1871年，一位身患麻痹症的法国青年阿方斯·佩诺（AlphonsePenaud，公元1850年至1880年）制成了一架可以飞得很好的橡筋动力飞机模型。这架模型完全体现了现代飞机的主要设计原理：由具有弧形剖面的机翼产生升力；动力驱动螺旋桨产生推进力；长力臂的水平尾翼提供俯仰安定性。1876年，他又设计成一架非常先进的飞机，但未被重视。1880年，30岁的他自杀身亡。

美国的土木工程师查纽特（OctaveChanute公元1832年至1910年）从小由法国移居美国。他从1875年（43岁）开始对航空发生兴趣，曾广泛访问当时的航空专家。1894年他出版了《飞行机械进展》（ProgressinFlyingMachines）一书，总结了欧洲各国研究飞机的经验，对传播飞机研究的信息起了重要的作用。

查纽特在设计桥梁方面的知识帮助他创造了构架式双机翼结构。这种结构的特点是：在上、下两幅机翼之间，使用了支柱和张线，与机翼构架一起共同组成框架，借以增加结构强度。过去，普遍认为这种结构是澳大利亚人劳伦斯·哈格雷夫（LawrenceHargrave，公元1850年至1915年）在1893年发明的，即有名的哈格雷夫箱形风筝。但据查纽特的书中所说，他的发明比哈格雷夫早了5年。

飞机的发明者莱特兄弟在与查纽特的交往中获益匪浅。这位工程师的指点，对他们的飞机设计概念的形成，起了决定性的作用。

1903年1月，恰好是莱特兄弟试飞“飞行者1号”成功的那一年，一位法国科学家勒纳尔（Lenoir）计算出：载人飞机的发动机，其重量功率比（每马力平均分配的发动机自身重量）不应超过7.8公斤/马力（10.6公斤/千瓦）。

飞行先驱者

1804年，凯利发明滑翔机（没有动力装置的飞行器）之后，英国人塞缪尔·亨森（SamuelHenson，公元1812年至1888年）、约翰·斯特森费洛（JohnStringfellow，公元1799年至1883年）和托马斯·莫伊（ThomasMoy）等人都曾制造过一些以发条或压缩空气为动力的可以飞行的飞机模型。1842年，亨森还设计了一种翼展为46米，装有30马力（22千瓦）蒸汽发动机的民用飞机，并获得了设计专利。他设计的飞机外形很接近现代飞机。

滑翔机发明后至飞机发明前的100年当中，折磨每一位飞机研究者的梦魇是：与沉重的机体相比，机翼的升力总是嫌小；与巨大的飞行阻力相比，发动机的功率总是嫌低。

正当形形色色的飞机设计方案都因缺乏理想的发动机而上天无路的时候，一位德国工程师奥托·李林达尔（也译成李林塔尔，OttoLiliental，公元1848年至1896年）迈出了重于空气的飞行器飞向天空的第一步。

1891年夏天，43岁的奥托·李林达尔驾着他制造的滑翔机，首次成功地飞行了15米。他的滑翔机是靠移动驾驶员的身体重心来实现操纵的。和以往的“跳塔人”的鲁莽行为完全不同。他和他的弟弟古斯塔夫·李林达尔（GustavLiliental），从1867年开始，长期研究鸟类飞行的奥秘。他们曾注意到：鸟是通过增大翅膀的上反角来加强横侧安定性的；还有，鸟是利用改变翅膀的切面弯度来提高升力的等等。他们还进行过各种必要的实验。最后，才谨慎地从山坡上跃向空中。他们制造过大量的悬挂滑翔机。从1893年至1896年，共进行了2000次以上成功滑翔，有些时候还完成了180度的转弯。1896年，奥托在一次飞行中失事。

此后，英国人珀西·皮勒切尔（PercyS.Pilcher，公元1866年至1899年）仿效李林达尔，用一组马牵引滑翔机升空，但在一次起飞中，因机翼张线折断而丧生。

在美国，年逾花甲的奥克塔夫·查纽特，从1896年到1897年间，进行了大约1000次滑翔试验。他极力寻找不用移动驾驶员的身体重心来操纵飞机的方法。因为他年事已高，驾驶员由助手担任。1898年，他的一位助手A.M.赫林（AugustusMooreHerring，公元1867年至1927年）曾试图在滑翔机上加装一台压缩空气发动机，虽未飞行，但启发了后来的飞机设计。

