互动科普

当你对着大汤山呼唤“芝麻开门”时，在它神秘的山洞里呈现出来的，不是阿里巴巴的财宝，而是令人眼花缭乱的航空珍品。

在北京市昌平区小汤山镇大汤山脚下，有一座规模亚洲第一、世界知名的航空博物馆。

这座博物馆自1986年10月开始筹建，最初的定位是“保留装备样品”。1989年11月11日，中国航空博物馆正式对外开放，到目前已收藏119个型号的299架飞机。同时，这里还收藏有地空导弹、雷达、航空炸弹、航空照相机、飞行服装、航空伞具、航空轮胎等2468件武器装备样品及数万件航空文物，中外航空图书资料两万余册，重要友好往来礼品1021件。已经远远超出了保留人民空军装备样品的初衷，成为一座名副其实的博物馆。难怪一位澳大利亚飞行员在参观后感叹道：“当你对着大汤山呼唤‘芝麻开门’时，在它神秘的山洞里呈现出来的，不是阿里巴巴的财宝，而是令人眼花缭乱的航空珍品。”

航空博物馆主要由洞库展厅和室外展区两大部分构成。其中洞库展厅极具特色，它是由上世纪60年代末、70年代初挖建的现役飞机停放洞库改建的，长586米，高11米，宽40米。山洞冬暖夏凉，常年温度在18℃左右。进得洞来，仿佛进入一条长达百年的时光隧道，随着眼睛渐渐适应里面的光线，一幅飞行长卷也徐徐展开在观者面前。

洞库展厅中，同类飞机按年代从前到后的顺序排列。这秉承了大多数博物馆藏品的年代序列陈列方式。要知道，大多数技术并非从无到有、凭空产生的。它们或多或少都来自于对已有技术的继承与发展。

从这个角度来说，一个技术门类（比如飞机）完全可以画出类似于生物进化树那样的谱系图来。这也是在该馆的室外展区，布展者让同类、同型飞机比邻而居的道理。这种分类方式类似于历史博物馆中把展品分为瓷器、玉器、书画等小展厅或自然博物馆按照门、纲、目来整理展品。目的是向观众交代一个整体有序的宏观图景。

这席丰盛的航空盛宴是有多种“吃法”的。本文将从航空史的几个断面出发，带领读者换一个角度去探索航空博物馆中鲜为人知的故事。

航空材料的演化

任何一个大型的航空博物馆都不会忘记将莱特兄弟的飞机放在显要位置加以纪念。中国航空博物馆也不例外。只是，在“飞行者”1号复制品上方，还悬挂了一个巨型八卦风筝，象征着中国的传统飞行器与现代航空技术的联系。

在航空的草创年代，制造比空气重的动力飞行器是众多发明家的梦想。尽量寻找更轻盈、更坚韧的航空材料也就如同爱迪生寻找合适的电灯丝材料一样成为发明家的不懈追求。

1903年12月17日，在北卡罗莱纳州的基蒂霍克海滩上，“飞行者”1号如同一只白色大风筝昂然挺立。它的机身骨架和机翼都是用又轻又牢的枞木和桉木制成的，螺旋桨也是用枞木削制的，弯曲的机翼上蒙着薄薄的但十分结实的棉布。飞机的长度为6.5米，翼展12.3米，整架飞机的重量为280千克，飞机完全靠一台四缸12马力活塞式发动机通过链条带动螺旋桨产生推力起飞。

当时的“飞行者”1号共进行了4次飞行，后来得到世界公认的第一次自由飞行则是由哥哥威尔伯·莱特驾驶的第4次飞行，飞机在空中用时59秒，飞行距离260米。

一百年后的2003年，中国航空博物馆在严格的历史与技术考证基础上完成了“飞行者”1号1∶1原大复制机。该机的几何尺寸、材料、机械结构乃至蒙布、缝线、连接装置都严格按照真实飞机制作。如此精密的原大复制品是在美国本土外制造的惟一一架。

与“飞行者”1号同时代的飞机还有中国飞行先驱冯如于1911年制造并亲自试飞的“冯如2号”飞机。该机的主要材料也是木头和帆布。虽然木头的强度重量比与现代铝合金相比有优势，但木头存在湿度对形状影响显著和材料各向异性的缺点。这些不足于第一次世界大战时期集中爆发了。当时参战国制造军用飞机需从海外进口大量木料，而有限的船只还需运送粮食与军队。战后，为避免材料供应不足的窘境再次出现，英国航空部最先禁止用木材制造飞机结构的主要承力件。随着德国人容克斯1915年用钢材、1917年用铝合金制造飞机，航空材料进入了金属时代。中国工农红军的第一架飞机—“列宁”号就是一架机身采用金属蒙皮的美制“柯塞”式飞机。

