thumb 風箏在 2000 多年前由中國人發明，它是人類最早的重於空氣的航空器之一，其原理對現代飛機的發展產生了重大影響。 人類很早就有像鳥類一樣在空中飛行的夢想，甚至包括古人用的石頭和矛等、到古希臘人阿爾庫塔斯所製造的機械鴿、遠至澳大利亞的飛去來器等。另外人類還透過神話傳說來表達自己對如同鳥類一樣在天空中自由飛行的渴望。隨著社會的發展，人類掌握了一定的手工技術，古代中國人相繼發明了風箏、天燈等可以飛入空中的人造物。進入文藝復興時期後，歐洲的學者們開始以科學的方法探討並嘗試進行載人航空器的設計。到了 18 世紀末期，工業革命給自然科學技術的發展注入了強大動力，人類的航空技術也因此開始迅速發展，熱氣球、飛艇、滑翔機和飛機等眾多現代航空器在一個多世紀的時間裡相繼被髮明並發展成熟，兩次世界大戰更是進一步刺激了飛機制造業的進步。到了 20 世紀中葉以後，人類踏入了航天領域。現在航空業已經成為人類最前沿、最具影響力的科技和產業領域。 古代歷史 古代探索 人類對於飛行的研究最早可以追溯到公元前 400 年左右古希臘人阿爾庫塔斯所製造的機械鴿，遠至澳大利亞的迴力鏢等。另外人類還透過神話傳說來表達自己對如同鳥類一樣在天空中自由飛行的渴望。 伊卡洛斯的神話 自古以來，人類只要看到在天空中飛翔的鳥兒就會萌發在天空中自由翱翔的願望。但在上古時期，人類囿於當時有限的科學技術水平根本無法實現這個願望，於是只好把這個願望寄託在神話傳說中。神話的講述者們也似乎感覺到凡人飛行絕非易事，因此在大多數古代文明的傳說中飛行都是神的專利，而講述凡人飛行的故事則少之又少。在為數不多的凡人飛行的神話中，古希臘神話中的伊卡洛斯的悲劇則是其中最廣為人知的一個。 伊卡洛斯的故事講述了希臘建築師兼發明家代達羅斯替克里特島的國王米諾斯建造了一座路線設計非常巧妙的迷宮，用來關住米諾斯那個牛頭人身的兒子米諾塔。但國王擔心迷宮的秘密走漏，於是下令將代達羅斯和他的兒子伊卡洛斯一同關進那座迷宮裡高高的塔樓，以防犯他們逃脫。為了逃出，代達羅斯設計了飛行翼。然而，飛行翼是以蠟結合鳥羽製成，不能耐高熱，代達羅斯告誡兒子：「飛行高度過低，蠟翼會因霧氣潮溼而使飛行速度受阻；而飛行高度過高，則會因強烈陽光照射的高熱而灼燒，造成蠟翼融化。」他們父子從島上的石塔展翅飛翔逃出，年輕的伊卡洛斯因初次飛行所帶來的喜悅感受，他越飛越高，因太接近太陽而使蠟翼融化，最終導致墜海身亡。父親代達羅斯目睹此景，悲傷的飛回家鄉，並將自己身上的那對蠟翼懸掛在奧林帕斯山的阿波羅神殿裡，從此不再想飛翔。 從伊卡洛斯的故事中人們或許可以感覺得到古人對於飛行那種既希冀又悲觀的複雜感情。然而儘管伊卡洛斯的飛行以悲劇收場，人類對飛行的探索卻未曾停步。 中國 在公元前 400 年左右的戰國時期，中國的一種叫做竹蜻蜓的玩具已經相當普遍。竹蜻蜓的原理和現代直升機、旋翼機相同，其文字記載最早見於東晉時期葛洪所著的抱朴子，記述如下：或用棗心木為飛車，以牛革結環劍，以引其機。或存念作五蛇六龍三牛、交罡而乘之，上升四十里，名為太清。太清之中，其氣甚罡，能勝人也。Joseph Needham and Ling Wang 1965 Science and civilisation in China Physics and physical technology mechanical engineering Volume 4 Part 2 page 583 其中的 飛車 被一些人認為是關於竹蜻蜓的最早記載，並認為該玩具透過貿易傳入歐洲。