工业革命—正传：56.飞上蓝天

上文书讲到李林塔尔为人类飞上天空付出了生命的代价。他是当时制造滑翔机的先驱。他制造的滑翔机长得非常像一只鸟，早期人类的滑翔机都是在模仿鸟类的。这种滑翔机的操控并不灵活。要知道一架飞机飞在空中，飞机的姿态控制就变得非常重要。飞机可以上下俯仰。左摇右摆。还可以改变飞行方向。就说明飞机在3个轴线上都是可以旋转的。每个轴线的旋转都起到什么样的作用？在李林塔尔的时代是根本没人知道的。

人们通过观察鸟类，发现鸟类有个尾巴似乎可以控制飞行姿态。于是人类也装上水平尾翼用来控制俯仰。可是如何控制方向呢？一般来讲，是用移动重心的办法来控制，现代的悬挂式滑翔还是采用这种方式。李林塔尔知道可以跟船来学一学，安装一个垂直的尾翼用来稳定方向。但是对于飞行器来讲，稳定性与操控的灵活性是一对矛盾。在李林塔尔的时代，所有的滑翔机都是追求飞行的稳定性的，因此操控性就变得非常差。

李林塔尔的滑翔机之一，有尾翼，但是无法操控

李林塔尔的影响非常大，当时的新闻媒体对李林塔尔做了非常详尽的报道。李林塔尔也经常在报纸杂志上发表自己的飞行经验。当时世界上很多的航空先驱者都跟他有联系，比如说美国的兰利和俄罗斯的茹科夫斯基。茹科夫斯基倡导建立了莫斯科航空技术学校，1920年，这个所学校被改名为红色空军工程学院。1922年改成茹科夫斯基空军工程学院。从这所学校里走出来图波列夫、米高扬、雅克夫列夫，等等一大批人才。他们都是日后苏联著名的飞机设计师。

塞缪尔·兰利

兰利相比于茹科夫斯基，就不那么幸运了。美国有一个著名的史密松学会，这个学会是一系列博物馆和研究机构的集合组织，这个组织包括19座博物馆，9座研究中心，美术馆，以及国家动物园。兰利是美国的天文学家，物理学家，数学家，也是航空先驱。他曾经担任过史密松博物馆的馆长。也是史密森学会的第3任秘书长。1890年他创办了史密松天体物理台。1896年的5月6号，兰利在华盛顿附近的波托马克河上进行了无人飞机模型的实验。这个小飞机是从一艘船上弹射起飞的，飞行了大概半英里，这次飞行被认为是航空史上第一次出现了比空气重的飞行器靠自己的动力飞行，它不是滑翔。

兰利的飞机不成功

既然不载人的模型获得了成功，兰利当然就希望能够更进一步。也就是研究载人的飞机。他从史密松学会弄了2万美元，从美国政府那里弄来了5万美元。有了钱以后，他就开始去制造载人的飞机。就在这时候，他听说美国有另外一组人马也在制造比空气重的飞行器。他跟人家联系，人家婉言谢绝，人家不想把自己的秘密透露给他。后来兰利在波托马克河上的飞行试验经历了好几次失败，飞机掉到水里，飞行员命大，被人救上来，好在没出人命。

当时新闻媒体和舆论都对兰利非常的不友好。说白了就是开足马力，把兰利骂了个狗血喷头。估计这个兰利脸皮比较薄，所以他1906年就去世了。后来，还是柯蒂斯从水里面把他的飞机残骸捞了起来。然后修修补补，装了个大马力的发动机，这一次倒是试飞成功了。所以兰利实在是太悲催了。他离成功就仅仅只差一步，可以说是临门一脚的功夫欠佳。他不是那个幸运儿。运气落到了另外一组人马的头上。这另外一组人马就是莱特兄弟。世界公认的飞机发明者，航空史上的里程碑。

弟弟奥威尔·莱特、哥哥威尔伯·莱特

但是从兰利与他们联系被拒绝这件事儿也看得出来，他们私心蛮重的，也挺想吃独食，他们的技术秘诀是一点儿都不想透露给别人。那么莱特兄弟到底掌握了什么样的技术秘密呢？这就跟他们的职业自行车有着非常强的联系，他们两个是开自行车铺子的。要知道，自行车也是一个非常有意思的东西。为什么自行车靠两个轮子就能够维持稳定呢？自行车的原理一点儿都不简单，这涉及到了牛顿力学里面非常有意思的一部分刚体动力学。

