1.1 人类的航空壮举

当我们仰望天空的时候，总会发现时不时有飞机掠过。或许不少人会问，这样一个庞然大物，其质量少则数百千克，多则几十吨、上百吨，怎么能够如此自如地在蓝天上飞翔呢？飞行究竟需要具备哪些条件呢？

其实，关于怎样才能像鸟儿一样在蓝天上翱翔，我们的先辈们探索了数千年，设想和尝试了许多种飞天方式，但基本都以失败告终。直到1903年12月17日，美国的莱特兄弟驾驶着他们设计和制造的“飞行者”1号（图1-1），进行了时间不到1分钟、距离只有260米的人类历史上第一次持续而有控制的动力飞行之后，人类才真正从根本上解决了飞上蓝天的关键问题。此后，飞机越造越大、越飞越高、越飞越快、越飞越远，各方面的性能都有了翻天覆地的提高（图1-2～图1-5）。

实际上，无论是莱特兄弟设计的“飞行者”1号，还是现代的先进客机、战斗机、运输机……之所以能飞上蓝天，归纳起来是因为它们具备了飞行的三个最基本的要素：

①具有能产生升力的机翼，用来平衡飞机的重力（图1-6）；

②具有能提供拉力或推力的动力系统，用来平衡飞机的阻力（图1-6）；

③具有能控制飞机姿态的操纵系统，让飞机有可操纵性，实现其按照预定的轨迹飞行（图1-7）。

此外，为了保证飞机可持续飞行，还要保证飞机在飞行时具有一定的稳定性，使得飞机在受到扰动偏离原平衡位置时，依然有恢复到原平衡位置的趋势。关于这些要素的详细情况及飞机如何满足这些要素，将在后文展开叙述。

1.1.1 飞行的探索

1.1.1.1 神话与传说

科学起源于臆想，人类在远古时代就萌生了飞行的梦想。那时，天上的飞鸟、林中的蝴蝶，甚至是飘浮的白云，都唤起人类对于飞行的憧憬。

中国神话传说里面的牛郎织女、嫦娥奔月、大闹天宫等，国外神话传说中的小天使、飞毯等，都蕴含着不同地域、不同民族的古代人类对于飞向天空的向往。

相传楚汉战争中，韩信制作了巨大的风筝，让张良坐在上面，放到项羽军队的上空，吹奏楚国乐曲，演绎了四面楚歌的故事。据说，公元9～23年，还有人用鸟的羽毛编成大翅膀，绑在身上，滑行百步。

诸如此类，古代关于飞行的神话和传说还有很多，虽然很多飞行的尝试都以失败告终，但却大大激发了人类对于飞行的渴望与探索。

1.1.1.2 气球与飞艇的发明

经过长期的探索，人们终于依靠比空气轻的航空器为成功地升空飞行迈出了坚实的第一步。中国的古代就发明了和现代热气球升空原理一样的孔明灯。1783年6月5日，法国的蒙哥尔费兄弟用麻布制成的热气球完成了成功的升空表演（图1-8）。他们在气球开口处烧草和羊毛使气球内的空气受热，热空气的密度小于气球外的冷空气，产生升力，从而达到使气球升空的目的。

蒙氏兄弟的热气球升空引起了当时许多科学家的重视。1766年发现氢气后，人们制造成氢气气球，取得了更好的升空效果。1783年11月21日，两个法国人乘坐蒙哥尔费气球，在1000米高的空中，飞行了12千米，完成了人类首次乘坐航空器飞行的伟大壮举。

气球是一种没有操纵装置的航空器，只能随风飘动，使用很不方便。1852年，一位法国人在气球上安装了一台功率仅为3马力的蒸汽机，用来带动一个三叶螺旋桨，使其成为第一个可以操纵的气球，这就是最早的飞艇（图1-9）。

1899年，德国人齐伯林伯爵设计并制造了第一架硬式飞艇。这种飞艇的动力装置采用燃料为汽油的内燃机。动力装置带动螺旋桨推动飞艇前进，大大提高了飞艇的飞行速度。齐伯林飞艇（图1-10）很快成为具有实用价值的航空器，在民用运输以及轰炸、巡逻和侦察等军事用途方面发挥作用。

