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航空發展百年紀念:飛行夢想的實踐者–萊特兄弟

一九○三年,萊特兄弟創造了「飛行者一號」飛機,這並不只是改裝一九○二年的滑翔機使它具有動力而已,而是一架全新的飛行機器。它的成功試飛,實現了人類飛行的夢想。
 
 
 
一九○三年十二月十七日,萊特兄弟製造出世界上第一架比空氣重並且可以載人的動力飛行器。當天早上十點三十五分在北卡羅萊納州的吉特赫克小鎮(Kitty Hawk),由29歲的奧維爾.萊特(Orville Wright)成功地駕駛起飛,雖然只短暫地在12秒內飛行了37公尺,卻實現了人類飛行的夢想,從此改變了全世界。

飛行夢想的起源

韋爾伯.萊特(Wilbur Wright)於一八六七年四月在美國的印第安那州出生。四年後,奧維爾.萊特(Orville Wright)誕生在俄亥俄州迪頓鎮。他們兄弟從小跟平常孩童一樣上學,偶爾也會翹課,也會打工賺取零用錢。他們的母親是個手藝非常靈巧的人,家中大小事皆由她包辦,並且常幫這對兄弟製作玩具。父親是一位牧師,平時教育採用誘導的方式,讓他們儘量發揮自己的才能,並鼓勵他們追求自己的興趣。

一八七八年的某一天,父親帶回來一件禮物,他在這對兄弟面前把這件禮物拋向空中,它竟然自行飛上天花板,兄弟倆頓時被這小東西迷住。其實當時父親帶回的只是一個直升機模型的玩具,類似中國的「竹蜻蜓」。不過萊特兄弟所玩的是當時最新型的,以橡皮筋為飛行動力的玩具,只要上緊橡皮筋,鬆開手後,就可自行飛行。之後,兄弟倆不斷地練習把玩這件玩具,直到壞掉才罷手。從此他們對飛行產生了興趣,一次又一次地複製這種飛行玩具,甚至放大尺寸,重新設計,儘管不能夠飛,飛行的夢想卻已深刻地印在他們的腦海中。

一八九○年,奧維爾從學校畢業後,萊特兄弟決定開創自己的事業。當時,自行車風潮席捲整個歐洲及北美洲,成為流行風尚,因此,他們決定開設自行車公司。剛開始只是買賣自行車,隨後增加了維修的服務。直到一八九五年,兄弟倆開始自行設計與製造自行車,在過程中他們展現出機械的天分,創造了一種可以讓輪軸自行上油並靠著內燃機產生動力的方式,使得他們所製造的自行車,獲得很好的評價。

直到一八九六年,他們被一種新發明所吸引,決定放棄自行車的事業,因為聽說在德國有一位工程師發展出一種飛行器並嘗試飛行,頓時又重燃起他們對飛行的熱情。

最偉大的先驅者–李理恩梭

十九世紀時,德國有一位專門研究大氣飛行的工程師,名叫李理恩梭(Otto Lilienthal),當他是小男孩時,就很喜歡研究鳥類的飛行,曾嘗試用木製的滑翔翼飛行,並在一八八九年出版一些有關飛行的書。他認為鳥類能夠飛行,決定於翅膀的形狀而非長度,因為他發現鳥類的翅膀並非扁平面,而是一個弧形面,能夠上升飛行的關鍵就在於上方的翼面較下方的翼面略為拱起,若人類能夠仿造相同的形狀做成機翼,則所做出的飛機必定能夠飛行。

為什麼會造成升力?其實這就是物理學上所稱的柏努利定律(Bernoulli's Principle)。因為機翼的翼面形狀特殊,上翼面的長度較下翼面長,當氣流通過翼面時,會分成兩道氣流,一道從上翼面流過,另一道自下翼面流過,最後會同時到機翼末端會合。由於氣流在同一時間走完不同的長度,因此上翼面的氣流流動速度比較快,作用在上機翼面的壓力變得較小,結果使得在機翼下方產生了向上的推力,因而機翼往上推升。

