開啟飛行時代—萊特兄弟與航空工業發展史

專利大戰

為了經營軍方的生意,雖然手頭沒有多少資本, 1909 年萊特兄弟還是在紐約成立了「萊特飛機」公司,製造廠設在老家俄亥俄州的代頓(Dayton)。同一時間在紐約州,另一群飛機製造者也組成名為「航空試驗協會」(Aerial Experimental Association) 的團體,刻意與萊特互別苗頭,會員包括主要出資者電話發明人貝爾(Alexander G. Bell)與技術提供者摩托車賽車高手寇蒂斯(Glenn H. Curtiss)等人,餉足兵強,準備大展身手。經過數次試驗,協會製作了一架名為「白翼」(White Wing)的飛機,裝上「ailerous」(法文「小翼」之意)的滾轉裝置,寇蒂斯駕駛「白翼」進行數次試驗,效果自然是好的不得了,便在協會其他飛機上通通裝上副翼,一舉贏得《科學美國人》雜誌所辦飛行競賽的首獎和若干軍方合約。樹大招風的結果,被萊特一狀告進了法院。

萊特兄弟認為他們專利權範圍是:將翼尖操縱面,在空中同步呈現相反方向之任何機械。而寇蒂斯所謂的「副翼」,正好就是此種構造。萊特主張,凡銷售非萊特製飛機的任何人,或以之作商業性飛行者,均應按機價交出可高達 20%金額;航空表演之主辦者,亦應令其按表演之 20%,及看臺與門票收入之 10%給付。

當時僅有少數飛機製造商,像是在加州 的「馬丁飛機公司」,選擇照萊特所提高昂的權利金付錢了事,其他人多半相應不理, 旅居舊金山的華僑實業家馮如,則乾脆在這時候把機器打包,回歸祖國的蔚藍天空,惟獨寇蒂斯他老兄硬是嚥不下這口氣,拿出賽車精神把官司打到底。不過,寇蒂斯這位也是腳踏車工匠出身的賽車手並不孤獨,萊特「看一次告一次」的控告專利侵權案竟高達 36 宗之多。

此案訟期長達8年,寇蒂斯雖然敗多勝少,但他總是能在關鍵時刻利用法律技巧延宕;有鑒此官司已嚴重影響美國軍方對一次大戰的動員準備工作, 1917 年初美國參戰前夕,官方好說歹說花了兩個星期強力排解,雙方這才不甘不願地達成庭外和解。

解決的方法很簡單:為了配合參戰,全美的飛機製造公司聯合組成了「航空器製造業協會」(Manufacturers Aircraft Association),其目的在整合各廠技術能力,以求取戰時飛機的最大性能與產量。該協會將所有會員公司的專利權全部集中,准許任一會員製作任何機型或零組件,惟會員公司每次所生產之飛機或零組件,應提撥一定數額公積金,原有專利者再按其專利使用價值,從公積金中獲得分配補償。整個戰爭期間,寇蒂斯和萊特的公司都從專利權中回收了大約兩百萬美元。戰後,所有飛機都很自然地裝上了副翼,專利問題也從此無人再提,纏訟多時的世紀之爭才宣告結束。

圖五:奧利佛.萊特於1908 年在維吉尼亞州邁爾堡為美國陸軍做示範飛行。

早期飛機製造

在歐陸戰場上,飛機除了相互追逐打 鬥,還要從氣球與飛艇的手裡奪取空權,是典型的物競天擇場所。 1917 年初的美國尚未捲入戰爭,儘管曾是飛機的最早發源地, 當時美製飛機無論性能與技術已全然不是戰火洗禮下、迅速成長的歐製飛機對手。但是美國政府並不打算放棄,試圖從英、法引進先進的飛機與發動機藍圖,交由美國廠商授權生產。然而現實上, 除了英制與公制的單位換算問題造成不少麻煩外,美方很快就發現藍圖缺乏詳細的材料註記或熱處理程序,生產過程極不順利。