1.1.1.3 滑翔机的发明

气球和飞艇的成功，为人类创造飞机积累了丰富经验。但气球和飞艇的飞行速度与飞行高度都比较低，且体积庞大，飞行性能与真正意义上的飞机还相差甚远。正如前面所说，要使飞机能够成功飞行，必须解决它的升力、动力和稳定操纵问题。

19世纪初，英国人凯利首先提出利用固定机翼产生升力和利用不同的装置控制和推进飞机的设计概念。为验证该概念的有效性，凯利于1849年制造了第一架滑翔机，并进行了试飞。

关于飞机的动力和稳定操纵问题，当时存在两种观点。有人主张先解决飞机的动力问题，因为那时蒸汽机的效率不高，难以实现飞机的动力飞行；另外一些人主张先解决飞机的稳定操纵问题，试图先通过滑翔机获得这方面的知识，然后在滑翔机上安装发动机。

1883年，效率较高的汽油内燃机问世，为飞机的动力飞行提供了条件。支持上述前一种观点的美国科学家兰利设计了以内燃机为动力的飞机，但试飞均告失败（图1-11），其原因是没有解决飞机的稳定操纵问题。支持另一种观点的德国人李林达尔与他的弟弟合作，于1891年制成一架滑翔机，成功地飞过了30米的距离，后来他们又制造了多架单翼和双翼滑翔机（图1-12），不幸的是，在5年后的一次飞行试验中，李林达尔失事牺牲。这两派人员的工作虽然都有失败，但都为人类的有动力飞行——飞机的飞行奠定了基础。

1.1.1.4 中国的五大航空发明

中国古代科学技术的成就对于世界航空航天技术的发展具有重要作用。中国古代发明的风筝、竹蜻蜓、孔明灯、火箭、走马灯被誉为中国的五大航空发明。这五大航空发明目前还经常在我们的娱乐活动中出现。但遗憾的是，千百年来，这些中国古代的发明在我们国家只是非常平常的娱乐工具，而一旦传到国外就成了现代航空技术的启蒙。这非常值得我们去深思。

（1）风筝

风筝是中国人发明的。相传春秋时期的墨翟就以木头制成木鸟，研制三年而成，是人类最早的风筝起源。后来鲁班用竹子，改进了墨翟的风筝材质，进而发展成为今日的风筝。

正如莱特兄弟和李林达尔在感慨他们伟大成就时所说的那样，中国的风筝（图1-13）对于他们发明飞行器起到了重要作用，因为风筝揭示了平板上的空气动力和升力产生的原理。当风筝的平面与气流成一定夹角时，流过风筝上下表面的气流不对称，如图1-14所示。

气流受到风筝面的阻拦，速度降低，压强增大，气流分成上下两股绕剖面向后流动，并在平板后面形成低压区，产生气流分离，平板前后形成压强差，再考虑空气与平板之间产生的摩擦力，就形成了总的空气动力F，其方向指向剖面的后上方。力F垂直于气流的分力L和平行于气流的分力D就是我们所说的风筝受到的升力和阻力。这个原理和我们后面会讲到的翼型上升力产生的原理有一定的区别，但却为之后产生升力的翼型和机翼的设计提供了参考。

（2）竹蜻蜓

竹蜻蜓是我们平常生活中非常普通而有意思的一种玩具，如图1-15所示。公元前500年，中国人就已经制成了会飞的竹蜻蜓。玩竹蜻蜓时，只要轻轻用手搓动竹柄并松手就可以让它飞上蓝天。正是这非常不起眼的竹蜻蜓揭示了直升机旋翼产生升力的基本原理：旋转的“翅膀”——旋翼可以产生足够大的升力使得旋翼航空器飞上蓝天。因此，直升机（图1-16）的诞生启发于竹蜻蜓。

世界上第一架飞机的发明人——莱特兄弟在介绍他们发明飞机的经历的时候，经常提到：小的时候，父亲给他们买了一个能飞的竹蜻蜓，兄弟俩十分喜欢，并开始仿制不同尺寸的竹蜻蜓，从此便一生与飞行结下了不解之缘。

（3）孔明灯

孔明灯（图1-17）相传是由三国时的诸葛亮发明的。孔明灯揭示了热气球（图1-18）的飞行原理，即通过加热使其内部空气密度变小，从而产生一定的浮力。热气球也是最早投入使用的航空器。

