飛機那些事（2）萊特兄弟的選擇

1903年12月間，一個普普通通的冬天，對美國北卡羅來納州小鷹鎮的人們來說並沒有什麼特別，他們早已做好了迎接嚴冬的準備。沒有人會注意到，此時此刻，在鎮上一個雜亂得像修理鋪的小車間里正站立著一對兄弟。他們相互看著對方，沒有言語。

他們中的一個把手中的硬幣拋了出去。

正面代表的是哥哥，反面代表的是弟弟。

兄弟二人的眼睛死死地盯著那枚硬幣——他們心裡很清楚，如果選中，將要面對的，很有可能是受傷、癱瘓、甚至死亡。

他們之所以選擇拋硬幣的方式，不是不想冒險，而是不願意對方冒險。

硬幣是正面。

哥哥平靜地朝一架看起來有些古怪的機器走去。這是一架奇怪而又可怕的機器，在過去的幾十年，已經有不少人因為這種機器摔死了，死得很慘，以致於許多人認為這是神經病才搗鼓的玩意。

伴隨著發動機的轟鳴，這架機器飛離了地面，哥哥還沒來得及歡呼，卻又重重地栽了下來……萬幸的是哥哥並沒有受傷，只是機器摔壞了。

經過幾天的維修，兄弟二人又一次站在了曠野上。

這次負責駕駛的是弟弟。

這一次，飛行持續了12秒，航程36.5米。

這是一個很寒酸的數字。

但是，因為這個數字，史學家要把人類的航空史分成兩段來寫——這是人類歷史上第一次實現重於空氣的航空器持續而且受控的動力飛行。

這一天是1903年12月17日，這對兄弟的名字已是家喻戶曉：哥哥叫維爾伯·萊特（Wilbur Wright），弟弟叫奧維爾·萊特（Orville Wright）。他們駕駛的這架機器，叫「飛行者一號」。（圖片來自網路，趴在下層機翼中間駕駛飛機的就是弟弟奧維爾，而跟在飛機旁邊奔跑的是哥哥維爾伯。）

首次重於空氣的航空器持續而且受控的動力飛行——這是一句很拗口的表達，但是為了說明萊特兄弟這次飛行的偉大之處，就必須得這樣說。

掙脫重力飛向藍天，一直以來都是人類的夢想。為了實現這個夢想，在萊特兄弟之前，已經有很多人想過很多辦法，而且已經成功了，一個典型的例子就是熱氣球——人類第一次載人熱氣球飛行早在1783年就已經實現了。得益於化學工業的長足進步，氦氣、氫氣等低密度氣體的生產製造成為可能，又誕生了一中比熱氣球更具優勢的飛行器——飛艇。這類航空器都是輕於空氣的，依靠的是浮力，所以又被稱為「浮空器」。浮空器的優勢很明顯：原理簡單、易於製造。20世紀二三十年代甚至成功製造出用於歐洲到美國跨大西洋商業飛行的巨型飛艇——齊柏林飛艇，載客人數近百人！（圖片來自網路）

但是飛艇的劣勢也非常明顯：由於依靠浮力，體積非常龐大，這就會導致速度極慢。隨著飛機技術的發展，飛艇被淘汰只是時間問題。然而，壓垮飛艇的最後一根稻草並不是速度，而是安全問題。

早期飛艇充的是氦氣。我們都知道氦在元素周期表裡排行老二，是一種密度很小又很安全的惰性氣體，但氦氣很難獲得，工業上產量極低，價格極其昂貴。與之相比，氫氣的密度比氦氣還小（氫氣是目前已知的密度最小的氣體），而生產卻容易得多（天然氣或水煤氣制氫、電解水等）。但氫氣的劣勢卻是致命的——氫氣是可燃的，搞不好就爆炸了。隨著飛艇製造工藝改進，安全使用氫氣基本得到了保障，出於經濟的考慮，飛艇開始大規模使用氫氣。

然而，事故還是發生了。

1937年5月6日，一架載有97名乘員的齊柏林式飛艇在降落時爆炸起火，36人遇難。這就是歷史上著名的興登堡空難（見上圖，圖片來自網路），這次空難客觀上直接導致了飛艇正式退出歷史舞台。從此以後，飛艇只在遊樂業等極少領域繼續使用了。

