歷史上的今天:1903年12月17日,人類歷史上首次動力飛行

2021-01-08 騰訊網

1903年12月17日萊特兄弟駕駛自行研製的飛機飛行者一號成功的在人類歷史上首次重於空氣的航空器持續而且受控的動力飛行,被廣泛譽為現代飛機的發明者

萊特兄弟

美國航空先驅、親生兄弟奧維爾·萊特(1871年8月19日—1948年1月30日)和威爾伯·萊特(1867年4月16日—1912年5月30日)。

飛行試驗

萊特兄弟最早大概在1890年代前期就從新聞、雜誌或者照片上領略過德國航空先驅奧託·李林達爾和他研製的動力滑翔機的風採。而1896年對萊特兄弟來說是重要的一年,因為在這一年裡航空界發生了三件大事。

該年五月,史密森尼學會的書記塞繆爾·蘭利成功試飛了一架蒸汽動力的無人飛機模型。

同年夏天,芝加哥工程師、航空界權威奧克塔夫·沙努特領隊在密西根湖湖畔的沙丘上試飛了多架不同類型的滑翔機。

八月,兄弟倆崇拜的李林達爾在試飛他的滑翔機時不幸機毀人亡,為人類的飛行之夢獻出了寶貴的生命。

航空先驅們的事跡激勵著兄弟倆將想法付諸實踐。

前期研究

萊特兄弟認為困擾航空先驅們的飛行難題有三點,前兩點分別是機翼和發動機。他們認為在這兩點上前人已經有相當豐富的技術積累,目前問題不大。

而他們將最後一點歸結為如何控制飛機。1899年英國航空先驅帕西·皮爾策在一次懸掛式滑翔機試飛時失控墜亡的事件更是讓他們堅信,要想成功飛行,更重要的是能安全地飛行,關鍵在於要有可靠的飛行控制系統。

相比之下,和他們同時代的其他先行者們——大名鼎鼎如阿德爾、馬克沁和蘭利等人——還在醉心於打造大馬力引擎。

這些人常常把自己綁在控制系統還尚未經過驗證的飛機上,在沒有任何飛行經驗的情況下就草率起飛,祈求好運會將自己和飛機帶上天空。

儘管李林達爾墜機身亡,但萊特兄弟依然青睞他在進行動力飛行之前先通過滑翔機試飛來培養操縱技巧的策略。但他們在贊同李林達爾務實做法的同時也注意到了他光靠轉移操縱者體重來控制滑翔機平衡的辦法有致命的缺陷。兩人決心要找到比這更好的解決方案。威爾伯通過觀察鳥類的飛行,認為鳥類是通過改變翅膀後端羽毛的角度來控制身體左右滾轉的。

兄弟倆覺得這種方式或許也能對航空器適用——讓飛機在轉彎的時候像鳥兒一樣向彎位的內側傾斜——而這恰恰也是自行車轉彎的方式,而經營自行車生意的兩人對這個是再熟悉不過了。

自行車並不是一件穩定的交通工具,但通過足夠的訓練人們完全能掌握它,他們相信飛行也一樣如此。同時他們也寄望於這種方法能控制機身在被側向氣流幹擾後恢復其平衡(側平衡)。

為了讓人造機翼也能達成上述的效果兩兄弟冥思苦想卻始終不得要領。

一天,威爾伯百無聊賴地在自行車店裡擺弄用來包裝自行車內胎的小紙盒。在他來回扭動紙盒的時候,突然靈光一閃——翹曲機翼的點子就此誕生。

萊特兄弟在1899年製作的風箏的草圖,操縱杆也被繪製在內。圖示為前視圖和側視圖,翹曲機翼的彎曲機制被繪製

翹曲機翼是由萊特兄弟發明的一種用於控制固定翼飛機滾轉運動的系統。經由這一系統,飛行員可通過操縱滑輪與鋼錢扭曲機翼從而改變兩側升力,進而由升力差產生滾轉力矩以幫助飛機保持平直飛行或進行轉彎。在許多方面,通過彎曲紙飛機機翼後緣以助其平直飛行的方式與翹曲機翼十分相似。

