1.8　绕飞埃菲尔铁塔，巴西小子在法国写下了怎样的传奇？

阿尔伯特·桑托斯·杜蒙（Alberto Santos-Dumont，1873—1932）是一位幸运儿。他出生于巴西的种植园主之家，他的父亲在当时被称为“巴西咖啡之王”，可谓含着金汤匙来到世界。但与一般的富家子弟不同，他最为着迷的东西是机械。他经常操作甚至拆解自家庄园里的蒸汽拖拉机、咖啡筛选机等农用机械，而他最喜欢的作家是法国著名的科幻作家儒勒·凡尔纳。可能是受其影响，他从小就对飞行萌生出了强烈的兴趣。

18岁时，桑托斯·杜蒙来到巴黎，学习力学、电学和化学。别人眼中的艺术与时尚之都，在他的眼中则是进步与力量的象征，而巴黎恰好也是氢气球的故乡。在体验过一次难忘的氢气球升空后，少年时代的理想便一发不可收拾——从此他立志投身于飞行事业。在当时，飞行家的名声与杂技演员无异，而任何拥有飞行梦想的人都会被视为怪胎，但是他的家人却放手让他追逐梦想。这为他的幸运又增添了一层光环。

1898年，他开始着手制造自己的飞艇。他惊讶地发现，从雷纳德和克雷布斯的“法国号”算起，十多年过去了，竟然再没有人声称自己能驾驶飞艇升空后兜一圈返航。在研究了吉法德和蒂桑迪耶兄弟的工作后，他敏锐地抓住了飞艇技术止步不前的关键，并坚信自己已经找到了答案。这个答案就是发动机，确切地说是发动机的功重比。

他后来在自己的书中（1904年）做过比较。他的7号飞艇使用克莱门特（Clement）汽油发动机，功率为60马力，自重为120千克，功重比为360瓦/千克，而爱迪生最新成果——镍铁电池的功重比仅为40瓦/千克。几乎有一个数量级的差距！是进步的时代给了桑托斯·杜蒙一个超越前人的答案。

尽管内燃机有着明显的功重比优势，但是人们依然对它在飞艇上的应用保持怀疑态度，主要原因在于安全性。一个充满易燃气体的气囊搭配一个依靠连续爆炸做功的发动机，这看上去不可避免地会发生事故。沃尔弗特的悲剧似乎也印证了这一点。

但桑托斯·杜蒙却不以为然，他的另一个兴趣爱好——赛车给他提供了很多关于内燃机的经验。他认为内燃机的运行很安全，它不像蒸汽机这种外燃机，锅炉会产生明火，烟囱中也经常带着火星。内燃机则是在封闭空间中燃烧的，外部完全看不到火焰，尾气也没有火星。他说自己从来不害怕发动机点燃氢气所发生的这种“热爆”，因为气囊是封闭的，而在飞艇飞行中即使有漏气，漏出的气体也会向后飘去（因此他把排气阀设置在发动机之后）。他更担心的是“冷爆”，也就是气囊承受不了内部气体的压力而破裂。

这里需要补充一点。桑托斯·杜蒙认为内燃机很安全，因为它不会在外部产生火焰，这一点并不总是对的。正常工作的内燃机的确如此，但是有一种故障叫作回火（Backfire），即由于点火时刻的错误或者阀门时序错误导致混合气反冲到进气口并被点燃。他的9号飞艇就遇到了发动机回火事故，好在扑救及时没有造成严重损害。

1898年秋天，在友人的反对声中，桑托斯·杜蒙的第一艘（1号）飞艇造好了。这艘飞艇异常小巧，容积仅有179.8立方米，理论上的最大浮力为1960牛顿出头，被誉为有史以来最小的飞艇。它的外形细长，长为25.1米，直径为3.5米，长宽比为7∶1，犹如一根两头削尖的香肠（见图1-35）。

飞艇的动力是一台从三轮摩托车上拆下来的双缸的汽油机，转速是1200转/分，输出功率为3.5马力。虽然这个动力并不出众，但其自重仅有30千克，功重比达到了86瓦/千克（见图1-36）。而十年前，最好的戴姆勒发动机（也就是沃尔弗特飞艇所用的）功重比只有这个数字的五分之一。十年时间中，内燃机的功重比提高了4倍。