話說兩頭。早年，在熱氣球和飛艇蓬勃發展的時候，就有人宣稱：重於空氣的飛行根本不可能實現。然而，始終有一部分人偏不信這個邪，在他們眼裡，「漂浮」從來不是理想的飛行，他們嚮往的是像鳥兒一樣翱翔藍天——自由、靈動、迅速。

事實上，在萊特兄弟之前，就已經有許多先驅致力於重於空氣的飛行器的研製。但一直以來有兩個瓶頸：一個是動力問題，一個是飛行控制問題。

對早期的研究者來說，動力問題是一個無法解決的問題。由於時代的限制，供他們使用的只有蒸汽機，而蒸汽機效率極低，而且極其笨重，根本不可能拿它安裝在飛機上。由此我們可以也可以看出，任何事物的出現都有它的時代背景，我們不能用今天的眼光去苛求前人——原理這麼簡單怎麼不早點上天呢？對於早期的航空研究者而言，縱然一身本事，沒有動力又能奈何，只能長嘆一聲，走到簡陋的滑翔機前。

比之於動力問題，飛行控制問題就顯得更加迫切了，因為它關乎生死——不受控制的飛行無異於自殺。早期有的滑翔機沒有著陸架，必須降落在水上，因為陸地太硬，輕則菊花殘，重則滿地傷，更重則危及生命。即使降落在水上就一定安全嗎？其實誰都知道答案——未必……所以每一次飛行對駕駛員來說都是生死考驗。為了控制滑翔機的升降轉彎，有人想出了一個辦法——駕駛員扭動身體，借身體重心的移動來操控飛行，顯然，這種操作並不容易，駕駛員要像體操運動員看齊，前屈後仰左右迴旋……而且一旦飛起來，能不能平安著陸很大程度上就得靠運氣了。

……

在諸多先驅中，德國的奧托·利林塔爾是極具代表性的一位。1896年8月9日，在一次滑翔試驗中他從空中跌落，造成脊椎斷裂，並於翌日去世。他的臨終遺言是：「做一些犧牲是必須的。」如今，如果你有機會到柏林，當飛機降落到泰格爾國際機場的時候，希望你還能記得這位先驅——機場以他的名字命名，全稱是：「泰格爾奧托·利林塔爾機場」。（下圖為奧托·利林塔爾滑翔機實驗，圖片來自網路）

比起萊特兄弟，以奧托·利林塔爾為代表的很多先驅的名字，並不為人所熟知，人們只記得最終實現衝天一飛的那個名字。然而，人類歷史上任何一個創新與創造，都不只是最後那個耳熟能詳的名字就能完成的，牛頓、瓦特、愛迪生、愛因斯坦……無不是站在大量的前人工作的基礎上才做出了最後的突破。人類應該慶幸，在我們的族群中始終有這樣一批人，他們把畢生的精力甚至生命和鮮血都獻給了提高人類文明高度這件事情上，卻從來不是為了名與利、不是為了青史留名……他們好多人的名字已經無從知曉，但是他們所創造的業績，將與世長存。

萊特兄弟是幸運的，在他們所處的時代，製造輕便的發動機已經成為現實，另一方面，前人已經為他們積累了大量的數據與經驗。

萊特兄弟是天才的，因為在在同樣的工業條件與知識水平下，是他們完成了最後的突破。萊特兄弟最大的貢獻主要有兩個，一是率先利用風洞實驗進行空氣動力學研究，一是解決了飛行控制問題。

先說風洞。在萊特兄弟之前，人們要獲得機翼的空氣動力學數據，就必須進行一次滑翔機的飛行，這會帶來兩個問題：一個是代價很大，二是風險大，尤其是對不成熟的新設計的機翼，極易發生事故而造成機毀人亡的慘劇。萊特兄弟最開始也是如此，不過他們很快發現前人總結的升力數據並不全部可靠。為了獲得較為精確的升力數據，他們想到了風洞實驗。

