百年來人類飛行動力的演進
93/06/08
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蔣小偉｜
清華大學動力機械工程學系
飛呀！飛呀！飛呀！為什麼鳥兒可以如此自由自在地在天空中翱翔呢？而且隨著季節的變化可以飛行好幾百、幾千公里到遠方去避暑或避寒？牠們在飛行中又可以做出各式各樣的變化，難道不會失去平衡嗎？長時間飛行不會感覺疲勞嗎？空中飛來飛去的鳥兒實在令人羨慕。
能夠像鳥一樣，隨時可以飛到世界各國旅遊度假，一直是人類的夢想。因此，人類開始想像及製作像鳥類一樣可以飛行的翅膀，但始終沒有成功。人類想飛的夢並未因此停止，模仿鳥類翅膀行不通，聰明的人類就利用「人腦」發展動力飛行器，將人類翱遊天際的夢想逐步實現。
人類飛行夢想
若以確實的科學發展歷史來算，世界上第一個飛行器出現在中國三國時期的「孔明燈」，就是我們現在節慶所使用的「天燈」。儘管如此，中國早期卻從未衍生對於飛行科學的興趣。空氣的定性與定量分析，是由西方的理論化學家道耳吞（John Dalton）首先提出，但是對於飛行器空氣動力學的深入研究，則萌芽於文藝復興時期的義大利文藝及科學家達文西（Leonardo da Vinci）。
達文西曾經審視捕捉到的候鳥，開始研究羽翼的構造與重量，發現人類之所以不能飛行，是因為鳥類的羽翼面積與其重量比遠超過人造的飛行工具。有趣的是，達文西終止了人類數百年來「跳高樓」的瘋狂試驗，並指出人類想靠自己的體力做靈巧的飛行是不可能的。當時他畫下了許多原創的飛行器設計圖，如今都已塵封在博物館裡。今日在天空飛的最好飛行器，都不是由輕質的木頭所製造，而是堅硬的金屬。那些當時認為連漂浮在水上都不可能採用，更遑論沈入水中的材料，如今都一一運用在飛行器上了。
一七八三年法國的蒙哥爾飛兄弟（兄：Joseph-Michel Montgolfier、弟：Jacques-Etienne Montgolfier），利用熱空氣比冷空氣輕的浮力效應原理，發明了可載人的熱氣球，之後採用氫氣球，一七八五年更完成橫渡英、法之間多佛海峽的飛行。一八五二年法國的奇法特（Henri Giffard）製造了蒸氣飛船，是歷史上首次成功的商用飛行。直到一九三七年「興登堡」號飛船爆炸，才使得客運飛行暫時停止。目前使用的飛船內部，填充的氣體是氦氣，因此提高了安全性，但是因為速度較慢，所以僅用在廣告和高空攝影。
一九○三年十二月十七日，美國萊特（Wright）兄弟把自製的12 匹馬力（hp）水冷式四缸活塞式發動機安裝在飛機上，成功地製造了歷史上第一架動力飛行的飛機「飛行者一號」，在北卡羅來納州小鷹鎮的基蒂霍克沙丘上，進行歷史上的首次飛行。第一次由弟弟奧維爾‧萊特（Orvill Wright）駕駛，滯空時間12秒，飛行距離37公尺。第二次由哥哥韋爾伯‧萊特（Wilbur Wright）駕駛，滯空時間59秒，飛行距離260公尺。這是人類在重於空氣、有動力、可操縱的飛機上所做的首次飛行，從此開創了人類征服天空的新紀元。
「飛行者一號」是一架雙翼飛機，機身為架構式，沒有蒙皮，前梁沿著主翼前緣配置，主翼剖面是由弧形的彎梁所構成，外包蒙布，並利用支柱和拉繩加以支撐，主翼前方是二片用來控制升降的升降舵，後方則是垂直尾翼兼方向舵，升降舵和方向舵均有連桿與手動式的控制柄相連。為避免發動機扭力造成飛行的不穩定，主翼後方的左右兩側各有一副以鏈條帶動的螺旋槳。為了減輕起飛重量，「飛行者一號」並未裝配起落架或機輪，而是置於臺車上，再從軌道彈射出去。飛機翼展為12公尺、機長6.4公尺、高度2.4公尺、總重340公斤。