原來美國工廠的生產方式和歐陸偏重傳統工匠技藝的製程大不相同,同樣的藍圖,在歐洲可以靠優良的技師加以修補,但在美國,你很難期待農閒時進城打臨工的莊稼漢或者連英語都詞不達意的移民勞工能擁有類似的技能。無論如何,戰爭實力是國家意志的後盾, 1917 年底,美國陸軍航空隊七拼八湊,靠著汽車工業的基礎,硬是從雨後春筍般,泰半由飛行冒險家與汽車業大亨合資的飛機製造廠手中,購足了一千架的各式飛機。

在海上, 1910 年一架寇蒂斯飛機自輕巡洋艦「伯明翰」號上起飛成功, 1912 年更從另一艘「賓夕法尼亞」號後部搭建的臨時甲板上成功進行起降作業,證明海權和空權可以相互結合,但因為船艦處於停泊的狀態,與實戰狀況不符,美國海軍反而對寇蒂斯另幾款水上飛機較感興趣,故寇廠生產的 A-1型便成為美國海軍最早採購的飛機,這些卓越的水上飛機也為寇蒂斯連續贏得了 1911 年第一屆及 1912 年第二屆的航空工程最高榮譽——科利爾獎(Collier Trophy)。 後續再為陸軍製造的 JN-4 與海軍型的 N-9 又造了六千餘架,著實發了一筆不小的戰爭財。出於個人生涯規劃,寇蒂斯本人選擇在戰後淡出航空工業到佛羅里達養老,公司完全交由他人經營。

另一方面,萊特兄弟中的哥哥韋伯 (Wilbur Wright)在1912年不幸因病去逝, 弟弟奧利佛(Orville Wright)雖然在 1913 年因為在飛機上裝置自動駕駛儀(而不是發明副翼)的成就,也獲得了第三屆的科利爾獎,但旋即在 1915 年把公司股份賣給曾經繳納過大筆副翼專利金的馬丁和其他幾名華爾街金主,由他們合組名為「萊特–馬丁」 的公司,並以副翼專利的繼承者自居,但很快馬丁又從該公司拆夥退股,搬到克里夫蘭重啟爐灶。馬丁飛機公司曾蘊育了波音(在加州和馬丁學飛行)與道格拉斯(在加州老廠和克里夫蘭新廠都作過工程師)兩位後來的民航機製造業的死對頭,公司迄今成為為美國航太巨擘「洛克希德–馬丁」公司的一部分。

留在紐約的「萊特–馬丁」公司則再度改名為「萊特航空製造公司」,戰後它的飛機製造業務逐漸萎縮,反而在美國海軍的要求下,併購了一家「勞倫斯航空發動機」公司和技術,生產的「旋風」(whirlwind)系 列發動機,採用氣冷式設計以避免水箱滲漏或管路腐蝕等問題,性能可靠,口碑甚佳。 該系列與從萊特公司主要工程人員分家出來 的「普惠航空發動機」公司的「黃蜂」(wasp) 系列,同時引領了 1920~40 年代星型、氣冷式發動機的黃金時期。

1929 年,此時無論萊特公司或寇蒂斯公司都和原來的萊特或寇蒂斯本人沒有太大關係了,出於商業合作的考量,兩家十幾年前對簿公堂,殺得你死我活的公司居然合併,搖身一變成了「寇蒂斯–萊特公司」, 靠著掌握大量先進的技術,作出不少款經典名機和經典發動機,如空軍早期使用的「霍克 III」、飛虎隊的「P-40」以及曾於大陸貴州大定「發動機製造廠」授權生產的「颶風」(cyclone,抗戰時期譯為「賽克隆」或「旋風」)發動機等都是該公司產品,可以說某個時期的中國空軍,一半以上要倚靠這家公司和日本人在空中週旋。在美國兼併成風的 企業體中,該公司一直維持著良好經營,今天依然是華爾街的股票上市公司,只是專心於液壓控制等次系統組件的生意,不再製造任何飛機或發動機了。

