莱特兄弟素材在航空教育实践中的应用
沈海军  袁国青
同济大学航空航天与力学学院，上海210093
1903年，莱特兄弟驾驶着“飞行者一号”载人动力飞机一飞冲天，开启了现代航空的新纪元。莱特兄弟作为现代飞机的发明人基本上已经得到全世界公认，其事迹近乎家喻户晓。现在，不管是在大中小学的航空教学课堂上，还是教育的实践环节中，莱特兄弟的事迹早已被广泛使用。尽管如此，笔者发现，绝大多数情况下，老师们仅限于给学生们泛泛地讲莱特兄弟发明飞机的故事，其他相关的科教素材并没有被很好地挖掘和利用。
本文中，作者根据20余年航空专业的从教经验，梳理了有关莱特兄弟的书籍与短片、伟绩与负面事迹、风洞、飞机与滑翔机、气动测试装置等素材，并介绍了这些素材在航空教育教学实践中的应用情况，供航空教育同仁们参考。
一、莱特兄弟的事迹
美国莱特兄弟发明现代飞机，在我国大中小学中人人皆知。在高校或职业学校，但凡涉及航空的专业一般都会开设类似《航空概论》的课程；在航空发展史章节中，莱特兄弟发明飞机是必不可少的内容。在中小
学，莱特兄弟的事迹已纳入我国各省市中小学思想品德课程以及2018年中小学教师资格《综合素质》考试内容。2018年11月，国家体育总局主办全国青少年模拟飞行锦标赛，赛事以“莱特兄弟杯”命名；国内不少中小学还专门组织学生学习莱特兄弟事迹，并要求撰写读后感。尽管如此，受到课程性质及学时等条件限制，莱特兄弟的事迹在实际教学中仍未能充分展开，往往需要有更为详尽的参考资料留给学生们课外阅读。
1）图书方面
笔者首推《The Wright Brothers》一书，该书目前已经有英文版和中文版；书的作者为两届普利策奖得主、美国总统自由勋章获得者美国人戴维·麦卡洛，书中语言优美，思路清晰，再现人类航天梦想的起点，很适合高中以上文化程度的读者。对于中小学生，国内关于莱特兄弟的书很多，比较畅销的有河南文艺出版社出版的世界十大科学家丛书 《莱特兄弟传》，中国文学出版社的改变世界的科学家绘本传记丛书《驭风飞翔的旅程(莱特兄弟) 》，湖北美术出版社的《外国名人绘本故事·飞机的发明者 莱特兄弟》等。
2）影视方面
笔者推荐英国著名制片公司Skyworks录制的纪录片《鸟瞰世界 第8季》；该片长约4分钟，全程由一万英尺的高空拍摄，曾在英国BBC 2台热播，短片以莱特兄弟试飞原址纪念馆为线索，描述了飞机发明的
故事。国内相关教育视频短片拍摄质量较好的有百度百科《秒懂百科》短片《莱特兄弟》、播视网的中外名人成长故事之《莱特兄弟》等。这些短片播放率较高，百度视频搜索可轻易到。
3）其他方面
作为飞机的发明人，莱特兄弟的功绩是伟大的。事实上，他们的伟大不仅在于试飞成功了“飞行者一号”载人动力飞机，更在于他们首次发明的飞机三轴操纵系统。现在，绝大多数固定翼飞机上，三轴操纵系统的概念一直被延续下来。此外，到了后期，为了维护自己的专利， 莱特兄弟无心投入飞机创新和试验，一门心思打官司； 一场场官司胜利了，但却耗尽了两人的精力，也使得美国飞机技术发展严重滞后；后人称其为“被专利毁掉的莱特兄弟”。以上两点容易被忽视，现代航空教育教学实践中应该有所提及。
二、莱特兄弟的飞机
1）“飞行者一号”
作为第一架成功的动力载人飞机，“飞行者一号”连同它的发明人莱特兄弟被载入航空史册。这架双翼飞机长度6.43米，翼展12.3米，高度2.9米，起飞重量为360公斤，搭载有一台12马力的四缸水冷汽油发动机。其前置的升降舵、后置的方向舵，以及飞行员需趴在飞机上来驾驶飞机，给世人留下了深刻的印象。
在航空教学或科普场馆参观中，“飞行者一号”模型展示是最直观的形式。这里，笔者推荐京东网上超市的一款复古铁艺“飞行者一号”模型。该模型采用复古怀旧风格，翼展40cm，纯手工工艺，做工精美；飞机表面涂有土黄进口喷漆，机翼、机身、机头等细节非常考究，质感非常突出；该物品价格也不菲，每架460元。除此之外，京东上还有另一款价格略低的椴木层板成品模型销售，价格约290元/架。该飞机模型做工与前者同样精细，但和铁艺作品相比，木质结构容易受损，不易长期保存。廉价模型方面，感兴趣的可在淘宝上“莱特兄弟”+“模型”搜寻，可发现几款小的“飞行者一号” 模型DIY拼装套材，这些套材大多为几十元每套，非常适合大中小学，甚至幼儿园航空科教动手实践环节使用。