在萊特兄弟成功的飛行之後，有一次一位記者好不容易找到了兄弟兩人，要為他們拍照。弟弟奧維爾‧萊特謝絕了記者的請求，他說：「為什麼要讓那麼多人知道我倆的相貌呢？」當記者要求哥哥韋爾伯‧萊特發表講話時，韋爾伯回答道：「先生，你可知道鸚鵡叫得呱呱響，但是牠卻不能飛得很高。」就這樣，兄弟兩人視榮譽如糞土，不寫自傳，也從不接待新聞記者，只是默默地工作。
又有一次，奧維爾‧萊特從口袋裡取手帕時，掉出來一條紅絲帶，姐姐見了問他是什麼東西，他竟毫不在意地說：「哦！我忘記告訴妳了，這是法國政府今天下午發給我的榮譽獎章。」
活塞式發動機來臨了！
第一次世界大戰中，各國皆卯足全力開發新型發動機，以提高發動機的馬力。大戰初期，各國主要發動機的平均最大馬力輸出約在80～100 匹之間，到了一九一八年，180～200 匹的馬力輸出已成為一般水準，性能足足較早期高出了一倍。
發動機的設計，若依據排列方式區分，有環狀式（星型或輻射狀）和直列式兩種；若依據冷卻方式區分，則可分為水冷式和氣冷式兩類，不論是水冷式或氣冷式，皆可見於第一次世界大戰期間的協約國與同盟國兩大陣營。其中，把六個汽缸排成一列的稱為直列六缸，把曲軸置於中心，將汽缸以放射狀排列於周圍，則稱為星型引擎，當時以九缸配置的居多，到了戰後也就日漸式微。英國在研製水冷式發動機的過程中，把汽缸分成左右兩側呈Ｖ字形排列，堪稱一大突破。
第一次大戰結束時，各國主力機型所搭配的發動機平均最大馬力輸出約在二百匹左右，經過20年的研發，各類型發動機的馬力都成長了五倍左右。因此，當第二次世界大戰爆發時，各國發動機的平均馬力皆達到一千匹左右。大體上，各國都依據以往的專長和經驗擬定發動機的發展方向，並選擇水冷或氣冷式，這二類活塞發動機各有其利弊，以各國的主力戰機來看，歐洲各國大都愛用水冷式發動機，日本獨鍾氣冷式，而蘇聯和美國則是水冷、氣冷並用。
了解飛機動力的發展，必須先從往復式（活塞式）發動機開始談起。一八六二年法國人洛沙（Beau De Roches）首先提出了四行程的原理，此一原理到了一八七六年被德國人奧圖（Nikolaus A. Otto）加以運用而製造了全世界最有名的內燃機，同時也奠定了今日各種四行程循環往復式發動機的基礎，世人遂稱此循環為奧圖循環（Otto cycle）。奧圖循環可由下列過程來說明。進氣行程：燃油、空氣混合進入燃燒室；壓縮行程：燃燒室內部混合油氣絕熱壓縮；點火：在壓縮行程最頂端發生，而體積基本上是不變的；爆炸膨脹：油氣混合點火後產生絕熱、等熵的氣體膨脹作功；排氣行程：將燃燒後廢氣排出，排氣開始與進氣結束時的體積相同。
飛越大西洋
一九二七年五月二十日上午八時五十二分，美國人林白（Charles Lindbergh）自長島的羅斯福機場起飛，開始橫渡大西洋的歷史飛行。他循著大圓航線，掠過新斯科細亞、紐芬蘭島與愛爾蘭共約三千六百英里航程，只帶了五塊三明治、一夸特的水，捨棄降落傘、收音機以減輕重量和節省汽油。在飛行過程中，他必須克服疲累，飛行結束前絕不能睡著，終於在五月二十一日晚上十時二十二分飛抵巴黎布爾歇機場，受到空前熱烈的歡迎。
林白駕駛著「聖路易斯精神號」單翼機，以33.5個小時完成第一次紐約至巴黎的不著陸飛行，立即在大西洋兩岸成為英雄人物，並得到了國會的榮譽勳章和二萬五千美元的獎金，後來成為一位活躍的航空演說家。
首架民航機
波音公司在一九三三年推出的B-247是民航史上開創新紀元的首架民航機，這型飛機擁有流線型金屬機身和高馬力引擎，它創新的優點甚多，是最快速的多引擎運輸機，也是機身光潔、低風阻、合乎空氣動力學原理的飛機。所用的大黃蜂式引擎另外加裝了三片漢米爾頓標準型變矩螺旋槳，這使得B-247起飛時矯捷輕鬆，在巡航時既快速、平穩、安靜又省油。它建立了飛機堅牢度的標準，是日後波音每一架飛機的註冊商標。
