1.1 人類的航空壯舉

當我們仰望天空的時候，總會發現時不時有飛機掠過。或許不少人會問，這樣一個龐然大物，其質量少則數百千克，多則幾十噸、上百噸，怎么能夠如此自如地在藍天上飛翔呢？飛行究竟需要具備哪些條件呢？

其實，關于怎樣才能像鳥兒一樣在藍天上翱翔，我們的先輩們探索了數千年，設想和嘗試了許多種飛天方式，但基本都以失敗告終。直到1903年12月17日，美國的萊特兄弟駕駛著他們設計和制造的“飛行者”1號（圖1-1），進行了時間不到1分鐘、距離只有260米的人類歷史上第一次持續而有控制的動力飛行之后，人類才真正從根本上解決了飛上藍天的關鍵問題。此后，飛機越造越大、越飛越高、越飛越快、越飛越遠，各方面的性能都有了翻天覆地的提高（圖1-2～圖1-5）。

實際上，無論是萊特兄弟設計的“飛行者”1號，還是現代的先進客機、戰斗機、運輸機……之所以能飛上藍天，歸納起來是因為它們具備了飛行的三個最基本的要素：

①具有能產生升力的機翼，用來平衡飛機的重力（圖1-6）；

②具有能提供拉力或推力的動力系統，用來平衡飛機的阻力（圖1-6）；

③具有能控制飛機姿態的操縱系統，讓飛機有可操縱性，實現其按照預定的軌跡飛行（圖1-7）。

此外，為了保證飛機可持續飛行，還要保證飛機在飛行時具有一定的穩定性，使得飛機在受到擾動偏離原平衡位置時，依然有恢復到原平衡位置的趨勢。關于這些要素的詳細情況及飛機如何滿足這些要素，將在后文展開敘述。

1.1.1 飛行的探索

1.1.1.1 神話與傳說

科學起源于臆想，人類在遠古時代就萌生了飛行的夢想。那時，天上的飛鳥、林中的蝴蝶，甚至是飄浮的白云，都喚起人類對于飛行的憧憬。

中國神話傳說里面的牛郎織女、嫦娥奔月、大鬧天宮等，國外神話傳說中的小天使、飛毯等，都蘊含著不同地域、不同民族的古代人類對于飛向天空的向往。

相傳楚漢戰爭中，韓信制作了巨大的風箏，讓張良坐在上面，放到項羽軍隊的上空，吹奏楚國樂曲，演繹了四面楚歌的故事。據說，公元9～23年，還有人用鳥的羽毛編成大翅膀，綁在身上，滑行百步。

諸如此類，古代關于飛行的神話和傳說還有很多，雖然很多飛行的嘗試都以失敗告終，但卻大大激發了人類對于飛行的渴望與探索。

1.1.1.2 氣球與飛艇的發明

經過長期的探索，人們終于依靠比空氣輕的航空器為成功地升空飛行邁出了堅實的第一步。中國的古代就發明了和現代熱氣球升空原理一樣的孔明燈。1783年6月5日，法國的蒙哥爾費兄弟用麻布制成的熱氣球完成了成功的升空表演（圖1-8）。他們在氣球開口處燒草和羊毛使氣球內的空氣受熱，熱空氣的密度小于氣球外的冷空氣，產生升力，從而達到使氣球升空的目的。

蒙氏兄弟的熱氣球升空引起了當時許多科學家的重視。1766年發現氫氣后，人們制造成氫氣氣球，取得了更好的升空效果。1783年11月21日，兩個法國人乘坐蒙哥爾費氣球，在1000米高的空中，飛行了12千米，完成了人類首次乘坐航空器飛行的偉大壯舉。

氣球是一種沒有操縱裝置的航空器，只能隨風飄動，使用很不方便。1852年，一位法國人在氣球上安裝了一臺功率僅為3馬力的蒸汽機，用來帶動一個三葉螺旋槳，使其成為第一個可以操縱的氣球，這就是最早的飛艇（圖1-9）。

1899年，德國人齊伯林伯爵設計并制造了第一架硬式飛艇。這種飛艇的動力裝置采用燃料為汽油的內燃機。動力裝置帶動螺旋槳推動飛艇前進，大大提高了飛艇的飛行速度。齊伯林飛艇（圖1-10）很快成為具有實用價值的航空器，在民用運輸以及轟炸、巡邏和偵察等軍事用途方面發揮作用。