由于缺乏经验，他的第一次试飞很不成功。飞艇的浮力太小，飞艇起飞时上升太慢，结果被风刮到了周围的树上。

第二次试飞一开始很顺利，这让他的自信心膨胀了许多。他很快将飞艇升到了400米左右的高度。但在下落时，他发觉事情不对劲。在上升过程中，由于周围大气压降低，气囊中的氢气会从安全阀自动放出一部分。但在下落时大气压增加，氢气收缩，气囊随之塌缩。此时应该使用气泵对内置空气囊充气。但是他配置的气泵充气太慢，气囊迅速变软并从中间弯折，这加速了飞艇的下坠，而下坠太快又带来气囊更大的收缩，形成了一个恶性循环。

眼见大事不好，他发现地面上有几个男孩在放风筝，于是急中生智求助地面上的男孩们抓住飞艇导绳并像放风筝一样迎风奔跑以减缓飞艇的下落速度。在男孩们的齐心协力下，他终于得以安全降落。

这次事故并未给桑托斯·杜蒙带来阴影，他甚至在事后打趣说：“我是坐气球上的天，却是坐风筝下来的，一次飞行体验到了两种乐趣。”

不过玩笑归玩笑，这次事故让他充分认识到了保持飞艇姿态的重要性。于是转年之后的1899年，他立即对1号飞艇进行了改造。

首先，他将氢气气囊的容积增加了20立方米，并换掉了气泵，使用发动机带动一台风扇给内置空气囊泵气。

其次，他在艇艏和艇艉用绳索各悬挂了一个压载物，这两个压载物可由两根控制绳牵拉。当拉动艇艏的压载物时，飞艇整体重心后移，艇艏抬起，此时飞艇就可在螺旋桨的推动下爬升。反之，拉动艇艉的压载物，飞艇就会向下俯冲（见图1-37）。这样的好处是高度的控制可以不依赖放气或者扔掉压舱物来实现。

想法虽好，但桑托斯·杜蒙还是被天气上了一课。1899年5月11日，2号飞艇在试飞过程中遇到了大雨。冰冷的雨水导致氢气迅速收缩，新的风扇也来不及给内置气囊补足气，这使得主气囊再一次从中间弯折，飞艇坠落到了树上（见图1-38）。但他再次幸运地逃过一劫，竟然毫发无伤。

连续遭遇两场事故后，桑托斯·杜蒙毫不泄气，6个月后他又制作出了第3艘（3号）飞艇。这一次他要根治气囊塌缩的问题。

首先，他大幅度减小了气囊的长宽比。艇长从25米缩小到了20.1米，而直径却从3.5米增大了1倍多，达到了7.5米，这使得长宽比从7∶1减小到了不足3∶1。其结果就是飞艇的外形从香肠形变成了橄榄球形，更粗的“腰部”让气囊即使塌缩也不至于折叠（见图1-39）。

其次，他在吊舱上方使用了一根竹子作为“龙骨”，这与当年吉法德的做法相同。这根龙骨的存在可以让气囊承受的吊舱拉力分布更加均匀，并且有效抑制气囊弯折（见图1-40）。

在“双保险”措施的保护下，他甚至取消了内置的空气囊。

还有一个值得注意的变化是，3号飞艇的容积为499.5立方米，是之前飞艇容积的2倍多。他这样做的目的是试验水煤气作为浮力气体的效果。

这一招的确有效。1899年11月13日，他驾驶着3号飞艇绕着埃菲尔铁塔转了几圈，之后安全着陆。而他选择的着陆地点正是当年放风筝男孩帮他降落1号飞艇的地点。只是这一次今非昔比，狼狈不再。

尽管可靠性提高了，但代价也很大。

首先，它的横截面积增大了很多，这使得它的阻力很大，而它的发动机是继承1号飞艇的，这就导致其速度很慢。只要风力再大一点，它就无法顶风前进，甚至连保持航向都很困难。

其次，水煤气的浮力不足，相同的负载下充水煤气的气囊体积更大，这带来了更大的阻力，对动力提出了更高的要求。

于是到了1900年初，桑托斯·杜蒙抛弃了3号飞艇的设计，重新打造了4号飞艇。新飞艇长为28.3米，直径为5.2米，长宽比又拉大到了5.5∶1，容积为418.8立方米。发动机换成了一台双缸7马力发动机，螺旋桨转速每分钟100转。

