航空史

在18世紀開始的產業革命推動下，1783年法國蒙哥爾費兄弟的熱空氣氣球和J.-A.-C.查理的氫氣氣球相繼升空。1903年12月17日，美國萊特兄弟用自己製造的飛機，實現了人類首次持續的、有動力的、可操縱的飛行，開創了現代航空的新紀元。兩次世界大戰刺激了航空科學技術的發展，軍用飛機的性能不斷提高，使戰爭從平面向立體轉化。民用航空運輸事業的發展，使飛機成為與經濟發展和人民生活息息相關的交通工具。第二次世界大戰以後，噴氣式飛機的出現，使飛機突破了聲障，是航空發展上的又一次重大突破。高性能的超聲速軍用飛機，對現代軍事技術產生了重大的影響。經濟、安全、舒適的噴氣式客機成為民用航空運輸的主力，改變了現代交通運輸的結構。電子技術和新材料使航空科學技術經歷了一場重大的變革。飛行的探索時期（20世紀以前）氣球飛行成功　1783年6月4日蒙哥爾費兄弟進行了自己製作的熱氣球表演。1783年9月19日他們用一隻更大的熱氣球，載上羊、公雞和鴨各一隻，飛行8分鐘後安全降落。1783年10月21日F.P.de羅齊埃和M.達爾朗德乘熱空氣氣球上升到1 000米，飛行25分鐘。法國物理學家查理用塗以橡膠的綢製成了氫氣球（稱查理氣球）。1783年8月27日，氫氣球在巴黎上升到約915米，飄行了約25千米後降落。1785年1月7日，法國J.-P.-F.布朗夏爾和他的一個夥伴乘氫氣球從英國多佛飛越英吉利海峽到達法國，這是人類乘航空器首次飛越這個海峽。飛艇的興衰　最早的飛艇是法國H.吉法爾於1852年製成的蒸汽氣球。其氣囊形如雪茄，下懸吊艙，上裝蒸汽機，帶動3葉螺旋槳，並有方向舵。1852年9月24日，吉法爾駕駛這艘飛艇由巴黎飛到特拉普斯，航程約28千米。速度約10千米/時。1894年德國的F.齊伯林伯爵完成了硬式飛艇設計，1900年製成LZ−1號飛艇，長128米，容積約11 300立方米（圖1）。第一次世界大戰前後，德國建立了齊伯林飛艇隊，用於海上巡邏、遠程轟炸和空運等軍事活動，曾多次用飛艇對倫敦進行轟炸。第一次世界大戰後，齊伯林公司又造了兩艘巨型飛艇——“齊伯林伯爵”號和“興登堡”號，在歐洲到南美和美國的商業航線上飛行。“興登堡”號飛艇(圖2）是當時最大的，容積200 000立方米，長245米，內部陳設豪華，可載75名旅客，速度130千米/時。1937年5月6日從德國飛往美國時，在美國新澤西州萊克赫斯特上空，它的上部垂直尾翼忽然起火，36人遇難，從此結束了飛艇的商業航行。對飛機的探索和試驗　19世紀初英國G.凱利首先提出了利用固定機翼產生升力和利用不同的翼面控制和推進飛機的設計概念。由多年來嘗試的撲翼轉向定翼，是飛機走向成功之路的第一步。1849年，他製成一架滑翔機，將一個10歲的小孩帶到幾米的上空。1853年，他又製成一架新的載人滑翔機，帶着他的馬車伕飛了幾百米。德國的O.李林達爾從1867年起研究滑翔，1891年設計並製成一架滑翔機，1893～1896年間作了約2 000次滑翔飛行，滑翔距離曾達300米（圖3）。他的最終目的是在滑翔機上安裝發動機。但在1896年的一次飛行中失事遇難。美國土木工程師O.查紐特於1896年採用橋樑設計技術改進了李林達爾的雙翼滑翔機，並作了幾百次成功的飛行，飛行距離達幾百米。萊特兄弟沿着李林達爾開闢的道路，吸取了前人的經驗，成功地實現了人類第一次動力飛行。活塞發動機飛機時期（20世紀初至40年代中期）氣球飛行成功飛機飛行成功和初步進展　萊特兄弟在李林達爾滑翔飛行活動的鼓舞下製造了滑翔機。