1.1.1.3 滑翔機的發明

氣球和飛艇的成功，為人類創造飛機積累了豐富經驗。但氣球和飛艇的飛行速度與飛行高度都比較低，且體積龐大，飛行性能與真正意義上的飛機還相差甚遠。正如前面所說，要使飛機能夠成功飛行，必須解決它的升力、動力和穩定操縱問題。

19世紀初，英國人凱利首先提出利用固定機翼產生升力和利用不同的裝置控制和推進飛機的設計概念。為驗證該概念的有效性，凱利于1849年制造了第一架滑翔機，并進行了試飛。

關于飛機的動力和穩定操縱問題，當時存在兩種觀點。有人主張先解決飛機的動力問題，因為那時蒸汽機的效率不高，難以實現飛機的動力飛行；另外一些人主張先解決飛機的穩定操縱問題，試圖先通過滑翔機獲得這方面的知識，然后在滑翔機上安裝發動機。

1883年，效率較高的汽油內燃機問世，為飛機的動力飛行提供了條件。支持上述前一種觀點的美國科學家蘭利設計了以內燃機為動力的飛機，但試飛均告失?。▓D1-11），其原因是沒有解決飛機的穩定操縱問題。支持另一種觀點的德國人李林達爾與他的弟弟合作，于1891年制成一架滑翔機，成功地飛過了30米的距離，后來他們又制造了多架單翼和雙翼滑翔機（圖1-12），不幸的是，在5年后的一次飛行試驗中，李林達爾失事犧牲。這兩派人員的工作雖然都有失敗，但都為人類的有動力飛行——飛機的飛行奠定了基礎。

1.1.1.4 中國的五大航空發明

中國古代科學技術的成就對于世界航空航天技術的發展具有重要作用。中國古代發明的風箏、竹蜻蜓、孔明燈、火箭、走馬燈被譽為中國的五大航空發明。這五大航空發明目前還經常在我們的娛樂活動中出現。但遺憾的是，千百年來，這些中國古代的發明在我們國家只是非常平常的娛樂工具，而一旦傳到國外就成了現代航空技術的啟蒙。這非常值得我們去深思。

（1）風箏

風箏是中國人發明的。相傳春秋時期的墨翟就以木頭制成木鳥，研制三年而成，是人類最早的風箏起源。后來魯班用竹子，改進了墨翟的風箏材質，進而發展成為今日的風箏。

正如萊特兄弟和李林達爾在感慨他們偉大成就時所說的那樣，中國的風箏（圖1-13）對于他們發明飛行器起到了重要作用，因為風箏揭示了平板上的空氣動力和升力產生的原理。當風箏的平面與氣流成一定夾角時，流過風箏上下表面的氣流不對稱，如圖1-14所示。

氣流受到風箏面的阻攔，速度降低，壓強增大，氣流分成上下兩股繞剖面向后流動，并在平板后面形成低壓區，產生氣流分離，平板前后形成壓強差，再考慮空氣與平板之間產生的摩擦力，就形成了總的空氣動力F，其方向指向剖面的后上方。力F垂直于氣流的分力L和平行于氣流的分力D就是我們所說的風箏受到的升力和阻力。這個原理和我們后面會講到的翼型上升力產生的原理有一定的區別，但卻為之后產生升力的翼型和機翼的設計提供了參考。

（2）竹蜻蜓

竹蜻蜓是我們平常生活中非常普通而有意思的一種玩具，如圖1-15所示。公元前500年，中國人就已經制成了會飛的竹蜻蜓。玩竹蜻蜓時，只要輕輕用手搓動竹柄并松手就可以讓它飛上藍天。正是這非常不起眼的竹蜻蜓揭示了直升機旋翼產生升力的基本原理：旋轉的“翅膀”——旋翼可以產生足夠大的升力使得旋翼航空器飛上藍天。因此，直升機（圖1-16）的誕生啟發于竹蜻蜓。

世界上第一架飛機的發明人——萊特兄弟在介紹他們發明飛機的經歷的時候，經常提到：小的時候，父親給他們買了一個能飛的竹蜻蜓，兄弟倆十分喜歡，并開始仿制不同尺寸的竹蜻蜓，從此便一生與飛行結下了不解之緣。

（3）孔明燈

孔明燈（圖1-17）相傳是由三國時的諸葛亮發明的?？酌鳠艚沂玖藷釟馇颍▓D1-18）的飛行原理，即通過加熱使其內部空氣密度變小，從而產生一定的浮力。熱氣球也是最早投入使用的航空器。