在歐洲一幅 1463 年的聖母聖子像中出現了竹蜻蜓的形象。現代航空先驅喬治凱利最早也利用過竹蜻蜓來進行航空器的試驗。 風箏，古稱紙鳶，大概在 2000 多年前由中國人發明，它是人類最早的重於空氣的航空器之一。相傳在春秋時期墨子和魯班曾造過木鳶，但以當時的技術水平實現的可能性不大。而紙質的風箏最早見於楚漢相爭時期，其故事有兩個不同的版本。唐代的傳說是韓信率軍將項羽困於垓下時，下令造了一個很大的紙鳶，讓身輕如燕的張良坐在上面飛到楚軍上空高唱楚歌，以瓦解楚軍軍心。宋代的傳說則是韓信為了掘地道攻入未央宮而利用風箏來測算距離。雖然以韓信生活的時代技術水平未必真的能實現載人飛行，但比空氣重的風箏能克服自身的重量在空中持續飛行則是不爭的事實。風箏傳到西方後其利用空氣動力學原理獲得升力的原理成為最有價值的飛行機理之一。 天燈，又名孔明燈，是一種利用低密度的熱空氣升空的航空器，被視作今天熱氣球的雛形。傳說天燈在三國時代由諸葛亮發明，用於軍事用途。而在五代時期天燈已經非常普遍，不但用在軍事上，而且還被用於節日放飛烘托喜慶氣氛。或許看著手中放飛的天燈升入夜空，人們會想象自己也飛到天上與繁星為伍。 歐洲 而在歐洲方面，人類對於飛行的研究最早可以追溯到古希臘阿爾希塔斯所製造的機械鴿。根據今人的研究機械鴿為蒸汽動力，試飛時飛了有 200m 左右的距離。然而年代久遠，記述不清，以當時的科學技術是否真的能實現存在爭論。進入中世紀後，歐洲宗教當道，百業俱廢，航空事業也遠遠落後於當時的其它地區，但這並不意味著歐洲人停止了追尋飛行的夢想。當時甚至還有人模仿神話中的伊卡洛斯用羽毛做成翅膀企圖飛行，這種模仿鳥類的飛行嘗試一直持續到 17 世紀。 到了文藝復興時期人們開始理性地探求飛行的方式。義大利藝術家和科學家達芬奇科學地研究了飛行問題，並把他對鳥類飛行的長期研究寫成了《論鳥的飛行》一書。後人根據此書和他的一些其他手稿將他看作航空科學的先知。17 世紀時義大利的另一位科學家喬瓦尼阿方索博雷利深入探討了人類肌肉、骨骼和飛行的關係，指出人類沒有鳥類那樣輕質的骨架、發達的胸肌和光滑的流線型身體，一個體重 60kg 的人，至少得具備 18m 寬的胸腔才能支援扇動翅膀所需要的肌肉。他因此得出結論認為人類的肌肉力量不足以像鳥類那樣振動翅膀克服自身重力做長時間飛行。他的結論宣告了人類欲模仿鳥類那樣進行自力撲翼飛行努力的失敗。但人類在模仿鳥類飛行的活動中積累了許多寶貴的知識和經驗，為日後真正實現飛行帶來了一絲曙光。 近代歷史 氣球 18 世紀的工業革命推動了科學技術的發展，為人類實現真正的飛行奠定了基礎。18 世紀中期紡織工業的發展帶來了更輕巧、更結實的布料，歐洲開始有人嘗試製作大型的熱氣球。1783 年 6 月 4 日，法國的孟格菲兄弟設計的以麻布為材料的熱氣球進行了第一次成功的公開升空表演 S Schama 1989 Citizens A Chronicle of the French Revolution p 125 。他們在熱氣球的底部燃燒乾草和羊毛，燃燒產生的熱空氣被匯入氣球內部。由於熱空氣的密度小於冷空氣，氣球被充滿後便因為空氣的靜浮力而升空。熱氣球的原理和中國的天燈相同，是輕於空氣的航空器，但重要的是這時歐洲人已經掌握了其中有關空氣密度和浮力之間的關係。