第一节 航空发展简史
人类看着鸟儿飞行，就梦想着自己也可以在空中自由翱翔。在古老而又遥远的年代，人类就已经产生了飞行的梦想，无论是嫦娥奔月（见图1-1）、列子御风，还是肖史和弄玉乘龙跨凤飞上天……这些数不清的神话和传说，都是人类期盼着升空飞翔的美好愿望和朦胧幻想的体现。为了这一梦想，千百年来人们进行了各种各样的尝试，最终取得了成功，实现了比鸟儿飞得更高、飞得更快的梦想。
一、中国古人关于飞行的尝试
关于飞行的尝试，最早的记录在我国。早在公元前2288～前2255年间，相传有人欲谋害舜，舜手持两个斗笠从着火的粮仓顶上跳下并成功逃生，这是降落伞减速原理成功运用的最早说法。
公元前22世纪，扇子、帆等工具在中国得到应用，这是与空气动力学有关的、最原始的民间实践。在公元前2000年左右，中国人发明了风筝，将与空气动力学相关的实践推到了一个新的高度，这是最早的重于空气的飞行器。现在我们知道，风筝的飞行原理和飞机是一样的，从某种角度来说，风筝也是最原始的飞机。
图1-1 嫦娥奔月
图1-2 孔明灯
春秋时代，鲁国的著名工匠公输般（即鲁班，约公元前507～前444年）和墨子（约公元前468～前376年）先后都制造过能飞的木鸟，这是关于飞机模型的最早记载。
约在公元前200年，相传西汉名将韩信制作了可载人的风筝，张良曾乘其飞行。据传在这一时期，还曾用风筝测量了长安城内未央宫的尺寸，这也是将飞行器用于科学测量的最早记载。
在汉武帝时代（公元前141～前87年），中国人发明了“烛灯笼”。它可以利用空气的浮力飞上天空，最早作为军队传递信号的工具，后人将它命名为“孔明灯”（见图1-2），将它的发明权强加给了东汉末年的诸葛亮。相传这一时期，在淮南还有人把热空气灌注于鸡蛋壳内，在大风中进行放飞。这些都是根据热空气密度减小、利用空气浮力升空的最早记载。
西汉末年王莽时期（公元9～23年），相传有位猎人用羽毛制作了翅膀绑在手臂上，并在身上也黏满了羽毛，从高处跃下进行了滑翔飞行，其目的据说是窥探匈奴的动态，结果滑行了几百步远的距离才落地。
东汉时代的公元78～135年间，相传发明“浑天仪”和“地动仪”的著名发明家张衡也制作出了一只会飞的木鸟，也类似于鲁班的“飞机模型”。
在晋朝（公元265～420年），葛洪发现了老鹰在一定高度上不扇动翅膀也能滑翔，并解释了其原理；这一期间，中国人还发明了“竹蜻蜓”，作为直升机的雏形得到了世人的认可。
公元549年，南朝梁国的首都金陵被敌军围困，太子肖纲与大臣羊侃用风筝携带诏书向城外告急，可惜风筝被敌军射下，这是风筝用于军事行动的首次记载。在公元782年的唐朝，田悦围攻临洛时，临洛守将张丕也放风筝向城外求救，这次获得了成功。
公元907～979年间，中国的五代时期，相传随同丈夫一起出征作战的莘七娘制作了用松脂点燃加热的、类似于孔明灯的“松脂球”。在元朝的战争中已经运用不同颜色的松脂球作为互相联络、传递信号的工具，将这种热气球的原始形态广泛运用。
公元1326年，中国的风筝在欧洲得到流传，并逐渐用于军事活动。
据说在清朝初年（公元1650～1700年），苏州工匠徐正明历经10年努力探索，终于发明并制成一种名为“栲栳椅”式样的“飞车”，这种飞车内部安置了相应的“机关”，其中“齿牙错合”（相当于今日的齿轮），在用两脚踏板后，“上下之机转，风旋疾驶而去，离地尺余，飞渡港汊”。这可算是直升机型式飞行器的最原始试验，甚至有人把它视为世界上最早的“飞机”。