以上这些滑翔试验，对后来莱特兄弟的发明有很重要的影响。也正是在这些滑翔机的飞行中，才使人们得以深刻地理解了飞机的安定性与操纵性是怎么回事。

前面提到的法国海军军官费利克斯·迪·唐普勒从小立志发明飞机。经过25年的努力，终于制作成功以钟表发条为动力（后又改为蒸汽发动机）的模型飞机，并于1857年取得了发明专利权。他的模型外形像鸟，可以完成短时间飞行。这是航空史上最早靠自身动力装置飞行的重于空气的飞行器。诚然，我国战国时期，公输般和墨翟制作的木鹊和木鸢；东汉时期，张衡制作的木雕；还有明代唐高骈制作的木鹄，按古书记载，它们都是内部设有机关的。但这些机关是否是由某种动力装置驱动的，尚无从考证。

唐普勒于1857年至1858年间，试飞成功模型飞机后，又着手制造全尺寸的载人飞机。他花费了16年时间造出了装有蒸汽活塞式发动机的飞机。它的翼展为17米，机长为7.35米，靠一具直径为4米的14叶螺旋桨拉进飞行。

1874年，唐普勒请一位年轻的水手驾驶他的飞机，从山坡上带动力滑下。在滑跑的末端，飞机短暂地离开地面，后又接地。这是航空史上，动力飞机首次离地。

唐普勒的贡献过去在航空史学界未给予应有的评价，现在看来，他的飞机有些设计已具有现代飞机的特征，如分别设有方向舵和升降舵；采用有上反角的前掠单翼布局；机身和机翼结构由铝合金制造；采用了连杆和软索混合式的操纵系统；以及装有三轮式的起落架等。

俄国海军军官亚历山大·弗奥多洛维奇·莫扎依斯基（AlexanderMozhaiskii，公元1825年至1890年）比那位法国同行唐普勒年轻两岁。莫扎依斯基曾担任过舰长，他在1886年的军衔是少将。前苏联的航空史学家曾宣称他是世界上第一个发明飞机的人。但目前，世界航空史学界普遍认为，他的飞机继唐普勒之后，完成了下滑增速，跳跃离地，但这架飞机不能认为是成功的。而且它的试飞时间是1884年7月，而不是以往曾报道的1882年。

莫扎依斯基于1875年开始设计飞机。据1954年出版的苏联《大众百科全书》记载：他在1876年曾公开表演过他的模型飞机。这些模型可以载着一把军官短剑，从地面滑跑离地，而且飞得很稳定。他的设计于1881年11月3日获得专利。1883年开始制造飞机。

1884年7月，在圣彼得堡郊区红村校场，由戈卢别夫驾驶莫扎依斯基设计的“空中飞行器”号飞机进行首次试飞。飞机带着动力，沿斜坡下滑中曾跳跃离地，飘飞20～30米距离后，机翼触地。

“空中飞行器”装有3台共30马力（22千瓦）的蒸汽发动机，带动一具直径为3.5米的螺旋桨。飞机的总重为934公斤。它的发动机产生的每马力（0.74千瓦）功率所负担的飞机重量（即功率载荷）是31.13公斤（42.07公斤/千瓦），这实在是太沉重的负担了。

后来莱特兄弟发明的“飞行者1号”飞机的功率载荷是28.33公斤（38.28公斤/千瓦），发动机的负担比较轻松一些。而现代的活塞式飞机的功率载荷，一般的只有2～4公斤，是早期飞机的十分之一。

此外，这架飞机虽有水平安定面和垂直安定面，却看不出有活动的舵面，而且也没有任何横侧操纵系统。这样的飞机是无法做机动飞行的。

根据现代人的计算，莫扎依斯基的飞机在平直飞行时所需功率至少是50马力（37千瓦），比它实际的可用功率30马力（22千瓦）要大得多。因此这架飞机也是不可能实现持续飞行的。

另据1976年至1980年出版的《苏联军事百科全书》记载：1882年至1885年间，俄国禁卫军司令部和圣彼得堡军区，确实每年都曾批准莫扎依斯基在红村校场进行试验。但1909年和以后的文献证明，试飞未获成功。

克莱芒·阿代尔（clementAder，公元1841年至1925年）生于法国米雷，曾是一名电气工程师，从事电话的研究并颇有成就。他从1873年开始转向研究载人飞行器。经过9年的探索，他决定制造自己设计的第一架飞机——命名为“风神”（Eole）。这架飞机的外形像一只大蝙蝠，装有1台20马力（15千瓦）的蒸汽发动机。

