科學人／實用動力飛行120週年！一臺飛機，兩位兄弟，三次改造

秘而不宣：萊特兄弟的飛行者三號在1905年成功試飛，卻遲遲等到與美國軍方簽訂合約後才公開展示。照片攝於1909年7月維吉尼亞州的軍事基地麥爾士堡（Fort Myer）。圖／shutterstock

重點提要

如果要列出20世紀最重要的發明，飛機一定榜上有名。飛機對這個世界造成了「翻天覆地」的改變，讓人類離開地表、縮短長距離移動的時間、更頻繁的貿易模式，甚至成爲人類歷史上規模最大戰爭中的決定性力量。航向天際的夢想，更引領人類衝出地球，探索宇宙的奧秘。

人類對飛行的渴望，絕非一時興起。東西方的神話故事、由古至今的文學作品中，想要飛上天的情節屢見不鮮。傳統工匠與近代工程師，無不從大自然中的生物取經，模仿牠們的力學機制，最後逐漸理出頭緒。文藝復興時期，達文西（Leonardo da Vinci）透過對鳥類骨骼和蝙蝠翅膀的研究，把飛行的想法化抽象爲具體，留下許多令人讚歎的設計手稿。

這些仿生的設計中，有的以人力驅動、有的在風中滑翔，甚至還有早期直升機的雛形，儘管未能成功製造真正可飛行的裝置，但已蘊涵了對升力、重心與氣流的初步理解。達文西的筆記展現了一種介於科學與科幻之間的宏大視野，彷彿預知人類終將離地翱翔，只是時候未到而已。

19世紀末葉，法國的工程師阿德（Clément Ader）將目光投向動力飛行。他建造一系列類似蝙蝠外形的蒸汽動力飛機，並以風神埃奧洛斯（Aeolus）的名字，命名爲Éole（法語的飛機，或稱Avion）。與當時許多拍動機翼飛行的早期飛行器不同，Éole依靠機翼向前移動產生升力，並由輕便的蒸汽引擎驅動前部螺旋槳。1890年，阿德聲稱Éole在地面滑行後，短暫「跳躍」50公尺，離地20公分高。儘管這並非持續、可控的飛行，卻是最早有記錄的動力飛機起飛嘗試之一，展示了輕型動力裝置應用於飛行器的潛力。

1897年由法國戰爭辦公室資助的改良版Avion III，保留了Éole的蝙蝠式外形，配備兩臺引擎驅動兩個螺旋槳，並利用方向舵控制飛行方向。然而由於法國軍方對此進展並不樂觀，取消了後續的研究經費，這條獨特的「蝙蝠機」研發之路就此劃下句點。

航向遠方：20世紀初，動力飛艇曾盛極一時。圖／shutterstock

比空氣輕的初次勝利：熱氣球與飛艇

在人類掌握動力飛行之前，比空氣輕是飛行工具「離地」的關鍵。也因爲對浮力與熱流的深刻理解，熱氣球與飛艇這兩大發明，達成了載人飛行的第一個里程碑。

法國蒙哥費爾兄弟（Montgolfier Brothers）觀察到紙屑因爐火熱氣而上升的現象，發明了熱氣球。人類掙脫地心引力升上空中的夢想，終於從神話走進科學的殿堂。

然而，熱氣球雖然可以掌握高度與停留時間，卻無法精準控制方向，這促使法國工程師吉法爾（Henri Giffard）發明了動力飛艇。飛艇是人類首次實現可控的動力飛行工具，儘管飛行速度緩慢，但它證明了螺旋槳和方向舵可以調整航向的可能性。

遺憾的是，飛艇所用的建造材料脆弱，加上早期常以易燃的氫氣當做浮力來源，屢次發生空難。這些空安意外也提醒了懷抱飛行夢的科學家，安全性是飛行科技不容忽略的重要問題。

真正可控的飛行器，從實驗品到實用品

真正發明並且製造出「可控」的飛行工具，始於萊特兄弟（Wilbur & Orville Wright）。在萊特兄弟之前，許多人都曾嘗試飛行，但大多隻能做到短暫、不可控的滑翔。美國當時的權威媒體《底特律自由報》（Detroit Free Press）甚至在1889年1月宣稱，大自然有其基本限制，飛行物體的重量上限不能超過22公斤。

萊特兄弟獨具慧眼，在無數飛行記錄中發現導致飛行失敗的關鍵，同時也注意到，飛行員應該學習如何飛行，如同其他交通工具需要專業的駕駛一樣。1901年，萊特哥哥魏爾柏於美國芝加哥西部工程師學會演講時表示，許多工程師專注在解決飛行動力不足的問題，卻忽略了可控纔算是真正的飛行。而可控飛行最大的障礙在於平衡及操縱，於是他們整理出成功飛行必須解決的三大基本問題：

