笨鸟难飞——航空史上的失败传说

万磁王

原作者：Crazy Ivan  

　　话说早在1783年，法国人蒙特戈菲尔兄弟就把载人热气球送到了半空中，可直到120年后，才由大洋彼岸的另一对哥俩——美国的两位莱特实现了利用重于空气的动力装置进行真正的可操纵飞行。在这两对航空先驱之间以及之后的漫长岁月里，人类在蓝天白云上不断创造出一个个激动人心的奇迹，但也留下了难以计数的挫折。其中最常见的就是在原理、结构、动力或材料等环节上设计不当，导致航空器的性能笨拙不堪，甚至沦为一堆无法挪窝的废铁。然而也正是这些难以高飞的“笨鸟”，以各自不同的失败为后人积累着宝贵的经验和教训，在漫漫征空路上铺下了不可或缺的基石。

1889年的飞行翼专利，发明人R J Spalding

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寄托在羽毛上的梦想
　　也许从学会直立行走时，人类就开始羡慕能够自由翱翔的鸟儿，也就自然而然地把飞行的希望寄托在能够拥有一双羽翼上。在希腊神话中，雅典人代达罗斯和他的儿子伊卡洛斯被囚禁在克里特岛。为逃出生天，他们用蜜蜡和鸟的羽毛做成翅膀，绑在身上飞向岛外。途中伊卡洛斯忘了父亲的警告飞得太高，导致蜡翼被阳光烤化而坠落大海。诸如此类的传说在世界各地都有流传。到1507年，一位意大利术士约翰·达米安也给自己插上羽毛做的翅膀，从苏格兰的斯特灵城堡高墙上跃入空中。结果不难猜到，幸运的是这位“鸟人”栽倒在墙根下的粪堆里只是摔断了一根腿骨，事后还振振有词地将自己的失败归咎于用了不会飞的家禽的羽毛而不是鹰的羽毛。连他的老乡、文艺复兴时期的天才列奥纳多·达·芬奇也仿造鸟类的飞翔运动设计过人力扑翼机，据说同在16世纪还真有另一位意大利人利用鲸鱼骨和羽毛做成的翅膀飞出过四五百米远。

17世纪雕刻“伊卡洛斯的坠落”

　　“野鹅身上总共只有一磅重的羽毛，它是如何把20磅重的身体带上天空的呢？”这样的问题困扰着一代又一代的研究者，有“专家”得出的结论是羽毛具有特殊的功用，能让鸟类在起飞瞬间产生摆脱地面束缚的“排斥力”，而布满羽毛的翅膀还能在空中制造出浮力。后来经过不断的摸索和尝试，人们才逐渐认识到由于生理结构的不同，人类是无法像鸟儿那样，凭借自身的力量简单扑棱几下翅膀就能飞上天的。不过，早期的航空器大多仍模仿飞鸟的外形来设计，试图获得自然界的“最佳效果”。
　　当蒸汽机的发明带来工业革命，不仅加快了陆地和水上运输的速度，也让苦于动力不足的飞行梦想家们看到了希望。只是蒸汽机虽然能推动火车和轮船，但即使在小型化以后，要把自己也推上天还是显得太笨重了（按现在的术语来说就是推重比太低），因此又有人想到借助羽毛的“神奇魔力”。

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难成第一的“风神”
　　法国人克莱门特·阿德尔（Clement Ader）是19世纪在电气和机械方面颇有建树的发明家，也花费了相当长的时间研究飞行，并且相信有效利用鸟的羽毛是实现载人飞行的关键。早在1873年他就制作过一架翼展为10米的鸟状滑翔机，机翼上插满鹅毛，机身重心位置系有绳索，另一头固定在地面上。借助足够的风力，阿德尔在这架滑翔机上可以控制上升和下降。这似乎证明了羽毛确实起到作用，下一步就可以着手研制实用的动力航空器了。
1886年，阿德尔开始制作他的第一架飞行机器，名为“风神”（Eole），以一台自己发明的功率为15千瓦的轻型蒸汽机为动力，用酒精作燃料。这时他已经把模仿对象从飞鸟转向蝙蝠，因此翘曲形的机翼上并未覆盖羽毛。机头安装的一具4叶螺旋桨虽然用的是竹子材料，但每片桨叶还是煞费苦心地做成了纤细逼真的羽毛状。“风神”没有独立的升降舵和方向舵，驾驶者要坐在一个基本封闭的船身型舱室中启动蒸汽机，再使用一套复杂的手动轮和脚踏板操作机构，分别控制两边机翼的摆动、改变机翼形状和弯曲度、升高或降低机翼位置，以此调整飞行姿态。机身下装有4个轮子，用于在导轨上滑跑起飞。