在1902年9～10月，進行了近千次飛行，取得成功。1903年，萊特兄弟設計和製造了“飛行者”1號飛機，這架飛機採用8.8千瓦（12馬力）的水冷4缸活塞發動機和高效率的螺旋槳。機體主要為布、木材加鋼管的結構。1903年12月17日，萊特兄弟駕駛“飛行者”1號飛了4次。首次飛行時間12秒，距地面36.6米。第四次飛得最遠，約260米，留空59秒，這是人類最早的持續的動力飛行。在歐洲，1906年桑託–杜蒙設計的飛機在法國飛行成功。1909年7月25日法國L.布萊里奧駕駛自己設計的“布萊里奧”11號單翼機，首次飛越了英吉利海峽，這是最早的飛機國際飛行。1910年3月法國H.法布爾設計的浮艇式水上飛機，把飛機的使用範圍從陸地擴大到水面。1910年11月14日在美國進行了飛機從航空母艦上起飛的試驗。1913年2月25日，俄國I.I.西科爾斯基設計的4發動機大型飛機“伊里亞·穆羅梅茨”號首次飛行成功，在第一次世界大戰中被用作重型轟炸機。1914年俄國飛行員P.N.聶斯切洛夫完成了第一個飛機特技飛行——筋斗。飛機初步顯示了它的軍事潛力。飛機在第一次世界大戰中的應用　飛機在軍事上的最早應用是在1911～1912年意大利侵略土耳其之戰，主要用於偵察。1914年8月22日，協約國的飛機在比利時前線進行了第一次偵察，偵察機在空中相遇時，飛行員常用手槍射擊，於是產生了驅逐敵機的需要，出現了驅逐機。驅逐機於1914年10月5日首先進行了空中格鬥。1915～1916年，德國裝有射擊協調器的福克E−3單翼驅逐機取得很大成功，在對地攻擊方面先是用手榴彈和炮彈從飛機上進行轟炸，後來發展了專用的航空炸彈和航空瞄準具。1914年11月21日英國用愛弗羅504型轟炸機深入德國境內對齊伯林飛艇工廠進行轟炸。1915年12月19日，德國容克斯鋁合金懸臂式單翼機制成，大戰末期德國曾將這種飛機作為對地攻擊的強擊機使用。美、英兩國還開始建造航空母艦和艦載作戰飛機。第一次世界大戰結束時，飛機的飛行時速由80～115千米提高到180～220千米。升限由3 000～5 000米提高到8 000米，航程增大到440千米。飛機民用運輸的創建　德國首先在1919年2月建立了國內航線，同年8月25日，英法建立了國際定期空中客運航線，使用經過改裝的轟炸機。1919年6月25日德國容克斯公司專門設計和製造出全金屬下單翼F−13民航機。機上裝有一台136千瓦（185馬力）的活塞發動機，可載乘客4人和空勤人員2人。1920年，英國漢德利–佩奇公司製造了能載12名乘客的雙發動機旅客機。隨着空運業務的擴大，又製造出幾種3發動機的旅客機，例如美國的福特4−AT(1926)、波音80A(1928)，德國的容克斯Ju−52(1932)。20世紀30年代為提高飛行速度，旅客機採用了流線型的空氣動力外形，提高了客艙內部的舒適性。首先體現這些特點的是波音247旅客機（圖4），不久，道格拉斯公司設計出性能更優越的DC−1、DC−2和DC−3旅客機。DC−3於1935年12月17日首次飛行，可載21人、28人或36人，裝有880千瓦（1 200馬力）的星型氣冷活塞發動機兩台，巡航速度290千米/時，航程2 415千米。1919年美國寇蒂斯NC−4水上飛機首先開闢了大西洋航線。1929年德國的Do−X是30年代最大的水上飛機，翼展長達47.88米，裝有12台活塞發動機，總功率達4 400千瓦(約6 000馬力)，載客最多時達169人。第二次世界大戰中的軍用飛機　30年代後期，第二次世界大戰即將爆發，德國研製了Me−109驅逐機，英國研製了“颶風”式和“噴火”式驅逐機。