“飞行者一号”在航空教育实践中应用方面，补充两点。第一，前几年，笔者曾在一份资料中注意到美国某中学组织的航空夏令营，该夏令营的一项活动之一就是让同学们分组制作1:1的“飞行者一号”飞机模型。这种活动工程量不小，需要组织者事先做大量缜密的筹备工作，同时对参与同学的动手能力也是一次挑战。这种航空教育活动形式很好，但实施难度也较高。第二，最近，笔者编写了 “莱特兄弟牙签飞机”的制作小教程；根据该教程，参与者只需要几根牙签、一张彩纸、一小瓶普通胶水、一张图纸和一把剪刀，就能够做出一架极为低廉的迷你“飞行者一号”飞机来。该小制作已在上海地区大中小学中多次推广实践，取得了很好的效果。
最后需要说的是，在国外某3D打印网站中有一款免费下载的“飞行者一号”3D打印组装件CAD模型。如果你有一台3D打印机，打印这些部件并组装，就可以得到一款迷你的“飞行者一号”模型。该3D打印模型也
很适合于航空科普教育。
2）三款滑翔机
和1903年的“飞行者一号”相比，莱特兄弟在1900-1902
摘  要：作为飞机的发明人，莱特兄弟在现代航空教育教学中具有重要的地位。本文整理了莱特兄弟有关的书籍与短片、事迹、风洞、飞机、气动测试装置等素材，介绍了这些素材在航空教育实践中的应用情况，供航空教育同仁开展相关航空科教活动时选择参考。
关键词：莱特兄弟；风洞；飞行者一号；风洞；升力阻力天平
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年制作的几款滑翔机则鲜为人知。事实上，在“飞行者一号”成功发明之前，兄弟俩曾开展了大量的滑翔机试飞试验。为了把握好飞机的操稳性，他们制作了几款滑翔机，甚至像风筝一样牵引着绳索将这些滑翔机放飞上蓝天。在美国NASA的某教育网站上，曾对莱特兄弟1900年、1901年以及1902年的三款滑翔机进行过详述。
为了将这三款滑翔机纳入航空教育教学中，近年来笔者开展了以下两方面的工作。
第一，查阅相关资料，编写了“莱特兄弟牙签滑翔机”制作的小教程。该教程与上文提到的“莱特兄弟牙签飞机”极为相似，参与者仅需要有几根牙签、一张彩纸、一瓶普通胶水、一张图纸和一把剪刀就可以做出三款低成本的迷你滑翔机来。该小制作活动笔者已在同济小学、上海杨浦实验学校等中小学课外科技实践活动中多次应用，效果良好。2017年笔者还组织几名大学生设计了三款莱特兄弟滑翔机的CAD模型；这些模型导入激光切割机，切割1mm厚层板，可得到三款飞机拼装模型的套材。目前，同济大学微小飞行器实验室内展放着这三款套件胶结拼装的滑翔机模型。这些套材适用于中小学生的航空科普活动，具有良好的商品化转化前景。
三、莱特兄弟的风洞
为研制飞机，莱特兄弟曾在1901年亲手制作了一台小型风洞。该风洞长1.8m，高1.4m，风道为0.40.4m的正方形。风洞由风机/风机座、喇叭状进风口、风道以及升力/阻力天平等几部分组成。为了获得较平稳的气流，喇叭状进风口内设置有整流栅和整流板。从现代眼光来看，该风洞无疑是简陋的，譬如它采用“吹气”，而不是现在风洞惯用的“吸气”方式，气流紊流度较高；再譬如，莱特兄弟自制的机械升力天平和阻力天平，它们巧妙地依据被测翼型升力、阻力，以及翼型气动力和迎风挡板的静压之间的力矩平衡关系，可测得特定翼型的气动升力和阻力（或升阻比），但受到天平制作精度与机械天平摩擦力等影响，得到的气动数据精度比较有限。
java程序设计教程第二版课后答案航空工业出版社尽管如此，借助该风洞，莱特兄弟对大量（50余种）不同的翼型进行了吹风试验，仍获得了大量宝贵的翼型气动性能数据，也纠正了许多前人航空理论上的谬误，为随后飞机的发明奠定了扎实的基础。
1）美国NASA的Tunnel简易翼型气动软件
