我们先来聊聊航空。说起航空事业的先驱，我想大家最先想到的，很可能都是飞机的发明人莱特兄弟。不过，其实早在莱特兄弟驾驶飞机起飞前120年，也就是1783年，法国造纸商孟戈菲兄弟就用纸、布片和柴火成功造出来一个巨大的热气球，并让其搭载着动物短暂升空。同年，两位试飞员自告奋勇，乘坐热气球完成了人类离开地面的首次壮举。第二年，法国人让-皮埃尔·布朗夏尔又更进一步，他在氢气球上安装了一个手摇螺旋桨，勉勉强强地实现了人类第一次可控飞行，飞艇也由此诞生。后来飞艇的用途越来越广泛，设计也不断得到改进。1852年，法国人亨利·吉法尔把蒸汽机搬上了飞艇，让飞艇获得了更强大的动力。1900年，德国工程师费迪南·冯·齐柏林抛弃了柔软的充气式飞艇艇身，改用坚硬的金属骨架制造出了第一艘硬壳飞艇。硬质外壳让飞艇更结实，体型更大，性能也更强。比如20世纪30年代最先进的飞艇“兴登堡号”，艇身长达245米，可以容纳20万立方米的气囊，整体大小和排水量5万吨的“泰坦尼克号”差不多。这么一个庞然大物，能在400—600米的高空，以每小时135公里的速度航行，单次航程可达16500公里，这个距离甚至超过了现在的民航客机，性能指标还是相当优秀的。
然而随着时代的发展，飞艇这条技术路线最终还是没落了。一是因为飞艇在性能和安全方面有着天然的局限性；二是因为飞机技术的快速发展，让飞艇相形见绌。而且话说回来，热气球和飞艇本质上都是浮空器，它们飘浮在空气中，而不是飞行在空气中，人类自由飞翔的梦想，归根到底还要靠飞机去实现。制造飞机需要解决三个难题，第一个难题是升力，也就是如何让飞机离开地面。英国物理学家艾萨克·牛顿提出的三大运动定律，以及瑞士物理学家丹尼尔·伯努利提出的流体力学中的“伯努利原理”，完整解释了鸟类翅膀获得升力的机制。简单来说，升力由两部分组成，一是气流经过翅膀后斜向下弯折，会给翅膀一个向上的反推力，二是气流以不同的速度经过翅膀的上下两面，也会给翅膀带来一个向上的压力差。二者合并，共同组成了翅膀的总升力。
不过话说回来，飞机的发明人莱特兄弟在设计机翼时，其实并没有仔细钻研这些原理，而是在借鉴前人研究成果的基础上，通过自己设计的风洞，不断调整机翼构型，并最终确定了升力最大的机翼形状。这种方法虽然简单直接，但也相当有效。制造飞机的第二个难题是动力，也就是如何让飞机往前飞。人的力量太小，所以动力必须来自机器，然而蒸汽机又太重，不适合用在飞机上面，那该怎么办呢？幸好，19世纪内燃机技术不断进步，内燃机重量轻、动力大，为飞机的出现提供了技术可能。莱特兄弟就在机械师的帮助下，制作了一个重82公斤，能产生12马力的飞机发动机。这个性能指标在当时已经相当优秀了，足以满足飞机的动力需求。
制造飞机的第三个难题是飞行控制，也就是如何让飞机按照人的意愿安全地飞。对于飞行控制问题，英国人乔治·凯利和德国人奥托·李林塔尔先后进行过深入研究。他们设计了一系列装置，比如平衡飞行器重心的滑块，以及稳定飞行姿态的尾翼，都取得了有意义的成果。莱特兄弟则在前人的基础上，最终攻克了飞行控制难题。他们的方案叫做翘曲机翼，思路很取巧，他们认为，既然鸟类通过扇动翅膀来改变飞行姿态，那么要想控制飞机的飞行姿态，最简单的方法就是改变机翼形状。为此，他们把一系列连接杆和绳索连在机翼上面，只要拉动这些连接装置，就能改变机翼的形状，从而控制飞行姿态。
在解决了三大难题后，莱特兄弟在1903年驾驶“飞行者1号”腾空而起，完成了人类的第一次飞行，真正开启了航空时代。可惜的是，莱特兄弟后来主要把精力放在了维护飞机专利和打官司上面，没有再在飞机制造领域有什么建树。而且客观地讲，他们的翘曲机翼方案也有着天然的局限性，因为只有柔软的机翼才能改变形状，但飞机要想不断提升性能，后面就必然会用到更加坚固的机翼，所以莱特兄弟的设计方案很快就被淘汰了。我们观察今天的飞机，会发现机翼外侧都有几片能上下摆动的舵面，这些舵面叫做副翼，副翼能很好地控制飞行姿态，同时也能用在坚固的机翼上面，所以最终成了飞行控制的主流方案。副翼方案的发明人，美国工程师格伦·柯蒂斯还曾和莱特兄弟有过一段专利纠纷。“飞行者1号”首飞后，人类的航空制造业进入快速发展阶段，飞机的应用范围也越来越广。1911年，飞机首次被应用在战争中，意大利王国在和奥斯曼帝国作战期间，派遣飞机完成了侦察、炮火引导和轰炸任务，凭借空中优势很快就取得了战争的胜利。1914年，现代民航业诞生，美国佛罗里达州两座隔海相望的城市间，首次出现了定期往来的航班，乘坐飞机出行逐渐成为一种全新的生活方式。自此，飞机制造业进入了在应用中改进，在改进中应用的良性循环。接下来，我重点介绍几个飞机技术上的关键突破。