圖六:寇蒂斯–萊特公司在1937年所推出的P-36戰鬥機。此種戰鬥機是第二次世界大戰初期最成功的戰鬥機之一,同時也是P-40戰鬥機設計的基礎。

福特 T 型車上天

早期美國的航空工業是由飛行家的夢想、汽車業的技術和華爾街的資金所組合,但有句話叫:「Airplane is around engine.」(飛機離不開發動機),外型再漂亮的飛機,也要配上強力的發動機作為心臟,才能夠被賦予生命。 萊特兄弟 1903 年飛行時是利用自製的十二匹馬力水冷式汽油發 動機,為了減輕重量,發動機本體為鋁合金鑄造,也沒有燃油泵、汽化器和火星塞等附件,相較於當時平均五十匹馬力左右的技術水準,輸出功率算不大,但是輕巧靈動,恰恰適合「飛行者」 使用。萊特公司持續不斷開發新發動機或引進歐洲發動機的授權以配合飛機改進,對手寇蒂斯也不是省油燈,早在從事摩托車事業時期就擁有製造汽油發動機的能力,公司掛牌名稱也叫「寇蒂斯飛機與發動機公司」(Curtiss Aeroplane and Motor Company), 擺明了兩種生意都要作,主要產品為推動 JN-4 等自家飛機的 OX 系列發動機。

當時歐洲的航空發動機更為卓越。英國、法國和德國都是具有良好工業基礎與技藝教育傳承的現代化國家不說,甚至連西班牙與瑞士也有極佳的產品問世。一次大戰更加速了歐製航空發動機的物種演化,在重量沒有增加的情況下,馬力很快就從戰前的不 足 100 匹馬力拉升到 150 匹馬力以上。法國人甚至製造了一種旋轉汽缸而不是旋轉曲軸的 Gnome 發動機,外型緊緻漂亮,在地面可利用汽缸旋轉時產生的相對風進行冷卻, 飛行時也可以發揮類似飛輪的平衡作用,可惜輸出功率停留在 80~200 匹馬力以內且耗油率較高,不久就被其他馬力更強的直列水冷式發動機或星型氣冷式發動機所取代。

前面曾提及,美國早在 1916 年就曾試圖從歐洲引進先進的航空發動機,但被粗製濫造又欠缺工業標準的藍圖弄得一鼻子 灰。那時的美國航空工業已經滲透了不少汽車工業的技術與資本,有志者難免有「作一顆全新的搞不好比仿造既有的還要快」的想法,且在暗中悄悄實施。 1917 年 5 月,美國決定參戰的兩個月後,想法成為現實。底特律派卡德汽車廠工程副總裁文森(Jesse Vincent )與加州史考特汽車廠老闆哈爾(E. J.Hall)聯名向負責規劃戰時航空軍需物資生產的「航空委員會」(Air Board)會提出 「自由發動機」(Liberty Engine)之計畫,打算開發一款通用航空發動機給所有的美國飛機使用。

考慮到必需配合參戰時程,新發動機一開始就排除了所有未實用化的技術,僅以現存的成熟科技加以運用;比方:V 型汽缸 45 度斜角配置的設計抄自法國雷諾發動機,燃燒室參考了戰前輸入的德國賓士發動機,活塞則向英國勞斯萊斯購買授權,點火系統當然採用美國汽車業當時最典型的電池點火而非航空發動機慣用的磁電機 (magnato),整個發動機可以說是多國拼裝貨,但也是今日通用規格、萬能、多用途、模組化發動機的鼻祖。