事實上，風洞並不是萊特兄弟最先發明的——風洞最早發明於1871年，其目的主要是為了研究空氣阻力。風洞是個什麼東西呢？故名思議，就是一個「有風的洞」，風洞有什麼作用呢？寫到這裡，我不禁回想起小時候在田野里放風箏的日子：沒風的時候，必須拽著風箏線不停地跑，氣喘吁吁、大汗淋漓——那年沒有風的日子，路旁的野草和田間的莊稼無數次見證了一個少年在夕陽下奔跑的身影，那是我一去不復返的青春……而有風的時候就簡單多了，可以站在原地思考人生，甚至還可以把風箏線綁在石頭上回家吃一碗油潑面回來接著思考人生。顯然，不論是奔跑還是颳風，讓風箏飛起來的條件只有一個：就是要風箏和空氣產生相對運動。

關鍵就是這個相對運動。

當我們要測一個東西的氣動性能時，讓東西「奔跑」往往比較困難，那麼換一個角度，把它放在風中就好了——但是也不能讓它在風中獨自凌亂，這個風要可控、還要可測，也不能像孔明一樣為了借個東風得跣足散發登台作法……這個風得說有就有。鑒於大自然向來沒有那麼好的脾氣，人們只好自己製造一個微型的風場了——這就是風洞。下圖就是一個簡單的低速風洞示意圖。

簡單地說，在一個「筒」後面裝一個風扇，當風扇運轉起來時，把空氣源源不斷地吸進「管子」形成一個風場。為什麼不換個方向讓風扇把風「吹進」管子呢？原因很簡單，「吹」進來的空氣，已經風扇擾動成為了「亂流」，沒有什麼卵用了。當然上面這個圖只是低速風洞的簡單示意，真正的風洞要複雜得多。

讓我們把故事拉回到萊特兄弟。當前輩們為了獲得升力數據一次又一次冒著生命危險趴在滑翔機上靠扭動著身體來控制飛行時，萊特兄弟忽然想，把機翼固定起來，給它吹風不是也一樣嗎？於是，他們製造了一個簡單的風洞，大概就是下面這個樣子（圖片來自網路）。

這個東西看似寒酸，卻起到了巨大的作用。有了這個東西，萊特兄弟就可以以極小的代價重複上千次實驗，不斷修正他們的機翼形狀，最終得到一個非常理想的設計。一般情況下，風洞的尺寸要比飛機小得多，所以做實驗時用的都是飛機的模型，如下圖（圖片來自網路）：

當然，這種簡化的模擬不可能與真實的飛行狀況完全吻合，總會帶來誤差，如何減小誤差已經成為一門複雜的技術了。當然，當飛機尺寸不是很大的時候，對土豪而言建個全尺寸風洞也無妨，大家可以從下面美帝的畫風感受一下（下圖，圖片來自網路）。其實風洞東西可不光是飛機用，很多行業，例如汽車、高鐵，為了降低風阻，設計外形的時候都要拿到風洞里吹一吹的。

通過風洞解決了氣動設計問題，現在就剩下飛行控制問題了。

前已述及，早期的滑翔機是靠人扭動身體移動重心來控制的，這顯然不是長久之計。那麼萊特兄弟是怎麼做的呢？他們給出了自己的解決方案：三軸姿態控制。

下面這張圖就是萊特兄弟的「飛行者一號」的模型（圖片來自網路），我們可以看出，他們在飛機上設計了幾個舵面，這幾個舵面都通過拉線與駕駛桿相連。所謂三軸姿態控制，就是通過飛行員操縱駕駛桿帶動拉線，使舵面發生偏轉而實現的。

飛機抬頭、俯衝的控制很好理解，飛行員通過拉線改變升降舵的迎角（但願大家還記得上一篇中說的迎角是什麼），迎角為正，就會在方向舵上產生向上的氣動力，飛機抬頭；迎角為負，就會產生向下的氣動力，飛機就會俯衝。當然這是方向舵在前面的時候，現代飛機方向舵大部分都在機尾，情況剛好相反。

那麼飛機時如何改變航向轉彎的呢？可能會有人說，同樣的道理，用方向舵啊，就像汽車在地面、輪船在水中一樣——這就大錯特錯了。我們思考一個問題，假如像下圖一樣，通過偏轉方向舵讓飛機偏離原來的航向就能轉彎么？

