（上接第二篇）
【3】空气动力学篇
这是在飞行器的设计“值得大书特书的一笔”（刘钝老师语），动力及材料突破的出现其主要研究目的不是为了飞行器的设计，但众多科学家和工程师在空气动力学上的努力其目标则是直接指向人类的飞行。而莱特兄弟的主要成就就在于设计了性能较好的组件提升了飞机的空气动力学效能。
直到飞机发明之前，由于扑翼飞行器的失败，有不少科学家认为重于空气的飞行器不可能飞行，但18世纪发现的伯努利定理的发现为大家打开了飞行的窗口。
瑞士科学家丹尼尔·伯努利( Daniel Bernoulli 1700～1782)通过无数次实验,于1726年发现了“边界层表面效应”: 流体速度加快时,物体与流体接触的界面上的压力会减小,反之压力会增加。这就是“伯努利定理”,它是流体力学的基本定理之一,可以用数学表达式表示。伯努利定理适用于包括气体在内的一切流体,是许多工程应用的理论基础。这一成果被发表在1738年出版的专著《 Hydrodynamica 》[12]。这直接推动了飞机机翼的设计，即利用流经机翼上部弯曲面的气流速度比翼下的快,使得机翼下部的压力比上部的大,从而产生升力。从那以后，固定翼飞行器开始取代扑翼飞行器成为飞行器设计的主流。
1799年，乔治·克雷爵士提出了现代飞机即固定翼飞机的概念。在这个概念中有升力系统，动力系统，控制系统.[13][14] 在1803年，克雷爵士建造并试飞了固定翼飞机的模型，并在1853年成功的设计出了可以搭载乘客的滑翔机。后来人们意识到需要为飞行器装一些组件以便在空中保持平衡，于是那以后的飞机逐渐开始出现了尾翼。但当时的尾翼大多面积很小，尾力臂也非常短，难以构成较好的安定性，而且大多数飞机都没有垂直尾翼。
1868年法国的Albatros II
此时的飞行器只有细小的尾翼，而且没有垂直翼
在无数试验之后，初具雏形的尾翼构型在19世纪中期出现，并且，飞机的尾力臂已经逐渐提升到了合理的范围内。到了19世纪末期，空气动力学上的进展已经使有动力的飞机出现成为可能。1896年5月6日，美国飞行先驱塞缪尔·兰利（Samuel Langley）在华盛顿附近的波托马克河上进行了无人飞机模型的试验，该模型飞机从船上弹射起飞，飞行了大约半英里。这次飞行在航空史上被认为是比重大于空气的飞行器进行的首次持续动力飞行（可惜没有搭载乘客）[15]。
兰利进行飞行实验的飞行器模型
我们注意到尾翼中已经有了垂直翼结构
不过上述这些飞机还存在一个致命的缺点：没有办法控制。所有飞行只是凭借着飞机自身的稳定性，并依靠发动机出力的大小和方向舵进行简单的控制。莱特兄弟是较早注意到当时的飞机方案都缺少操控系统的人。他们相信凭借当时飞机的稳定性，没法靠上述的飞机进行长时间的飞行，故此需要高效的控制面来实时对飞机的姿态进行控制。同时，1899年英国飞行员Percy Pilcher在滑翔机飞行事故中丧命使莱特兄弟坚信必须要实现对飞机的控制才能达到安全飞行的目的[16]。莱特兄弟在当时的航空研究者中算入行比较晚的人，但取得的进步却很快。1899年时，莱特兄弟想到了使用翘曲机翼的方法实现对飞机的控制--也就是通过控制索拉动机翼或水平尾翼的末端，使之变形的方式改变升力，从而改变飞机的姿态。这样一来如何控制飞机的问题就迎刃而解了。
1899年莱特兄弟用于试验翘曲机翼所做的一个双翼风筝
从图中可以看到机翼的末端可以被绳索拉动从而改变形状。这样就可以通过改变机翼的升力来控制飞机。
为了验证自己的控制系统，莱特兄弟制造了几架滑翔机，进行了大约2年的试飞[17]。
在试飞过程中，莱特兄弟解决了另外一个至关重要的问题：升力方程的参数。1901年莱特兄弟在小鹰镇试飞了他们的新型滑翔机。试飞被安排在了7月到8月间，一共进行了50到100次滑翔测试，飞行距离在6到22米不等（20到400英尺）。为了提高升力，他们在这架滑翔机上配置了比前作大得多的翼面，然而它却让兄弟俩大失所望。新型滑翔机只产生了理论数据约三分之一的升力。新滑翔机在升力上的糟糕表现让莱特兄弟对广受认可的升力方程中的空气压力系数提出了质疑。
升力方程
L=升力（单位：磅）
k=空气压力系数（斯密顿系数）
S =产生升力的总表面积（单位：平方英尺）
V =速度（机首迎风风速+地面相对速度，单位：英里/小时）
CL =升力系数（根据翼型变化）
莱特兄弟根据他们在1901年使用滑翔风筝和自由滑翔得到的数据，认为斯密顿系数应该非常接近0.0033，而不是人们一直沿用下来的0.0054。传统值要比莱特兄弟的估计值大上60%，要是用它来计算升力将会得到一个被夸大的结果。莱特兄弟在家里的自行车店里验证了自己的怀疑。
在模拟的过程中，莱特兄弟意识到逐一建造各种翼型的全尺寸滑翔机然后进行反复试验的成本太高，而且过于耗时。于是他们在自行车店里制作了一台直径6英尺的风洞。从1901年10月到12月间，他们利用这个风洞对各种微缩版的机翼进行了系统化的测试。[18]这个装置让莱特兄弟可以方便地控制机翼产生的升力以对抗空气阻力，从而精确地计算出每一副机翼的效能如何[19]。而风洞也成为了今后一百多年飞行器甚至其他交通工具设计的必备设备。