随着飞机发动机进入喷气时代，铝合金在高温下变软的弱点暴露出来。飞机机体和发动机中要求采用强度更高，热强性更好的材料。钛合金应运而生了。在结构中首次采用钛合金的飞机是1948年服役的美国F-86战斗机。它的后机身隔热板、导流罩和机尾罩上使用了钛合金，约占结构重量的1%。此后，钛合金在飞机上的用量逐年上升，使用部位也从后机身移至中、前机身，部分代替了钢材制造隔框、梁等重要承力件。越是高速飞机，钛合金用量越大，在有超音速巡航能力的F-22战斗机上，钛合金用量为42%，而速度达到3倍音速的SR-71侦察机上，钛合金竟占到结构的93%，号称“全钛飞机”。

    飞机设计师对降低重量、提高强度的追求是永无止境的。飞机材料经过几十年的金属时代后，又开始向非金属材料回归。但这次不再是木头与帆布，而是凝结了最新化学技术的复合材料。复合材料一般由黏结材料和增强材料组成，是一种通过复合或交叉结合制造出高于原来单一材料性能的新材料。飞机使用复合材料不但能提高飞机寿命与可靠性，更能减轻重量，节约油耗。因此无论是军用机还是民航机均大量使用复合材料。第四代战斗机F-22上复合材料用量占飞机结构重量比例为24%，这一比例在最新的波音787客机上更达到了50%。航空博物馆中陈列有一架国产“蓝鹰”轻型飞机，它的大小与莱特兄弟的“飞行者”1号相近，因为机体全部采用玻璃钢结构，整机的85%为复合材料，总质量只有360千克，最大航程1000公里，曾创造特技飞行的吉尼斯世界纪录。

天空中适者生存

如果说航空材料的发展类似于动物骨骼演化的话，那么，飞机的个体也如动物个体一样，经历着适者生存的淘汰。只有强者才能最终批量生产，占领天空。

歼-12歼击机便是这样一种充分体现适者生存原则的飞机。它应运而生，破茧而出后却因环境巨变而夭折，最终未能装备部队。

1968年4月，我国空军提出了研制“小歼”(即后来的歼-12)的计划，希望研制出一种高度机动灵活、短距起落、维护简单、造价低廉的小型战斗机。问题的提出是与国际航空技术的动向相吻合的，但解决问题的方法却与众不同。那时，世界上的新型战斗机正朝着机体大、设备全、技术复杂的方向发展，而我国采取的却是一种朴实的作法—通过缩小机体、减轻起飞重量能有效地提高飞机的机动性能。就当时我国的技术储备而言，这可能是最为现实的途径。

南昌飞机厂接受设计任务后，从1968年7月开始方案设计，以1年零5个月的时问，完成了详细设计、主要风洞试验、强度试验和系统模拟试验。原型机于1969年12月26日首次试飞成功。从技术层面看，歼-12的真正弱点是电子火控设备过于简单和陈旧，使其潜在的战斗力不能充分发挥。歼-12的确做到了小、轻、灵。但重量轻体积小恰恰也是它的致命弱点。由于重量限制，加上其机头进气布局，歼-12的电子设备被大幅压缩，没有机载雷达，无法进行视距外和复杂气象条件下的作战。可以说，在当时弱肉强食的“空战丛林”中，几乎没有歼-12的生存空间。

从战略层面看，歼-12的生不逢时还在于对空军作用的认识不全面。早在1921年，制空权理论的创始者杜黑就指出：“一个国家只拥有供空战使用的空军不仅危害国防，并且被剥夺了对敌方目标发动进攻的一切可能性，将陷入严重的空中劣势。”在攻防兼备、以攻代守的现代战争中，仅立足于国土防空是远远不够的。当其他国家的歼击机都“进化”为兼具空中格斗和对地攻击性能的多用途战斗机后，歼-12的假想敌也不存在了。在食物链中找不到自己位置的捕食者面临的只能是灭绝。

尽管如此，歼-12战斗机在中国航空工业史册上也留下了不可磨灭的一页。它是人民空军摆脱苏联制式飞机系列设计格局以后，第一代从机体设计到部件制造完全由中国人自行完成的轻型喷气战斗机。尽管半路夭折，但是却为我国独立开发其战斗机装备的研制计划奠定了良好基础。后来我们自主研发的具有第二代战斗机领先水平的歼-8Ⅱ顺利装备部队，也有歼-12的一份功劳。

目前，有两架歼-12收藏于我国空军航空博物馆。其中一架位于馆标区，乳白色的歼-12真机（不少游人会以为这是模型，但迄今世界上最轻的超音速歼击机就是这么轻盈）被高擎于14米空中，两侧簇拥着地对空导弹和高射炮。底座上刻着前国家主席杨尚昆的题词“志在蓝天”。在如此重要的位置突出歼-12，它的历史地位可见一斑。