（4）火箭

火箭是一种靠燃烧气体产生的反推作用而工作的飞行器，这种反推作用的基本原理则是最早由古代中国人揭示和实践的。中国在秦汉时期就发明了火药，这为古代火箭诞生于中国提供了有利条件。早在唐末宋初，中国就出现了最早的实用火箭。古代的火箭（图1-19）使用固体火药来产生高速向后喷射的燃气，用以推动火箭向反方向运动。现代的火箭（图1-20）的理论基础也是反推效应，只不过可以选择使用固体燃料或液体燃料而已。

（5）走马灯

走马灯（图1-21）是中国传统玩具之一。早在公元1000年左右，中国就发明了走马灯。走马灯内点上蜡烛，使空气加热并向上流动，气流吹动走马灯里面的叶轮旋转从而带动轮轴转动。轮轴上有剪纸，烛光将剪纸的影像投射在屏上，使得图像不断走动。因多在灯的各个面上绘制古代武将骑马的图画，而灯转动时看起来好像几个人你追我赶一样，故名走马灯。而正是这种再平常不过的玩具，却揭示了现代燃气涡轮发动机的工作原理（图1-22）。走马灯中上升的热气带动叶轮旋转，这正是现代燃气涡轮发动机工作原理的原始应用。

1.1.2 伟大的飞行

人类的首次有动力飞行至今已经有100多年了。可以说飞行已经成为人类社会的一项不可或缺的活动。在这些飞行中，有一些是具有开拓性的历史意义的，其成功肯定了人类的努力，也极大地促进了科技的进一步发展。在众多的飞行中，航空史学家归纳了十次具有历史性意义的伟大飞行，每一次伟大的飞行都具有一定的代表性，是航空发展的重要里程碑。

1.1.2.1 人类首次有动力飞行（1903年）

第一次伟大的飞行自然是莱特兄弟（图1-23）于1903年完成的人类首次有动力、载人、持续、稳定、可操纵的成功飞行。

翱翔蓝天是人类一直追求的梦想，在莱特兄弟的成功壮举之前，很多先驱者付出了多年坚持不懈的努力，甚至是自己的生命，但是基本上都以失败告终。终于在1903年12月17日，莱特兄弟发明的世界上第一架带动力载人飞机飞上了蓝天，当天的飞行留空时间仅仅59秒，飞行距离只有260米。

莱特兄弟的伟大成就得益于他们从小就着迷于机械和飞行，从1896年开始，他们就一直热心于飞行研究。通过多次研究和实验，积累了许多翼型数据并设计出性能优良的螺旋桨。通过不懈的努力，终于在1903年制造出了“飞行者”1号。该飞机翼展为13.2米，通过链条传动驱动两副两叶推进螺旋桨，采用滑橇式起落架，装有一台四缸发动机。这架名留航空史的飞机，现在陈列在美国华盛顿航空航天博物馆内（图1-24）。

莱特兄弟的第一次飞行，虽然飞行时间只有几十秒，飞行距离只有几百米，离地高度也只有几米，但他们的探索精神却永远值得人们学习，其成功一直激励着后人对航空航天的持续探索。莱特兄弟的壮举，让人类开始漫步于天空，继而遨游于天宇。

1.1.2.2 第一架全金属客机首飞（1915年）

莱特兄弟发明飞机以后直到20世纪20年代，飞机大多数采用木质结构。但由于木材力学性能的局限，飞机很难做得更大、飞得更快。铝合金具有较高的力学性能，适于制造飞机的构件。铝合金的出现引起了飞机结构设计的革命性变化。

德国著名飞机设计师容克斯敏锐地看到金属材料的使用前景，1915年12月12日，他设计的世界第一架无支柱悬臂式全金属单座飞机J1首次试飞，该机装一台120马力的发动机，但是没有投入批量生产。

第一次世界大战后，容克斯从事民用运输机的研制，制成了世界第一架全金属封闭式客机“Junkers F-13”（图1-25），于1919年6月25日首飞成功。该机可载客4人，驾驶员2人，巡航速度每小时140千米，可飞行5个小时。该机共生产322架，广泛使用到20世纪30年代初。

1932年，容克斯在F-13飞机的基础上又推出了大型三发旅客机Ju52（图1-26），该机共生产4000架，在世界各国广泛使用。容克斯宣告了飞机从木质结构跨进了全金属时代。