读一读
《香山小志》关于徐正明“栲栳椅”的记载
造飞车之某甲，梅社人也，性敏志专一。平生不事酒食征逐，每工散后，人多醉饱游嬉，甲独闭门寂坐，思一奇制以惊鸣于天下。
闻人谈《山海经》，感及奇肱之故事，一旦告归，冥自沉思，伸纸画图，屡涂屡改，寝食俱忘，期年稿始就，按图操斫，有不合者削之，虽百易不改。
家故贫无担石储，至是妻子啼号，爨火不举，不得已而饥驱赴城。甲故有巧名，工肆闻其出山，争致之，丰其薪俸，不半年，囊蓄有余，复归造车如故，囊罄复出，如是者十有余年，而车始成。
其制如栲栳椅子式，下有机关，齿牙错合。人坐椅中，以两足击板，上下之机转，风旋疾驰而去，离地可尺余，飞渡港汊不由桥。甲犹不满，于心谓：须高过楼屋，能越太湖面四五十里，往来缥缈莫登峰（疑为“举”）然复（疑为“后”）致远可恃。正在踌躇再图进步，而年已老矣，未几病卒。其妻嗔其一生材力心思消耗于此，以至饿，填沟壑皆此车为之也，斧之付炊，其制遂绝焉莫考，或曰：徐，其姓，正明，其字。
二、国外的飞行梦想和尝试
和中国人相比，西方人在探索飞行的道路上显得更敢于尝试，更倾向于依靠人力飞行。
在公元前850年，英国人布拉德就将人类的飞行梦想付诸实施，他制作了一副像鸟儿一样的翅膀，绑在双臂上从罗神殿上一跃而下，希望通过自己的努力飞越伦敦城，结果坠地身亡；大约在我国西汉末年的王莽时代，意大利一名演员制作了一对翅膀，想依靠人力扇动翅膀飞行，结果也是失败身亡；公元875年，相传西班牙的阿布尔?卡希姆在手臂上绑着一对翅膀从高处跳下，滑行了“相当一段距离”；公元1002～1010年间，阿拉伯人阿尔达瓦里尝试飞行时用一对木制翅膀从高处跳下，也以失败身亡告终；1010年，英国僧侣埃尔默分别在四肢上捆绑了两对人造翅膀，从塔顶跳下尝试飞行，在向前滑翔了约200米后坠地，腿骨受伤；1162年，一名土耳其人用翅膀捆绑在手臂上，尝试滑翔飞行时失败，所幸仅受轻伤……在后来的几百年里，又有多人尝试依靠人造翅膀实现人力飞行，都是以非死即伤告终。
公元前668～前625年间，传说一位居住在巴比伦的埃塔那氏也尝试飞行，不过他是想借助外力升空，试图骑上老鹰翱翔天空，结果当然不会成功。
公元前400年左右，相传智利学者阿凯塔斯也制造并试飞过一只木鸟，和我国的公输般、墨子几乎是同一时代。
公元前287～前212年间，古希腊哲学家、数学家、物理学家阿基米德发现了流体中浮力产生的原理，为后来发明和制造轻于空气的航空器提供了理论依据。
图1-3 达?芬奇的“扑翼机”模型图
1325年，在佛兰德古国出现了一种可以靠拉绳驱动旋转的竹蜻蜓，类似于中国的竹蜻蜓玩具，被西方认为是最早的“动力”模型飞行器。
1485年，意大利文艺复兴三杰之一的达?芬奇绘制了“扑翼机”模型图（见图1-3），已经类似于现代的飞机结构，只是仍然停留在依靠人力实现飞行的幻想上。后来，他还绘制了热气球构想图、撰写了“论鸟飞行”一文，通过在平滑表面的吹风实验确定了流线型的概念。在他有生之年，共绘制有关飞行器设想的草图达200余幅。
1606～1679年间，意大利自然学家玻列里研究了鸟的飞行，发现鸟扇动翅膀时力量非常大，这力量与鸟自身重量的比例是人力远远不能达到的，认识到了靠人的体力是不可能飞上天空的，这样的结论有助于结束几百年来人们盲目的冒险试验。