（4）火箭

火箭是一種靠燃燒氣體產生的反推作用而工作的飛行器，這種反推作用的基本原理則是最早由古代中國人揭示和實踐的。中國在秦漢時期就發明了火藥，這為古代火箭誕生于中國提供了有利條件。早在唐末宋初，中國就出現了最早的實用火箭。古代的火箭（圖1-19）使用固體火藥來產生高速向后噴射的燃氣，用以推動火箭向反方向運動。現代的火箭（圖1-20）的理論基礎也是反推效應，只不過可以選擇使用固體燃料或液體燃料而已。

（5）走馬燈

走馬燈（圖1-21）是中國傳統玩具之一。早在公元1000年左右，中國就發明了走馬燈。走馬燈內點上蠟燭，使空氣加熱并向上流動，氣流吹動走馬燈里面的葉輪旋轉從而帶動輪軸轉動。輪軸上有剪紙，燭光將剪紙的影像投射在屏上，使得圖像不斷走動。因多在燈的各個面上繪制古代武將騎馬的圖畫，而燈轉動時看起來好像幾個人你追我趕一樣，故名走馬燈。而正是這種再平常不過的玩具，卻揭示了現代燃氣渦輪發動機的工作原理（圖1-22）。走馬燈中上升的熱氣帶動葉輪旋轉，這正是現代燃氣渦輪發動機工作原理的原始應用。

1.1.2 偉大的飛行

人類的首次有動力飛行至今已經有100多年了?？梢哉f飛行已經成為人類社會的一項不可或缺的活動。在這些飛行中，有一些是具有開拓性的歷史意義的，其成功肯定了人類的努力，也極大地促進了科技的進一步發展。在眾多的飛行中，航空史學家歸納了十次具有歷史性意義的偉大飛行，每一次偉大的飛行都具有一定的代表性，是航空發展的重要里程碑。

1.1.2.1 人類首次有動力飛行（1903年）

第一次偉大的飛行自然是萊特兄弟（圖1-23）于1903年完成的人類首次有動力、載人、持續、穩定、可操縱的成功飛行。

翱翔藍天是人類一直追求的夢想，在萊特兄弟的成功壯舉之前，很多先驅者付出了多年堅持不懈的努力，甚至是自己的生命，但是基本上都以失敗告終。終于在1903年12月17日，萊特兄弟發明的世界上第一架帶動力載人飛機飛上了藍天，當天的飛行留空時間僅僅59秒，飛行距離只有260米。

萊特兄弟的偉大成就得益于他們從小就著迷于機械和飛行，從1896年開始，他們就一直熱心于飛行研究。通過多次研究和實驗，積累了許多翼型數據并設計出性能優良的螺旋槳。通過不懈的努力，終于在1903年制造出了“飛行者”1號。該飛機翼展為13.2米，通過鏈條傳動驅動兩副兩葉推進螺旋槳，采用滑橇式起落架，裝有一臺四缸發動機。這架名留航空史的飛機，現在陳列在美國華盛頓航空航天博物館內（圖1-24）。

萊特兄弟的第一次飛行，雖然飛行時間只有幾十秒，飛行距離只有幾百米，離地高度也只有幾米，但他們的探索精神卻永遠值得人們學習，其成功一直激勵著后人對航空航天的持續探索。萊特兄弟的壯舉，讓人類開始漫步于天空，繼而遨游于天宇。

1.1.2.2 第一架全金屬客機首飛（1915年）

萊特兄弟發明飛機以后直到20世紀20年代，飛機大多數采用木質結構。但由于木材力學性能的局限，飛機很難做得更大、飛得更快。鋁合金具有較高的力學性能，適于制造飛機的構件。鋁合金的出現引起了飛機結構設計的革命性變化。

德國著名飛機設計師容克斯敏銳地看到金屬材料的使用前景，1915年12月12日，他設計的世界第一架無支柱懸臂式全金屬單座飛機J1首次試飛，該機裝一臺120馬力的發動機，但是沒有投入批量生產。

第一次世界大戰后，容克斯從事民用運輸機的研制，制成了世界第一架全金屬封閉式客機“Junkers F-13”（圖1-25），于1919年6月25日首飛成功。該機可載客4人，駕駛員2人，巡航速度每小時140千米，可飛行5個小時。該機共生產322架，廣泛使用到20世紀30年代初。

1932年，容克斯在F-13飛機的基礎上又推出了大型三發旅客機Ju52（圖1-26），該機共生產4000架，在世界各國廣泛使用。容克斯宣告了飛機從木質結構跨進了全金屬時代。