這些飛機的最大速度為480～564千米/時。蘇聯研製了拉3、雅克1和米格3，米格3的最大速度為640千米/時，飛行高度7 800米。美國研製了寇蒂斯P−26A，在1935年設計了4發動機的重型轟炸機“空中堡壘”B−17。美國早期使用的戰鬥機有P−40、P−39和P−38(圖5)。後來投入了P−47和P−51。P−51的航程遠（帶副油箱約為3 349千米），速度大（784千米/時）、升限高（11 688米），作戰性能好，於1943年12月投入護航後，大大降低了轟炸機的作戰損失率。蘇聯後期的新型驅逐機有拉5、雅克9和雅克3。日本“零”式驅逐機的質量小，機動性好，主要用於航空母艦和海戰。1941年日軍偷襲美國珍珠港時，“零”式飛機曾是主力。強擊機中優秀的是蘇聯的伊爾2，裝甲性能好、火力強，能有效地打擊坦克和地面部隊。俯衝轟炸機中以德國的容克斯−87最為著名，在俯衝轟炸時發出尖鋭的嘯聲以產生恐嚇作用。此後，德軍還使用了亨克爾He−111A雙發動機轟炸機。美國的中型雙發動機B−25轟炸機以首次轟炸日本東京而聞名。4發動機重型轟炸機，美國有B−17和B−24，能在白晝進行精確轟炸；英國有“蘭開斯特”和“哈利法克斯”，能進行夜間轟炸。第二次世界大戰中最重、最大的作戰飛機是美國的4發動機重型轟炸機B−29“超級空中堡壘”，總重62 500千克。1944年6月，B−29轟炸了日軍的亞洲基地，接着又轟炸了日本列島。1945年8月6日和9日，它在廣島和長崎各投下一顆原子彈。在第二次世界大戰中，空軍已成為重要的軍種。飛機生產量達到高峯，美、英等盟國生產了約40萬架，全世界共生產了約100萬架。噴氣飛機時期（20世紀40年代中期以來）噴氣飛機的誕生和突破聲障　30年代後期，活塞發動機螺旋槳飛機的最大平飛速度已達700餘千米/時，俯衝中接近聲速時，飛機發生劇烈抖振、不穩定，甚至失去操縱而破壞。這種現象稱為聲障。德國H.-J.P.von奧海因在1937年3月研製成功推力為5 000牛（500千克力）的HeS−3B軸流式噴氣發動機，1939年8月27日，裝有此發動機改型的He−178飛機試飛成功，最大速度700千米/時，成為世界上第一架成功飛行的噴氣飛機。之後，德國Me−262戰鬥轟炸機也於1942年7月28日首次飛行。它裝有兩台推力各為9 000牛(900千克力)的“朱摩”004軸流式渦輪噴氣發動機，最大平飛速度850千米/時，超過第二次世界大戰時盟國所有高性能活塞發動機的驅逐機。第二次世界大戰後，軍用飛機和民航機先後噴氣化。1946年，美國發展了“雷電”P−84和“潑婦”FY−1噴氣戰鬥機，蘇聯試飛了雅克15和米格9。後掠機翼理論在1935年就已提出，飛機採用後掠機翼可以延緩出現跨聲速時不利的空氣動力特性。1947年蘇聯和美國分別研製了後掠角為35°的米格15和“佩刀”F−86噴氣戰鬥機。中國人民志願軍空軍在抗美援朝中曾用米格15與美國F−86飛機作戰，是噴氣戰鬥機最早應用於空戰。1947年10月14日，美國貝爾X−1火箭試驗研究機（圖6）在12 800米高空達到1 078千米/時的速度（馬赫數為1.015），首次突破了聲障。美國F−102戰鬥機在1954年1月試飛時，由於跨聲速時波阻過大而未超過聲速，隨後採用跨聲速面積律和其他措施，其改型F−102A順利地超過聲速。噴氣飛機的誕生和突破聲障，是航空發展史上的第三次重大突破，從此飛機進入了超聲速飛行的領域。噴氣軍用飛機的發展　20世紀50年代，噴氣戰鬥機的速度提高到聲速的兩倍。