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航空技术一路走来：这50件大事你可知道？

2020-07-21 17:08

来源：澎湃新闻·澎湃号·媒体

以下文章来源于聚恩君，作者张聚恩

聚恩君

一个爱科学爱家人爱朋友的“老民工”讲人生感悟，说航空故事。

飞机的发明是20世纪最重大的科技成果之一，是集众多领域技术之大成的综合体。本文精选了50件重大事项和50位杰出技术先驱，构成极简航空技术史。

歼-20战斗机

古代中国的四大航空发明

古中华、古希腊、古罗马，都有大量美妙的飞行神话，但大多是头脑中的臆想和口口相传的故事。真正有意义的是古代中国先后诞生的四项有实物依据的航空发明——风筝、竹蜻蜓、孔明灯和爆竹。令人称奇的是，这四大航空发明所蕴含的科学元素及内在的学理逻辑，恰对应四类现代航空器——飞机、直升机、浮空器和火箭。

达∙芬奇的航空创意设计

1495-1505这十年间，意大利的达∙芬奇（1452-1519年）阐释鸟儿飞行，做出固定翼滑翔机、旋翼机和降落伞等大量创意设计，累计达35000字。遗憾的是，这些宝贵财富，直到1797年方才公诸于世。但后世的人们，仍能从达∙芬奇超越时代的非凡想象力与创造力中，汲取灵感和教益。

达∙芬奇

气球使人类首次离开地面

1783年，法国约瑟夫∙蒙哥尔斐和艾迪安∙蒙哥尔费兄弟制作的热气球实现人类的首次载人飞行；弗朗索瓦∙德∙罗泽尔成为乘坐热气球升空的第一人。同年亨利∙查理研制出利用氢气的气球，亦称“查理气球”，首飞成功。

1784年，法国人皮埃尔∙布兰卡德实现气球的空中操控。1785年，布朗夏尔和助手乘自制氢气球，飞越英吉利海峡。法国是气球发展与应用的热土，甚至组建了最早的气球部队。

热气球

真正意义上的首个航空器问世

1809年，英国乔治∙凯利制作了表面积达28平方米的滑翔机，堪称历史上真正意义的首个航空器。他既是对航空发展有拨正船头之功的科学家，又是才华罕见的实践家。1853年，凭借他的滑翔机3号，在公众面前，表演了人类首次载人飞行。莱特兄弟认为凯利是重于空气飞行器的真正先驱。

乔治•凯利的滑翔机

在航空技术发展的长时间里，滑翔机发挥了极其重要的作用。在该领域的杰出代表当属德国的奥托∙李林达尔。他深入研究鸟类的飞行，并从1891年开始，制造了多架滑翔机，先后完成了两千余次飞行，积累了丰富研究成果和试飞数据，1896年8月10日，因前一天飞行试验时失速受伤不治而献身。

李林塔尔的滑翔机

首例飞行器设计专利

1843年，英国威廉姆∙塞缪尔∙汉森申请的以螺旋桨驱动的“空中蒸汽车”设计专利被授予。这项设计的研制实验失败，仍具有划时代意义。1881年，俄国莫扎伊斯基获得发明“空中飞行器”（飞机）的俄国专利权。

莫扎伊斯基

飞艇的出现与商业航空的初兴

1852年，法国的亨利∙吉法德完成蒸汽动力飞艇的可操纵飞行，这也是人类的首次有动力航空器飞行。1900年，德国费尔南德∙齐伯林制造的世界第一架硬式飞艇首飞成功；1909年他创立以飞艇为工具的航空运输有限公司，商业航空初兴，直到1937年因“兴登堡号”空难而衰落。

齐柏林飞艇在康斯坦茨湖首飞

第一座风洞建成

1871年，英国韦纳姆建成世界第一座风洞，为开路式木箱结构，利用蒸汽马达驱动风箱，可产生速度17.9米/秒的气流。1901年，莱特兄弟也制作了自己的风洞，用于机翼选型试验。在经历上千次200余种不同机翼的风洞试验、取得大量数据的基础上，确定了翼型，完成了飞机设计。1902年，俄国茹科夫斯基也在莫斯科大学领导建设了风洞。（风洞是最为重要的地面试验设施之一，采用逆向构建飞行环境，即人造气流吹动试验实物或模型的方式，模拟飞行，获取数据，以研究空气动力学规律，验证飞行器气动布局和性能计算）