1902年，莱特兄弟发现了垂直可动尾舵的真正用途——不是用来改变飞行的方向，而是用来在转弯、归正、和受到气流干扰时对准和矫正飞行器[20]。飞机在飞行方向上的转向依然由机翼翘曲产生的机身侧倾来控制。后来随着航空技术的发展翘曲机翼被副翼取代，但上述原理依然适用。
莱特兄弟在试飞中操作翘曲机翼和可动尾舵进行转向。
摄于1902年10月24日。
采用新方法后，莱特兄弟终于在1902年10月8日完成首次真正的飞行转向控制，这是一个重要的里程碑。在该年9月到10月间他们一共进行了700至1000次滑翔试飞，最长的一次持续了26秒，飞过了189.7米（622.5英尺）的距离。滑翔机在安装了可控尾舵后在数百次的试飞中表现出良好的操控性，两兄弟觉得接下来是时候建造一架有动力的航空器了。于是兄弟二人开始为滑翔机装上动力系统，也就是上文提到的那个70千克重但有12马力的发动机。
1903年12月17日是一个历史性的时刻——在时速43公里（27英里）的刺骨寒风中莱特兄弟让人类第一次实现了重于空气的航空器进行的受控的持续动力飞行。从此人类几千年来的飞行梦想终于成真。
人类的第一次飞行[21]
摄于1903年12月17日
【4】总结及感悟：
通过对早期飞行器发明历程的回顾，我们再一次印证了“发明是历史发展‘必然‘中的’偶然‘”这一观点。莱特兄弟发明了飞机而达芬奇没有并不说明莱特兄弟比达芬奇更加天才，而是因为莱特兄弟可以在前人积累的技术成果（材料、空气动力学、动力）上继续探索，寻求突破；相比之下，达芬奇受限于当时的技术条件，发明飞行器只能是“空中楼阁”。
将飞行器发明史的启示推广，我们会更加清楚，发明创新并不仅仅依靠一个个拥有创新思维的个体，更重要的是一代代科学技术工作者所做的铺垫。这些铺垫将成为人类攀登科技高峰的台阶。愿我们每个人都可以为台阶的铺设添砖加瓦！
参考文献：
[12]Rouse Ball, W. W. (2003) [1908]. "The Bernoullis". A Short Account of the History of Mathematics (4th ed.). Dover. ISBN 0-486-20630-0.
[13]"Aviation History". Retrieved 26 July 2009.
[14] "Sir George Cayley (British Inventor and Scientist)". Britannica. Retrieved 26 July 2009.
[15]Gierke, C. David (1998). "Langley’s Steam-powered Flying Machines". Aviation History 8 (6): 50.
[16]Crouch 2003, p. 166
[17]Crouch 2003, pp. 167–169
[18]Dodson, M.G. "An Historical and Applied Aerodynamic Study of the Wright Brothers' Wind Tunnel Test Program and Application to Successful Manned Flight." US Naval Academy, Technical Report, Volume USNA-334, 2005. Retrieved: September 21, 2010.
[19]"Lift and Drift." Wright Brothers Aeroplane Company. Retrieved: September 21, 2010.
[20]Culick, Fred E.C. "What the Wright Brothers Did and Did Not Understand About Flight Mechanics—In Modern Terms." Pasadena, California: American Institute of Aeronautics and Astronautics: California Institute of Technology, Paper AIAA-2001-3385, 37th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, July 8–11, 2001. Retrieved: July 27, 2009.
[21]Gray, Carroll F."The First Five Flights, The Slope and Winds of Big Kill Devil Hill – The First Flight Reconsidered, 1903 – Who Made the First Flight?" TheWrightBrothers.org, 2003. Retrieved: September 21, 2010.
（编辑 魏娟）