1686年，法国人马里奥特写成了人类最早的流体力学专著——《论水和其他流体之运动》。1738年，瑞士物理学家丹尼尔?伯努利出版了《流体动力学》一书，在其中阐述了流体运动速度和压力的关系，并首次提出了螺旋桨理论。
1749年，英国哥拉斯哥大学天文学教授威尔逊用6只风筝，吊着气象仪器升入1600米的空中进行探测，这是历史上第一次将风筝运用于气象观测。
三、静力飞行——气球时代
在人类意识到依靠自身体力难以实现飞行梦想后，许多尝试者开始思索通过另外的途径探索飞行，用得最多的是利用静止空气产生的浮力升空，即静力飞行。
1670年，意大利修道士吉?拉那设想利用真空铜球产生的浮力升空，并绘制出“真空球”设计图，这是人类第一幅现代气球设计图。图中利用4个抽成真空的铜球产生的浮力来吊起一只吊舱，但吉?拉那却没有考虑到大气的压力是铜球的强度不能承受的，在“真空球”飞起来之前，大气压早已把铜球压扁了。
1709年8月5日（也有说是8月8日），巴西人古斯芒神父用粗帆布制成一个吊有吊舱的热气球，以麦秆和羊毛为燃料，在葡萄牙为约翰五世国王做了热气球飞升表演，这个热气球号称是“世界上最早的热气球”。热气球一直上升到3.6米高的天花板处，虽然下降过程并不完美，不幸引燃了窗帘，但国王约翰五世认为这并不是一件坏事，这是一项伟大的发明。
1731年，俄国人克拉库特诺伊?费尔文制造并试飞了靠燃烧杂物产生热空气的小型热气球，但这个热气球未得到世人及史料的认可。
1782年11月25日，法国的蒙哥尔菲兄弟利用点燃麦秆后产生的热气，使一只直径1米、高17米的、以柳条为骨架、外部蒙有纸皮的热气球升空，这只气球被公认为世界上第一只飞行成功的热气球，但这只气球并没有达到实用阶段。
1783年6月4日，蒙哥尔菲兄弟在巴黎昂诺内广场上进行了热气球放飞的公开表演。他们用羊毛和稻草作燃料，将一只亚麻布材质的热气球放飞到457米高度，经过10分钟飘飞了2 300米，为人类征服天空提供了切实可行的工具，多年后人们在此地立碑纪念这一伟大壮举。同年9月19日，他们奉命为路易十六夫妇做热气球表演，当着3万多观众的面，将一只鸭子、一只公鸡和一只绵羊载入热气球，上升到518米高度（也有资料说450米），经过8分钟时间飘飞了3 200米，降落在一片树林中，该气球名声大噪，被国王路易十六赐名为“蒙哥尔菲气球”（见图1-4）。
图1-4 “蒙哥尔菲气球”实验
后来蒙哥尔菲兄弟计划用热气球进行载人飞行试验，从监狱里选出了两名囚犯用于载人试验，国王认为人类首次飞行试验的荣耀不能留给囚犯，最后由法国科学家罗泽尔与达兰德斯侯爵于10月15日乘坐“蒙哥尔菲热气球”升空飞行，首次飞行采用系留式放飞，上升到了27米高度。11月21日，二人再次乘坐“蒙哥尔菲热气球”，从巴黎波旁王朝皇家行宫庭院中升空，经过20分钟的飘飞，降落在巴黎意大利广场上，这是人类第一次利用热气球自由飘飞，为人类征服蓝天的历程留下浓墨重彩的一笔，人类的活动空间从此正式进入空中（见图1-5）。
图1-5 首次热气球载人飞行
除采用热空气托举气球升空外，人们还在尝试用密度较小的氢气作气球填充物。人们发现，氢气球的性能明显好于热气球，氢气比100℃的热空气产生的浮力要大4倍。1783年1月9日，法国人布朗夏尔在美国费城为乔治?华盛顿总统公开表演了氢气球飞行，飞行高度达到了1524米，这是美洲大陆第一次放飞飞行器。