雖然李理恩梭了解升力的原理,但也發現在飛機上還另有一種力存在,即阻力。阻力主要是飛機在飛行時與空氣摩擦所產生的,飛機飛得越快阻力越大。為了解這兩種影響飛行的力量,李理恩梭不斷地在實驗室研究,並且製作出滑翔機做為飛行的測試器,有時還親自爬上自製的滑翔機上,不斷地試飛,漸漸地越飛越遠,有時更達幾百公尺,這時他研究飛行的名聲已遠播至美國了。

一八九六年夏天,李理恩梭在一次滑翔飛行中,遭遇到突如其來的狂風,他試著移動身體以保持飛機的平衡,不幸卻從約15公尺高的空中墜落而過世。當時遠在美國的萊特兄弟知道了李理恩梭的死訊,以及他對飛行熱忱的報導,深受震驚和感動,便決定延續李理恩梭的飛行研究,並尊稱他為最偉大的先驅者(The Greatest of The Precursors)。

萊特兄弟的飛行研究

為了研究人類飛行,萊特兄弟開始蒐集有關飛行的資料。他們認為,世界上存在著很多會飛的生物,如昆蟲、蝙蝠或鳥類等,人們應好好地研究它們如何飛行。但在所居住的小鎮上無法找到有關鳥類或人類飛行的書籍。

一八九九年,韋爾伯寫信給華盛頓的史密森協會,向他們尋求有關飛行研究的資料。之後,史密森協會寄來了一些資料,其中有許多是發表在飛行刊物上的文章,和建議閱讀的書籍清單。萊特兄弟趁著自行車公司生意較清淡時,閱讀史密森協會所提供的文章和書籍,結果兩人發現,當時世界上還沒有人成功地探討過控制飛行器的基本要素與方法。

因此,他們分析閱讀的內容,並且融會貫通書中的理論,領悟出要創造一架成功的飛行器必須具備三個基本要素:結構體必須能產生升力、推力,以及能控制飛機的平衡。其實當時前面兩個基本要素的理論已經證實了,如李理恩梭對飛行的研究,他所設計的機翼結構,就具有產生最好升力的效果。另外一位美籍學者藍格利(Samuel P. Langely)也對飛行機械有所研究,曾經製造過蒸氣動力飛機,飛越過約四公尺寬的小河,也已找到產生推力的基本要素。

最後一個基本要素:如何控制飛機的平衡?就成為他們兄弟最大的問題。在他們之前,很多研究者認為飛機是一個非常穩定的飛行器,只是無法承受突然的狂風,就像李理恩梭的滑翔機一樣,以致發生事故死亡。但萊特兄弟卻不認為如此,他們以自行車為例子,認為自行車本身是不穩定的,但是經過人們不斷地練習控制,就可以變成一種安全的交通工具;飛機與自行車一樣是屬於不穩定的,但是透過駕駛員的控制就可以達到平衡。然而如何達成呢?萊特兄弟為這個問題困擾了很久。

有一天,韋爾伯單獨在自行車店裡,當時他拿出一個裝有車輪內胎的盒子,漫不經心地把玩著,並且試著扭轉盒子兩端,這時又想起以前觀察兀鷹飛翔的方法,當兀鷹在空中飛翔要改變方向時,就使翅膀的翼端彎曲。就像那裝有內胎的盒子一樣,同時以不同方向旋轉兩端,使得盒子兩端彎曲,某一時刻他可以看到盒子的左上角和右下角,換一個方向他可以看到盒子的左下角和右上角。現在他了解如果滑翔機的機翼能夠隨著風彎曲或扭曲,或許就有辦法達到平衡了。

同年夏天,萊特兄弟製造了一架雙層機翼的風箏,橫向約有1.5公尺,並像放風箏一樣綁在繩子上進行試飛,風箏雙翼的兩端翼尖可以各自上下扭動,就像裝有內胎盒子的兩端一般。當時他們自創飛機兩端翹曲的翼尖,就像現代飛機的副翼,可以用來改變機翼的角度,使飛機穩定,調節平衡並控制飛機的飛行。