美國“星”式F−104、“鬼怪”式F−4和蘇聯米格21等戰鬥機都達到了這樣的速度。60年代美國和蘇聯發展了3倍聲速的軍用飛機。飛機在高空持續以3倍聲速飛行，空氣動力加熱嚴重，出現了熱障問題。1962年4月，美國研製SR−71戰略偵察機（圖7）。SR−71於1976年創造了渦輪噴氣發動機飛機的速度世界紀錄——3 529.56千米/時。蘇聯的3倍聲速飛機是米格25截擊/戰略偵察機，1969年裝備部隊。速度超過馬赫數2.2進入熱障的飛機，由於使用效能與技術代價的平衡問題，在20世紀最後20多年並未有很大的發展。50～60年代，為了研究超聲速、高超聲速飛行和解決熱障問題，美國研製了一系列試驗研究機，其中X−15高超聲速研究機（圖8）裝有一台液體火箭發動機，推力超過266.9千牛（27 215千克力），1959年實現首次動力飛行。1963年和1967年分別達到107 860米的高度和7 297千米/時的速度（馬赫數6.72）。60年代出現了變後掠機翼和垂直起落技術，為提高飛機綜合性能開闢了新的途徑。第一架實用的變後掠機翼飛機是美國的F−111戰鬥機（圖9），它能執行低空對地攻擊任務又能執行高空遠程截擊任務。變後掠機翼在70～80年代有美國的B−1(圖10)、F−14，蘇聯的米格23、米格27、蘇17/20/22、蘇24和英國、聯邦德國和意大利合作研製的“狂風”(圖11)。1962年起英國試飛了垂直起落研究機P−1127和“茶隼”。在此基礎上發展了“鷂”式垂直和短距起落戰鬥機，1969年裝備英國空軍。美國引進了“鷂”式，經過改進後命名為AV−8A。60年代末，蘇聯研製了艦載垂直起落殲擊機雅克36。70～80年代發展了一系列機動性好、馬赫數為2～2.5、機載電子設備先進、火力強大的新型軍用飛機。這些飛機中除上述的變後掠翼飛機外，還有美國的F−15、F−16、F−18，蘇聯的米格29、米格27，法國的“幻影”2000和“幻影”4000（圖12）等。第二次世界大戰後，轟炸機也轉向噴氣式。1951年12月17日，美國最早的B−47噴氣轟炸機首次飛行。1952年發展了B−52重型戰略噴氣轟炸機，經過幾次改型，一直使用至21世紀初。1962年B−52H曾創造飛機航程20 168.78千米的世界紀錄。20世紀40～50年代，英國發展了3種V型噴氣轟炸機，蘇聯發展了伊爾28、米亞4、圖20和圖16噴氣轟炸機。60～70年代又出現了幾種超聲速轟炸機，如美國的B−58、XB−70、變後掠機翼的FB−111和B−1，蘇聯的雙發動機轟炸機圖22和4發動機的變後掠翼戰略轟炸機圖26。第二次世界大戰後，各國研製了一系列渦輪螺旋槳和渦輪噴氣軍用運輸機，容積和質量不斷增大。蘇聯的安22於1965年2月首次飛行，總重250 000千克，最大載重約80 000千克。美國的C−5A運輸機(圖13)於1968年6月試飛，總重達348 810千克，最大載重約120 000千克。噴氣民航飛機的發展　噴氣式民航機提高了民航機的速度近2倍，而且使飛行高度提高到11千米左右。第一架純渦輪噴氣發動機的噴氣民航機是英國的4發動機“彗星”號，1952年5月2日開始在航線上使用。之後有蘇聯的圖104（1956）和美國的波音707（1958）。波音707的速度達到900～1 000千米/時。噴氣民航機成為民航運輸的主力。60年代，噴氣民航機安裝了高涵道比的渦輪風扇發動機，變得更加經濟和舒適。這一類飛機包括美國的波音727、DC−9，法國的“快帆”，英國的“三叉戟”和蘇聯的伊爾62。