他們觀察鳥類的飛行姿態，發現鳥類在飛行時除了會調整身體、改變翅膀的傾斜角度，還會藉由拍動翅膀增強升力和推進力，且翅膀並非只是單純上下拍動，而是隨着飛行階段不斷調整的一連串複雜動作。他們也注意到，空中飛翔的鷹鷲要改變方向時，會使翅膀的翼端彎曲。這讓他們靈光一閃，想到利用「翹曲機翼」（wing warping）控制飛機的側傾，其後更設計出控制飛機另外兩個軸的方法：前方升降舵控制飛機頭部上揚或下俯的俯仰能力，後方方向舵控制飛機頭部左右擺動的偏航能力。

更重要的是，他們發現這三個軸的控制是相互關聯且必須互相協調的。例如，當飛機側傾時，往往會伴隨不利的「逆偏航」（adverse yaw）效應，爲了抵消這種效應，方向舵必須與翹曲機翼同步操作。這種對三軸控制的理解與實踐，是可控飛行的重大關鍵。

1900~1902年，萊特兄弟在北卡羅來納州小鷹鎮（Kitty Hawk）的沙丘上進行大量的滑翔機實驗。他們沒有貿然安裝引擎，而是先專注于飛行的空氣動力學性能和控制系統，利用自己搭建的風洞，測試不同翼型的效率，並糾正了德國工程師李連塔（Otto Lilienthal）等人的錯誤數據。經過數百次調整證明飛行原理和控制系統的可行性後，兩人在1903年製造了一臺具有輕型汽油引擎搭配高效螺旋槳的飛行者一號（FlyerI）。

1903年12月17日萊特兄弟進行了四次飛行，最順利的一次由萊特哥哥魏爾柏駕駛，飛行時間59秒，飛行距離約260公尺。雖然飛行時間短暫，但這是人類歷史上第一次持續的載人動力飛行，科學意義非凡。

然而，飛行者一號雖然能飛，操縱卻相當困難，對天氣條件的要求也非常嚴苛，且每次飛行後都需要大修。1904年，萊特兄弟把實驗場地從風大的小鷹鎮轉移到俄亥俄州達頓（Dayton）附近的荷夫曼牧場（Huffman Prairie），新型的飛行者二號（Flyer II）就在這裡誕生。

飛行者二號搭載了馬力更強的引擎，改進螺旋槳的傳動系統，使用更堅固的木材強化機身結構，並且改良連接方式使機身能承受多次起降的衝擊。此外，放棄了順風滑翔起飛方式，改用更穩定的彈射器與軌道系統，透過配重裝置在引擎啓動後輔助其加速，讓飛機在任何風向都能起飛。最後，改善了駕駛艙，讓飛行員更容易操作控制器，從趴臥改爲半臥的姿勢，也減少了駕駛的疲勞。

儘管做了這些改進，進行了超過100次飛行，飛行者二號的表現仍不盡人意，大多數飛行距離都很短，最長的一次約五分鐘，飛行距離約4.5公里，且在空中常常出現上下起伏的「俯仰不穩定」（porpoising）現象。這些飛行紀錄再次提醒他們，單純提升動力並不足以解決飛行問題，改善操控性纔是突破的關鍵，於是他們痛定思痛，專注調整飛行器的可控性，並把所有經驗與教訓融入下一次的革命性飛行器。

設計與巧思：萊特兄弟用於申請飛行器專利的設計圖。萊特兄弟加大了前方升降舵與後方方向舵的面積，顯著提升飛行器的飛行穩定性和可控性。｜George Grantham Bain collection at the Library of Congress USA

設計與巧思：萊特兄弟用於申請飛行器專利的設計圖。萊特兄弟加大了前方升降舵與後方方向舵的面積，顯著提升飛行器的飛行穩定性和可控性。｜George Grantham Bain collection at the Library of Congress USA

設計與巧思：萊特兄弟用於申請飛行器專利的設計圖。萊特兄弟加大了前方升降舵與後方方向舵的面積，顯著提升飛行器的飛行穩定性和可控性。圖／George Grantham Bain collection at the Library of Congress USA