随着氢气球性能的不断完善，很快就取代了热气球。1783年12月1日，法国科学家夏尔在巴黎做氢气球公开表演，他与助手罗伯特乘坐氢气球上升到650米高度，经过2小时飘飞了43千米，降落在巴黎郊外的田野上，成为人类历史上首次利用氢气球飞行的尝试者。紧接着二人又再次升空，飞行高度达到了2750米，飘飞了35分钟，他俩成为“一天内两次看到晚霞的人”。
气球出现后，很快就被应用到军事领域。就在气球载人飞行的第二年（1784年），法国大革命期间，人们就利用系留式载人气球进行战场观测。1789年，法国陆军组建了一支气球侦察部队，航空器在军队中从此有了正式编制。1849年8月22日，在意大利独立战争中，奥地利军队利用200只吊有30磅炸弹的纸质热气球升空，期望对水城威尼斯进行轰炸，后因风向改变导致轰炸失败。从此，飞行器也逐渐演变成杀伤性武器。
1793年，法国人布兰查德在飞行中遇到气球故障，用自制降落伞成功跳伞逃生，这是降落伞进入实用阶段的最早记载。
1794年10月，法国在沙里米顿成立了一所“国民航空学校”，用于培养气球飞行员，这是世界上第一所航空学校。
气球出现后也很快应用于科学实验领域。1803年，比利时人罗伯逊利用系留式气球将设备载入7000米高空进行了电火花试验。次年6月30日，俄国萨哈洛夫院士与罗伯逊合作进行了首次科学探空飞行，他们乘坐气球飞到了2500米高空，进行了电磁效应等科学实验，并多次采集了空气样品。
四、静力飞行——飞艇时代
尽管人类利用气球实现了飞上蓝天的愿望，但在天空中只能飘飞，还不能自由飞行，人们探索飞行的脚步还需要继续往前迈进。
1784年，法国陆军军官梅斯涅设想将动力装置安装在气球上，使之成为可以自由飞行的飞行器，并绘制了草图，在一只雪茄形气球下安装动力装置，这种飞行器被称为“飞艇”（也有资料称为“汽艇”“飞船”）。
同年，法国人布朗夏尔将这种设想付诸实践，在气球下方安装了用手摇动的螺旋桨，幻想着靠它产生的拉力飞越英吉利海峡，虽然这种设想以失败告终，但也是对利用飞艇自由飞行的最早尝试。同年9月，法国的罗伯特兄弟制造出一艘以氢气为填充物的“飞艇”，气囊呈流线型，容积940立方米，直径2米的绸制空气桨需由7人摇动，该“飞艇”费力地、歪歪扭扭地花7小时“飞行”了几千米，仍然达不到自由飞行的初衷。
1837年，英国人乔治?凯利开始研制飞艇。他设计了以蒸汽机为动力、带动2副5叶螺旋桨的原始飞艇，并首次提出了飞艇制造中对气球结构布局作一定改变的理念：硬式结构、全金属气囊、长圆形分隔舱，尽管设计最后未能实现，但这一设计使凯利成为现代飞艇设计的鼻祖。
1852年9月24日，法国人亨利?吉法尔制造并成功试飞了人类历史上第一艘真正意义上的飞艇（见图1-6）。飞艇摒弃了球形气囊，采用枣核形气囊，用一台2 200瓦的蒸汽机驱动直径为2.13米的三叶螺旋桨，安装了三角形尾舵。当日飞艇从巴黎起飞，时速达到了9.4千米/小时，由于未考虑操纵问题，飞艇起飞后不能返回出发地点，耗时3小时左右飞行了28千米，降落在特拉普斯。
图1-6 世界上第一艘飞艇
1884年8月9日，法国军官路纳德和克里布制造并试飞了一艘以蓄电池供电的“法兰西”号电动飞艇，该飞艇飞离出发点4千米后返航，飞行高度300米，飞行时间25分钟，最高时速达到了24千米/小时，降落过程中进行了数次前后转动，以对准着陆地点，飞艇终于进入了可操纵阶段。
飞艇的出现，使人类进入了自由飞行的时代。