滑翔機試驗

萊特兄弟1900年時的滑翔機。他們當時沒有留下飛行員駕駛著滑翔機飛翔的照片。

在1900年間,萊特兄弟在小鷹鎮只進行了為期數天的滑翔機試飛活動。為了進行試飛,兩人要從鎮裡往南遠行6公裡(4英裡)爬上屠魔崗——一堆最高有30米(100英尺)的沙丘。在接下來的三年裡他們每年都到此處露營。

1901年的挫折和發現

奧維爾和他們的1901年萊特滑翔機,機鼻朝天,機身沒有尾部。攝於小鷹鎮。

1901年萊特兄弟在小鷹鎮試飛了他們的新型滑翔機。試飛被安排在了7月到8月間,一共進行了50到100次滑翔測試,飛行距離在6到22米不等(20到400英尺)。為了提高升力,他們在這架滑翔機上配置了比前作大得多的翼面,然而它卻讓兄弟倆大失所望。新型滑翔機只產生了理論數據約三分之一的升力,而翹曲機翼也不聽使喚了,總是讓機身向相反的方向偏轉(後來這個問題被稱作逆偏航)。

在試飛中滑翔機發生了幾次失速,但前置升降舵的降落傘效應避免了機身的俯衝,從而讓威爾伯得以「像一張煎餅似的」水平安全著陸。

這個的優點讓他們更執著於前翼布局,並一直堅持到1910年時才放棄。第二季的試飛活動在眾多挫折的陰影下黯然落幕,兄弟倆敗興而歸。在返回代頓的路上,難掩失望之情的威爾伯向奧維爾自嘲道雖然人類遲早會飛行——但他們估計是活不到那天了。

剛剛駕駛1901年滑翔機著陸的威爾伯。

新滑翔機在升力上的糟糕表現讓萊特兄弟懷疑李林達爾的數據是否準確,同時也對廣受認可的升力方程中的空氣壓力係數提出了質疑。空氣壓力係數也叫斯密頓係數,當時已經被提出了100多年。

1902年的豐碩成果

李林達爾只在少數幾種翼型上做過旋轉臂測試(一種測量升力和空氣阻力的早期手段),而萊特兄弟在一開始曾錯誤地假設他的數據也可以套用在他們形狀完全不同的機翼上。

萊特兄弟風洞的複製品,攝於維吉尼亞航空航天中心。

兩兄弟建造了風洞後,在李林達爾的基礎上向前邁進一大步,為200多種不同翼弧的翼型完成了初步測試,並對其中的38種做了更詳細的測試

一輪測試下來他們還得到了一大發現——那就是較長和較窄的機翼——用航空學的術語來講就是展弦比(翼展除以翼弦的值)較大的機翼——有其優勢。

比起兩兄弟目前為止試用過的較寬闊的機翼,展弦比大的機翼形狀能夠提供更好的升阻比。

有了展弦比的知識和更精確的斯密頓係數助陣,萊特兄弟重整旗鼓設計了他們新的1902年款滑翔機。運用他們在風洞實驗中得到的另一個關鍵發現,他們將新機翼的翼弧設計得更平坦。

而之前他們在設計1901年款的時候照搬了李林達爾的設計,讓滑翔機翼弧明顯更大卻更沒效率。現在他們做完了一系列的風洞實驗,並對得到的結果非常自信。

於是兩人拋開李林達爾的數據,完全基於自己的計算數據進行設計。

性能的飛躍

性能的飛躍

左圖是兩兄弟在1901年試飛過的滑翔機,威爾伯在左,奧維爾在右。右圖是1902年威爾伯(右)和助手丹·泰特(Dan Tate)試飛的滑翔機。通過比較不難發現1901款滑翔機缺乏升力且受到的阻力更大,以至於它以陡峭的攻角飛行。而1902年款滑翔機的飛行姿態更平緩,而且牽引繩被則拉得幾乎跟地面垂直,升阻比的進步可以說一目了然。

威爾伯駕駛著1902年款滑翔機飛躍屠魔崗。照片由洛林·萊特攝於1902年10月10日。照片中的滑翔機配備了一個可以轉向的尾舵,取代了原設計裡的固定雙尾翼。

威爾伯駕駛著1902年款滑翔機飛躍屠魔崗

威爾伯在試飛中操作翹曲副翼和可動尾舵進行轉向。攝於1902年10月24日。

飛行者一號的誕生

萊特兄弟飛行者一號的現代複製品。

萊特兄弟的飛行者一號翼展12米(40.3英尺),重274公斤(605磅),配備一臺8.9千瓦(12匹馬力),重82公斤(180磅)的發動機。這架飛機只花了他們不到1000美金就造好了。