然而波音公司因為銷售策略不當，第一年把生產的飛機全部都交給子公司–聯合航空獨家營運，使得另一家航空公司TWA（今日的環球航空）在無法取得這型先進飛機之下，決定改向道格拉斯飛機公司購買飛機。這筆訂單讓道格拉斯得以試造出DC-1，並發展出載客量更大、14個座位、速度更快的DC-2 和頗負名聲的DC-3，一舉占據三○年代後期的民航機市場，並為道格拉斯飛機公司奠立往後25年雄霸民航界的地位。反觀波音B-247型客機，由於銷售策略的不當，僅僅建造了75架後就告停產。
噴射飛機
第二次世界大戰開始後，因戰爭的需要，戰機的速度要求愈來愈快，飛行的高度也愈來愈高，於是各國紛紛投入噴射引擎的研發工作。終於在一九三七年，英國的懷特（Frank Whittle）及德國的馮歐漢（Hans Von Ohain）二人不約而同分別研發出世界第一部噴射引擎。
第一架噴射飛機是德製的He-178，發明人是德國的飛機設計師亨克爾（Ernst Heinkel）。一九三九年時，亨克爾找到研製噴射式發動機屢遭挫折的福海音尋求合作，兩人一拍即合。福海音是位燃氣渦輪專家，他從一九三四年起就開始研製渦輪發動機，這一次跟亨克爾的合作非常成功，兩位有志青年密切配合，協調工作，一個設計飛機，一個設計燃氣渦輪發動機，研究工作的進展十分順利。福海音所設計的發動機He-3b，推力為499kg（1,100 lbf）。在一九三九年八月二十七日，兩人合作的結晶He-178噴射飛機試飛成功，表示著人類航空史上噴射飛行時代的到來。
渦輪引擎
渦輪引擎是繼活塞式引擎後，備受重視的航空發動機。它是利用熱力循環中的布累登循環（Brayton cycle）所發展的，經過壓縮機的等熵壓縮、燃燒室的等壓加熱、然後是渦輪機的等熵膨脹、最後是等壓排熱，經由這理想的循環，才奠定往後噴射引擎發展的基礎。
渦輪發動機依據動力輸出的方式可分為下列數種型式：渦輪噴射（turbojet）、渦輪風扇（turbofan）、渦輪軸（turboshaft）、以及渦輪螺槳（turboprop）。
渦輪噴射引擎：是最典型的噴射引擎，原理是引擎前端將空氣吸入後，由壓縮機加壓，再至燃燒室燃燒，膨脹後的高壓高溫氣體由後方排出，因動量守恆原理而得到向前的推力。高壓高溫氣體同時也推動渦輪，渦輪再把動力傳給壓縮機。
渦輪風扇引擎：跟渦輪噴射發動機很類似，但有旁通氣流，發動機風扇吸入的空氣有部分沒經過燃燒室就直接加壓後排出，就是旁通氣流，優點是比較經濟，缺點是飛機最大速度會稍慢，商用噴射機旁通比都很大，所以發動機看起來都很胖。
渦輪軸引擎：這也是一種噴射發動機，但輸出的軸馬力最大，剛好用在直昇機上，現代直昇機都是採用渦輪軸發動機，所以今後有人跟你說那架直昇機是使用噴射引擎，大可不必驚訝。
渦輪螺槳引擎：這也是一種噴射發動機，但是以螺旋槳方式輸出動力，跟活塞發動機比，噴射發動機零件少很多，重量也輕，比較好維修保養，又因為它沒有活塞、曲軸、頂桿等的往復運動，所以震動也減少很多。
超音速飛行
「音速」究竟是一個不可逾越的障礙，還是可以突破的呢？很多科學家開始了不懈的探索，以求釐清這個問題。最先取得突破的是美國的太空總署蘭利研究中心，一九四三年，蘭利研究中心提出了一個X-1研究飛機方案。X-1研究飛機的外型，與其說是一架飛機，不如說更像是一枚砲彈，其空重為3,084公斤，裝載一具火箭引擎，由於燃料僅能維持兩分半鐘的動力飛行，為了充分發揮燃料的作用，故X-1研究飛機採用空中投放方式。