4号飞艇还有两个实验性特征：

一是取消了吊舱，直接将发动机架在龙骨上，驾驶员则坐在一个自行车座上。

二是螺旋桨从后置改为前置，改推进为牵引，实验测量它的最大牵引力约为294牛顿。

1900年9月，美国著名的飞行器先驱塞缪尔·皮尔庞特·兰利（Samuel Pierpont Langley，1834—1906）参观了桑托斯·杜蒙的4号飞艇试飞（见图1-41）。

就在这一年，法国成功的石油商人，人称“欧洲石油之王”的亨利·多伊奇·德拉·默尔特（Henri Deutsch de la Meurthe，1846—1919）设立了一个10万法郎的大奖，以奖励第一个可以绕埃菲尔铁塔飞行一圈的飞行器。具体规则是从圣云公园起飞，绕过铁塔，然后返回出发点，总时间要在半小时之内。这一圈的路线长度约为11千米，简单计算可知飞行器的平均时速不能低于22千米。

不过这个看似不高的22千米的时速是具有迷惑性的，因为在空中要考虑艇速和风速的叠加。我们假设飞艇在无风情况下的航速恰好是22千米/时，航程是单程5.5千米，那么飞艇来回一圈花费的时间是15+15=30分钟。

现在假设风速是6千米/时，并且飞艇是顺风出发、逆风返回的。简单计算可知，飞艇来回一圈花费的时间是11.8+20.6=32.4分钟。尽管风速的叠加可以减少去程的时间，但会大幅增加返程的时间，致使总耗时增加。极端情况是，如果风速达到22千米/时，飞艇将无法返航，而这个风速不过是在和风（4级风）的等级范围内。

桑托斯·杜蒙意识到了这一点。他感到4号飞艇发动机的动力依旧不足，因此换了一台四缸12马力的发动机。为了给发动机减重，他摘去了水冷套，改用鳍片做风冷。不过这一次他又把螺旋桨的位置改回了尾部，因为他发现前置螺旋桨会干扰自己使用“稳绳”调整飞艇姿态（见图1-42和图1-43）。新发动机可以带动螺旋桨每分钟140转，推力相应增加到约534牛顿。

动力问题解决后就该考虑阻力的问题了。

发动机变重后，浮力也需要相应提升，于是他把艇长增大到了32.9米，主气囊容积增加了130立方米（总共为418.8+130=548.8立方米）。而气囊直径保持不变，这样就没有增加迎风面积。

然后他发现之前使用的悬挂绳索太粗，计算表明，这些线绳加在一起的空气阻力竟然相当于整个气囊的阻力！于是他找来了钢琴线作为替代物。这些钢琴线不仅结实而且其直径仅为0.8毫米。

最后，为了简化操作节约时间，他将压舱沙袋换成了水箱。这样他就能通过一根钢丝远程开关水箱龙头，而不用将沙袋搬起来再扔下去。

做了这些改进后，5号飞艇诞生，桑托斯·杜蒙决定驾驶它向多伊奇大奖发起冲击（见图1-44）。

1901年7月12日清晨4点半，桑托斯·杜蒙驾驶着自己的5号飞艇起飞。升空后，他将飞艇飞到航空俱乐部附近的一个赛马场上空进行练习。在飞了不下10圈后，他对于5号飞艇展现出的动力和可操控性非常满意，于是临时起意直奔埃菲尔铁塔而去。

10分钟后，他已经飘浮在战神广场上空，铁塔近在咫尺。不过意外突然发生，飞艇舵的控制绳绷断。他不得不中途降落将控制绳重新接好。之后他驾驶飞艇再次升空，并完成绕行埃菲尔铁塔一周的飞行，总共用时1小时6分钟，这其中包括中途降落修理的时间（见图1-45）。