1.1.2.3 林白單人飛越大西洋（1927年）

20世紀20年代，飛機雖然取得了很多的進步，但長距離和長時間的跨大洋飛行對于航空工程師來說依舊是很大的挑戰。1927年5月，世界航空史上發生了一件盛事，美國飛行員林白單人駕駛飛機成功地從紐約飛抵巴黎，成為轟動世界的新聞。

林白駕駛的“圣路易斯精神”號（圖1-27）飛機由瑞安公司的M-Z型郵政飛機改裝而成。為了最大限度地減輕重量，飛行員孤注一擲地拆除了很多必要的設備，包括發報機、夜航設備、食品柜甚至降落傘等，僅攜帶5個三明治和3瓶水用來維系生命。經過33小時30分29.8秒的空中飛行，飛越5810千米，跨越大西洋，終于從美國東海岸紐約單人不著陸直飛法國巴黎，創造了當時很多人認為不可能的奇跡，為日后的跨洋旅行，乃至環球旅行開辟了先河，也喚起了公眾對航空的極大熱情。

1.1.2.4 第一架實用直升機首飛（1939年）

世界上公認的第一架載人直升機FW61（圖1-28）是德國直升機設計師福克于1936年發明的。但是，第一架實用直升機則是由西科斯基完成的（圖1-29）。1939年9月14日，西科斯基這位被稱為現代直升機之父的著名飛機設計師駕駛自己設計的VS300直升機進行了首飛，首次飛行離地只有二三米，懸停也不過10秒，但是獲得了成功。

1940年，美國陸軍決定大量訂購VS300直升機的改進型VS316，從此直升機進入軍隊服役。1940年5月6日，51歲的西科斯基還駕駛VS300直升機創造了續航時間1小時32分26秒的世界紀錄。

西科斯基是美國飛機設計師，被稱為直升機之父。他生于俄國基輔，30歲時到美國，后組建西科斯基飛機公司，該公司現在是世界上最大的直升機公司。

1.1.2.5 第一架噴氣式飛機首飛（1939年）

提高飛行速度往往是研制新飛機所追逐的目標。到了20世紀30年代，飛機的最大速度僅徘徊在700千米/小時左右，幾乎是采用活塞式發動機/螺旋槳系統的飛機的速度極限。

德國奧海姆［圖1-30（b）］和英國惠特爾［圖1-30（a）］分別在自己的國家獨立發明了噴氣式發動機，使飛機采用噴氣式發動機替代之前通常使用的活塞式發動機/螺旋槳系統成為可能。

1937年9月，26歲的奧海姆成功研制了第一臺噴氣式發動機。1939年8月27日，世界上第一架噴氣式飛機——德國He-178（圖1-31）成功首飛。He-178采用一臺奧海姆設計的渦輪噴氣發動機HeS3B（圖1-32）作為動力，當時的飛行速度達到700千米/小時。

第二次世界大戰結束后，噴氣式發動機迅速發展，飛行速度越來越快，航空技術發生了質的飛躍，不僅軍用飛機面貌一新，在民用飛機領域也催生了噴氣式客機，使現代民航運輸業發生重大轉折，噴氣時代真正到來。

1.1.2.6 耶格爾突破音障（1947年）

噴氣式飛機的誕生使得飛機的飛行速度大大提高了，但飛行速度要超過聲速（有時稱為音速）依舊是巨大的挑戰，故超過聲速稱為突破音障。1947年10月14日，美國飛行員耶格爾上尉駕駛X-1火箭研究機進行第9次動力飛行，成功突破音障。

當時，一架B-29轟炸機攜帶X-1火箭研究機升至6000米高空后投下X-1火箭研究機（圖1-33），耶格爾按程序啟動了4個燃燒室，飛機飛行速度達到0.88倍聲速，飛機開始大幅度振動，耶格爾隨即關掉2個燃燒室，下降到2800米高空時，耶格爾使飛機平飛，又打開第3個燃燒室，飛機又加速，此時飛行速度表顯示飛機的速度已經超過聲速。這時空中傳來了像打雷一樣的巨響，這就是音爆。人類終于成功突破音障。

飛機速度接近聲速時，空氣阻力會急劇增大，這種阻力是實現超聲速飛行的重大障礙。飛機發明以來44年間，人類還未能突破這一重大障礙，耶格爾（圖1-34）的這次壯舉為人類進入超聲速時代鋪平了道路。他因這次突破音障而被載入史冊：獲得了杜魯門總統頒發的美國科技成就最高獎——科利爾獎，并獲得了國際航空聯合會頒發的純金獎章。