而美國政府資助蘭利建造飛機場號的預算高達50,000美金,可它卻一頭栽進了河裡。

1903年飛行者一號的原機,它現被陳列在位於華盛頓特區的美國國家航空航天博物館

1903年12月17日是一個歷史性的時刻——在時速43公裡(27英裡)的刺骨寒風中飛行者一號終於成功起飛了。首飛的駕駛員是奧維爾,他飛行了12秒,航程36.5米(120英尺),時速只有每小時10.9公裡(6.8英裡)。在接下來的兩次試飛中,威爾伯飛行了53米(175英尺),奧維爾飛行了61米(200英尺)。他們的飛行高度約為離地3米(10英尺)。奧維爾親筆記錄下了當天最後一次飛行的情況:

萊特兄弟飛行者一號的首次飛行。攝於1903年12月17日。奧維爾擔任駕駛員,威爾伯在翼尖處跟跑。

奧維爾在筆記本上關於1903年12月17日的記錄。

「在12點左右威爾伯開始了第四次也就是最後一次試飛。最初的幾百英尺飛得起起伏伏,但飛過了300英尺後飛機變得好操作了一些。在接下來400到500英尺的航程裡只有少許的顛簸。可到了差不多800英尺的時候它又開始了起伏,最後在一次俯衝中撞到了地面。測量顯示的地表距離是852英尺(260米),飛行時間為59秒。支撐前舵的支架損壞的較嚴重,但飛機的主要部件完全沒有受損。我們估計一兩天後就可以把它修復至可以再度飛行的狀態。

奧維爾駕駛飛行者二號在霍夫曼草原上飛行。此次飛行編號為85,飛行持續了40.2秒,距離約536米(1760英尺)。攝於1904年11月16日。

奧維爾駕駛飛行者三號在1905年10月4日飛越霍夫曼草原。飛行編號46,持續時間33分17秒,飛行距離20.75英裡。這也是在該年試飛活動中拍攝的最後一張照片。

最後

萊特兄弟雖然不是進行航空器飛行試驗的第一人,但他們首創了讓固定翼飛機能受控飛行的飛行控制系統,從而為飛機的實用化奠定了基礎,此項技術至今仍被應用在所有的固定翼航空器身上。

統計一下現在世界上各類飛行器

萊特兄弟兩人最終都沒結婚。威爾伯曾開玩笑說自己:「沒有同時應付一位妻子和一架飛機的時間。」1912年他在前往波士頓的途中病倒,回到代頓後被確診為傷寒。在時而昏迷、時而清醒地與病魔搏鬥了幾個星期後,他在5月30日病逝於家中,享年45歲。

他的父親米爾頓在日記中這樣描述威爾伯:「他生命短暫,卻又卓越不凡。他智慧無窮卻又冷靜沉著,他無比自信卻又無比謙虛,他敏銳地洞察正道,堅定地追求真理。他隨風而生,最後隨風而逝。

圍繞首架飛機的爭議

有一些文檔記錄顯示,在1903年萊特兄弟飛行之前便有其他航空先驅曾經進行過首次飛行,包括克雷芒·阿德爾、古斯塔夫·懷特海德、理察·皮爾斯和卡爾·賈託等。

也有人聲稱維亞和桑託斯·杜蒙才是進行了第一次真正飛行的人。

持有上述觀點的人認為萊特兄弟在技術上並沒有造出第一架能成功飛行的飛機。

首先飛行者一號沒有機輪,要藉助起飛軌道起飛;其次它必須迎風起飛或者用靠1903年設計的發射器起飛。而萊特兄弟的擁護者則認為這些都是旁枝末節的技術,更重要的是萊特兄弟的飛行得到了公證,其試驗可被重複驗證,飛機能夠進行受控並持續的飛行,因此作為首架飛機的稱號實至名歸

萊特兄弟在1903年12月17日進行的飛行作為「第一次重於空氣的航空器進行的受控的持續動力飛行」被國際航空聯合會(FAI)所認可。

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