莱特兄弟的风洞（复制品）

首款扑翼机问世

1890年，法国的阿代尔制造了一架取名“风神”的扑翼机，该机装有两台蒸汽发动机，在实验时曾飞离地面20cm，飞跃了50m距离。虽不能称为真正的成功，却昭示了仿生飞行的潜质。在迄今的130年里，因各种原因，扑翼机发展缓慢，工程实用尚待时日。

阿代尔的扑翼机

首次有动力、大尺寸飞机试飞

1896年5月6日，美国塞缪尔∙兰利设计的有动力、重于空气、非载人、大尺寸飞机试飞成功，为世界首例。但在随后进行的多次载人飞行中，均因动力不足和结构强度不够而未获成功。其中最后一次试飞发生在1903年12月8日，莱特兄弟成功前9天。但兰利虽败犹荣，作为19世纪美国科技领军人物，他的贡献是多方面的，享有崇高地位。美国第一艘航空母舰和著名的空军实验室均以兰利命名。

塞缪尔∙兰利

首款扑翼机问世

1903年12月17日，美国的威尔伯∙莱特和奥维尔∙莱特兄弟，使用他们自己设计制造的“飞行者1号”飞机，成功完成人类第一次载人、有动力、可控飞行，开启了航空新纪元。莱特兄弟的成功直接技术原因是：自行改制适用的发动机，良好的构型与机翼设计，以及首创和采用翘曲机翼。（翘曲机翼的原理是，通过操纵机构，使一侧的机翼产生翘曲和扭转，该侧机翼升高，机身则会朝机翼较低的另一侧转向。在用机翼翘曲控制侧倾的同时，又用前置升降舵控制俯仰，尾舵控制偏航）

飞行者一号

欧洲首次可操作飞机飞行成功

1906年，巴西人阿尔贝托∙桑托斯∙杜蒙设计制造的“14比斯”盒式双翼机在巴黎飞行成功，被官方承认为“欧洲首次持续、有动力、可操纵的飞行”，在其中一次飞行时创造的37.36km时速，还被新成立的国际航空联合会（FAI）记为第一项飞行速度世界纪录。

杜蒙有多项航空发明和飞行记录，但他放弃一切专利权声索，表示一切成果归众人。他在1932年7月23日自杀，年仅59岁，原因竟是对航空器用于战争深恶痛绝，遗言是“我发明了世界的苦难”，令人嗟叹！

“14比斯”盒式双翼机

寇蒂斯的副翼与副翼系统问世

1907年，美国的格伦·哈蒙德·寇蒂斯发明了副翼和副翼操纵系统。通过在机翼后缘上设置铰接挡板，安装对称的操纵面，通过左右差动偏转造成升力差，来维持飞行稳定性。这项设计是一项足可载入史册、至今仍在应用的伟大发明。

寇蒂斯飞机公司研制的各型飞机在第一、二次世界大战中，成为美国军用飞机的主力。其中1938年问世的寇蒂斯P-40型战斗机，共生产13738架，是美国与盟国的主力战机之一。

寇蒂斯P-40型战斗机

直升机问世

1907年，法国的路易∙布雷盖兄弟与里歇共同研制完成名为“陀螺飞机1号”的直升机，试飞时离地仅1.4米。同年，保罗∙科尔尼也研制出一款载人直升机，试飞时离地30cm高度，但悬停了20s，该机无操纵功能。1911年，俄国人尤里耶夫发明自动倾斜器，解决了直升机的平衡与操纵问题。1932年，西班牙人胡安·切尔瓦发明了铰接式旋翼，推动了直升机技术的发展。

“陀螺飞机1号”直升机

"冯如1号"与中国现代航空元年

1909年，旅美华侨冯如（1884-1912年）设计制造的“冯如1号”飞机成功飞上蓝天。1911年2月，冯如回到祖国，投身辛亥革命。1912年8月25日，冯如在飞行表演中不幸牺牲，年仅28岁。冯如被尊为“中国首创飞行大家”和“中国航空之父”。中国航空界将1909年定为中国现代航空元年。