自行车能够保持稳定其实是一个动态平衡的结果。那么莱特兄弟从自行车这里学到了什么奥秘呢？来个兄弟发现，飞机的姿态控制跟自行车是有类似之处的。飞机的转弯跟左摇右摆之间是有关联的。骑自行车都有类似的经验，你往左拐弯的时候，身体一定是往左倾斜的，你往右拐弯的时候身体右倾斜的，飞机也是如此。过去的飞行器完全把飞机当作船一样在驾驶，他们认为只要尾巴后面有一个垂直的方向舵就可以控制飞机的转向，实际上这远远不够。所以过去的滑翔机非常难操控。

李林塔尔就是靠移动身体的重心来操控飞机的姿态的。可是你在空中你很难靠重心的改变去操控一架机翼特别大的飞机。你那点移动对于一架机翼特别大的飞机来讲是微不足道的。可是要让非常重的飞机能够依靠自己的动力飞上蓝天，机翼面积就不能小。所以莱特兄弟就必须找到其他的操控方式。他们一连几个小时躺在草地上，观察着天空中飞翔的鸟。鸟类是不可能依靠移动重心来改变自身姿态的，它们是怎么操控飞行的呢？

奥秘就应该在它们的翅膀之上。到最后莱特兄弟发现，鸟类是通过改变两只翅膀的角度来完成盘旋的。也就是两侧翅膀的角度是不一样的，一边角度高一点，产生的升力大一点，另一边产生的升力小一点，那么身体自然而然就歪过来了，也就可以配合着转弯了。莱特兄弟设计了一个巧妙的装置，能够使得他们制造的机翼发生扭曲。这也就起到了跟老鹰翅膀类似的作用。

莱特兄弟设计的机翼扭曲装置

莱特兄弟制造飞机模型做了很多次测试，而且还修正了李林塔尔的一些计算上的错误。尽管李林塔尔是他们心目中的偶像，但是也不能迷信前人的成果。尽管如此，飞行总是要担风险的，他们做滑翔试验总是免不了磕磕碰碰，甚至是摔下来。为了改善操控性，莱特兄弟在飞行器的前边设置了一对水平舵，用来控制飞机的俯仰姿态。如今我们常见的飞机都是放在尾巴上的，这叫常规布局，水平舵放在前面的布局通常被称为鸭式布局。这个名字到底怎么来的，众说纷纭。但是世界上第一架飞机就是采用的鸭式布局。

操控飞机姿态的这个问题似乎是解决了，他们要开始解决下一个问题，那就是机翼的面积不够的问题。他们想到了用两层翅膀。也就是双翼机。双翼机有着非常大的机翼面积，但是尺寸并不大。这也就使得飞机便于操控。

在俄亥俄州的代顿做了很多次测试之后，他们决定找一个更大更合适的地方，而且风要稳定。毕竟飞行试验不是玩命冒险。他们特别去询问了美国的气象局。气象局给他们的资料表明，北卡莱罗纳州的基蒂霍克是个不错的地方。基蒂霍克的沙滩有1英里宽，60英里长，也没有有树木和山丘，飞行最好是没有障碍物。即便摔下来，沙地也能确保安全，不至于摔得很惨。那里没有旅馆和房子可住，好在当地渔民都很热情，邮局局长也欢迎他们去。他们坐火车来到弗吉尼亚州海边，然后坐船去了北卡州的基蒂霍克。在海上遇到风暴，他们都被吹得一塌糊涂，是歪歪斜斜到达目的地的。经历了多次的滑翔调试，他们决定尝试载人滑翔。他们基本上获得了成功，滑翔距离只有李林塔尔的一半。不过飞机的操控性得到了验证。

大哥威尔伯驾驶滑翔机降落在沙滩上

最后，他们离开的时候，滑翔机就留在了当地没带走，骨架都是木头的，给人家当了柴火，机翼的蒙皮是比较好的丝绸，估计就给当地渔民的孩子做了上衣。兄弟俩飞行的留空时间也就3分钟，而不是他俩期盼的几个小时。于是他们就打道回府了。他们回家要去造更大的飞机，这个试验品的尺寸还不够大。

后来，他们的新飞机在北卡州的海边又测试了很多次，他们发现机翼截面的形状并不合适，但是他们也没有一手的资料。回到代顿以后，他们把各种各样的机翼安装在自行车前面，然后骑着车在街上飞快的行驶。莱特兄弟就是依靠这样的方法对各种各样的机翼形状进行测试的。他们的经验数据越来越多。而且他们飞行滑翔的次数也很多，飞行高度甚至超过了李林塔尔。也遇上好几次飞机几乎就要失速栽下来，好在鸭式飞机不太容易发失速的情况，每次他们都化险为夷。