克莱门特·阿德尔

阿德尔为“风神”申请专利时的示意图，可见结构和操作的复杂性

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　　1890年10月9日，在巴黎西南方布里附近的阿曼威利尔斯城堡，阿德尔进行了第一次载人动力飞行尝试。根据正式记录，“风神”离地20厘米高，飞出50米远。有些人（尤其是法国人）因此认为阿德尔才是最早的飞机发明者，然而他当时并不能对“风神”进行持续而有效的控制，这次“飞行”只能算是一次大跳跃，与13年后莱特兄弟的成绩还有本质上的差距。
　　虽然没有获得成功，但阿德尔就为法语增加了“Avion”这个新词，特指重于空气的动力飞机。他也很快意识到这种航空器在军事上用于侦察和轰炸的潜力，于是积极向法国军事部门展示他的发明。据说在1892年阿德尔用改进的二号机飞出了几百米的距离，但没有得到外界的承认。不过法国军方确实对这一新玩意产生了兴趣，出资委托他研制一架更大的机型。阿德尔的Avion III飞机在整体布局上与“风神”基本一致，仍然采用木制骨架和亚麻蒙布做成的“蝙蝠翼”，翼展加宽到15.6米，放大的螺旋桨叶片沿用羽毛形状，机身后面加上了一片方向舵，操作机构也做了简化改进。为了能够满足搭载两名乘员和75千克炸弹的要求，阿德尔在飞机上安装了两台功率各为22千瓦的蒸汽机（同样是他自己的发明），驱动左右两具旋转方向相反的4叶螺旋桨。
　　1897年10月12日，在凡尔赛附近的萨托里陆军基地，阿德尔驾驶这架400千克重的放大版“风神”在专门铺设的环形轨道上先进行了动力滑跑测试，没有离开过地面。两天后，在两位法国将军的注视下，正式的试飞开始了。阿德尔在Avion III上启动蒸汽机后，选择在顺风时沿着轨道滑跑起飞。然而机轮刚刚离地，风向的改变就使得机身发生倾斜，没等他做出调整就怦然坠地了。由于飞机受损严重，短期内无法再作试飞，大失所望的法国军方不久就撤回了对项目的资助。出于保密的原因，有关这次试飞的官方报告直到10年后才公之于众。尽管阿德尔后来宣称自己用修复的Avion III飞出过300米，可惜也没有确凿的证据。缺乏资金，加上技术上又无法取得突破，他很快就被其他竞争者超越了。

蝙蝠状的Avion III在驱动效率、平衡性、操控性等方面都存在不足

　　与莱特兄弟经过反复试验、精心设计的螺旋桨相比，直接仿照羽毛的螺旋桨显然产生不了高效的“魔力”，机翼、机身、发动机、起飞方式等诸多环节也存在缺陷，使得“风神”家族失去了创造历史第一的机会。好在克莱门特·阿德尔为航空业做出的贡献最终获得了公众的认可，1938年法国邮政部门为他发行了纪念邮票，Avion III后来也在巴黎的艺术和工艺博物馆内占据了醒目的位置。此外，阿德尔还在1909年出版的《军事飞行》一书中预言了空中力量和航空母舰的重要作用，对军事航空的发展产生了深远的影响。
“风神”的基本参数
　　长度：6.5米
　　高度：不详
　　翼展：13.7米
　　重量：298千克
　　动力：一台15千瓦双缸蒸汽机