一九四七年十月十四日，由美國空軍耶格（Chuck Yeager）上尉所駕駛的X-1研究飛機，先由B-29轟炸機攜帶著飛行，到了一萬二千英尺的高空後，便脫離母機而啟動火箭引擎，開始加速並爬升至四萬英尺高空，此時關掉引擎並開始俯衝。當速度達到每小時七百英里（1,126公里），也就是0.96馬赫（即音速的0.96倍）時，飛機受到了劇烈的震動，突然間，飛機所受到的衝擊消失了，一切又歸於正常，這時X-1飛機終於突破了音速而達到馬赫數為1.05的超音速。
自此航空科學便正式跨入了超音速時代，這時距離萊特兄弟駕駛飛機不過44年光景。一九九七年正好是超音速飛行50周年，美國郵局發行了紀念郵票及首日封，在郵票的圖案中，飛機前端還畫了一道弓形震波，以紀念這航空史上重要的里程碑。
一九四九年二月，北美航空公司開始進行美國第一架超音速戰鬥機的研發工作，一九五三年，美國F-100「超級軍刀」式噴射戰鬥機平飛速度首次超過音速，達到1.38馬赫，世界第一架超音速戰鬥機就此誕生。
「協和號」客機是法、英兩國在一九六二年十一月二十九日簽訂合同，開始共同研製的。一九六九年三月二日，「協和號」原型機在法國土魯斯上空試飛成功，其飛行速度達到二倍音速，即每小時2,155公里。一九七六年一月，「協和號」客機終於投入商業營運。
有人說，坐「協和號」客機旅行，猶如坐在子彈頭上，「協和號」客機往返巴黎—紐約六千公里的航程僅需三小時四十分鐘，而普通客機需要七個半小時，由於時差關係，由巴黎西行紐約的旅客在抵達時，當地時間仍比起飛時間早一個小時，因而出現「離開巴黎前，即抵達紐約」的形容詞！
火箭及太空時代來臨
中國人發明火藥，而火箭是火藥的一種應用，當然也是中國人首創的。宋代民間已出現了利用燃燒火藥產生的高速氣體來推進箭枝的技術，朝廷並加以改進用於軍事方面，一○八六年宋朝與西夏蘭州之戰便大量使用火箭，到了明朝技術更加提升，連發數百枝箭的百矢弧箭、百虎齊奔箭逐一出籠。武備志記載如飛空擊賊震天雷炮、神火飛鴉等一些裝置，甚至具有飛彈的雛型。
明代有一位木匠叫萬戶，精通製造火箭的技術，他造了一隻「飛鳥」，飛鳥由一把椅子做主體以火箭為推力，萬戶讓人把他自己綁在椅子上，然後點燃火箭，飛鳥隨即衝上半空，但又急速向下墜落，萬戶不幸墜地身亡，成為人類有史以來，第一次以火箭做動力飛向天空的人。國際天文學會把月球上的一座環形山命名為萬戶，以紀念這位勇士。西方想飛是從翅膀開始，中國人卻率先利用反作用力以火箭做為動力飛行，相當創新。
一般人也許會說：為什麼不直接使用飛機飛向太空而要靠火箭呢？首先，飛機的飛行不完全靠引擎推力升空，而是靠飛機表面的氣體動力學。在速度增加時，機翼上下「空氣」流動速度不一樣，造成上、下壓力差，機翼上方空氣流速快，壓力較小，以致產生升力，讓飛機升空，再靠引擎的反作用力推動飛機前進。也就是說，飛機需要借助空氣的升力來克服地心引力才能飛行，在高空空氣稀薄的情況下，飛機是飛不出大氣層的。
根據牛頓定律，地球上的任何東西都會向地心掉落。為了克服地心引力的吸引，一定要減少火箭重量以提供足夠的推力使物體達到每秒11.2公里以上的速度才能飛離地球。
火箭飛行不需要依賴空氣，它是靠尾部噴出氣體所產生的反作用力前進的，空氣反而成為它的障礙，空氣會增加火箭升高的阻力、降低速度，並因摩擦存在，使火箭的表面產生高溫，甚至燒毀。所以要飛向宇宙，一定要解決火箭的高溫問題，並儘量縮短在大氣中飛行的時間。因此，發射火箭均採垂直向上的姿勢，以降低空氣的影響。
火箭引擎依種類不同可分為：化學火箭引擎、核子火箭引擎、電氣火箭引擎等，而化學火箭引擎又可分為固態火箭引擎和液態火箭引擎，現今常用的火箭是固態火箭和液態火箭。