1783 年 11 月 21 日，兩位法國人（德羅齊耶和）乘坐孟格菲熱氣球升到 1000m 的高空飛行了 12km，完成了人類首次載人航空的壯舉，標誌著近代航空史的開端。 熱氣球試飛後不久，氫氣球也被髮明瞭。氫氣的密度比熱空氣更低，而且不會像熱氣球一樣在短時間內就冷卻下降，它的浮空和操作效能更好。1783 年 12 月 1 日，兩名法國人乘坐氫氣球在巴黎首次進行了自由飛行。1887 年 8 月 22 日。天津武備學堂教師華蘅芳製造的中國第一個氫氣球在天津成功升空。 飛艇 熱氣球的發明並沒有帶來很大變革，因為它沒有安裝操縱裝置，只能夠隨風漂流，否則就需要地面用繩索進行引導，缺乏實用價值。為了解決這個問題，法國人讓 皮埃爾布蘭查德在 1784 年將一個手動螺旋槳安裝到了氣球上，發明了可以操縱的無動力飛艇。1852 年亨利吉法爾將一臺功率為 2237w 的蒸汽機安裝到了氣球上以驅動一個三葉螺旋槳，製造了首架由動力驅動的飛艇，同年 9 月 24 日，他駕駛這艘飛艇從巴黎飛抵特拉普斯，航程 28km，完成了飛艇的首次載人飛行。 1899 年德國人斐迪南馮齊柏林設計製造了第一艘硬式飛艇，採用汽油為燃料的內燃機為動力，大大提高了飛艇的飛行速度。它圓柱形的艇身內充氫氣，長 128m，直徑 1158m；艇下裝有兩個吊艙，可乘 5 人。1900 年 7 月 2 日第一艘齊柏林飛艇試飛成功，在 300m 的高度飛行了 15km。由於它的載客量和高效能，齊柏林飛艇成為在民用和軍用領域均具實用價值的航空器。大型硬式飛艇在其全盛時期成為了當時高載客量及載貨量的空中交通工具，它能夠載乘客及貨物進行長途飛行，其中最著名的便是德國的齊柏林公司。齊柏林公司最成功的飛艇是齊柏林伯爵號。它總共飛行超過一百萬英里，包括 1929 年 8 月的環球飛行。 1899 年華僑謝纘泰在香港設計完成了中國號電動飛艇，帶有詳細圖紙和資料，是中國最早的飛艇設計。 固定翼飛機的發明 氣球和飛艇這些輕於空氣的航空器的發展為重於空氣的航空器的發展積累了經驗。在飛艇佔領了近代的天空時，它們體積巨大、維護費用高昂、航速緩慢和安全性不好的缺點也開始為人詬病。一些航空先驅開始將目光轉向固定翼飛機的研究。但要使重於空氣的航空器升空並能受控持續飛行，就必須解決升力、動力和穩定操縱的難題。他們的研究大多由設計和試飛滑翔機和風箏開始。19 世紀初英國人喬治凱利首先提出利用固定機翼產生升力，利用不同的翼面控制、推進飛機的設計概念。為了驗證自己理論的有效性，1849 年他建造了第一架滑翔機並進行了試飛。 關於飛機的動力和穩定操縱難題，當時航空界存在兩種觀點。其中以美國科學家塞繆爾蘭利為代表的一方認為飛機的動力問題是重中之重，因為當時蒸汽機效率不高，體積和重量對於飛機來說也不堪重負，因此很難實現飛機的動力飛行。而以德國人奧托李林達爾為代表的一方則認為應首先透過試飛無動力的滑翔機解決飛機設計的問題和培養飛行員的操縱技術。在效率較高、體積小而相對輕巧的內燃機出現以後蘭利曾在他的飛機場號上安裝了大馬力發動機嘗試載人飛行，但由於飛機的機翼設計和操縱系統不成熟，兩次嘗試均告失敗。而李林達爾則在 1891 年和弟弟一起製作了一架滑翔機，成功飛過 30m 的距離，卻在 5 年後的一次飛行試驗中不幸失事身亡。 關於世界上最早的固定翼機到底是由誰發明各國尚存在爭議，但較為普遍的觀點是由美國人萊特兄弟發明。萊特兄弟贊同李林達爾的觀點，先透過風箏和滑翔機來檢驗機翼的升力設計和航空操縱系統，並在加裝動力之前進行了大量滑翔機訓練來培養作為飛行員的素養。