什麼是模組化設計呢?首先研製成功的是原型直列、水冷 4 氣缸 100 匹馬力的發動機,再把兩個 4 氣缸拼起來組合成 V 型,就成了 8 氣缸 200 匹馬力發動機,以此類推, 再往上可升級成直列6汽缸、V型12汽 缸……如此一來,就能在最短的時間內完成各種不同功率等級的發動機,符合不同的使用目的。

1917 年 7 月,研發計畫提案後的一個月,第一號200餘匹馬力的試作品完成,立刻被送去科羅拉多的高山上執行連續 50 小 時耐久測試,證實遠優於當時所有歐製發動機的可靠度,航空委員會立刻決定採用,作為制式裝備向國內所有工廠提供自由發動機的藍圖,並以年產一萬具為目標展開生產。 此時,美國才參戰不到三個月,後勤支援體系中最頂端的研發工作已開始全速運轉。

年產一萬具的目標寫在紙上僅是個數字,但對當時還生產不到幾百架飛機,每架飛機都搭配著也是手工生產的發動機的美國航空工業而言,簡直是天方夜譚!航空委員會這時找來了汽車大王福特擔任顧問,他以大量生產的觀念對從歐洲引進的航空發動機工藝進行另一場工業革命,雖然許多飛行家出身的創業者,對汽車業不但跨足飛機製造又指染航空發動機的野心不以為然,但生產效率一口氣提升了十幾倍總是事實。其他的工廠於是不再生產汽缸,而統一使用福特製造的氣缸來組裝發動機。整個大戰期間,福特廠共造了 43 萬顆汽缸,發動機製造廠則組裝了二萬具 V -12 型自由發動機,安裝在英國授權,也是具有汽車背景的幾家飛機製造廠生產的四千餘架 DH.4 型飛機上。

雖然起步甚快,但裝置自由發動機的美製 DH.4 一直調適到 1918 年 8 月才進入西線戰場,那時離終戰僅有三個月左右的時間了,對戰局沒有發揮什麼顯著作用,倒是戰後大量賸餘的 DH.4 被作為往來美國各地的郵務機,有系統地發展了航空郵政業務,後來成為航空英雄的林白也是其中一員。自由發動機因為產能太大也停不下來,持續被作為數種新開發的飛機與戰車動力來源,持續生產到 1920 年代末期。從另一個角度來講,福特 T 型車的概念,竟也能飛上青天!

圖七:美國陸軍航空隊的P-40 型戰鬥機。P-40 型戰鬥機在第二次世界大戰期間,製造數將近14000 架。

「飛行者」的最後歸宿

就航空工業的發展而言,萊特廠的主要技術成就其實在於發動機,寇蒂斯廠的核心業務則著重於飛機與螺旋槳。然而在故事的最後,我們還是要回過頭來, 把萊特兄弟「飛行者」的後續作個交代。

華盛頓史密斯國家航太博物館的鎮館之寶就是萊特兄弟 1903 年的「飛行者」,被喻為「努力不懈的美國精神象徵」。實際上,「飛行者」從1928~1939 年間曾被懸掛在英國倫敦的科學博物館中,為了躲避納粹空軍的轟炸,還一度與其他英國國寶一齊隱身於倫敦郊區的地下倉庫,直到 1948 年才還給美國。為什麼美國精神的象徵會流亡到英國呢?這又要從萊特兄弟和寇蒂斯的副翼官司說起。

史密斯學會(Smithsonian Institution) 是美國一個半官方的機構,擁有多家博物館、研究中心和動物園, 1887 年起擔任學會秘書長的是天文學家及物理學家蘭格利(Samuel P. Langley),也是早期致力於飛機的眾多發明家之一,曾獲得美國政府及史密斯學會的大力金援研發飛機,但不幸在 1903年的10月7日和12月8日兩次飛行試驗都宣告失敗,一頭栽進波多馬克河裡不說,政府也取消了後續的補助計畫。而在9 天後,萊特兄弟宣告飛行成功!

