飞机,专业术语是固定翼机(fixedwingaircraft),泛指比空气重,有动力装置驱动,机翼固定于机身且不会相对机身运动,靠空气对机翼的作用力而产生升力的航空器。这种定义是为了与滑翔机和旋翼机有所区别。固定翼飞机是目前最常见的航空器形态。动力的来源包含活塞发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机和火箭发动机等等。同时飞机也是现代生活中不可缺少的运输工具。
飞机具有两个最基本的特征:
其一是它自身的密度比空气大,并且它是由动力驱动前进;
其二是飞机有固定的机翼,机翼提供升力使飞机翱翔于天空。
不具备以上特征者不能称之为飞机,这两条缺一不可。譬如:一个飞行器的密度小于空气,那它就是气球或飞艇;如果没有动力装置、只能在空中滑翔,则被称为滑翔机;飞行器的机翼如果不固定,靠机翼旋转产生升力,就是直升机或旋翼机。
千姿百态的飞机
人类第一架升入空中的飞机是由莱特兄弟发明的。虽然莱特兄弟的首次升空时间只有12秒,飞行距离不过36.6米,他们却开创了人类飞行的新纪元。
如果你走进美国国家航空航天博物馆参观,会发现最显赫的位置上悬挂着由莱特兄弟发明的世界上第一架飞机——“飞行者1号”,其说明词是:“世界上第一架重于空气的动力飞行器。莱特兄弟驾驶它进行了自由的、可操纵的持续动力飞行。威尔伯·莱特和奥维尔·莱特发明和制造。他们自己驾驶它于1903年12月17日在北卡罗来纳州的基蒂·霍克进行了飞行。莱特兄弟依据最初的科学研究,发现了人类飞行原理。作为发明家、制造者和飞行家,他们又进一步发展了飞机,教人们学习飞行,开创了航空历史新纪元。”
这一段平平无奇但又惊天动地的文字,谱写了一个伟大的历史创举——人类开始飞了!飞向天空,飞向宇宙!莱特兄弟发明的“飞行者1号”飞机在1903年夏就制造完成了。最初决定的首飞日期是12月12日,但因天气不好又推迟了两天。12月14日,他们决定正式首飞,为此还从附近的救生站请来几位朋友做见证人。兄弟俩掷硬币决定由哥哥威尔伯·莱特先飞,可惜他运气欠佳,在飞机起飞时,他把机头拉高了,造成飞机失速,旋即栽下来,陷进沙滩里。这次试飞失败了。
摔坏的飞机经过修理,于1903年12月17日(星期四)进行第二次试飞。这次轮到奥维尔·莱特先飞了。当时天气寒冷,试飞的场面也颇冷清。试飞场地是基蒂·霍克以南6千米处的基尔德夫尔沙丘附近的海滩上。在场观看试飞的只有5个人,其中包括约翰·T·丹尼尔斯和小男孩汤姆·怀特。尽管前一天莱特兄弟曾贴出告示:“明天上午在沙丘上空进行世界上第一次载人飞机试飞,欢迎参观。”但几乎无人相信他们会取得成功,因此,来者寥寥无几。
据目击者回忆,10时30分,奥维尔爬到飞机上进行驾驶。因为“飞行者1号”没有起落架,它是用带轮子的小车在滑轨上滑跑来起飞的。威尔伯扶着机翼以使飞机在滑跑时平衡,飞机向前滑行,威尔伯还跟着跑了一段。飞机迎风起飞了,在空中飞行还不平稳,有点颠簸,最后滑下来着陆了。经测算,飞机留空时间12秒,飞行距离36.6米。飞行成功了!