經過風箏試飛的成功,鼓舞了萊特兄弟的士氣。在一九○○年,他們製造了第一架雙翼滑翔機,機翼長約五公尺,這架滑翔機並沒有尾翼,而是使用可以控制升降的水平翼面,安裝在機翼的前端,用以控制飛機機首的上下。同年十月,開始進行載人的飛行試驗,經過多次的飛行練習後,他們成功地用水平升降舵控制,讓飛行員輕易地降落滑翔機。

一九○一年,萊特兄弟設計了一架更為龐大的雙翼滑翔機,機翼長約七公尺,並提升翼面的面積為以前的兩倍,他們期待比以前飛得更好更遠。有一次,由韋爾伯駕駛飛行了12公尺遠,試圖轉變方向時,滑翔機失去了控制,經過迅速調整後,才幸運地平安降落。

問題似乎出在滑翔機的機翼,他們製造的滑翔機是承襲李理恩梭的設計,他們發覺機翼彎曲的角度不對,於是改變了原先的設計,不過卻又發現更多的問題,這些問題似乎在短時間內無法解決。他們開始懷疑,李理恩梭的設計及所參考航空動力的資料是否有錯誤?最後,他們決定自行研究與測試。

萊特兄弟知道,要做機翼的研究與測試並不需要建造一架真正的滑翔機,只要建造縮小的機翼模型來做測試,就可以獲得足夠的資料。一九○一年,他們利用風扇產生氣流,完成了世界上第一個風洞,他們用不同種類、形狀的翼面,甚至大小不同、厚薄不同、單雙層翼等方式進行機翼的測試。最後從一大堆的數據中,他們終於得到答案,確定以前的飛行資料並不正確。

一九○二年,萊特兄弟建造完成他們的第三架滑翔機,是當時最大的雙翼滑翔機,配備有控制飛機升降的前翼升降舵,和可以用來控制機身搖晃的翹曲翼尖,機尾還增加了可以控制飛機轉向的垂直尾翼。同年八月,他們開始針對第三號滑翔機進行上千次的試飛,最高曾創下在26秒,航程達190公尺的紀錄,整個飛行過程皆是由自己操作控制,像鳥兒一樣自由地飛翔,接下來他們所需要的是一架配備有發動機的滑翔機。

動力飛行的紀元

滑翔機試飛成功後,若能再取得發動機,進入動力飛行的階段,一架真正的飛機才能誕生。剛開始,萊特兄弟認為取得發動機應該非常簡單,只要跟製造引擎的公司,如海軍的船艦、蒸氣火車、及汽車等製造公司購買即可,但皆不如所願。因為他們的需求是一部具有八匹馬力,且不超過90公斤的發動機,所有接觸過的公司都無法滿足他們的需求,也沒有人願意為他們特別製作,使得他們的心情跌入谷底。

因此,他們決定自行製作,由奧維爾進行設計,並請自行車公司內的一位技師製作,在短短的六星期內就造好並完成測試。這部發動機比當初他們預期的效能還好,具有12匹馬力,重量約80公斤。

但另外一個問題又困擾著萊特兄弟,就是螺旋槳的設計,他們計劃模仿當時船舶的螺旋槳,因此翻遍了所有圖書館文獻,依照書上所寫的資料設計螺旋槳,但經過多次的試驗都失敗了。

在分析原因後,卻發現了一些以前從來沒有人提過的理論,他們發現螺旋漿就如同以旋轉方式運動的機翼,旋轉時可以促使飛機往前飛。但是設計一個螺旋槳必須考慮很多複雜的因素,如螺旋槳旋轉的速度、葉片的角度、飛機前進的速度、風速等等,彼此互相關聯,只要其中一個因素改變,其他的隨即改變。經過三個月的研究,萊特兄弟把這些問題都克服了。

一九○三年,萊特兄弟創造了他們的「飛行者一號」飛機,這並不是把一九○二年的滑翔機改裝成具有動力的成品而已,而是一架全新的飛行機器。它的翼長是12公尺,總重量約270公斤,並具有12匹馬力的發動機和兩個木製螺旋槳,由自行車的鏈條連接帶動。