在飞艇的历史上，德国退役将军、硬式飞艇的发明者齐柏林将飞艇推到了它的发展顶峰，齐柏林因此被后世称为“飞艇之父”（见图1-7）。齐柏林于1900年制造了第一艘硬式飞艇，1908年制造了当时世界最大的飞艇LZ-4号，后来又制造了LZ-5号、LZ-6号和LZ-7号，并与艾肯纳博士合作成立了世界上第一家航空公司——德拉格公司，1909年开始使用飞艇从事航空运输。齐柏林逝世后，他的继承人艾肯纳博士决定建造大型可环球飞行的飞艇，开辟洲际长途客运，并于1927年7月建成了“格拉夫?齐柏林”号飞艇，1929年8月完成了环球飞行。这一时期成为了飞艇的“黄金时代”，直至1937年5月6日，由齐柏林公司制造的可载近百人作跨洋飞行的大型飞艇“兴登堡”号，在美国新泽西州莱克赫斯特海军基地着陆时，因静电火花引起爆炸，加上这时飞机性能又有极大提高，才使飞艇退出了航空运输的舞台（见图1-8）。
图1-7 齐柏林肖像
图1-8 “兴登堡”号飞艇失事
五、动力飞行时代
人们利用轻于空气的气球和飞艇实现了翱翔蓝天的愿望，但人们并未满足于现状而停止探索飞行的脚步。探索者们发现鸟是重于空气的，那就必然能够制造出重于空气的航空器，使人像鸟儿一样自由飞翔。人们未能制造出重于空气的航空器，不是因为重于空气的飞行器不可能实现，而是人们还未找到飞行的真谛，航空先驱们经过不停地探索，开创了动力飞行（利用空气和航空器的相对运动产生的空气动力来飞行）时代。
图1-9 乔治?凯利
在重于空气的航空器发展历程上，被称为“世界航空先驱”、“英国航空之父”的著名科学家乔治?凯利（见图1-9）的成就让人们迈出了实质性的一步。1796年，就在气球飞行成功后不久，乔治?凯利设计制造了以弹簧为动力的直升机模型，并试飞成功，据说其中一架曾飞到25.5米的高度。时隔三年之后，他又开始设计滑翔机，1804年，他用风筝改制成机翼，制成了第一架固定翼滑翔机模型。当年年底，为了测量平板机翼的升力和阻力，他又自制了旋臂机。这些早期的空气动力实验设备，开创了航空实验的先河。1809年夏季，凯利又在约克郡制成世界上第一架全尺寸载人滑翔机，他利用这架滑翔机进行滑翔试验，多次成功滑翔到“几码远”的地方去，因此也有人称凯利为“滑翔机创始人”。就连后来的莱特兄弟对他的成就也大加赞誉。同年，凯利还发表了著名论文——《论空中航行》。
后来的1849年，一名十岁男孩乘坐凯利制造的第一架载人滑翔机，通过人力牵引、从山坡上向下滑翔飞行成功，飞行高度只有数米。1853年8月，已经80岁高龄的凯利制造出第二架可载人的滑翔机，并由他的马车夫在极不情愿的情况下，坐着这架滑翔机飘飞过一个小山谷，这是最早有明确记载的成年人乘滑翔机的自由飞行。
在前人理论和实践的影响下，一些尝试者还制作了各种各样的飞机模型来探索飞行。1840年，在凯利的影响下，英国航空先驱威廉?萨姆爱尔?亨森开始试制飞机，并成立了自己的航空运输公司。1847年，他制造了一架名为“阿里埃尔”、重4.5千克的缩比飞机模型，在试飞中它借助斜坡助跑起飞，曾飞到19～24米远。1858年，法国海军军官德拉克鲁瓦制造出由发条驱动起飞的单翼飞机模型，升空后改用微型蒸汽机推动前进，这是第一架依靠自身动力起飞的飞机模型。