1.1.2.3 林白单人飞越大西洋（1927年）

20世纪20年代，飞机虽然取得了很多的进步，但长距离和长时间的跨大洋飞行对于航空工程师来说依旧是很大的挑战。1927年5月，世界航空史上发生了一件盛事，美国飞行员林白单人驾驶飞机成功地从纽约飞抵巴黎，成为轰动世界的新闻。

林白驾驶的“圣路易斯精神”号（图1-27）飞机由瑞安公司的M-Z型邮政飞机改装而成。为了最大限度地减轻重量，飞行员孤注一掷地拆除了很多必要的设备，包括发报机、夜航设备、食品柜甚至降落伞等，仅携带5个三明治和3瓶水用来维系生命。经过33小时30分29.8秒的空中飞行，飞越5810千米，跨越大西洋，终于从美国东海岸纽约单人不着陆直飞法国巴黎，创造了当时很多人认为不可能的奇迹，为日后的跨洋旅行，乃至环球旅行开辟了先河，也唤起了公众对航空的极大热情。

1.1.2.4 第一架实用直升机首飞（1939年）

世界上公认的第一架载人直升机FW61（图1-28）是德国直升机设计师福克于1936年发明的。但是，第一架实用直升机则是由西科斯基完成的（图1-29）。1939年9月14日，西科斯基这位被称为现代直升机之父的著名飞机设计师驾驶自己设计的VS300直升机进行了首飞，首次飞行离地只有二三米，悬停也不过10秒，但是获得了成功。

1940年，美国陆军决定大量订购VS300直升机的改进型VS316，从此直升机进入军队服役。1940年5月6日，51岁的西科斯基还驾驶VS300直升机创造了续航时间1小时32分26秒的世界纪录。

西科斯基是美国飞机设计师，被称为直升机之父。他生于俄国基辅，30岁时到美国，后组建西科斯基飞机公司，该公司现在是世界上最大的直升机公司。

1.1.2.5 第一架喷气式飞机首飞（1939年）

提高飞行速度往往是研制新飞机所追逐的目标。到了20世纪30年代，飞机的最大速度仅徘徊在700千米/小时左右，几乎是采用活塞式发动机/螺旋桨系统的飞机的速度极限。

德国奥海姆［图1-30（b）］和英国惠特尔［图1-30（a）］分别在自己的国家独立发明了喷气式发动机，使飞机采用喷气式发动机替代之前通常使用的活塞式发动机/螺旋桨系统成为可能。

1937年9月，26岁的奥海姆成功研制了第一台喷气式发动机。1939年8月27日，世界上第一架喷气式飞机——德国He-178（图1-31）成功首飞。He-178采用一台奥海姆设计的涡轮喷气发动机HeS3B（图1-32）作为动力，当时的飞行速度达到700千米/小时。

第二次世界大战结束后，喷气式发动机迅速发展，飞行速度越来越快，航空技术发生了质的飞跃，不仅军用飞机面貌一新，在民用飞机领域也催生了喷气式客机，使现代民航运输业发生重大转折，喷气时代真正到来。

1.1.2.6 耶格尔突破音障（1947年）

喷气式飞机的诞生使得飞机的飞行速度大大提高了，但飞行速度要超过声速（有时称为音速）依旧是巨大的挑战，故超过声速称为突破音障。1947年10月14日，美国飞行员耶格尔上尉驾驶X-1火箭研究机进行第9次动力飞行，成功突破音障。

当时，一架B-29轰炸机携带X-1火箭研究机升至6000米高空后投下X-1火箭研究机（图1-33），耶格尔按程序启动了4个燃烧室，飞机飞行速度达到0.88倍声速，飞机开始大幅度振动，耶格尔随即关掉2个燃烧室，下降到2800米高空时，耶格尔使飞机平飞，又打开第3个燃烧室，飞机又加速，此时飞行速度表显示飞机的速度已经超过声速。这时空中传来了像打雷一样的巨响，这就是音爆。人类终于成功突破音障。

飞机速度接近声速时，空气阻力会急剧增大，这种阻力是实现超声速飞行的重大障碍。飞机发明以来44年间，人类还未能突破这一重大障碍，耶格尔（图1-34）的这次壮举为人类进入超声速时代铺平了道路。他因这次突破音障而被载入史册：获得了杜鲁门总统颁发的美国科技成就最高奖——科利尔奖，并获得了国际航空联合会颁发的纯金奖章。

