年12月间，一个普普通通的冬天，对美国北卡罗来纳州小鹰镇的人们来说并没有什么特别，他们早已做好了迎接严冬的准备。没有人会注意到，此时此刻，在镇上一个杂乱得像修理铺的小车间里正站立着一对兄弟。他们相互看着对方，没有言语。

他们中的一个把手中的硬币抛了出去。

正面代表的是哥哥，反面代表的是弟弟。

兄弟二人的眼睛死死地盯着那枚硬币——他们心里很清楚，如果选中，将要面对的，很有可能是受伤、瘫痪、甚至死亡。

他们之所以选择抛硬币的方式，不是不想冒险，而是不愿意对方冒险。

硬币是正面。

哥哥平静地朝一架看起来有些古怪的机器走去。这是一架奇怪而又可怕的机器，在过去的几十年，已经有很多人因为这种机器摔死了，死得很惨。

伴随着发动机的轰鸣，这架机器飞离了地面，哥哥还没来得及欢呼，却又重重地栽了下来……万幸的是哥哥并没有受伤，只是机器摔坏了。

经过几天的维修，兄弟二人又一次站在了旷野上。

这次负责驾驶的是弟弟。

这一次，飞行持续了12秒，航程36.5米。

这是一个很寒酸的数字。

但是，因为这个数字，史学家要把人类的历史分成两段来写——这是人类历史上第一次实现重于空气的航空器持续而且受控的动力飞行。

这一天是年12月17日，这对兄弟的名字已是家喻户晓：哥哥叫维尔伯·莱特（WilburWright），弟弟叫奥维尔·莱特（OrvilleWright）。他们驾驶的这架机器，叫“飞行者一号”。

飞行者一号（图片来自网络）趴在下层机翼中间驾驶飞机的就是弟弟奥维尔，而跟在飞机旁边奔跑的是哥哥维尔伯。

首次重于空气的航空器持续而且受控的动力飞行——这是一句很拗口的表达，但是为了说明莱特兄弟这次飞行的伟大之处，就必须得这样说。

挣脱重力飞向蓝天，一直以来都是人类的梦想。为了实现这个梦想，在莱特兄弟之前，已经有很多人想过很多办法，而且已经成功了，一个典型的例子就是热气球——人类第一次载人热气球飞行早在年就已经实现了。得益于化学工业的长足进步，氦气、氢气等低密度气体的生产制造成为可能，又诞生了一中比热气球更具优势的飞行器——飞艇。这类航空器都是轻于空气的，依靠的是浮力，所以又被称为“浮空器”。浮空器的优势很明显：原理简单、易于制造。20世纪二三十年代甚至成功制造出用于欧洲到美国跨大西洋商业飞行的巨型飞艇——齐柏林飞艇，载客人数近百人！

齐柏林飞艇（图片来自网络）

但是飞艇的劣势也非常明显：由于依靠浮力，体积非常庞大，这就会导致速度极慢。随着飞机技术的发展，飞艇被淘汰只是时间问题。然而，压垮飞艇的最后一根稻草并不是速度，而是安全问题。

早期飞艇充的是氦气。我们都知道氦在元素周期表里排行老二，是一种密度很小又很安全的惰性气体，但氦气很难获得。工业上，氦气主要靠从含有氦的天然气中提取，然后反复提纯，产量极低，价格极其昂贵。与之相比，氢气的密度比氦气还小（氢气是目前已知的密度最小的气体），而生产却容易得多（天然气或水煤气制氢、电解水等）。但氢气的劣势却是致命的——氢气是可燃的，极易爆炸，所以开始的时候并不敢使用氢气。随着飞艇制造工艺改进，安全使用氢气基本得到了保障，出于经济的考虑，飞艇开始大规模使用氢气。

然而，事故还是发生了。

兴登堡空难（图片来自网络）

年5月6日，一架共有97名乘员的齐柏林式飞艇在降落时爆炸起火，36人遇难。这就是历史上著名的兴登堡空难，这次空难客观上直接导致了飞艇正式退出历史舞台。从此以后，飞艇只在游乐业等极少领域继续使用了。

话说两头。早年，在热气球和飞艇蓬勃发展的时候，就有人宣称：重于空气的飞行根本不可能实现。然而，始终有一部分人偏不信这个邪，在他们眼里，“漂浮”从来不是理想的飞行，他们向往的是像鸟儿一样翱翔蓝天——自由、灵活、迅速。

事实上，在莱特兄弟之前，就已经有许多先驱致力于重于空气的飞行器的研制。但一直以来有两个瓶颈：一个是动力问题，一个是控制问题。

对早期研究飞机的人来说，动力问题是一个无法解决的问题。因为时代限制，供他们使用的只有蒸汽机，而蒸汽机效率极低，而且极其笨重，根本不可能拿它安装在飞机上。因此早期的研究对象都是滑翔机。