当天的试飞共进行了4次,最好成绩是哥哥威尔伯创造的:留空时间59秒,飞行距离260米。人类首次升空的时间只有12秒,这短暂的飞行瞬间对于乘飞机旅行已成寻常事的今天,似乎难以成为什么激动人心的事情。但是莱特兄弟飞行瞬间的意义却非同寻常,因为它宣告了飞机的诞生和航空时代的发轫。
当天下午奥维尔给他的父亲发了电报:“星期四上午进行4次成功飞行都是在21千米/时的风速下,单靠发动机动力水平起飞的,在最长的59秒的飞行中,平均速度为31千米/时,通知家乡的报社,圣诞快乐。”
莱特兄弟为什么会取得成功?航空史学家在研究中发现,这并不是因为他们学识丰富,也不是因为他们比别人智商高明多少,而主要有3个因素。
一是他们继承了前人的成果,也吸取了前人失败的教训。他们几乎研读了航空先驱们所有航空方面的著作,充实自己的理论知识,同时进行了大量的科学试验。为了准备这次试飞,他们在前3年,先后制造了3架滑翔机,进行了逾千次的滑翔飞行,逐步体会、掌握操纵飞机的方法。他们特别推崇德国航空先驱,被誉为“世界滑翔机之父”的李林达尔,从他的关于飞行的著作中学习航空知识,为此他们甚至攻读了德文,以便能直接阅读李林达尔的原文,这对于只受过4年中学教育的莱特兄弟来说无疑是很困难的。他们按照李林达尔著作的指点,利用一切时间观察鸟的飞行,研究鸟的飞行,以便从中悟出规律性的东西。有时他们爬到山顶,仰望天空中老鹰的飞行动作,一看就是几个小时,几乎到了痴迷的程度。莱特兄弟在飞机操纵系统上超过了李林达尔。后者靠移动自己的身体,改变重心来操纵滑翔机飞行,而莱特兄弟则通过机械装置使整个翼尖卷曲来操纵飞机(后来靠操纵副翼来完成)。莱特兄弟在研究中发现,前人之所以未取得成功,原因在于他们只关注飞机的一个或几个方面,没有从整体上寻求解决问题的方法。
二是莱特兄弟在研制飞机上遵循了科学规律,注意理论与实践相结合。他们在航空理论上也许比较弱,这一点可以通过学习来加以弥补,但他们有丰富的机械设计经验,有很强的动手能力。他们把理论、设计、制造、试验、试飞结合起来,兄弟俩集设计师、工程师与飞行员于一身,这是很大的优势所在。
三是莱特兄弟具有勇于探索、百折不挠和不怕牺牲的科学精神。飞机试飞风险很大,甚至要付出生命的代价,如德国人李林达尔和英国人皮尔彻就是在试飞中丧生的。但莱特兄弟却争先恐后驾驶飞机进行首次飞行,互不相让,以至于要通过掷硬币来决定谁先飞。莱特兄弟说:“要得到驱驭烈马的最好办法,绝不是在旁边指指点点所能完成的,最重要的是自己骑上烈马驾驭它。”正是由于这种精神,莱特兄弟终于成功驾驭“飞行者1号”这匹“烈马”,创造了划时代的飞行瞬间。
莱特兄弟首次试飞成功,并没有引起当时的新闻界和全社会的重视。虽然1906年美国专利局授予莱特兄弟飞机设计专利,但也未能为他们带来商业利益。直到1908年,即飞机发明5年后,情况才有所转机:一是美国国防部与莱特兄弟达成制造飞机的协议;二是兄弟俩分别驾机在欧洲与美国进行巡回飞行表演,均引起巨大轰动,大西洋两岸都传开了莱特兄弟的名字。从此,航空时代才真正到来了。
知识点飞机制造
飞机制造是按设计要求制造飞机的过程。通常飞机制造仅指飞机机体零构件制造、部件装配和整机总装等。飞机的其他部分,如航空发动机、仪表、机载设备、液压系统和附件等由专门工厂制造,不列入飞机制造范围。但是它们作为成品在飞机上的安装和整个系统的联结、电缆和导管的敷设,以及各系统的功能调试都是总装的工作,是飞机制造的一个组成部分。
西科尔斯基的直升机
世界上第一架直升机是由法国工程师保罗·科尼尔发明的。但由于科尼尔设计上的缺陷,直升机总是在空中打转,他的发明影响不大,也未能对后来的直升机发展产生重大影响。直到1939年西科尔斯基解决了打转问题,实用直升机才宣告诞生。但令人意想不到的是,促成它试飞成功的是出自一般人没有想到的“尾桨”。
1940年,51岁的俄裔飞机设计师西科尔斯基,在美国亲自驾驶他设计的VS-300直升机桨的扭矩,有的航空权威事后谈到此事时说:“幸好设计者没有事先来征求我的意见!如果来问我的看法,我会首先反对他用的那个尾桨,而那却恰恰是成功的关键……”
西科尔斯基1889年出生于俄罗斯。他父母都是著名的医生,属于当时的上层知识分子。西科尔斯基在少年时就热衷于阅读科学书籍、科学幻想小说等。他知道400多年前意大利著名画家、科学家达·芬奇绘过世界上第一张关于直升机结构的想象图。他在12岁时就制造了一架旋翼类飞机模型,使用橡筋动力,而且确实能飞。14~17岁时,他在俄罗斯的圣彼得堡海军学校和基辅工业学院的机械工程系学习。
他酷爱飞行。莱特兄弟是他青年时代心目中至关重要的英雄人物,但此时他迷上的却是直升机。20岁时他身带足够学习航空知识和购买一台发动机的钱来到法国巴黎,这些钱是他开办学校的姐姐向他提供的。
1909年的巴黎是世界航空活动的中心,不少欧洲的飞行家们正热衷于飞行试验。已经有人造出几十架外形古怪的各种各样的飞机,有的根本不能飞离地面,有的只能跃起飞行几秒钟。但这些却无比地鼓舞了西科尔斯基的少年壮志,他宣布了一项惊人的计划:他要设计出直升机!