在發現前人的研究資料可能有誤後，他們打造了風洞進行了大量的實驗，為 200 多種不同的翼型進行了上千次的測試。透過上述的技術積累兩兄弟發現了增加升力的原理，設計出控制飛機平衡、俯仰和轉彎的航空操縱方式，並找到了保持橫側穩定的方法，從而基本解決了飛機的操縱性和穩定性的問題，為飛機飛行原理奠定了理論基礎。1903 年 12 月 17 日他們在美國西海岸小鷹鎮成功試飛了自行研製的飛行者一號，這次飛行作為 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。 1909 年 9 月 21 日，中國航空先驅馮如在舊金山奧克蘭駕駛馮如 1 號成功試飛，開創了中國的航空事業。兩年後他返華為中國的航空事業奔走，卻不幸在 1912 年 8 月 25 日的廣州燕塘試飛中失事，經搶救無效去世。 萊特兄弟發明飛機後，世界各國的航空事業也在迅速發展。1909 年 7 月 25 日，法國人路易布萊里奧駕駛自行設計的單翼飛機飛越了英吉利海峽，1910 年 3 月 28 日法國人亨利法布林又成功試飛了首架水上飛機。1913 年 8 月 2 日，俄羅斯人伊戈爾伊萬諾維奇西科爾斯基成功試飛了四發動機的大型飛機。短短幾年間飛機的效能得到了很大提高，飛行速度達到 200kmh，續航時間超過 13h，飛行高度達到 6500m。 飛機在近代戰爭中的演化 飛機經過 11 年的改良之後，第一次世界大戰爆發，使飛機的用途改變了，主要負責偵察、轟炸甚至進行地面攻擊。而這個時期的飛機變得更大更可靠，有些更用來商業載客。至於飛艇方面， 1920 至 30 年代是航空史上的一大進步，例如 1927 年查爾斯林德伯格成功橫渡大西洋。而當時最成功的飛機便是道格拉斯公司的 DC3，它的高載客量令航空公司有利可圖，為航空史寫下新一頁。而在第二次世界大戰期間，不少城市都興建了機場。戰爭令航空科技進步，而世界上首枚火箭和噴射機也是在戰爭時期開發的。 現代 戰後，航空界出現了巨大轉變，不少飛機用作商業或私人用途，大量退役戰機機師和軍機投入民航服務，這情況在北美洲最為明顯。飛機製造商如塞斯納等都擴大其生產規模，生產更多中小型飛機。在 50 年代，德哈維蘭公司所製造的彗星飛機成為了首架民航噴射機，而波音 707 則成為首款被廣泛使用的民航噴射機，而螺旋槳飛機的角色能轉為服務一些低客量的航線。 1961 年 4 月 12 日，尤里加加林成為首個能夠飛上太空的人，而在 1969 年 7 月 21 日，尼爾阿姆斯特朗則成為首個登陸月球的人。而在 60 年代開始，人們發現用複合材料製造的飛機比傳統的更寧靜、更具燃油效益和更適合，但更富進步性的是飛機儀器及飛控技術的改良，出現了 GPS、電晶體、通訊衛星、電腦和 LED 顯示器，這些科技使駕駛艙裡的儀器得以減少，節省空間，對較小型的飛機有極大幫助，飛行員除了能夠準確地駕駛飛機，還能夠準確地觀察地形和飛機周圍的環境。在 1969 年首款大量投入服務的超音速協和式客機首航，它的飛行速度高達 2 馬赫，比一般民航機快一倍，成為當時最快的空中交通具之一。 2004 年 6 月 21 日，太空船 1 號成為首架能飛上太空的私人飛機，為航空業界開拓一個新的市場。同時，飛機燃料亦可由其它新能源取代，如電、乙醇、甚至太陽能，這些新燃料將會被廣泛採用在小型飛機。 參考資料 Category 科學史