“冯如1号”飞机

水上飞机问世

1910年3月，法国人亨利∙法布尔设计的浮筒式水上飞机首次试飞，为航空器增添了一种新的类型。同年7月，中国人谭根研制成功水上飞机，并在芝加哥万国飞机比赛中获奖。1911年，美国寇蒂斯研制成功世界第一架实用型水上飞机，实现在舰船上着舰。1916年，波音公司成立后的“第一桶金”来自海军的50架水上飞机（C型机）订单；担任波音首位工程师的王助（1893-1965年）为解决该机的操纵稳定性问题做出杰出贡献。

波音B-1水上飞机（复制品）

首架原理性喷气飞机问世

1910年，罗马尼亚的亨利∙科恩达（1886-1972年）研制出一款试验飞机；他用1台活塞发动机，带动一个管道内风扇转动，驱动空气向后喷出，产生反作用推力，被认为是世界首架原理性喷气飞机。科恩达的这次试飞未获成功，但其创新意义非凡。

科恩达1910飞机

飞机首次用于战争

1911年，飞机被意大利远征军用于空中侦察；同年，墨西哥内战革命军雇佣美国飞行员埃文兰伯，驾驶“寇蒂斯”式飞机，与政府军的一架侦察机在空中用手枪互射，开创了空战先例。同年11月，在意土战争中，意大利空军首次从飞机上向敌方地面投掷榴弹，为空中轰炸的发端。

柯蒂斯JN-4飞机（复制品）

1912年，机枪被搬上莱特B型飞机。第一次世界大战初，法国人把带活动支架的重机枪装到飞机后座上，由观察手兼任后射机枪手。1915年，第一次成功的军事空中摄影由英国皇家陆军航空队实现。1917年，一战结束前，德国研制的“光学轰炸瞄准具”问世，为初始的火力控制装置。

莱特B型飞机（复制品）

飞机首次用于定期商业客运

1914年，在美国佛罗里达州开辟了一条飞越海湾、连通圣彼得斯堡和坦帕的旅游航线，飞机被首次用于定期商业客运。1919年，巴黎—布鲁塞尔航线开通，使用法尔芒公司由轰炸机改16座飞机，为世界首条国际商业客运航线。

机枪射击协调器问世

1915年，荷兰的安东尼·福克尔研制成功机枪射击协调器。（原理是在螺旋桨轴上安装一个凸轮，突起部分对应螺旋桨片的位置，当桨叶与枪管成一线时，机枪自动停止击发）

这一看似简单的天才设计改变了空战双方的能力态势。在一战中，德国率先将这一发明用到福克-E型单翼飞机上，击落大量协约国的飞机。由此，福克-E也被认为是世界第一种真正实战意义上的战斗机。

福克E-III飞机（复制品）

全金属飞机问世

1915年，世界上第一种使用钢材的全金属飞机J-1“锡驴”由德国容克斯设计制成，首飞成功。1919年，容克斯又研制出世界上第一架全金属结构的、专门设计的客机J.F13，该机还成为世界上首款采用封闭式客舱、座椅系安全带、机舱内装有暖气的客机。从以木料为结构材料，到全金属飞机的出现，飞机的性能有了巨大提升，开辟了新的进步途径。

容克斯J.F13客机（复制品）

1933年，具有全阳极氧化铝结构的波音247型客机首飞成功，它以流线型外型、可收放起落架和自动驾驶仪、除冰器等配置，成为第一种现代客机。

波音247型客机（复制品）

首次不着陆飞越大西洋

1919年，英国阿尔科克和布朗驾驶“维米”轰炸机，从美洲纽芬兰的圣约翰斯向东飞行，抵达爱尔兰的克利夫登，实现人类首次不着陆飞越大西洋。1927年，经33小时从纽约到巴黎的飞行，美国查尔斯∙林德伯格（林白）完成单人不着陆跨大西洋飞行壮举，也标志着飞机远距离飞行性能的历史性进步。