对滑翔机而言，一个很重要的问题是如何控制——不受控制的飞行无异于自杀。早期有的滑翔机没有着陆架，必须降落在水上，每一次飞行对驾驶员来说都是生死考验。为了控制滑翔机的升降转弯，有人想出了一个办法——驾驶员扭动身体，借身体重心的移动来操控飞行，显然，这种操作并不容易，危险性也不低。

……

在诸多先驱中，奥托·李林塔尔是具有代表性的一位。年8月9日，在一次滑翔试验中他从空中跌落，造成脊椎断裂，并于翌日去世，临终前他的遗言是：“做一些牺牲是必须的。”

奥托·李林塔尔滑翔机实验（图片来自网络）

以奥托·李林塔尔为代表的很多先驱的名字，并不为人所知晓。人们只记得最终实现冲天一飞的莱特兄弟的名字。然而，人类历史上任何一个创新与创造，都不只是最后那个耳熟能详的名字就能完成的，牛顿、瓦特、爱迪生……无不是站在大量的前人工作的基础上才做出了最后的突破。人类应该庆幸，在我们的族群中始终有这样一批人，他们把毕生的精力甚至生命和鲜血都献给了提高人类文明高度这件事情上，却从来不是为了名与利、不是为了青史留名……他们好多人的名字已无从知晓，但是他们所创造的功绩，将与世长存。

莱特兄弟是幸运的，在他们所处的时代，制造轻便的汽油发动机已经成为现实，另一方面，前人已经为他们积累了大量的数据与经验。

莱特兄弟是天才的，因为在在同样的工业条件与知识水平下，是他们完成了最后的突破。莱特兄弟最大的贡献主要有两个，一是率先利用风洞实验进行空气动力学研究，一是解决了飞行控制问题。

在莱特兄弟之前，人们要获得机翼的空气动力学数据，就必须进行一次滑翔机的飞行，这会带来两个问题：一个是代价很大，二是风险大，尤其是对不成熟的新设计的机翼，极易发生事故而造成机毁人亡的惨剧。莱特兄弟最开始也是如此，不过他们发现前人总结的升力数据并不正确。为了获得较为精确的升力数据，他们想到了风洞实验。

事实上，风洞并不是莱特兄弟最先发明的。最早的风洞是由说了名字大家也记不住的英国人在年发明的，其目的主要是为了研究空气阻力的。风洞是个什么东西呢？故名思议，就是一个“有风的洞”，风洞有什么作用呢？举一个简单的例子。上一篇我们说了许多遍风筝的例子，这里我们继续把风筝请出来。我们放风筝的时候，常常要在田野上奔跑起来，但是在田野上奔跑又非常累，不想奔跑又想放风筝，怎么办呢？只有等刮风的时候了。显然，不论是奔跑还是刮风，目的就是要风筝和空气产生相对运动。

关键就是这个相对运动。

当我们要测一个东西的气动性能时，让东西“奔跑”往往比较困难，那么换一个角度，把它放在风中就好了——但是也不能让它在风中独自凌乱，所以这个风要可控、还要可测、也不能像孔明一样为了借个东风得跣足散发登台作法……这个风得说有就有。鉴于大自然向来没有那么好的脾气，人们只好自己制造一个微型的风场了——这就是风洞。下图就是一个简单的风洞示意图。

风洞示意图

简单地说，在一个“管子”后面装一个风扇，当风扇运转起来时，就会把空气源源不断地吸进“管子”形成一个风场。为什么不换个方向让风扇把风“吹进”管子呢？原因很简单，“吹”进来的空气，已经风扇扰动成为了“乱流”，没有什么卵用了。当然上面这个图只是简单示意，真正的风洞要复杂得多。

让我们把故事拉回到莱特兄弟。当前辈们为了获得升力数据一次又一次冒着生命危险趴在滑翔机上靠扭动着身体来控制飞行时，莱特兄弟忽然想，把机翼固定起来，给它吹风不是也一样吗？于是，他们制造了一个简单的风洞，大概就是下面这个样子。

莱特兄弟制造的风洞模型（图片来自网络）

可不要看这个东西很简陋，它却起到了巨大的作用。有了这个东西，莱特兄弟就可以以极小的代价重复上千次实验，不断修正他们的机翼形状，最终得到一个非常理想的设计。一般情况下，风洞的尺寸要比飞机小得多，所以做实验时用的都是飞机的模型，如下图：