答案是不能。因為在飛機天上飛和汽車在地上跑完全不一樣，汽車轉向，靠的是輪胎與地面的摩擦力；輪船轉向，靠的是水的阻力。而這兩個條件，飛機都不具備：空氣的密度與黏度，與水完全不在一個數量級。如果我們設身處地的站在飛機的角度想一想，就會發現它在空中是多麼的孤獨與無助——空氣能給它的轉向力實在太小了，它只能繼續「斜」著飛，就像汽車在冰面猛轉向，就會「橫」著滑走一樣。當然，當飛行距離足夠遠，哪怕再小的偏航都會「失之毫釐，差之千里」，所以偏航還是要堅決避免的。實際上，現代飛機的方向舵只佔飛機垂尾的一小部分，垂尾之所以造那麼大，就是為了保證飛行過程中保持航向的穩定。

那麼飛機是如何轉彎的呢？飛機轉彎還必須加上「翻滾」——這一點大家坐飛機的時候都有體會，實際上，鳥兒就是這樣轉彎的。像下圖這樣，如果飛機迎面飛來要按箭頭的方向轉彎，就必須按圖示的方向做「翻滾」+方向舵偏航才可以。

那麼「飛行者一號」又是如何實現翻滾的呢？萊特兄弟觀察了鳥兒的飛行姿態，他們發現，鳥兒是通過改變翅膀後端羽毛的角度來控制身體左右滾轉的，於是，他們設想——是不是控制機翼後緣的角度就可以實現翻滾呢？

事實證明他們的設想是正確的。當機翼後緣向下變形時，升力增大，這樣兩側機翼受力不平衡，就實現了「翻滾」。那機翼怎麼變形呢？他們的辦法也很簡單，由於他們的機翼是木製的，具有一定柔性，在機翼後緣連一根拉線，通過拉拽拉線就可以是機翼後緣翹曲變形。

不過通過使機翼翹曲實現翻滾並不是長久之計，後來人們在機翼後緣設計了一個舵面，這就簡單多了，只需要通過控制這個舵面的偏轉就可以使飛機愉快的翻滾了——這就是副翼（示意圖，不代表真實結構）：

說到這裡，飛行控制的基本原理已經講完了。表達水平所限，可能有些地方說得含糊不清。總結起來，就是：升降舵控制俯仰，方向舵控制偏航，副翼控制翻滾。通過各個舵面控制飛行，機翼就徹底擺脫了「柔性翹曲」這一魔咒。機翼一旦擺脫柔性走向陽剛，就可以造得碩大無比，就像下面這架最多可以搭載800多人的A380客機。A380的各個舵面相當明顯，不過下面這張照片上機翼後緣很明顯向下偏轉的翼面並不是副翼，而是襟翼。副翼在外側，圖中並沒有偏轉。至於襟翼是幹什麼的，這是後話了。（圖片來自網路）

萊特兄弟為他們的飛行控制技術申請了專利，後來他們便常常把同行告上法庭，常年的專利訴訟客觀上對飛機的早期發展產生了不利影響，也影響了他們的英雄形象。但瑕不掩瑜，他們創造的歷史功績，是再多的專利費都無法衡量的。從「飛行者一號」到A380，人們走過了將近100年時間。這一百年里，飛機早已告別了飛行者一號的模樣，各型飛機的樣子也千差萬別，飛機的性能也早已今非昔比……就像上圖的A380，它不知道比「飛行者一號」大多少倍、先進多少倍、漂亮多少倍……但是它飛行控制的基本控制原理還是萊特兄弟百年前提出來的那個原理。

——這就是萊特兄弟偉大的地方。萊特兄弟倆都終身未婚。「沒有同時應付一位妻子和一架飛機的時間。」——這或許是自嘲，但多少可以讓我們理解為單身狗對這個世界的貢獻吧！

（註：關於首架飛機的發明者是有爭議的，但主流觀點認為萊特兄弟飛行者一號的飛行有記錄、有公證、也可以重複驗證，稱其為首架飛機的發明者當之無愧。而且，本文認為，萊特兄弟最大的歷史功績，並不是發明飛機第一人這個名頭，而是他們開創的利用風洞研究氣動性能的方法，以及他們提出的飛行控制技術，這才是航空工業真正的基石。）

（又註：限於作者水平，難免有疏漏、不嚴謹、甚至錯誤的地方，歡迎交流，歡迎批評指正。）

主要參考文獻：

《萊特兄弟》張自粉著

《人類飛行的歷程》史超禮著

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