“维米”轰炸机（复制品）

可收放式起落架首次用于飞机

1920年，美国人在“戴顿-莱特”竞赛飞机上首次安装了可收放式起落架，性能良好，并使竞技成绩大为提高。迄今，除水上飞机和少数小型飞机外，可收放式起落架已是多数航空器的必选。

“戴顿-莱特”竞赛飞机（复制品）

首次完成空中加油

1923年，美国陆军航空队在DH-4B飞机上完成世界首次空中加油。1933年，苏联进行了第一次空中加油试验。1934年，英国进行了轰炸机的空中加油。1938年，英国研制出最早的空中加油机A.W.23，该机为帝国航空公司提供空中加油服务。

DH-4B飞机

电动陀螺仪被首次装在飞机上

1927年，电动陀螺仪被首次装在飞机上。陀螺仪具有空间定向能力，是飞机导航仪表和自动驾驶仪的基础器件。电动陀螺仪的装机，为实现飞机的自动飞行创造了条件。最早装于飞机的电动陀螺仪是1914年由美国人斯派雷制成的。

无人机问世

1927年，英国皇家飞机研究所研制出“喉”式单翼无人机，成功飞行了480km，被认为是世界最早的无人机。1933年，英国的“仙后”靶机问世，该机采用无线电遥控，是最早的实用型无人机；随后，在1934-1943年间，先后有420套“虎蛾”双翼教练机被改制成无人机。

随着无线电控制和惯性导航技术的进步，1939年，美国雷吉纳德∙丹尼和他的无线电飞机公司制成RP-1遥控飞机，至二战结束，美军共采购15000架，改制成靶机；后经多次改进，累计生产48000余架。

雷吉纳德·丹尼和他的RP-1靶机

同年，德国研发出能携带1吨炸弹、执行投放任务后可返回基地的遥控无人攻击机，被认为是现代攻击无人机的鼻祖；后在此基础上，催生出著名的V-1导弹。50年代中期，美国陆军将RP-71型靶机改制成AN/USD-1战场监视机，为世界首架实用型无人侦察机。

AN/USD-1战场监视机（复制品）

直升机实用化进程开启

1936年，德国人福克∙沃尔夫成功试飞了载人直升机FW-61，被公认为世界首架技术成熟的直升机。同年，俄裔美国人伊戈尔∙伊万诺维奇∙西科斯基研制成功单旋翼带尾桨直升机VS-300。直升机的实用化进程由此开始。

FW-61直升机（复制品）

喷气时代开启

1937年，英国弗兰克∙惠特尔研制出世界首台离心式压气机涡轮喷气发动机（压气机由后面的燃气涡轮带动，故称涡轮喷气发动机，简称涡喷）。1938年，德国人汉斯·冯∙奥海因研制成功轴流-离心组合式压气机HeS3涡喷发动机。1939年，配装HeS3发动机的He178飞机完成首次飞行试验，开启了人类航空的喷气时代。

He178飞机

适航概念与适航管理提出

20世纪30年代，适航概念及适航管理从国际海商法中引入航空领域。这是民用飞机安全技术的重要进步。（适航性是指，航空器整体性能和操纵性特性，在预期使用条件下保持其安全性和物理完整性的品质。适航管理是以保障航空器的安全性为目标，以适航标准为依据的技术管理，分为初始适航管理与持续适航管理，以保证航空器在全寿命周期内的安全性）

后掠翼概念的提出

1935年，德国阿道夫∙比斯曼提出后掠翼概念和理论；1942年，首次采用后掠翼机翼的德国Me-262喷气战斗机试飞成功。后掠翼指机翼各剖面沿展向后移，可推迟激波出现，提高临界马赫数，有利于飞机跨声速飞行。二战后，苏、美也相继研制出后掠翼飞机，现已成为战斗机的主流样式。

Me-262战斗机

机载雷达首次用于飞机

1937年，英国人鲍恩研制出一种小型雷达，安装在“安森”号飞机上；这是世界上第一种安装雷达的飞机。较之地面雷达，机载雷达的作用范围更加宽广。它已成为大中型飞机全天时全天候安全飞行的基本配置，也是军用飞机最重要的目标探测装备。