1.1.2.7 噴氣客機首航倫敦至羅馬（1952年）

1952年5月2日，英國飛機設計師德·哈維蘭設計的“彗星”號噴氣式客機（圖1-35）從倫敦起飛，兩小時后抵達羅馬，正式投入商業航線首航，引起巨大轟動，在軍用飛機跨進噴氣時代之后，“彗星”號揭開了人類民航噴氣客運的新時代。

此前，民航客機都安裝活塞式發動機，最大飛行速度約為每小時700千米，而“彗星”號客機的巡航速度（長時間飛行的速度）就達到了每小時788千米，明顯縮短了飛行時間?！板缧恰碧柌捎昧嗣芊庾?，在1萬米以上的平流層飛行，不僅可以鳥瞰美麗的景色，其平穩舒適也是前所未有的。

繼“彗星”之后，蘇聯、法國和美國也先后推出了自己的噴氣客機。蘇聯圖波列夫設計局于1955年6月首次試飛了圖-104客機，該機成為蘇聯20世紀50年代主力民航客機。真正使噴氣客機得到廣泛應用的是美國波音公司的707客機，它的技術優勢在于每個細節都很成功，從而形成了綜合技術優勢。

圖波列夫設計局是由蘇聯著名飛機設計師、科學院院士、空軍中將圖波列夫［圖1-36（a）］創辦的，他設計過百余種飛機，涉及運輸機、殲擊機、轟炸機、強擊機、偵察機和水上飛機等，其中70多種投入了批量生產。圖波列夫還是一位杰出的教育家，不僅將兒子培養成幾乎與他齊名的設計大師，還培養了包括蘇霍伊在內的大批優秀航空設計人才。

波音公司由波音［圖1-36（b）］創立，是世界上最成功的飛機制造公司。

1.1.2.8 阿普特突破熱障（1956年）

飛機突破聲速后，如果飛行速度進一步提高，氣動加熱會使飛機的溫度升高；飛機在3倍聲速以上飛行時，采用鋁合金結構的飛機已經無法耐受氣動加熱產生的高溫；氣動加熱成為飛機速度進一步提高的障礙，稱為熱障。

1956年9月27日，美國空軍飛行員阿普特上尉駕駛貝爾X-2火箭研究機（圖1-37），突破了“熱障”，把飛行速度提高到從來沒有過的3.2倍聲速。然而，阿普特創造世界紀錄之日，也是他獻身航空之時，他在成功突破“熱障”的返航途中獻出了自己寶貴的生命。

熱障是因飛行速度增高而引起飛機表面加熱造成的障礙，會導致飛機材料力學性能下降，從而使結構強度與剛度降低，引發災難性破壞。通常，飛機速度超過2.2倍聲速時就必須考慮采取防熱措施。

1.1.2.9 超聲速客機首飛（1968年）

在戰斗機已經實現了超聲速以及更高速度飛行后，人們開始關注超聲速客機，全世界各國開始探索研制超聲速客機。20世紀60年代，兩個日子被載入世界航空史冊：1968年12月31日和1969年3月2日，超聲速客機圖-144（圖1-38）和“協和”號（圖1-39）分別進行了首飛并取得成功。巧合的是，兩架超聲速客機，除了研制、試飛的時間接近，外形性能也極為相似，巡航速度也都在2.0～2.35倍聲速。

“協和”號飛行成功后，投入了商業飛行，并運行30多年，但最終由于事故頻發和維護費用高昂而被迫退出飛行。圖-144則沒有投入正式運營。

1.1.2.10 20世紀世界最大的寬體客機首航（1970年）

1969年2月9日，航空史上一代傳奇“波音-747”首飛成功，開創了民航的寬機身時代。1970年1月22日，泛美航空公司首次使用寬體客機波音-747（圖1-40），載客324名，從紐約首航倫敦，歷時6小時10分鐘，開啟了寬體噴氣運輸時代。

1964年，美國空軍招標，發展大型軍用運輸機C5A。波音公司的方案由于耗費過高而被淘汰，而后，波音決定利用這一技術發展大型寬體客機，并得到了泛美航空公司的支持。波音-747項目是一場世紀冒險，寬體客機是飛機設計的一次革命，其基本型的機身接近7米寬，一排10個座位，雙通道，最大載客量達490人。

自波音-747投入航線運營以來，寬體客機已經成為洲際旅行的首選，波音公司也成為該領域不折不扣的霸主。此后，歐洲空中客車公司成功研制新一代巨型客機A-380（圖1-41），最多可乘坐800多人，成為現在運營當中世界上最大的新一代寬體客機。