70年代的噴氣民航機以寬機身為主要特徵，提高了飛機的載客量和舒適性。1970年1月美國4發動機巨型噴氣民航機波音747開航。其總重達約373 000千克，客艙可並排乘坐10人，最大載客量超過500人。70～80年代有法國、英國、聯邦德國、荷蘭和西班牙5國合作研製的雙發動機的“空中公共汽車”A−300，美國3發動機的DC−10和“三星”L−1 011以及蘇聯4發動機的伊爾86等寬機身客機問世。80年代美國雙發動機的波音757、波音767和歐洲的A−310，可用於中短程和中遠程的航線，主要特點是耗油率低，經濟性好。1968年12月31日蘇聯首次試飛了圖144超聲速民航機(圖14)，它的設計參照了英法合作研製的“協和”號超聲速民航機（圖15）。這兩種飛機把民航機的速度提高到略大於2倍聲速。但是超聲速民航機耗油多、噪聲大，限制了發展和使用。圖144先退出使用，“協和”號飛機於2003年4月也宣告退役。噴氣式民航機的發展改變了交通運輸的結構，空運成本下降很多，規模迅速擴大，形成了遍及全世界的航線網。其他航空器的發展　第二次世界大戰以後，直升機在軍事、救生方面得到了廣泛的應用。1961年美國開始使用S−61型直升機，它裝有兩台1 030千瓦(1 400馬力)的渦輪軸發動機，在此基礎上又發展了S−62、S−64起重直升機和S−65重型直升機。1961年美國還研製了縱列雙旋翼的CH−47運輸直升機。60年代中期美國的“休伊眼鏡蛇”武裝直升機用於對地強擊任務。1965年蘇聯研製出橫列雙旋翼式運輸直升機米12（圖16），總重達105 000千克。此外，還有米8運輸型、米10起重型、米24武裝型和米26重型運輸型等直升機。通用飛機是指軍用飛機和商業民航飛機以外的所有輕型飛機。通用航空始於20世紀20年代，廣泛用於農田作業、空中攝影、測量勘探、交通運輸、造林護林、醫療救護、體育運動等方面。航空科學技術的變革　20世紀60年代飛機開始使用計算機、捷聯式慣性導航和塔康導航系統，機載脈衝多普勒雷達、飛機飛行自動控制系統等，將飛機的通信、導航、自動控制、電子對抗，目標的截獲、識別和跟蹤、全天候飛行等方面的性能提高到新的水平。1968年英國“三叉戟”2E民航機裝備了全天候自動着陸系統，提高了着陸的安全性。70年代軍用飛機使用了主動控制技術，使得飛機在初步設計時就考慮控制系統的作用，綜合選擇飛機最佳外形，降低飛機阻力，減輕飛機結構重量。70年代出現了綜合機載電子系統。例如波音757、波音767、A−310民航機都裝備有飛行管理系統。軍用飛機機載電子設備的比例有較大增加。1982年，美國空軍接受了第一架F117隱形戰機，是第一種可以用於實戰的隱形飛機。以後，隱形性能成為第四代軍用作戰飛機突出的技術特點。1982年，英國對阿根廷的馬爾維納斯戰爭，英國的“火神”戰略轟炸機依靠空中加油機的支持，從英國本土出發飛越大西洋，穿過赤道飛到阿根廷作戰，往返3萬千米，展示了空中加油機這種機種的巨大戰略意義。1988年歐洲空客A320交付航線使用，將電子計算機引入飛機的儀表及操縱系統，給飛機的駕駛和空氣動力佈局帶來新的變化。2005年，歐洲空中客車公司的超大型客機A380首航。這是繼歐洲空客A300和波音747等客艙雙通道的寬體機身之後，進一步推出的雙層客艙。A380載客550人，最大航程達15 000千米，起飛總重達560噸。 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