Flyer III，全面升級

飛行者三號（Flyer III）立足在二號的基礎上，針對前兩代的關鍵疏失，全面升級飛機的穩定性與可控性。首先，增大升降舵與方向舵的尺寸。萊特兄弟把前方升降舵的面積增加了將近一倍，並將其與機翼的間距拉長，同時加大後方方向舵的面積，這些調整顯著提升了飛行器在俯仰和偏航方向的穩定和可控程度，有效解決了飛行者二號嚴重的俯仰不穩定問題。升降舵也從飛行者二號的前置雙翼簡化爲前置單翼，面積增大且結構更爲簡潔高效。

另一項革命性的改進是引入獨立控制軸心（rudder decoupling）。在飛行者一號和二號中，聯動的方向舵和機翼扭曲容易產生非期望的逆偏航效應，導致轉彎時飛機偏向錯誤的方向。萊特兄弟把方向舵與機翼扭曲的控制完全分離，飛行員可以獨立操作方向舵，修正逆偏航，實現更協調且精準的轉彎。飛行者三號在俯仰、側傾和偏航三個軸的精準控制，大幅提升飛機的可控程度。

除此之外，萊特兄弟在空氣動力學的設計上精益求精。這一次他們參考大型鷹鷲的翅膀，爲飛行者三號設計了帶有輕微上反角的機翼，這種機翼尖端略高於根部的設計，有效增強飛行的橫向穩定，當飛機在空中因側風而傾斜時，上反角會產生一個自動修正的力矩，幫助機身恢復水平姿態。新的「末端彎曲」螺旋槳，提高了推進效率，讓有限的動力產生更大的推力。

飛行者三號在續航力和實用性上也大幅改善，爲了實現長時間飛行，飛行者三號安裝了更大的油箱和前後兩個散熱器，使其不再受限於燃料不足或引擎過熱而能長時間飛行。最後，全面採用更耐用的材料，並以更穩固的方式連接各個部件，大幅減少因頻繁起降造成的損耗，顯著提升了可重複性。

1905年10月5日，飛行者三號在荷夫曼牧場進行了多次長距離飛行，其中一次持續了39分30秒，飛行距離超過38公里，遠遠超越了之前的飛行紀錄。飛行者三號甚至可以在空中盤旋、做出經典的8字飛行，安全降落回起點。

飛行者三號開創出實用的載人動力飛行器不只是「可以飛」，還必須是安全、穩定、可控、可重複的飛行時代，這些要素也成爲近代飛機設計和發展的核心，奠定了現今航空工業的基石。飛行者三號的成功，標誌着人類首次駕馭「第三維度」的自由度。從此之後，人類追求的不再只是「飛得起來」，而是開啓了「飛得巧也飛得好」的嶄新時代。

御風而行：滑翔機是空氣動力學的實踐。圖／shutterstock

重於空氣的探索：滑翔機的先驅

熱氣球與飛艇失利之後，許多工程師意識到，必須更加理解空氣動力學才能實現真正的飛行，於是把精力投入到無動力滑翔實驗上。

未來之翼，永續飛行

萊特兄弟在1905年打造出真正實用的飛機後，飛機的進展就像「飛的一樣」，迅速發展出各種應用。120年後的今天，人們日常生活中也陸續出現各式各樣的新式飛行工具。

無人空中載具（UAV）正以驚人的速度滲透到各行各業，從災害搜救到航拍測繪，其軍事偵察和打擊能力更是澈底改變現代戰爭的面貌。具備直升機垂直起降能力和高效巡航動力的固定翼空中計程車和空中巴士，正逐漸從藍圖走向現實。

然而，新時代的飛行工具也引發了新的問題。空中計程車與無人機重新形塑飛航運輸，卻模糊了個人與公共空間的界限。未來城市將出現的低空交通層，可望緩解地面道路的塞車窘境，卻可能面臨前所未見的空中亂象。如何有效管理低空空域的交通系統，將是未來城市規劃和航空管理的重要課題。

儘管近代飛機的引擎效率大幅提升，然而越來越頻繁的航班使得航空產業的單位碳排放雖然降低，總碳排放量卻連年上升。不只是溫室氣體，飛機尾跡中揮發與非揮發物質，都會對全球氣候造成長期影響。在全球暖化的威脅下，航空產業如何減少碳足跡？永續航空燃料（SAF）能否有助於達成淨零碳排的目標？

人類從仰望天空，進展到能回頭俯瞰地球。飛行不再只是單純的科學或科技問題。當人類能輕易到達某個物理高度，在那既高且深的第三維度，回眸時我們將看到怎樣的地球？上個世紀，我們想飛得更高，現在，我們該想得更遠。

未來飛船：畫家筆下重量輕、低耗能、少污染的空中交通工具。圖／shutterstock

（本文出自2025.10.01《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）