“安森”号飞机

可靠性概念的提出

1939年，英国航空委员会首次提出可靠性概念。二战中，德国有80多枚V2导弹在发射台上就发生了爆炸；美国因机载设备失效损失的飞机，是被击落飞机数量的1.5倍。由此，可靠性问题受到重视。到20世纪50年代，发展成一门分支学科。

V2导弹

可靠性通常被定义为：产品在规定条件和规定时间内，完成规定功能的能力。通常用平均故障间隔飞行小时和平均故障间隔时间分别作为飞机全机和设备的可靠性度量参数。在工程上，确保可靠性的主要环节是可靠性设计。

机载制导武器登上舞台

1944年，德国首先研制完成X-4型有线制导空空导弹，因二战即告结束而未投入战场使用；从20世纪50年代中期以来，空空导弹获得快速发展。通常分红外、雷达和复合等不同制导方式，近距（20km内）、中距（20-50km）和远距三种射程。20世纪50年代初，另一种机载制导武器——空地导弹出现；空地导弹包括战略和战术两类，在执行打击和摧毁地（水）面目标的作战任务中，作用巨大。

X-4型有线制导空空导弹

空空和空地导弹因其发射平台机动、携初始能量、能自动跟踪和高效毁伤目标，成为各类战机的主要配置武器，至今各自都经历了四代产品的发展。我国空空导弹系列以“霹雳”命名，已整体步入世界先进水平。

突破声障

1947年10月14日，贝尔公司研制的以火箭发动机为动力的X-1研究机由B-29飞机带到空中投放，查尔斯∙耶格尔上尉驾驶X-1机在12800m高空首次突破声障，速度达到1.015马赫数（1078km/h）。由此，航空进入超声速时代。

X-1研究机

涡轮风扇发动机问世

1947年，英国罗尔斯·罗伊斯公司研制的“康维”涡轮风扇发动机开始台架试车，1959年定型，是世界上第一种批量生产、并用于客机（B707、DC-8等）的涡扇发动机。从上世纪70年代开始，涡扇发动机逐渐成为主要动力。

在技术上，向低涵道比加力和高涵道比两个方向发展。前者主用用于战斗机，后者主要用于运输类飞机。实用化的高涵道比涡扇发动机分别首先用于美国C-5A军用运输机和B747-100大型客机，而后成为运输类飞机的主流动力。（涵道比是指涡扇发动机的外涵道空气流量与内涵道空气流量之比，涵道比高，发动机的推进效率高，耗油率低。）

波音747-100B客机

复合材料用于飞机机体制造

20世纪40年代，玻璃纤维增强型复合材料问世；20世纪60年代末，高性能碳纤维初步商业化，以连续碳纤维增强的高性能树脂基复合材料应运而生。B787和A350XWB两款大飞机的复材用量分别达50%和52%的，除起落架等少数部分外几乎所有构件都是复材制造的；B787的筒形机身已可整体成形。

波音787、空客A350XWB客机

惯性导航系统用于航空器

1950年，美国斯佩里公司研制的第一部惯性导航系统诞生，并在道格拉斯DC-3客机上试飞。70年代后，另一种能够提供高精度三维位置、速度和精密时间信息的导航系统——全球卫星导航定位系统得到发展，美国的GPS和俄罗斯的GLONASS，分别在1994年和1995年建成，我国的“北斗系统”即将部署完毕。

道格拉斯DC-3客机

喷气式客机登上历史舞台

1952年，世界首款喷气式客机——英国德∙哈维兰设计制造的“彗星号”投入运营，该机采用四发，巡航速度788km/h。遗憾的是，在1953年至1954年间因机身疲劳断裂，3次引发空难，后退出历史舞台。

1958年投入航线运营的波音707飞机，由于采用了多项新技术，其性能优良，单座运营成本甚至低于螺旋桨飞机，成为最成功的的喷气式客机；它的成功标志着世界民航运输业进入全球化、大众化新时期。

