航空史

在18世纪开始的产业革命推动下，1783年法国蒙哥尔费兄弟的热空气气球和J.-A.-C.查理的氢气气球相继升空。1903年12月17日，美国莱特兄弟用自己制造的飞机，实现了人类首次持续的、有动力的、可操纵的飞行，开创了现代航空的新纪元。两次世界大战刺激了航空科学技术的发展，军用飞机的性能不断提高，使战争从平面向立体转化。民用航空运输事业的发展，使飞机成为与经济发展和人民生活息息相关的交通工具。第二次世界大战以后，喷气式飞机的出现，使飞机突破了声障，是航空发展上的又一次重大突破。高性能的超声速军用飞机，对现代军事技术产生了重大的影响。经济、安全、舒适的喷气式客机成为民用航空运输的主力，改变了现代交通运输的结构。电子技术和新材料使航空科学技术经历了一场重大的变革。飞行的探索时期（20世纪以前）气球飞行成功　1783年6月4日蒙哥尔费兄弟进行了自己制作的热气球表演。1783年9月19日他们用一只更大的热气球，载上羊、公鸡和鸭各一只，飞行8分钟后安全降落。1783年10月21日F.P.de罗齐埃和M.达尔朗德乘热空气气球上升到1 000米，飞行25分钟。法国物理学家查理用涂以橡胶的绸制成了氢气球（称查理气球）。1783年8月27日，氢气球在巴黎上升到约915米，飘行了约25千米后降落。1785年1月7日，法国J.-P.-F.布朗夏尔和他的一个伙伴乘氢气球从英国多佛飞越英吉利海峡到达法国，这是人类乘航空器首次飞越这个海峡。飞艇的兴衰　最早的飞艇是法国H.吉法尔于1852年制成的蒸汽气球。其气囊形如雪茄，下悬吊舱，上装蒸汽机，带动3叶螺旋桨，并有方向舵。1852年9月24日，吉法尔驾驶这艘飞艇由巴黎飞到特拉普斯，航程约28千米。速度约10千米/时。1894年德国的F.齐伯林伯爵完成了硬式飞艇设计，1900年制成LZ−1号飞艇，长128米，容积约11 300立方米（图1）。第一次世界大战前后，德国建立了齐伯林飞艇队，用于海上巡逻、远程轰炸和空运等军事活动，曾多次用飞艇对伦敦进行轰炸。第一次世界大战后，齐伯林公司又造了两艘巨型飞艇——“齐伯林伯爵”号和“兴登堡”号，在欧洲到南美和美国的商业航线上飞行。“兴登堡”号飞艇（图2）是当时最大的，容积200 000立方米，长245米，内部陈设豪华，可载75名旅客，速度130千米/时。1937年5月6日从德国飞往美国时，在美国新泽西州莱克赫斯特上空，它的上部垂直尾翼忽然起火，36人遇难，从此结束了飞艇的商业航行。对飞机的探索和试验　19世纪初英国G.凯利首先提出了利用固定机翼产生升力和利用不同的翼面控制和推进飞机的设计概念。由多年来尝试的扑翼转向定翼，是飞机走向成功之路的第一步。1849年，他制成一架滑翔机，将一个10岁的小孩带到几米的上空。1853年，他又制成一架新的载人滑翔机，带着他的马车夫飞了几百米。德国的O.李林达尔从1867年起研究滑翔，1891年设计并制成一架滑翔机，1893～1896年间作了约2 000次滑翔飞行，滑翔距离曾达300米（图3）。他的最终目的是在滑翔机上安装发动机。但在1896年的一次飞行中失事遇难。美国土木工程师O.查纽特于1896年采用桥梁设计技术改进了李林达尔的双翼滑翔机，并作了几百次成功的飞行，飞行距离达几百米。莱特兄弟沿着李林达尔开辟的道路，吸取了前人的经验，成功地实现了人类第一次动力飞行。活塞发动机飞机时期（20世纪初至40年代中期）气球飞行成功飞机飞行成功和初步进展　莱特兄弟在李林达尔滑翔飞行活动的鼓舞下制造了滑翔机。在1902年9～10月，进行了近千次飞行，取得成功。1903年，莱特兄弟设计和制造了“飞行者”1号飞机，这架飞机采用8.8千瓦（12马力）的水冷4缸活塞发动机和高效率的螺旋桨。机体主要为布、木材加钢管的结构。1903年12月17日，莱特兄弟驾驶“飞行者”1号飞了4次。首次飞行时间12秒，距地面36.6米。第四次飞得最远，约260米，留空59秒，这是人类最早的持续的动力飞行。在欧洲，1906年桑托–杜蒙设计的飞机在法国飞行成功。1909年7月25日法国L.布莱里奥驾驶自己设计的“布莱里奥”11号单翼机，首次飞越了英吉利海峡，这是最早的飞机国际飞行。1910年3月法国H.法布尔设计的浮艇式水上飞机，把飞机的使用范围从陆地扩大到水面。1910年11月14日在美国进行了飞机从航空母舰上起飞的试验。1913年2月25日，俄国I.I.