在越来越多的滑翔机和有动力的飞机模型试飞成功后，人们意识到只要在滑翔机上安装上合适的发动机，飞机飞行成功的梦想就能实现了。但当时的动力只能选择蒸汽机，在英国的亨森制造出“阿里埃尔”飞机模型之前，他和助手于1842年就设计出名为“空中蒸汽车”的飞机（见图1-10），并申请了“重于空气的飞行器”的专利，尽管这架以蒸汽机为动力的飞行器是以失败告终，但它也是人类对飞机所做的最早研究探索试验之一。直到1860年，法国人艾?勒努瓦发明了以汽油作燃料的内燃机，使人类在动力领域内发生了革命性的飞跃，才使真正意义上的飞机诞生成为可能。1862年，法国人德罗埃又提出了四冲程内燃机工作原理，并在4年后由德国人奥拓成功制造出世界上第一台四冲程汽油发动机，为将来飞机的发明奠定了动力基础。在飞机发明后的半个世纪里，活塞发动机（汽油内燃机）几乎是飞机的唯一动力。
图1-10 享森的“空中蒸汽车”
1891年，美国航空先驱者兰利教授（见图1-11）出版了《空气动力学试验》一书。他在连续试验了几十个飞机模型之后，终于在1896年试飞了第一架采用功率为1马力的蒸汽发动机驱动的飞机模型，经弹射起飞后可飞出1600米远。1898年，他得到政府5万美元的资助，用于载人飞机的研制，但未获得成功。后来美国政府又多次注入资金到载人飞机的研究，都以失败告终，1901年，兰利研制的第一种采用汽油内燃机为动力的“空中旅行者”全尺寸载人飞机经过多次试飞失败、最终也未能飞上天空，美国政府终止了对他的经济援助，并得出结论：重于空气的载人飞行器是不可能成功的。
图1-11 兰利教授
但其后不久，1903年12月17日，德裔美国人、自行车修理者威尔伯?莱特和奥维尔?莱特兄弟在美国北卡罗来纳州的一个叫基蒂霍克小镇外的山坡上，成功试飞了他俩经过多次试验后制造出的、靠自身动力起飞的“飞行者一号”（见图1-12）。第一次试飞由哥哥威尔伯在上午10点35分开始驾驶，飞行了12秒、36米。下午弟弟奥维尔也进行了试飞，当天一共试飞了四次，留空最长的一次时间达59秒，飞行距离260米（见图1-13）。这架装有12马力活塞发动机、靠自身动力起飞的“飞行者一号”被公认为人类的第一架飞机，莱特兄弟也被公认为飞机的发明人。可惜当时美国政府刚得出了载人飞机不可能成功的结论，媒体也不相信两个自行车修理工能成就人类的飞行梦想，所以第一天试飞没有得到媒体的参与，只有在附近干活的几个农夫见证了人类这一跨时代壮举。从此，一幅征服蓝天的大幕逐渐拉开……
图1-12 莱特兄弟和飞行者一号
图1-13 第一架飞机试飞
莱特兄弟探索飞行成功之后，陆陆续续有更多的先驱们也制造并成功试飞了自己的飞机，飞机性能越来越好：速度越来越快、高度越来越高、航程越来越远……1909年7月25日，法国早期飞行家布莱里奥驾驶自己制造的“布莱里奥11型”飞机，历时37分钟从法国加莱飞到英国多佛尔，成功飞越英吉利海峡，成就了人类的第一次国际飞行，也因此获得了英国《每日邮报》提供的1000英镑奖金（见图1-14）。
飞机发明的初期，都是航空爱好者们自己动手设计制造飞机和驾驶飞机，我国的第一位航空人、旅美华侨冯如也在此行列中。1894年，12岁的广东恩平人冯如随舅舅来到美国旧金山，6年后到纽约攻读机械制造专业。1909年9月制造了自己的第一架飞机，1910年7月又制造了第二架飞机。1911年2月，辛亥革命爆发后，他毅然带着自己的飞机回国，跟随孙中山进行航空救亡宣传。1912年8月25日，冯如在广东向塘的飞行表演中不幸失事遇难，享年29岁（见图1-15）。
图1-14 布莱里奥和他的飞机
图1-15 中国航空之父——冯如