第二天清晨，他再次起飞向多伊奇大奖发起冲击。这一次开始也很顺利，仅仅10分钟后他就飞到了埃菲尔铁塔，并完成绕塔动作。但是在回程中他遇到了大风。他顶着风回到出发地上空200米高处时用时已达40分钟，超时10分钟。更倒霉的是，此时飞艇发动机突然熄火，风将飞艇刮到了罗斯柴尔德家花园的一棵栗树上。

经过必要的修理后，8月8日清晨，桑托斯·杜蒙发起了第三次冲击。同样是在清晨起飞，前半程依然顺利，9分钟后他已经完成了绕塔转弯的动作。然而就在此时，他发现气囊的自动安全阀弹簧松动，氢气囊产生了漏气。正常的情况下应该立即降落检查气阀，但他觉得漏气不严重，于是决定冒险继续。

教训马上就来了。由于气囊变瘪，悬挂龙骨的钢琴线变得松紧不一，螺旋桨搅住了一根变松的钢琴线，这使他迫不得已关停了发动机。此时飞艇是逆风行驶，发动机一停，飞艇就被风吹得倒退了回去。与此同时，由于气囊漏气，飞艇还在快速下降。

就在他瞄准一片空地准备紧急降落时，飞艇却由于下降太快半道撞到了一家酒店的楼上。好在5号飞艇的松木龙骨结构和钢琴线悬挂足够牢固，没有在大风和下坠过程中散架，它们坚持到了最后一刻。而桑托斯·杜蒙则再次展现出了自己惊人的运气，毫发无伤地等到巴黎的消防队员赶到将他救下（见图1-46）。

对于飞行的危险，桑托斯·杜蒙后来在自己的书里坦言：在地面上时他的确很担心，但是到了空中就没空想这么多了。单人驾驶飞艇就像驾驶一艘帆船那样紧张忙碌，他要时刻把着方向舵并记住飞艇所在的高度，聆听发动机的工作状态，注意气囊是否漏气变形，以及及时调整配重以保持飞艇的姿态，在起飞和降落时还需要使用压舱物、导绳和空气泵。

也许是这种专注消解了空中飞行所带来的心理压力，失败与事故并未让他退缩，反而让他加快了步伐。在5号飞艇失败22天后，桑托斯·杜蒙就造出了6号飞艇。

尽管5号飞艇发动机突然熄火的原因并不确定，但鳍片风冷散热不够导致气缸过热很可能是原因之一。因此在将5号飞艇的发动机装到6号飞艇上时，发动机的冷却方式又换回了水冷。一个直接的好处是螺旋桨产生的推力稍微增大到了约645牛顿（见图1-47）。

为了应对发动机水冷系统的增重，6号飞艇的长度与5号相同，但是直径加粗了1米，总容积增加了80立方米达到628.8立方米。除了增大浮力，这样做的另外一个好处是长宽比的减小增加了气囊的抗折性。

为了进一步保持氢气主气囊的刚性，他给6号飞艇设置了一个60立方米大的内置空气气囊，只要发动机启动，气泵就会向内置空气气囊送气，而多余的空气会从安全阀自动放出。这个内置空气气囊安全阀的开启气压要比氢气安全阀的低一些，这样就能保证在空气气囊放空前宝贵的氢气不会遭受损失。

尽管拥有最优秀的设计，新飞艇还是有些出师不利。在1901年9月6日的试飞中，新飞艇遭遇了一个小事故被送回机库修理。9月19日，由于转弯过急，飞艇又撞到了一棵树上。

10月19日，6号飞艇修理完毕，桑托斯·杜蒙准备再次冲击多伊奇大奖。不过这一天的天气对于飞艇飞行来说很不友好，风速达到了6米/秒（21.6千米/时）。简单计算不难得出，要拿到多伊奇大奖（单程5.5千米，半小时来回），在最有利的情况下（去程回程都是侧风），飞艇的速度要达到31千米/时，而在最不利的情况下（去程顺风回程顶风），飞艇的速度要达到35.2千米/时。这是一个在浮空器上闻所未闻的速度，一些评委甚至在看到天气预报后就放弃了去现场的打算。

但是桑托斯·杜蒙对自己的飞艇充满信心。下午2点42分，他照计划驾驶着飞艇升空，然后全速直奔埃菲尔铁塔塔顶而去（见图1-48）。借助顺风，他很快到达了目的地，并绕着塔顶的避雷针以50米的半径转了半圈，此刻是2点51分，时间仅过去了9分钟。