Tunnel是美国国家航空航天局（NASA）上的一个简易机翼气动性能虚拟测试软件，它的全称叫“莱特1901年风洞模拟器”；实际上就是莱特兄弟风洞测试的计算机虚拟版。Tunnel气动软件是一个基于JAVA技术的开放性网络在线运行程序。只要你的电脑联网，且安装了Java的运行环境(JRE)，登录美国NASA的v/airplane/tunnl2int. html，就可以直接进入该软件的交互界面。
该气动软件与110年前飞机发明人莱特兄有着历史悠久的渊源。莱特兄弟50余种机翼的风洞试验数据被做成数据库，集成在Tunnel软件中；软件使用者模拟自己的飞机机翼升力、阻力时可以通过该软件的用户图形界面直接调出。
1901年莱特兄弟测试的50余种机翼尺寸都不大，机翼弦长为数厘米，翼展不超过20厘米，和目前许多室内小飞机相当，此外，莱特兄弟风洞实验的风速大约在3m/s--6m/s范围内，也与普通室内慢飞小飞机的速度范围较为吻合。因此，莱特兄弟风洞实验的机翼在动力相似方面和当前的室内小飞机较为一致，其实验数据适合当下室内小飞机的设计。
2012年，笔者曾组织航空专业大二学生使用Tunnel软件估算了微小飞机的升力和阻力，并开展了3D打印微小飞机设计。当年，10余架书本大小的小飞机70%成功试飞，曾被人民日报报道，取得了小小的成功。
2）莱特兄弟风洞复原与改进
为了更好地配合学生研制小飞机，2013年，笔者团队着手开始复原一架1:1的莱特兄弟风洞。首先查莱特兄弟风洞几何数据，建立CAD模型，然后厂家购买或定做风洞的风机/风机座、进风口、风道和升力/阻力天平，最后组装成莱特兄弟风洞复制品。
莱特兄弟风洞复制成功后，笔者亲自进行了调试，发现机械天平获得的气动阻力、升力数值不稳定，精度较差。因此，后期放弃了原有的机械升力阻力天平，改用高精度数字电子称、“L”型摇臂等部件，通过力矩平衡搭建升力和阻力电子天平。
2013年至今，笔者曾带领大学低年级学生先后设计制作了十二生肖系列卡通飞机、西游记卡通人物系列飞机、水浒传卡通人物系列飞机等电动遥控飞机40余架，这些飞机的气动特性全部由改造过的莱特兄弟风洞测得，实践效果良好。
目前，同济大学微小飞行器实验室也配备有一台上述的风洞。该风洞不仅用于同学们吹风试验、设计小
飞机，还对外开放接受参观。近六年来，该风洞连同实验室的其他500余架飞机（包括模型和无人机）已经累计接待了3万余人次的来访者，已销往太原理工大学、深圳博尔国防基地、山西太谷二中等单位，运行情况良好。
3）3D打印“迷你”莱特兄弟风洞
值得一提的是，为了方便携带做教学/科普演示，最近笔者团队建立了莱特兄弟的风洞CAD模型，并3D打印了一架迷你版的小风洞。
该风洞长约25cm，风道为5cm5cm，配备有额定电压为12V的直流电风扇，可为风洞提供高达100m3/min的最大风量；除此之外，迷你风洞还配有一段微型的平凸机翼；该机翼被固定在一高精度数字电子称上方，风吹拂机翼后产生升力，升力数据可直接由电子称示数显示出来。
该迷你风洞目前收藏于同济大学微小飞行器实验室，多次现身于周边中小学的相关航空科普演示实验当中。
四、其他
除了上述事迹、飞机、风洞外，还有一些其他的莱特兄弟素材可用于航空科教。譬如，笔者曾在某国外航空科教场馆中看到了一个被称作“Wright 1901 bike test”的装置，该装置由人力脚踏自行车改装而来，
发明人为莱特兄弟，用来测试翼型的升力和阻力特性。最近，笔者正着手复原制作该装置。
此外，莱特兄弟飞机的图纸、莱特兄弟的画像等，网络上到处都有，这些素材也可悬挂于科普场馆的墙壁上展览或者做装饰之用。
参考文献：
[1] 杨莉，沈海军，航空航天概论（M），航空工业出版社，2012
[2] 戴维·麦卡洛 著，任烨译，莱特兄弟（M），中信出版集团, 2018
[3] 沈海军 著 微小飞机设计与制作渐进教程（M），北京航空航天大学出版社，2019
[4] 顾玉敏，赵凯著，莱特兄弟（M）， 新时代出版社, 2003
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