1890年10月9日，“风神”在阿尔曼维利耶完成了平地跳跃离地。所谓跳跃离地，指的是飞机不是在操纵下所做的持续飞行，而是短暂地离开地面。不过，阿代尔的成就还是超过了他的前辈——两名海军军官唐普勒和莫扎依斯基的功绩。因为“风神”是靠自身动力的作用离开地面的，而不是沿着斜面下滑，靠飞机重力的分力来获得加速度的。

1897年10月12日和14日，阿代尔制造的第三架飞机“飞机Ⅲ号”在官方监视下进行试飞，试飞结果当时没有公布。几年之后，阿代尔声称他的飞机在14日的试飞中，曾持续飞行300米的距离。但当时的见证人没有对这一试验结论给予证实。“风神”和“飞机Ⅲ号”都装有扭曲机翼，企图借以保持飞机的横侧平衡。但除此之外，它们都没有其它任何使飞机获得安定性和操纵性的措施，所以也是无法进行持续飞行的。

莱特兄弟的功绩

跨越了如此久远的历史，发生过数不清的一串串故事，终于在1903年12月17日上午10点35分，在美国北卡罗来纳州的基蒂霍克沙丘上，出现了期盼已久的一幕。莱特兄弟研制的“飞行者1号”飞机成功地飞行了12秒钟，飞行距离为36.58米。当天又进行过3次试飞。成绩最好的一次，飞行距离为260米，留空时间为59秒。

“飞行者1号”的机翼采取了查纽特设计的双翼框架式结构形式。机翼的翼型也符合霍雷肖·菲利浦斯的建议，具有弧形剖面。由查尔斯·泰勒（CharlesE.Taylor，公元1867年至1956年）帮他们制作的水冷四缸活塞式汽油发动机的功率为12马力（8.9千瓦），自重为81.266公斤。它的重量功率比为6.77公斤/马力（9.2公斤/千瓦），恰好在法国科学家勒纳尔计算的载人飞机的发动机重量功率比的允许界限之内。

与飞行前辈们的经验相违背的是，他们的飞机水平尾翼装在了机翼的前方，即鸭式布局。后人的试验证明，“飞行者1号”是俯仰严重不安定的飞机。

在纪念莱特兄弟发明飞机100周年的时候，据说美国实验飞机协会（EAA）将举行再现莱特兄弟首次飞行的表演。届时，这些飞行家们要面临飞行技术上的挑战。因为当代的飞行员都缺乏在俯仰不安定飞机上，不借助自动增稳系统的飞行经验。

不论如何，莱特兄弟用前置的双升降舵解决了飞机俯仰操纵问题。他们还发明了翼尖扭曲机构，配合方向舵来实现飞机的横侧操纵。

就在“飞行者1号”实现首次成功的动力飞行前两个月，美国史密森学会的领导人兰利（SamuelPierportLangley，公元1834年至1906年）博士，在美国政府资助下制造的“航空站”号飞机也进行了试飞。这架飞机在弹射起飞时，当即坠入波托马克河。但兰利的支持者们认为，他早先发表过论文，后又在模型上试验成功，飞机的失败仅归咎于设备的故障。1914年，著名的飞机设计师寇蒂斯（GlennHammondCurtiss，公元1878年至1930年）修复了兰利的“航空站”号飞机，还让它飞上了天，用以证明其设计的正确。

与莱特兄弟争夺飞机发明专利的还不止此一家。1987年，美国《国际先驱论坛报》报道：一位前空军飞行员威廉·欧道伊尔声明，根据他的调查，飞机的发明权应属于一个德裔美国人古斯塔夫·怀特海德。因为他制造的一架蝶形飞机，早在1901年8月14日的试飞中，就飞行了800米的距离。当时的康涅狄格州《桥港星期日先驱报》对此有过详细介绍。

目前，航空史学界公认，维尔伯·莱特（WilburWright，兄，公元1867年至1912年）和奥维尔·莱特（OrvilleWright，弟，公元1871年至1948年）兄弟，在人类航空史上有三大贡献：一是首次在有动力的飞机上，完成持续和可操纵的飞行，并降落于起飞的地面（1903年12月17日）；二是首次制造成功实用的动力飞机，用它可以完成起飞，直线飞行、转弯和作8字盘旋等飞行动作，并能安全地着陆（1905年秋）；三是首次制造和试飞了可以载乘客的实用飞机（1908年）。而且，他们与欧洲的莫扎依斯基、阿代爾和美国的兰利等人不同，在发明飞机的过程中，没有得到官方的任何赞助。甚至，后来在很多年内，他们还要为维护自己的发明权而自费诉讼。（全文完）

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