西科尔斯基设计的4发动机大型飞机“伊里亚·穆罗梅茨”号首次飞行成功，在第一次世界大战中被用作重型轰炸机。1914年俄国飞行员P.N.聂斯切洛夫完成了第一个飞机特技飞行——筋斗。飞机初步显示了它的军事潜力。飞机在第一次世界大战中的应用　飞机在军事上的最早应用是在1911～1912年意大利侵略土耳其之战，主要用于侦察。1914年8月22日，协约国的飞机在比利时前线进行了第一次侦察，侦察机在空中相遇时，飞行员常用手枪射击，于是产生了驱逐敌机的需要，出现了驱逐机。驱逐机于1914年10月5日首先进行了空中格斗。1915～1916年，德国装有射击协调器的福克E−3单翼驱逐机取得很大成功，在对地攻击方面先是用手榴弹和炮弹从飞机上进行轰炸，后来发展了专用的航空炸弹和航空瞄准具。1914年11月21日英国用爱弗罗504型轰炸机深入德国境内对齐伯林飞艇工厂进行轰炸。1915年12月19日，德国容克斯铝合金悬臂式单翼机制成，大战末期德国曾将这种飞机作为对地攻击的强击机使用。美、英两国还开始建造航空母舰和舰载作战飞机。第一次世界大战结束时，飞机的飞行时速由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。飞机民用运输的创建　德国首先在1919年2月建立了国内航线，同年8月25日，英法建立了国际定期空中客运航线，使用经过改装的轰炸机。1919年6月25日德国容克斯公司专门设计和制造出全金属下单翼F−13民航机。机上装有一台136千瓦（185马力）的活塞发动机，可载乘客4人和空勤人员2人。1920年，英国汉德利–佩奇公司制造了能载12名乘客的双发动机旅客机。随着空运业务的扩大，又制造出几种3发动机的旅客机，例如美国的福特4−AT(1926)、波音80A(1928)，德国的容克斯Ju−52(1932)。20世纪30年代为提高飞行速度，旅客机采用了流线型的空气动力外形，提高了客舱内部的舒适性。首先体现这些特点的是波音247旅客机（图4），不久，道格拉斯公司设计出性能更优越的DC−1、DC−2和DC−3旅客机。DC−3于1935年12月17日首次飞行，可载21人、28人或36人，装有880千瓦（1 200马力）的星型气冷活塞发动机两台，巡航速度290千米/时，航程2 415千米。1919年美国寇蒂斯NC−4水上飞机首先开辟了大西洋航线。1929年德国的Do−X是30年代最大的水上飞机，翼展长达47.88米，装有12台活塞发动机，总功率达4 400千瓦(约6 000马力)，载客最多时达169人。第二次世界大战中的军用飞机　30年代后期，第二次世界大战即将爆发，德国研制了Me−109驱逐机，英国研制了“飓风”式和“喷火”式驱逐机。这些飞机的最大速度为480～564千米/时。苏联研制了拉3、雅克1和米格3，米格3的最大速度为640千米/时，飞行高度7 800米。美国研制了寇蒂斯P−26A，在1935年设计了4发动机的重型轰炸机“空中堡垒”B−17。美国早期使用的战斗机有P−40、P−39和P−38(图5)。后来投入了P−47和P−51。P−51的航程远（带副油箱约为3 349千米），速度大（784千米/时）、升限高（11 688米），作战性能好，于1943年12月投入护航后，大大降低了轰炸机的作战损失率。苏联后期的新型驱逐机有拉5、雅克9和雅克3。日本“零”式驱逐机的质量小，机动性好，主要用于航空母舰和海战。1941年日军偷袭美国珍珠港时，“零”式飞机曾是主力。强击机中优秀的是苏联的伊尔2，装甲性能好、火力强，能有效地打击坦克和地面部队。俯冲轰炸机中以德国的容克斯−87最为著名，在俯冲轰炸时发出尖锐的啸声以产生恐吓作用。此后，德军还使用了亨克尔He−111A双发动机轰炸机。美国的中型双发动机B−25轰炸机以首次轰炸日本东京而闻名。4发动机重型轰炸机，美国有B−17和B−24，能在白昼进行精确轰炸；英国有“兰开斯特”和“哈利法克斯”，能进行夜间轰炸。第二次世界大战中最重、最大的作战飞机是美国的4发动机重型轰炸机B−29“超级空中堡垒”，总重62 500千克。1944年6月，B−29轰炸了日军的亚洲基地，接着又轰炸了日本列岛。1945年8月6日和9日，它在广岛和长崎各投下一颗原子弹。在第二次世界大战中，空军已成为重要的军种。飞机生产量达到高峰，美、英等盟国生产了约40万架，全世界共生产了约100万架。