首先是全金属机身的出现。从莱特兄弟到一战以前，飞机机身基本都是构架式结构，简单说就是在一个木头架子上套一个帆布蒙皮，飞机的所有受力，都是由这个木架提供的，这种机身构造重量轻但是强度差，没法满足高性能飞机的需求。那什么材料强度足够大呢？我们都知道，金属的强度很大，但问题是金属要比木头重得多，飞机太重连飞都飞不起来，性能就无从谈起。不过1915年，德国工程师雨果·容克斯还真造出了一架全金属机身的飞机——容克斯J-1，他的解决方案简单粗暴，用一个词形容就是“力大砖飞”，只要动力足够大，砖都能飞起来。虽然J-1飞机的金属机身由硅钢制成，重量达到了920千克，比以往的飞机更重，但容克斯为飞机配备了一台梅赛德斯直列六缸发动机，能提供120马力的动力输出，功率达到了“飞行者1号”的10倍。大功率发动机，强度更大的机身，加上更光滑的金属表面，让容克斯J-1不仅飞了起来，而且还能以最高170km/h速度飞行，性能可以说是相当优秀。后来在改进型号中，容克斯又用更轻更强的硬铝替换了笨重的硅钢，从那以后，硬铝在很长一段时间里都是飞机机身的主流材料。
第一次世界大战的战争需求，让包括全金属机身在内的各项飞机技术极速进化，等到1918年战争结束时，航空工业已经得到了长足发展，很多小型飞机厂商也迅速成长，它们抓住和平年代的机遇，转向民航飞机领域，取得了很多新的突破。比如美国波音公司首创的加压客舱，就成了后来民航飞机的标配。波音凭借在一战中为美国军队制造飞机，确立了自己的行业地位，战后波音于1933年推出了自己的第一款民航飞机——波音247，这架飞机的各项指标都非常优秀，它飞得快、跑得远、载重量大，远远超过了一战期间人们不惜成本制造的远程轰炸机。但美中不足的是，波音247的巡航高度只有3000米，和如今民航客机动辄万米的巡航高度比起来，还是太低了。
有人可能会问，客机飞那么高有什么用吗？其实飞行高度非常重要。因为高空中的平流层气流稳定，飞机飞起来更平稳，飞行乘坐更舒适，而且高空的空气温度低，有助于提高飞机发动机的工作效率。那是什么原因限制了波音247的巡航高度呢？一个关键因素是气压，飞机飞那么高，如果客舱没有特殊设计的话，乘客就会出现高原反应，容易发生危险。为此，波音在后续的波音307客机中首创了加压客舱结构。这架飞机能把高空中稀薄的空气通过发动机压缩成高压空气，然后除湿、调温，变成适合人体的空气，再注入密封性良好的客舱当中，这样一来，飞机就能在7000米以上的高空中巡航了。波音307首飞完后不久，二战爆发。二战让人们看到了飞机的战争潜力，所以这次各国都投入了大量资源用于飞机研发。也正是在此期间，航天技术出现了下一个重大突破——涡轮喷气式发动机。
此前，飞机的动力都来自转动的螺旋桨，一开始用着还没什么问题，可人们发现，随着飞机速度越来越快，螺旋桨的推进效率会明显下滑，达到一定速度后就很难突破了。要想进一步提高飞行性能，必须采用全新的推进模式，喷气发动机应运而生。喷气式发动机完全依赖燃气流产生推力，它的优点是速度快、高空性能好，不会像螺旋桨那样在高速飞行时出现效率的陡然下滑，也不会随着高度上升而出现功率滑坡。德国人首先在二战中制造出“燕式”喷气战斗机，它一经问世就显示出无与伦比的优势，当同盟国的战机拼尽全力达到600km/h的速度时，“燕式”战斗机已经能飞到870km/h了。正当德国人跃跃欲试，想要挑战超音速飞行时，一个难题突然跳了出来。研究人员发现，当战斗机的飞行速度达到0.86倍音速时，飞机就会在空中解体。原因比较复杂，概括来说就是，超音速流体和亚音速流体的特征完全不同，当飞机接近音速时，气流的特征会发生质变，飞行阻力和飞行控制特征也会截然不同，没经过特殊设计的飞机很快就会在超音速气流的作用下解体。
后来经过大量研究，人们逐渐摸透了超音速流体的脾气，找到了超音速飞行的解决方案，最终在1947年，美国军方制造的试验机成功突破了音速，带领人类正式步入超音速时代。人们对超音速飞行的狂热，还影响了民航业。1976年，英国和法国联合研制的协和式超音速客机正式投入运营，这款民航客机能以2倍音速的速度飞行，从纽约到伦敦只需要3小时，而通常亚音速喷气式客机则最少要8小时。但协和式客机也有很明显的缺点：它的飞行成本太高，票价极其昂贵，而且产生的噪声也实在太大，所以只被允许在海面上进行超音速飞行，这就严重影响了其应用范围。因为商业上的不成功，协和式客机最终在2003年全部退役。但回过头来看，这段超音速民航史其实正标志着人类对飞行永无止境的追求态度。
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