由於天氣惡劣,萊特兄弟直到十二月十四日才能試飛他們的新飛機,他們以擲銅板的方式,決定誰先試飛。韋爾伯贏了,他爬入位於下機翼的駕駛座,但是由於起飛瞬間速度太快,飛機越飛越高,突然間失去控制,一頭栽進了沙堆裡。這次的試飛雖然只維持了三秒半,但萊特兄弟仍深具信心,因為他們知道只要再稍微注意及練習,就可以使飛機飛起來。

「飛行者一號」經過修復後,十二月十七日又是一個好天氣,這次輪由奧維爾駕駛,現場並有五個救護人員觀看他們的試飛。發動機啟動後,奧維爾與他哥哥握手,便爬入駕駛座,於當日早上十點三十五分成功地起飛,隨後在12秒內飛行了37公尺,創下了世界上第一次靠飛機自身的動力,並由飛行員自己操作與控制的飛行紀錄。當天共進行了四次試飛,最好的一次是在59秒內飛行了約260公尺。

由於一百年前萊特兄弟對於飛行夢想的執著,使得現代人們可以利用飛機快速地穿梭於世界各地,出國旅遊、傳遞訊息、及運送貨物等多項功能,帶動了全世界的經濟。不過,很多國家利用飛機做為武器,尤其是兩次世界大戰期間,飛機成了殺人武器,造成人類大量的傷亡。無論如何,現代人類飛行天際,或翱翔太空的夢想得以實現,都要歸功於萊特兄弟偉大的發明。

萊特兄弟年表
  • 1867年4月16日:韋爾伯.萊特(Wilbur Wright)出生在美國印第安那州。
  • 1871年 8月1日:奧維爾.萊特(Orville Wright)誕生在美國俄亥俄州。
  • 1878年:萊特兄弟第一次收到父親送的飛行玩具,開啟他們的飛行夢想。
  • 1892年:萊特兄弟自行創業開設自行車公司,展現出他們機械方面的才能。
  • 1899年:韋爾伯為研究飛行,寫信給史密森協會,並獲得一些資料,研究之後就開始他們的飛行生涯。
  • 1899年:萊特兄弟製作一架1.5公尺翼寬,類似風箏的雙翼滑翔機,並像放風箏一樣進行試飛。後來發明了翹曲的翼尖,用來改變機翼的角度,就像現代的副翼一樣,穩定調節飛行。
  • 1900年:萊特兄弟製作第一架大型的滑翔機,翼長約五公尺,並加裝前翼升降舵,以控制飛機上下,首次進行有飛行員駕駛的試飛。
  • 1901年:萊特兄弟建造第二架大型的滑翔機,翼長約七公尺,並提升機翼的面積為第一架的兩倍,但在第二次試飛時失敗。
  • 1901年:萊特兄弟為研究飛機及得到正確的飛行資料,發明了風洞進行機翼測試。
  • 1902年:萊特兄弟以風洞的測試結果與前兩架滑翔機的經驗,建造第三架滑翔機,是當時最大的雙翼滑翔機,並在機尾加裝垂直尾翼,以防止轉向時發生翻轉,並進行上千次的試飛。
  • 1903年:建造「飛行者1號」飛機,十二月十七日的飛行,創造出歷史上第一次配備有動力裝置的飛行器,由飛行員操作控制、自行起飛且成功持久的飛行紀錄。
  • 1904-05年:萊特兄弟相繼製造「飛行者2號」及「飛行者3號」飛機,其中「飛行者3號」創下連續飛行38分鐘,航程達38公里的新紀錄。
  • 1909年:萊特兄弟建立並一起經營「萊特飛機公司」,測試飛機,訓練飛行員,參加飛行展示,激發並延續人們對飛行的狂熱。
  • 1910年:萊特飛機公司飛行員受雇於俄亥俄州百貨公司,從事世界第一次航空快遞。
  • 1912年:韋爾伯死於傷寒,享年45歲。
  • 1913年:奧維爾繼續經營他們的飛機公司。
  • 1948年:奧維爾在一月逝世,享年76歲。在他去世前,歷經了兩次世界大戰,目睹飛機成為殺人武器,更成為載運原子彈的幫兇。
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