蘭格利在 1906 年去世,接任的學會秘書長千方百計想把蘭格利捧成最先發明飛機 的人,與萊特兄弟的關係立刻開始緊張起來。 1909 年,萊特兄弟與寇蒂斯爆發副翼專利權的爭訟,寇蒂斯出了一招,想向法庭證明萊特兄弟 1903 年的紀錄根本算不上「人類第一次飛行」,從而貶低其專利權的正當性。此舉當然正中史密斯學會的下懷, 除了慨然應允出借蘭格利原始飛機外,並以資金挹注寇蒂斯的重飛計畫。 1914 年,寇蒂斯把蘭格利的飛機進行多處改動後,從紐約州北部的一個湖面上騰空而起。史密斯學會也開足宣傳機器的馬力,宣稱蘭格利的飛機才是「世界上第一架飛機」,被擺放在學會博物館的顯著位置陳列著。

奧利佛.萊特雖然早從 1915 年起就退出了航空工業的風風雨雨,但終其一生始終為自身的榮譽奮戰。除自 1920 年起應邀擔任「航空諮詢委員會」(NACA ,即 NASA 前身)委員職務長達 28 年外,最揪心的就是和史密斯學會之間的筆墨官司。 1928 年,奧利佛懷著悲憤的心情把「飛行者」送到英國倫敦的科學博物館作為報復。要到 1942 年,雙方才達成共識,由史密斯學會發表正式聲明,承認萊特兄弟是「最早通過科學研究,發現人類飛行的原理」並且「作為發明家、製造家與飛行家,進一步發展了飛機,指導人類飛行,開創了航空的新時代」,結束了另一場曠日持久的爭論。

1948 年,奧利佛辭世前終於通知倫敦科學博物館把「飛行者」還給美國。同年 10 月,他的遺囑執行人把飛機從倫敦運回美國。 12 月 17 日,為了迎接人類首次飛行 45 週年的風華,流亡英國多年的美國精神象徵擺回了史密斯航空博物館的最顯著位置。

結語

在1903 年萊特兄弟發明飛機前後,所謂的「航空器」其實有兩種截然不同的面向:一種是「重於空氣」的飛機;另一種在當時更為普遍的是「輕於空氣」的飛船。兩者不僅在原理、構造上有所差異,其社會地位也未盡相同。飛機衍生自冒險主義的夢想和速度的追求;飛船則起源於大航海時代, 帝國為了擴展版圖、運送物資的需要。早期飛機製造者(諸如萊特、寇蒂斯與馮如等冒險家)心目中,其原始的意象是像鳥一樣騰飛。但在飛船製造者(多半是政府支持的資本家)心目中,他們的產品卻是艘不折不扣的遠洋巨輪。

第一次世界大戰中,飛機的傑出表現與汽車工業體制的牽引,使前述的情況發生了根本的改變。新興的空權,成為關注的對象,資金揚棄了飛艇而改挹注到飛機市場, 航空工業逐步發展成產一隻龐大的政商巨獸,龐大到法律規範不得不介入,以降低其可能的風險,並保障它所搭載的生命財產安全與快速穿透國境線所衍生的問題,這就是今日的航空器適航標準(airworthiness standards)與國際民航組織(International Civil A viation Organization)各項公約、附約的由來。

雖然隨著時代的改變,當今航空工業體系已從過去的密集資本轉化為跨國、分工的產業鏈,政府的角色也不若以往般積極干預,但在空域許可的前提下,許多國家的民航主管機關仍試圖保有飛行創意的空間,諸如允許某個重量以下的輕型載具或自行設計製造、僅供自用的實驗類航空器,可不受適航標準的規範等,得以維持萊特兄弟的創新精神,持續為民間自發的飛行試驗提供想像與動力。

原刊載於 科學月刊 第四十四卷第一期

第一頁、第二頁

123123123123123

123123123

123123

12222222222

Today is Monday.

I'm testing out a new plugin.


關於作者

Avatar

非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策