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鹅毛飘飘的扑翼机
　　同样抱着“羽毛情结”的还有的英国人爱德华·弗罗斯特（Edward Frost），一心模仿鸟类的翅膀构造和飞行方式，想让代达罗斯的神话成真。他曾在1877年设计过一架扑翼机，在四轮底座上安装了4组用藤条和丝网编成的机翼，最大翼展约为9米，外形酷似大鸟翅膀，上面还插满了数千根从鹅身上精挑出来的羽毛。为了让这些羽翼上下扇动起来产生浮力，他加上了一台功率只有3.7千瓦的蒸汽机来带动连杆机构，这也使得整架飞机差不多有300千克重，在测试中根本无法把机身和操作者抬离地面。
　　带着锅炉的蒸汽机提供不了足够的动力，弗罗斯特随后做了一个用功率为1.5千瓦电动机驱动的小模型进行测试，结果也并不理想。等到轻便高效的内燃机终于出现后，1905年弗罗斯特又研制出一架体积略小些的扑翼机，同样是在四轮底座上站立操作，但这次只装了一对翼展为6米的鹅毛机翼，采用一台功率为2.2千瓦的英国产摩托车用汽油发动机，整体重量降到105千克。根据剑桥大学工程学会的记录，这架扑翼机在启动后整体上升了0.6米，并且有向前移动的“趋势”，不过也就仅此而已，根本称不上是飞了起来。
　　在莱特兄弟已经用结构简洁的固定翼飞机取得成功的经验，证明羽毛并不是飞行的必备条件之后，还一味在扑翼机和鹅毛堆上费劲折腾就确实太“Out”了。弗罗斯特在1908至1911年间曾担任过航空学会的主席，当那些更富有创新精神的成员提出改组学会的要求时，他也只好黯然下台了，那架长满羽毛的扑翼机最终被送进了科学博物馆。

低效的蒸汽机无法抬升长着4对羽翼的扑翼机

弗罗斯特的简化版扑翼机也没能实现突破

被送到博物馆的扑翼机

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情陷多翼机
　　想要克服重力的束缚，就得产生足够的升力。运用现在中学生都知道的“伯努利定理”，让气流通过带弧度的机翼，造成的上下压力差会把飞行器抬起来。可见升力的大小主要由气流强度和机冀面积来决定，而在发动机的功率还很有限的条件下，自然就会想到以增加机翼面积来提高升力。航空理论先驱乔治·凯利曾指出，当机冀面积增大时，将无法同时保证重量轻和强度高，应当采用多层翼面结构。这是历史上首次明确提出的多翼机思想，包括莱特飞机在内的早期飞行器也因此几乎都是双翼机或三翼机。

　　尽管后来的研究发现，多层组合机翼实际获得的有效翼展并不等于单个翼面的累加，相邻机翼之间的气流干扰会使气动效率降低，还会带来结构和操纵等方面的问题。然而仍有不少人相信机翼越多，升空的可能性越大，一时间出现了装有四层、五层甚至上百片机翼的超级多翼机，而它们真的能飞起来吗？

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从“百叶窗”到“鸟笼”
　　在航空纪元刚刚拉开帷幕的舞台上，英国人霍雷肖·菲利普斯（Horatio Phillips）是个容易被后人遗忘的角色，不过他可是对机翼翼型进行系统性研究的先行者。出身于工匠家庭的菲利普斯在参观过英国皇家航空学会的风洞设施后颇受启发，觉得自己可以做得更好。他在1880年代初建造的风洞通过蒸汽装置导入持续的气流，试验结果比其它同类设备更可靠。菲利普斯利用风洞对不同剖面形状的各种机翼进行了大量试验，挑选出产生升力效果最好的样板，从1884年起陆续申请到以“双面翼型”命名的一系列设计专利。