风洞（图片来自网络）

当然，这种简化的模拟终究不可能与真实的飞行状况完全吻合，总会带来误差，如何减小误差已经成为一门复杂的技术了。当然，当飞机尺寸不是很大时（例如无人机），对土豪而言建个全尺寸风洞也无妨，大家可以从下面美帝的画风感受一下。（其实风洞东西可不光是飞机用。很多行业，例如汽车，为了降低风阻，设计外形的时候都要拿到风洞里吹一吹的。）

美国NASA风洞实验装置（图片来自网络）

通过风洞解决了气动设计问题，现在就剩下飞行控制问题了。

前面说了，早期的滑翔机是靠人扭动身体移动重心来控制的，这显然不是长久之计。那么莱特兄弟是怎么做的呢？他们给出了自己的解决方案：三轴姿态控制。

下面这张图就是莱特兄弟的“飞行者一号”的模型，我们可以看出，他们在飞机上设计了几个舵面，这几个舵面都通过拉线与驾驶杆相连。所谓三轴姿态控制，就是通过飞行员操纵驾驶杆带动拉线，使舵面发生偏转而实现的：

飞行者一号模型（图片来自网络）

当升降舵向上或者向下偏转时，会在升降舵上产生向上或者向下的力，从而使飞机抬头或者低头，如下图，箭头代表受力的方向。

同样的道理，方向舵向左或者向右偏转时，会改变飞机航向。但是要注意，改变飞机航向并不能让飞机“拐弯”，因为在天上飞和汽车在地上跑完全不一样，汽车只要打方向盘导向轮偏转后，轮胎与地面巨大的摩擦力就会使汽车转向。但飞机与空气的摩擦力很小，飞机偏航以后，会沿着原来的方向“斜着”继续飞，就像下面这张图，飞机还会沿着箭头飞。

当然，当飞行距离足够远，哪怕再小的偏航都会导致“失之毫厘，差之千里”，所以偏航还是要坚决避免的。实际上，方向舵只占飞机垂尾的一小部分，垂尾之所以造那么大，就是为了保证飞行过程中保持航向的稳定。

那么飞机是如何转弯的呢？飞机必须通过“翻滚”才能转弯——这一点大家坐飞机的时候都有体会，就像下图这样，如果飞机迎面飞来要按箭头的方向转弯，就必须按图示的方向做“翻滚”。

但是翻滚以后，飞机往往会偏离航向，就像刚才说的“斜着”飞了，这个时候就要操作方向舵修正航向，所以飞机转弯是通过“翻滚+方向舵修正航向”实现的。那么“飞行者一号”是如何实现翻滚的呢？莱特兄弟观察了鸟儿的飞行姿态，他们发现，鸟儿是通过改变翅膀后端羽毛的角度来控制身体左右滚转的，于是，他们设想——是不是控制机翼后缘的角度就可以实现翻滚呢？

事实证明他们的设想是正确的。当机翼后缘向下变形时，升力增大，这样两侧机翼受力不平衡，就实现了“翻滚”。机翼怎么变形呢？他们的办法也很简单，由于他们的机翼是木制的，具有一定柔性，在机翼后缘连一根拉线，通过拉拽拉线就可以是机翼后缘翘曲变形。

不过通过使机翼翘曲实现翻滚并不是长久之计，后来人们又在机翼后缘设计了一个舵面，这就简单多了，只需要通过控制这个舵面的偏转就可以使飞机愉快的翻滚了——这就是副翼（示意图，不代表真实结构）：

说到这里，飞行控制的基本原理已经讲完了。表达水平所限，可能有些地方说得含糊不清。这里借用美国NASA网站介绍飞行原理的动图做一个总结：

升降舵控制俯仰：

方向舵控制偏航：

副翼控制翻滚：

通过各个舵面控制飞行，机翼就彻底摆脱了“柔性翘曲”这一魔咒。机翼一旦摆脱柔性走向阳刚，就可以造得硕大无比，就像下面这架最多可以搭载多人的A客机。A的各个舵面相当明显，不过下面这张照片上机翼后缘很明显向下偏转的翼面并不是副翼，而是襟翼。副翼在外侧，图中并没有偏转。至于襟翼是干什么的，这是后话了。）

A客机（图片来自网络）

从“飞行者一号”到A，人们走过了将近年时间。这一百年里，飞机早已告别了飞行者一号的模样，各型飞机的样子也千差万别，飞机的性能也早已今非昔比……不过不论A比“飞行者一号”大多少倍、先进多少倍、漂亮多少倍……它飞行控制的基本控制原理还是莱特兄弟百年前提出来的那个原理。

——这就是莱特兄弟伟大的地方。

主要参考文献：

《莱特兄弟》张自粉著

《人类飞行的历程》史超礼著

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