但在回程中，困难如期而至。由于顶风，飞艇的阻力大幅增加，他发现发动机的转速骤降，甚至有熄火的风险。这是一个十分危急的情况，因为对于内燃机来说，其最大扭矩对应着一个最低转速，在这个转速之下，输出扭矩随着转速降低而减小。就是说转速越低，输出动力越小，对抗顶风的能力越弱，而越顶不动风，螺旋桨转速就会越低，这就陷入了一个恶性循环。

更为不利的是，此时冷空气让气囊收缩，飞艇开始快速下降。为了对抗下降，桑托斯·杜蒙急忙拽回稳绳并调整配重将艇头拉起，这一举动拯救了他。由于改变了推力方向，发动机的负载减轻，转速回升，很快又达到了最佳运行状态。

伴随着围观人群的欢呼声，6号飞艇在距离地面150米的高度上冲过了终点线，总用时29分30秒。他成功了！

不过他的这个高度为他带来了一些争议，有人说飞艇必须落回原地才算回到终点，这样算的话应该是30分41秒。但最终评委认可了桑托斯·杜蒙的成绩，而他也大方地捐出了一大半奖金给巴黎的穷人。

斩获大奖之后，桑托斯·杜蒙也没闲着，开始了频繁的飞行。他先去了摩纳哥，在那里他不仅自己驾驶飞艇翱翔于地中海上，还邀请孩子乘坐飞艇。后来他受邀去了纽约，期间还教一位美国女士驾驶飞艇。这位爱出风头的巴西飞行家成为世界人民眼中的英雄。很多人模仿他的穿着，他的高领衬衫成了抢手货，甚至他戴的那种南美风格的帽子也成了时尚。由于在空中看怀表需要掏来掏去比较麻烦，为了能在不放开控制绳的时候查看时间，他向法国表匠路易斯·卡地亚订制了一款能戴在手腕上的表。直到今天，卡地亚依然有桑托斯·杜蒙系列腕表出售。在他身上，“科技即时尚”的观点得到最好的展现。

桑托斯·杜蒙对于航空事业的宣传作用功不可没，但我们耗费大量笔墨并不是单单为了品味他那传奇般的人生经历。从他建造的为数众多的飞艇中（不下14艘），我们能一窥浮空器各项技术的价值，比如安全阀、内置气囊、稳绳的重要作用。我们也能以宝贵的飞行家视角看到浮空器技术的进步主线，比如发动机功率的逐步提高。从他身上，我们可以看到一部浓缩的浮空器发展史。

不过客观地说，除了建设了世界上第一个机库，桑托斯·杜蒙对于航空技术的发展贡献并不大。这很可能与他的个人兴趣相关，对于飞艇设计他秉承了一种“赛车”思路，即极度精简的艇身结构搭配强劲的发动机。他所有飞艇的吊舱都不是封闭的，而很多时候他的驾驶位就是一个简单的自行车座。这种思路对于提高速度、完成飞行动作是有利的，却偏离了实用化方向，其根本原因在于飞艇的容积太小，浮力不足，承载有效载荷的能力太弱。

比如他后来的7号飞艇，就是为比赛打造的。它有两支直径为5米的螺旋桨，并为此配置了功率高达60马力的发动机，这是6号飞艇的5倍，而7号飞艇的容积只扩大了1倍。为了追求减重，他在制作气囊上抛弃了常见的帆布，而用两层法国丝绸为底，上面涂4层橡胶用于气密，用料不计成本。

他唯一一次将飞艇实用化的尝试是10号飞艇（见图1-49）。这艘飞艇绰号为“公交车”（The Omnibus），长度为47.9米，直径为8.5米，容积为2009.3立方米，计划载客12人。可惜这次尝试并不成功，而他也放弃了飞艇大型化的思路。

尽管进行了14艘飞艇的制造（见表1-1），但桑托斯·杜蒙未能将飞艇带入实用领域。不过他的努力还没有结束，我们在后面讲到比空气重的飞行器时还会再次见到这位老朋友。