霍雷肖·菲利普斯

菲利普斯的翼型专利

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　　这些研究成果很快就被同时代的其他航空发明家吸收借鉴，应用到滑翔机和动力飞机的研制上。菲利普斯自己也跃跃欲试要把理论付诸实践，并推论出机翼数量越多，能产生的升力就越大。1893年他制作出一台不载人的飞行器，在三轮底座上架起3米高的一整排共50片细长机翼，每片长度在6米左右，宽度仅3.8厘米，还装有一台4.5千瓦的燃煤蒸汽机用于驱动双叶螺旋桨。这套装置被戏称为“轮子上的威尼斯百叶窗”，重约160千克。而所谓的“试飞”是先铺设一条直径61米的环形轨道，再用绳索把“百叶窗”系在轨道中心的立柱上，启动发动机后使其沿着轨道进行圆周滑跑。测试所得到的最高纪录是，这台机器可以升到0.6～0.9米的高度连续“飞行”600米。虽说运行状态很不稳定，但这个结果还是让菲利普斯坚信多翼机大有潜力可挖。

菲利普斯在环形轨道上测试无人多翼机

菲利普斯无人多翼机的模型

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　　下一步就是要研制载人型号了。1904年，菲利普斯试图通过把机翼减少到20片、在机身尾部加装十字形的活动翼面来提高可操纵性，并自制了一台16千瓦的四缸汽油发动机作动力。整机用木料、钢管和蒙布搭建而成，连同一名驾驶者在内共重270千克。不过这件精简版“百叶窗”的纵向稳定性还是很糟糕，反复尝试最多也只能“跳”出15米远。令人费解的是，此后菲利普斯非但没有参考别人的经验加以改进，反而更“变本加厉”。到1907年他不仅把单排机翼的数量恢复到50片，还在机身前后装上4排这样的“百叶窗”并连接起来，犹如一个大鸟笼。4月6日，这架带有200片机翼的四方形飞行器总算飞出了152米的直线距离，这也被视作在英国完成的第一次动力飞行。然而不能在升空后控制飞行姿态的死穴，也使得“鸟笼”长期被人质疑能否算是真正意义上的飞机。也许菲利普斯已经意识到，与莱特兄弟等人的设计相比，自己的窄弦多翼机存在诸多无法克服的致命缺陷，因此放弃了继续改进的努力。
　　菲利普斯在机翼构造方面的研究曾走在时代的前列，可惜在实践中却一头钻进了追求翼面数量的死胡同，最终未能取得突破性的成果。直至1924年去世，他没有再涉足航空领域，不过还有机会见证到飞机在民用和军事领域突飞猛进的发展，也算可以聊以自慰了吧。

20片机翼的“百叶窗”飞机纵向稳定性不佳

“鸟笼”虽能升空，但却无法控制

菲利普斯1907年多翼机基本参数：
　　机长：4.57米
　　机高：3.05米
　　翼展：6.10米
　　空重：225千克
　　动力：一台16千瓦汽油发动机
　　起飞时速：48千米

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“脚手架”与“笨天鹅”
　　除了菲利普斯，在大洋彼岸的美国也有好几位多翼机的信徒。其中，约翰·罗松（John Roshon）原本只是宾夕法尼亚州哈里斯堡的一名摄影师，估计是被莱特兄弟引发的飞行热潮所感染，1906年时也突发奇想打算搞出架飞行机器来。他是受到谁的启发或是通过什么途径了解到多翼机概念的如今已不得而知，总之在折腾一年多后，罗松的“飞机”终于面世了。这是一台以四轮车架为底座，加上两层复杂机翼后貌似脚手架的怪异组合体。底下翼展较长的一层由前后各7片狭长机翼构成，上面较短的一层包含前后各6片机翼，之间又用上众多横七竖八的支撑管架，还有一片片更像装饰用的弧状蒙布。至于采用何种动力则资料不详，只能从照片上看到两片扁平的简易螺旋桨。
　　罗松没有留下试飞记录，只满足于在1907年10月为这台机器取得专利，并把它送到圣路易斯举办的航空锦标赛上展出后就回家重操旧业了。对研制飞机浅尝辄止的罗松恐怕也没有想到，自己能一直活到超音速时代的来临，就不知他回想当年的即兴之作时会有怎样的感慨了。

罗松的即兴之作“脚手架”只能算业余水平