“彗星号”、波音707客机

突破热障

1956年9月27日，由美国贝尔飞机公司研制的X-2验证机在试飞中速度达到3.196马赫数，首次突破热障，创造这一记录的试飞员是梅尔本.阿普特。突破热障的代表机型有苏联米格-25战斗机和美国RS-71战略侦察机。（热障是指飞机在稠密大气中作超声速飞行时，因气动加热所带来的结构、材料的强度下降甚至性能破坏问题，一般将2.5马赫作为热障的界线）

从B-50母舰掉落后的X-2验证机

垂直起降固定翼战斗机服役

1969年，英国研制的AV-8“鹞”式垂直起降飞机开始服役，是世界上第一种实用的垂直起降战斗机；但其满载时只能短距起飞。苏联的雅克-30“铁匠”也达到了实用程度；1971年首飞，1976年服役。

雅克-30“铁匠”、AV-8B“鹞”式战斗机

2008年，美国“短距起飞、垂直降落”的F-35B（STOVL）完成首飞，2013年列装。具有垂直起降功能的另类为美国V-22“鱼鹰”，它采用可转动喷管发动机与可倾转旋翼的组合构型；1999年交付美海军陆战队使用。

F-35B战斗机、V-22“鱼鹰”倾转旋翼机

飞机结构设计思想变革

20世纪60年代，飞机结构设计思想和方法由此前传统的静强度设计开始发生重大变革。因英国“彗星”号飞机在1954年前后连续发生空中解体事故，而空难原因判定为金属疲劳，而引入疲劳-安全寿命设计。又因在1968-1969年间密集发生的因断裂而生的事故，引出耐久性-损伤容限设计。

结构设计思想与方法的变革是航空技术进步的一个重要方面，对于提高飞机的安全性具有至关重要的意义。

世界最大的客机投入商业运营

1968年，在总设计师乔·萨特的领导下，美国波音公司的400座级客机B747出厂，该机为世界首款双通道客机，使用四台涡轮风扇发动机，商载90吨，航程13000KM，该机采用客货两型并行开发的技术途径，是有史以来最成功的民机机型之一。

2007年，空中客车550座级的A380投入使用，取代B747成为全球载客量最大的客机，该机是首架真正意义上的双层客机，经济性优异。

空客A380客机

第一种电传操纵系统飞机首飞

1974年，世界上第一种采用主动控制技术和电传操纵系统（模拟式）的飞机—F-16A/B战斗机试飞成功，标志这项技术从C-1型自动驾驶仪（1943年装于B-17E轰炸机）开始，经30年发展，成长为一个可靠的功能系统。1978年，该机交付使用。1985年，采用数字式电传操纵系统的F-16C/D入役。1988年，空客A320成为最先采用电传操纵系统的客机。

B-17E轰炸机、空客A320客机

超声速客机"协和号"投入运营

1976年，英国、法国联合研制的“协和号”超声速客机投入航线运营，这是世界第一款、也是迄今唯一一款超声速商用客机，堪称集成当时先进航空技术的杰作。由于音爆噪声，以及经济性差、载客量偏小、运营成本较高等问题，在2000年7月发生的一场非飞机原因的事故后，于2003年全部退役。同期，苏联的图-144也研制成功，但未真正投入客运，1989年退出货运。而美国波音的2707超声速客机中途下马。

“协和号”客机、图-144客机

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法国达索发布CATIA系统软件

1982年，法国达索系统公司向全球发布CATIA第1版本，连同在此前后一大批计算机辅助设计、工程、制造和数据管理软件的开发与应用，标志着全球航空工业跨进数字化新阶段。

波音公司的B777项目是世界首例进行100%数字化设计和装配的大型客机。我国的新“飞豹”战机是国内首次实现全机三维设计和电子预装配的飞机项目。

“飞豹”战机

隐身技术实用化

1983年，美国战斗轰炸机F-117A正式交付部队，这是世界首款全隐身设计的飞机，标志隐身技术的实用化。此后，美国研制的B-2、F-22、F-35等飞机，以及多型巡航导弹、反辐射导弹等武器，也都采用了隐身设计。（隐身亦称低可探测性，该项技术的实质是极力降低飞机的雷达、红外、激光、短时、目视及声学特征，使己方难以被敌方探测设备发现与跟踪。雷达隐身，即减缩飞机雷达反射截面积，是飞机隐身技术的重点）