协同进化的历史名机

在生物进化论中，竞争是物种之间一种重要的相互关系，它会引起参与竞争的一个物种对另一个物种的回应，因此形成两个或两个以上的物种之间的协同进化。所谓“协同进化”是指一个物种的某一特性由于回应另一物种的某一特性而进化，而后者的该特性也同样由于回应前者的特性而进化。在航空史上，也出现过许多针锋相对的战斗机，它们以克制对方为目的，相互竞争，在战斗中不断改进自己的设计，协同进化，共同推进了航空技术的飞速发展。在中国航空博物馆的馆藏中，就有不少协同进化的实例。

美国和前苏联于20世纪40年代末、50年代初开始用喷气式战斗机装备部队。其中最具代表性的飞机是F-86和米格-15。在朝鲜战场上，这两种飞行猛禽展开了制空权的争夺。结果胜利属于米格-15。作为第一代实用喷气式战斗机的杰出代表，米格-15和它的对手美国的F-86相比有很多优势。它的推重比远大于F-86（0.54对0.42），爬升率比F-86高（50米/秒对47米/秒)，实用升限也高（15500米对15000米）。所以，其垂直机动性压倒了对手；在水平机动性方面与对手持平（水平盘旋角速度10.75度每秒对11.4度每秒）；再加上它的大口径的机炮，可以击穿当时所有飞机，也是F-86的6挺机枪不可比拟的。据统计，米格-15各型飞机生产总数超过了16500架，是前苏联制造数量最多的喷气式飞机。

第一代战斗机主要的空战方式是近距格斗，尾随攻击。它们在朝鲜战场上的碰撞不仅使自身声名鹊起，而且促使航空专家对空战战术和技术进行了反思，从而促成了第二代战斗机的诞生。

上世纪50年代初，出于技术、战术、战略等多方面的原因，战斗机的体积和重量急剧膨胀。同时，当时在军方和设计人员当中还流行一种“越大越好”的想法。不少战斗机甚至已经达到二战时轻型和中型轰炸机的重量水平。其中，喷气发动机和空对空导弹的发展起了推波助澜的作用。此时，“人工选择”就要发挥作用了。1951年12月，洛克希德公司的首席飞机设计师凯利·约翰逊前往韩国的美军空军基地，会见了不少F-86的飞行员，听取他们对未来战斗机的意见。出人意料的是，飞行员的回答惊人的一致—战斗机重量增大、复杂性增加的趋势使得飞机越来越难以控制，最理想的飞机应该是比现役战斗机更轻、更廉价、速度更快、升限更高、爬升率更大、并具有良好机动性的飞机。

具备上述特点的第二代喷气式战斗机F-104就这样出炉了。

但作为先行者，F-104并不成功。它的设计重点在于高空高速性能和大爬升率，为此牺牲了续航能力和盘旋性能。从某种意义上说，F-104只是一种二倍音速的“超级米格-15”。而且事故率颇高，以至于联邦德国飞行员将其称为“飞行棺材”。虽然产量达到2700架，但美国空军仅订购了300架，很快就被更先进的飞机取代了。

同为第二代飞机，1958年装备苏军的米格-21就要成功得多。它也是根据朝鲜战争中喷气战斗机空战经验研制的，要求轻巧、灵活、爬升快、跨音速和超音速操纵性好，火力强。其中高空高速性能被摆在了首要位置。在米格-21研制过程中，它的假想敌F-104已经试飞成功。但苏联设计师不为F-104新颖的气动布局所动，坚持自己的设计理念，采用大后掠角三角翼布局。结果造就了一代名机。米格-21及其各种改型累计产量超过一万架，装备了40多个国家的空军，参加过多次局部战争。成为第二代战斗机中惟一还在服役的机种。

为压制米格-21咄咄逼人的优势，美国提出了支援所谓“自由世界”空中力量的“国际军援战斗机”计划。F-5E就是这样一种为“捕食”米格-21而量身打造的战斗机。据统计，在越南战争中，美国的F-4与北越空军的米格-21格斗时，米格飞机往往利用盘旋将机动性较差的F-4甩掉。因此研制F-5E时，特别注意改善了它的空战机动性，提高飞机推重比，缩短起飞滑跑距离，增加载重量和加大活动半径。但其高空高速性能还是难以比肩米格-21。

看完航空馆的这么多航空器，各种军用飞机琳琅满目之余，不由得觉得仿佛少了些什么。也许正如飞机设计师屠基达院士所说，我国航空工业“硬件上跛腿，软件上少后劲”。所谓“硬件跛腿”便是指中国航空工业缺少配套民用飞机。“软件少后劲”则指缺少技术可持续发展的观念和强大的基础研究能力—这在大量国产军用飞机都有外国血统上可以看得出来。令人欣慰的是，软硬件的问题正在得到解决。随着大飞机项目的上马和航空工业布局更趋合理，越来越多的“志在蓝天”的青年也投身到航空科研领域，相信未来的中国航空博物馆将出现更多先进的、富有中国特色的飞行器藏品，成为更加名副其实的中国航空宝藏。

（本文发表于《科学世界》2009年第2期）