喷气飞机时期（20世纪40年代中期以来）喷气飞机的诞生和突破声障　30年代后期，活塞发动机螺旋桨飞机的最大平飞速度已达700余千米/时，俯冲中接近声速时，飞机发生剧烈抖振、不稳定，甚至失去操纵而破坏。这种现象称为声障。德国H.-J.P.von奥海因在1937年3月研制成功推力为5 000牛（500千克力）的HeS−3B轴流式喷气发动机，1939年8月27日，装有此发动机改型的He−178飞机试飞成功，最大速度700千米/时，成为世界上第一架成功飞行的喷气飞机。之后，德国Me−262战斗轰炸机也于1942年7月28日首次飞行。它装有两台推力各为9 000牛(900千克力)的“朱摩”004轴流式涡轮喷气发动机，最大平飞速度850千米/时，超过第二次世界大战时盟国所有高性能活塞发动机的驱逐机。第二次世界大战后，军用飞机和民航机先后喷气化。1946年，美国发展了“雷电”P−84和“泼妇”FY−1喷气战斗机，苏联试飞了雅克15和米格9。后掠机翼理论在1935年就已提出，飞机采用后掠机翼可以延缓出现跨声速时不利的空气动力特性。1947年苏联和美国分别研制了后掠角为35°的米格15和“佩刀”F−86喷气战斗机。中国人民志愿军空军在抗美援朝中曾用米格15与美国F−86飞机作战，是喷气战斗机最早应用于空战。1947年10月14日，美国贝尔X−1火箭试验研究机（图6）在12 800米高空达到1 078千米/时的速度（马赫数为1.015），首次突破了声障。美国F−102战斗机在1954年1月试飞时，由于跨声速时波阻过大而未超过声速，随后采用跨声速面积律和其他措施，其改型F−102A顺利地超过声速。喷气飞机的诞生和突破声障，是航空发展史上的第三次重大突破，从此飞机进入了超声速飞行的领域。喷气军用飞机的发展　20世纪50年代，喷气战斗机的速度提高到声速的两倍。美国“星”式F−104、“鬼怪”式F−4和苏联米格21等战斗机都达到了这样的速度。60年代美国和苏联发展了3倍声速的军用飞机。飞机在高空持续以3倍声速飞行，空气动力加热严重，出现了热障问题。1962年4月，美国研制SR−71战略侦察机（图7）。SR−71于1976年创造了涡轮喷气发动机飞机的速度世界纪录——3 529.56千米/时。苏联的3倍声速飞机是米格25截击/战略侦察机，1969年装备部队。速度超过马赫数2.2进入热障的飞机，由于使用效能与技术代价的平衡问题，在20世纪最后20多年并未有很大的发展。50～60年代，为了研究超声速、高超声速飞行和解决热障问题，美国研制了一系列试验研究机，其中X−15高超声速研究机（图8）装有一台液体火箭发动机，推力超过266.9千牛（27 215千克力），1959年实现首次动力飞行。1963年和1967年分别达到107 860米的高度和7 297千米/时的速度（马赫数6.72）。60年代出现了变后掠机翼和垂直起落技术，为提高飞机综合性能开辟了新的途径。第一架实用的变后掠机翼飞机是美国的F−111战斗机（图9），它能执行低空对地攻击任务又能执行高空远程截击任务。变后掠机翼在70～80年代有美国的B−1(图10)、F−14，苏联的米格23、米格27、苏17/20/22、苏24和英国、联邦德国和意大利合作研制的“狂风”(图11)。1962年起英国试飞了垂直起落研究机P−1127和“茶隼”。在此基础上发展了“鹞”式垂直和短距起落战斗机，1969年装备英国空军。美国引进了“鹞”式，经过改进后命名为AV−8A。60年代末，苏联研制了舰载垂直起落歼击机雅克36。70～80年代发展了一系列机动性好、马赫数为2～2.5、机载电子设备先进、火力强大的新型军用飞机。这些飞机中除上述的变后掠翼飞机外，还有美国的F−15、F−16、F−18，苏联的米格29、米格27，法国的“幻影”2000和“幻影”4000（图12）等。第二次世界大战后，轰炸机也转向喷气式。1951年12月17日，美国最早的B−47喷气轰炸机首次飞行。1952年发展了B−52重型战略喷气轰炸机，经过几次改型，一直使用至21世纪初。1962年B−52H曾创造飞机航程20 168.78千米的世界纪录。20世纪40～50年代，英国发展了3种V型喷气轰炸机，苏联发展了伊尔28、米亚4、图20和图16喷气轰炸机。60～70年代又出现了几种超声速轰炸机，如美国的B−58、XB−70、变后掠机翼的FB−111和B−1，苏联的双发动机轰炸机图22和4发动机的变后掠翼战略轰炸机图26。