竹蜻蜓是中国古代发明的一种玩具。可以注意到,世上没有一种鸟类或昆虫是用旋翼的方式来飞行的。竹蜻蜓完全是人根据事物的原理进行的一种智慧的创造。同样产生在中国的古代玩具中,竹蜻蜓和风筝体现了两种不同的飞行方式:风筝是利用风力飞起来的,而竹蜻蜓则是利用自身的旋转造成对空气的相对运动,在静止的大气中也能飞升。
在人类尝试飞行的漫长历史中,这两种方式都曾被人们试探过。意大利画家达·芬奇留下的设计草图中,就有他作出的两种飞行器的设想:一种有机翼,另一种则是利用了竹蜻蜓原理。在19世纪末的航空先驱们试验的飞行器中,用机翼飞行的和用旋翼飞行的都有。也许因为定翼类的飞机构造比较简单,需要的功率较小,所以先取得了成果,在1903年胜利诞生。但是人类没有停止对“拔地而起”的飞行方式的向往,直升机的研制仍在不断地进行。
1909年5月,西科尔斯基从法国回到俄罗斯,立即开始了他第一架直升机的研究项目。万事开头难,他的第一个作品飞不起来。第二年,他又制造了第二架直升机,还是没有成功。当时人类的飞行还处在蹒跚学步的年代,对于如何用竹蜻蜓似的旋翼将直升机托举飞升起来,也还没有找到成熟的道路。看起来要成功地研制出直升机,并不像当初设想得那样容易。西科尔斯基不得已采取了一种迂回的道路,暂时中断了他的直升机研究计划,而将精力转移到定翼飞机的研制上。在当时人类拥有的技术能力条件下,研制定翼飞机是一种更便于取得成果的方向。
从1910年开始,西科尔斯基以惊人的速度在2年内接连研制出6种飞机,第一种是初入门的试探,没能飞离地面。但他的第二架飞机就胜利腾空了。接着一架比一架飞得好,他的后5种飞机都飞上了天空。他的第6种飞机,竟然创造了乘员3人、速度112千米/时的世界纪录。
1913年,在莱特兄弟的第一架飞机升空10年后,他研究出当时世界上最大的“俄罗斯勇士”号飞机。这是他研制的飞机中传之后世最令后人瞩目的一架。这是世界上大型飞机的鼻祖,也是世界第一架装有4台发动机的飞机。在第一次世界大战中,它成为沙皇俄国的主要战略攻击力量,是世界公认的第一种重型轰炸机。
这架飞机改变了过去飞机的驾驶员都是暴露在空气气流中的做法,而在机头部位设计了封闭式的驾驶舱。这种在后来的飞机很通用的设计,在初次出现时竟被一些人警告说,封闭的驾驶舱将使驾驶员的面部无法受到气流的冲击,使得驾驶员不能鉴别飞行的方向和风力的变化,因此将会使这种飞机无法飞行!
大型飞机“俄罗斯勇士”号的首次试飞很有戏剧性。1913年5月13日19时,西科尔斯基才开始为第二天的试飞进行准备。这时飞机所在的军用机场很空闲。时值俄罗斯的“白夜”开始,天空还是很亮,光线很充足,最少还能保证一个小时的飞行。西科尔斯基当时虽然已经很疲劳,但根据当时的情况,他觉得试飞挺合适,于是决定驾驶这架大飞机起飞升空。
当时有驾驶员、机械员和另一人,一共3人在飞机上。飞机经过一段滑行后顺利地起飞了。飞机飞得相当好。飞机在离机场约1.5千米的地方转弯着陆。当飞机着陆后,观看到这次飞行的人群冲进机场,像潮水般拥向这架大型飞机,3名试飞人员则站在飞机的“平台”上频频向人群挥手致谢。
十月革命之后,西科尔斯基离开了苏联,移居美国。初到美国时,他的境况十分拮据。但是,他一生最鲜明的特点便是他那坚定的意志。经过不懈的努力,他在美国又陆续研制出许多飞机型号,其中包括一些水陆两用飞机及大型水上飞机,被用在飞越大西洋的定期水上飞机航线上。
30年的飞机设计生涯,使西科尔斯基从事科研开发的能力得到增强。他也从未丧失过对直升机的兴趣。他在1931年申请了一项直升机的专利。1937年,他在中断直升机研究30年之后,重新把精力转向了这个领域。当人们问起为什么时隔30年又重新拾起当初放弃的项目时,他说是因为30年前发动机的功率只有约18.4千瓦,功率太小是设计不出可以使用的直升机来的。而再次回到这个项目时,在动力上已经有了更合适的选择。