1.1.2.7 喷气客机首航伦敦至罗马（1952年）

1952年5月2日，英国飞机设计师德·哈维兰设计的“彗星”号喷气式客机（图1-35）从伦敦起飞，两小时后抵达罗马，正式投入商业航线首航，引起巨大轰动，在军用飞机跨进喷气时代之后，“彗星”号揭开了人类民航喷气客运的新时代。

此前，民航客机都安装活塞式发动机，最大飞行速度约为每小时700千米，而“彗星”号客机的巡航速度（长时间飞行的速度）就达到了每小时788千米，明显缩短了飞行时间。“彗星”号采用了密封座舱，在1万米以上的平流层飞行，不仅可以鸟瞰美丽的景色，其平稳舒适也是前所未有的。

继“彗星”之后，苏联、法国和美国也先后推出了自己的喷气客机。苏联图波列夫设计局于1955年6月首次试飞了图-104客机，该机成为苏联20世纪50年代主力民航客机。真正使喷气客机得到广泛应用的是美国波音公司的707客机，它的技术优势在于每个细节都很成功，从而形成了综合技术优势。

图波列夫设计局是由苏联著名飞机设计师、科学院院士、空军中将图波列夫［图1-36（a）］创办的，他设计过百余种飞机，涉及运输机、歼击机、轰炸机、强击机、侦察机和水上飞机等，其中70多种投入了批量生产。图波列夫还是一位杰出的教育家，不仅将儿子培养成几乎与他齐名的设计大师，还培养了包括苏霍伊在内的大批优秀航空设计人才。

波音公司由波音［图1-36（b）］创立，是世界上最成功的飞机制造公司。

1.1.2.8 阿普特突破热障（1956年）

飞机突破声速后，如果飞行速度进一步提高，气动加热会使飞机的温度升高；飞机在3倍声速以上飞行时，采用铝合金结构的飞机已经无法耐受气动加热产生的高温；气动加热成为飞机速度进一步提高的障碍，称为热障。

1956年9月27日，美国空军飞行员阿普特上尉驾驶贝尔X-2火箭研究机（图1-37），突破了“热障”，把飞行速度提高到从来没有过的3.2倍声速。然而，阿普特创造世界纪录之日，也是他献身航空之时，他在成功突破“热障”的返航途中献出了自己宝贵的生命。

热障是因飞行速度增高而引起飞机表面加热造成的障碍，会导致飞机材料力学性能下降，从而使结构强度与刚度降低，引发灾难性破坏。通常，飞机速度超过2.2倍声速时就必须考虑采取防热措施。

1.1.2.9 超声速客机首飞（1968年）

在战斗机已经实现了超声速以及更高速度飞行后，人们开始关注超声速客机，全世界各国开始探索研制超声速客机。20世纪60年代，两个日子被载入世界航空史册：1968年12月31日和1969年3月2日，超声速客机图-144（图1-38）和“协和”号（图1-39）分别进行了首飞并取得成功。巧合的是，两架超声速客机，除了研制、试飞的时间接近，外形性能也极为相似，巡航速度也都在2.0～2.35倍声速。

“协和”号飞行成功后，投入了商业飞行，并运行30多年，但最终由于事故频发和维护费用高昂而被迫退出飞行。图-144则没有投入正式运营。

1.1.2.10 20世纪世界最大的宽体客机首航（1970年）

1969年2月9日，航空史上一代传奇“波音-747”首飞成功，开创了民航的宽机身时代。1970年1月22日，泛美航空公司首次使用宽体客机波音-747（图1-40），载客324名，从纽约首航伦敦，历时6小时10分钟，开启了宽体喷气运输时代。

1964年，美国空军招标，发展大型军用运输机C5A。波音公司的方案由于耗费过高而被淘汰，而后，波音决定利用这一技术发展大型宽体客机，并得到了泛美航空公司的支持。波音-747项目是一场世纪冒险，宽体客机是飞机设计的一次革命，其基本型的机身接近7米宽，一排10个座位，双通道，最大载客量达490人。

自波音-747投入航线运营以来，宽体客机已经成为洲际旅行的首选，波音公司也成为该领域不折不扣的霸主。此后，欧洲空中客车公司成功研制新一代巨型客机A-380（图1-41），最多可乘坐800多人，成为现在运营当中世界上最大的新一代宽体客机。