固態火箭顧名思義，它所使用的燃料是固態的。固態火箭的推進劑可以直接保存在火箭中，通常可以儲藏5～10年之久。固態火箭沒有像閥門、渦輪及控制機構等活動部分，所以構造上比液態火箭簡單很多。由於構造簡單，所需的零組件較少，所以相對上，固態火箭的可靠性跟安全性比較高。典型的固態火箭有下列幾個主要部分：推進劑、燃燒室、噴嘴、以及點火器。
世界第一枚火箭是以液氧和汽油為推進劑，一九二六年三月十六日在麻省奧邦城發射，美國物理學家高達德（Robert Goddard）成功地發射世界上第一枚液態燃料火箭。在麻省所發射的這枚火箭，爬升的高度為12公尺，在全程2.5秒的試飛中僅飛行了55公尺，這次的試飛被稱為火箭研究上的「萊特經驗」。如同萊特兄弟的飛行測試，這位出身麻省的古怪教授所做的火箭測試，當時並未受到重視。
一九三○年史達林下令蘇聯科學家開始研究火箭，不久二次世界大戰爆發，而世界第一個火箭中心開始在德國發展V-2火箭，V-2的研發促成了美國太空總署的成立，到了一九五七年俄國「史撥尼克一號」升空，從此展開了太空「冷戰」。
第二次世界大戰之後，歐洲和美國的科學家都竭盡全力，研究新的可重新使用的太空飛行器。其中英國的一項構想，叫做MUSTARD，就是「多單位太空運輸及回收裝置」的意思。按照這個構想，它由三具相同的三角翼火箭構成，一起發射，到了太空便分開，其中兩具火箭只是用來幫助第三個火箭進入軌道。
一九七二年初，第一架真實尺寸的太空梭原型機終於獲得批准開始製造，而美國洛克威爾公司則成為第一架太空梭的主要承包商。一九七六年九月十七日，太空梭的裝配工作終於完成，稱為軌道載具（orbiter vehicle）。這艘太空梭便以美國當時有名的連續劇〈星空奇遇〉中的一艘太空船–「企業號」（Enterprise）為名。不過，「企業號」只是建造來進行飛行、著陸及其他各種試驗的，它還不是一具能夠進行全面作業的太空梭！「企業號」在進行了幾次試驗以後，就被安置在博物館裡了。
一九八一年四月十二日，太空梭「哥倫比亞號」（Columbia）點燃三具主發動機並發出隆隆巨響，數秒後，「哥倫比亞號」就在上千萬人的注目之下緩緩升空。自此，第一艘載人飛行的太空梭終於發射成功！之後，美國又陸續製造了「挑戰者號」（Challenger）、發現號（Discovery）、「亞特蘭提斯號」（Atlantis）、以及「奮進號」（Endeavor）等太空梭。
太空梭全長37.2公尺，機翼展開寬度是23.7公尺，高17.2公尺，重量約75公噸，時速可超過一萬六千英里，表面覆蓋了三萬四千片以上的隔熱矽片，能裝載重量超過三萬公斤的貨物，整臺太空梭分為軌道太空船，燃料槽和固體火箭引擎三部分。至於電力的來源則是燃料電池，一方面提供電力，也供給太空人用水（燃料電池以氫、氧為燃料，燃燒後生成水），過多的水則排出太空梭。除了主要推進器，太空梭另有44具輔助推進器，用來改變在太空中的方向。
距萊特兄弟在小鷹鎮那歷史性動力飛行的一刻，至今才短短一百年，飛機和航空器的飛行速度已從十五公里／小時提升至二萬六千公里／小時，推力從九十磅至超過一百萬磅，對全世界而言，飛機和航空器的發展可說是一日千里。
不可諱言，戰爭對於航空科技的進步，有一定的刺激作用，但如果說是為了互相戰爭而必須不斷地製造、發展更新的動力飛行器，那應該不是萊特兄弟所願見的。人類應把動力飛行科技，應用在提升人類未來生活福祉的用途上，如太空梭、極音速客機、微飛行器、無人飛機，或其他動力飛行引擎的發展。
人類未來是否會進一步進行更快速的飛行呢？ 如開發出幾十倍音速的飛機，或飛碟（幽浮），或是其他更快的飛行器呢？那就有待大家的努力囉！