第二次世界大战后，各国研制了一系列涡轮螺旋桨和涡轮喷气军用运输机，容积和质量不断增大。苏联的安22于1965年2月首次飞行，总重250 000千克，最大载重约80 000千克。美国的C−5A运输机(图13)于1968年6月试飞，总重达348 810千克，最大载重约120 000千克。喷气民航飞机的发展　喷气式民航机提高了民航机的速度近2倍，而且使飞行高度提高到11千米左右。第一架纯涡轮喷气发动机的喷气民航机是英国的4发动机“彗星”号，1952年5月2日开始在航线上使用。之后有苏联的图104（1956）和美国的波音707（1958）。波音707的速度达到900～1 000千米/时。喷气民航机成为民航运输的主力。60年代，喷气民航机安装了高涵道比的涡轮风扇发动机，变得更加经济和舒适。这一类飞机包括美国的波音727、DC−9，法国的“快帆”，英国的“三叉戟”和苏联的伊尔62。70年代的喷气民航机以宽机身为主要特征，提高了飞机的载客量和舒适性。1970年1月美国4发动机巨型喷气民航机波音747开航。其总重达约373 000千克，客舱可并排乘坐10人，最大载客量超过500人。70～80年代有法国、英国、联邦德国、荷兰和西班牙5国合作研制的双发动机的“空中公共汽车”A−300，美国3发动机的DC−10和“三星”L−1 011以及苏联4发动机的伊尔86等宽机身客机问世。80年代美国双发动机的波音757、波音767和欧洲的A−310，可用于中短程和中远程的航线，主要特点是耗油率低，经济性好。1968年12月31日苏联首次试飞了图144超声速民航机(图14)，它的设计参照了英法合作研制的“协和”号超声速民航机（图15）。这两种飞机把民航机的速度提高到略大于2倍声速。但是超声速民航机耗油多、噪声大，限制了发展和使用。图144先退出使用，“协和”号飞机于2003年4月也宣告退役。喷气式民航机的发展改变了交通运输的结构，空运成本下降很多，规模迅速扩大，形成了遍及全世界的航线网。其他航空器的发展　第二次世界大战以后，直升机在军事、救生方面得到了广泛的应用。1961年美国开始使用S−61型直升机，它装有两台1 030千瓦(1 400马力)的涡轮轴发动机，在此基础上又发展了S−62、S−64起重直升机和S−65重型直升机。1961年美国还研制了纵列双旋翼的CH−47运输直升机。60年代中期美国的“休伊眼镜蛇”武装直升机用于对地强击任务。1965年苏联研制出横列双旋翼式运输直升机米12（图16），总重达105 000千克。此外，还有米8运输型、米10起重型、米24武装型和米26重型运输型等直升机。通用飞机是指军用飞机和商业民航飞机以外的所有轻型飞机。通用航空始于20世纪20年代，广泛用于农田作业、空中摄影、测量勘探、交通运输、造林护林、医疗救护、体育运动等方面。航空科学技术的变革　20世纪60年代飞机开始使用计算机、捷联式惯性导航和塔康导航系统，机载脉冲多普勒雷达、飞机飞行自动控制系统等，将飞机的通信、导航、自动控制、电子对抗，目标的截获、识别和跟踪、全天候飞行等方面的性能提高到新的水平。1968年英国“三叉戟”2E民航机装备了全天候自动着陆系统，提高了着陆的安全性。70年代军用飞机使用了主动控制技术，使得飞机在初步设计时就考虑控制系统的作用，综合选择飞机最佳外形，降低飞机阻力，减轻飞机结构重量。70年代出现了综合机载电子系统。例如波音757、波音767、A−310民航机都装备有飞行管理系统。军用飞机机载电子设备的比例有较大增加。1982年，美国空军接受了第一架F117隐形战机，是第一种可以用于实战的隐形飞机。以后，隐形性能成为第四代军用作战飞机突出的技术特点。1982年，英国对阿根廷的马尔维纳斯战争，英国的“火神”战略轰炸机依靠空中加油机的支持，从英国本土出发飞越大西洋，穿过赤道飞到阿根廷作战，往返3万千米，展示了空中加油机这种机种的巨大战略意义。1988年欧洲空客A320交付航线使用，将电子计算机引入飞机的仪表及操纵系统，给飞机的驾驶和空气动力布局带来新的变化。2005年，欧洲空中客车公司的超大型客机A380首航。这是继欧洲空客A300和波音747等客舱双通道的宽体机身之后，进一步推出的双层客舱。A380载客550人，最大航程达15 000千米，起飞总重达560吨。