1902年版本的滑翔机，出现了垂直尾翼

要说莱特兄弟还真是幸运，他们误打误撞的使用了鸭式布局。一般来讲，飞机的机翼仰角变大，升力会变大，阻力也会变大。但是超过一定角度升力会突然减小，于是飞机就栽下来了。鸭式布局的好处是升降舵在前面，升降舵的角度一般比主机翼要大一些，飞机的姿势整体上仰的话，升降舵先发生失速，于是升降舵的升力会变小，飞机头往下一低，恰好没超过主机翼的失速角度。飞机也就可以恢复正常的姿态。后来，莱特兄弟给飞机后边装上了方向舵。但是操纵面的增多也使得飞行员手忙脚乱，完全顾不过来。莱特兄弟讨论了好久，最后决定把机翼的扭曲和方向舵联合起来控制，解决了手忙脚乱的问题。

莱特兄弟的发动机（1910年版）

剩下的最后一个问题就是，他们需要一台大马力的发动机，而且这台发动机必须重量非常轻，结构非常紧凑。市面上根本就买不到。最后他们决定自己造，他们的自行车铺子，是有这个能力造一台发动机的。最后他们制造了一台12马力的发动机。当时汽油发动机并不难搞。杂志上都刊登过汽油机的图纸，用一般的车床就能制造。

莱特兄弟真正的麻烦是没有螺旋桨。当时所有的螺旋桨都是针对船舶优化设计的，主要的作用是划水。19世纪中期，大部分的蒸汽船就开始改用螺旋桨了。此前最流行的推进方式是用明轮船，两个大轮子在船的两边划水。1845年英国皇家海军做了一个测试。找了两条大小完全一样的船，蒸汽机的马力也是一样大的。一艘叫阿莱克托号，用的是明轮推进。另外一艘名叫嘎吱号，用的是螺旋桨推进。两条船背对背用绳子拴好，展开了一场拔河比赛。结果是用螺旋桨的嘎吱号，倒拽着阿莱克托号以2.5节的速度行驶。后来两条船比速度，又是螺旋桨船赢了。从此螺旋桨就奠定了自己的江湖地位。

莱特的飞机螺旋桨

但是莱特兄弟需要的是在空气中能够工作的螺旋桨。这种螺旋桨的构造与船用的在水里工作的螺旋桨完全不是一码事。那么他们该怎么办呢？这也难不倒兄弟俩，他们把螺旋桨当作旋转的机翼来对待。最后他们搞出一个两米多长的螺旋桨叶片，是用3层云杉木做成的，效率非常高。

等到一切都准备的差不多了，恰好碰上兰利来询问他们的进展。莱特兄弟顿时感到压力山大，因为兰利比他们有钱。兰利可以动用美国政府给的5万美元和史密松学会给的2万美元。莱特兄弟制造的飞机花了差不多1000美元。莱特兄弟第一次知道原来还有竞争对手存在。好在兰利的试验并不算成功。莱特兄弟算是松了一口气。他们把飞机所有的零部件打包，托运到了北卡罗莱纳州的海滩上，在那里搭帐篷作为飞机库和维修车间。因为，做这种测试不是一天两天就能搞定的事情。整个秋天，他们都在进行着适应性的训练。冬天来临了，持续的坏天气使他们没法儿进行飞行，而且零部件还出现了损坏。竞争对手兰利也在一次一次做着飞行实验，无奈这个人实在是倒霉催的，每次试验都不太成功。最后弄得舆论哗然，公众觉得国家不该资助这种没有希望的事儿。

与此同时，莱特兄弟正规缩在帐篷里，躲避着严寒的天气，他们把所有的衣服都穿在身上，还是觉得冷。他们盼望年底能有个好天气，尽管也没剩下几天。他们测试了发动机，工作良好，每分钟旋转315转。他们把飞机装起来，去测试滑行导轨是不是灵。他们的这架飞行者号飞机根本就没有起落架，也就是说没有轮子。他们造了一个长长的滑行轨道，里面是有轮子的。飞机从滑行轨道上起飞。降落的话就直接在沙滩上降落。现在最重要的就是等好天气到来。

1903年12月14号，这天恰好是星期一，这天的风非常小，也非常柔和。莱特兄弟终于等到了他们急需的好天气，他们决定下午就来试一试。那么到底谁来担任驾驶员呢？咱们下回再说。