航空航天技术发展

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1、航空、航天技术的发展n今天不可能的事明天将变为可能。康埃齐奥尔可夫 斯基1武际可:科技史选讲之七（2）航空与航天力学的 发展 2武际可:科技史选讲之七（2）1 总的概述n历史告诉我们，对于航空来讲，空气动力学的实 验与理论发展大体上总是超前于飞行的实践的。 飞机飞行需要解决的空气动力学主要有三方面的 问题：n早期的飞行关键是解决能不能飞起来的问题，即 主要是研究当物体运动是升力的大小问题。对于 气球与飞艇来说，事情比较简单，因为它们只与 流体静力学有关，它的理论基础是浮力原理，在 阿基米德时代就已经建立。3武际可:科技史选讲之七（2）n对于比同体积空气为重的飞行物来说，事情就比 较复杂了，因为

2、从牛顿开始，人们在研究空气对 机翼的作用时，把空气看为由微粒组成的，在物 体运动时，利用动量定律，得到的是升力与机翼 迎风角的正弦的平方成正比。按照这个规律，当 迎风角小时，升力太小，而当迎风角大时，阻力 又太大，所以靠动力飞行是没有希望的，所以著 名的空气动力学家冯卡门说：“牛顿耽误了飞行 的发展。”牛顿这方面的错误，由英国人凯利、美 国人兰利的实验研究以及后来俄国茹可夫斯基、 英国人兰彻斯特、德国人库塔等人的理论研究给 以纠正。这才有后来莱特兄弟的飞行成功。4武际可:科技史选讲之七（2）n当飞机飞起来之后，遇到的是什么问题呢？是同 提高速度、改善可操纵性、增加安全性有关的问 题。而所有这些

3、问题都是崭新的力学课题。n为了提高速度，必须进行两方面的研究。一方面 是对飞机阻力的精确研究；另一方面是为了改进 发动机、特别是为了研究与改善喷气发动机所急 需的关于内流的研究。n为了改善可操纵性，产生了飞行动力学的研究方 向。还有一系列有关航空仪表的研究，如惯性导 航的研究、自动驾驶仪的研究等。n而为了增加安全性，航空结构分析发展成为专门 的研究方向。5武际可:科技史选讲之七（2）n对于火箭的飞行与航天事业来说，它同航空遇到 的问题大体上相同，所不同的是飞机靠空气动力 飞行，而火箭大部分是在空气稀薄的空间飞行， 它的推进主要得借助于喷气推进，其理论根据是 力学中的动量守恒原理。但是火箭也有在

4、空气中 飞行的阶段，也需要讨论空气动力对它的飞行的 影响。至于结构强度问题、自动控制问题、发动 机内的燃烧问题等它同飞机遇到的问题一样，有 时还更尖锐、更具有挑战性。6武际可:科技史选讲之七（2）2 空气动力研究中心与若干 著名学者的研究工作n流体力学与航空有关的较早研究结果是丹尼尔伯 努利（Daniel Bernaulli,17001782）1738年给 出的现今称为伯努利定理。7武际可:科技史选讲之七（2）8武际可:科技史选讲之七（2）丹尼尔伯努利 Daniel Bernaulli 170017829武际可:科技史选讲之七（2）10武际可:科技史选讲之七（2）n随着航空事业的发展，空气动力

5、学的研究 迅速展开。它除了要求有理论工作以外， 还要求大量的实验工作，由此要求可观的 投资去建造实验设备，还需要有相当的人 力。这就是近年来人们常说科学越来越走 向大科学，即投入大量的人力、物力、通 过精确的组织与计划达到一个目的。从本 世纪初，世界各国都建立了自己的专门空 气动力学研究机构。11武际可:科技史选讲之七（2）n1906年6月，德国的动力飞艇研究会成立，普朗特 担任该会的技术委员会的委员。此后他的研究兴 趣就转向空气动力学。1907年，在德国由力学家 普朗特（Ludwig Prandtl,18751953）负责在哥 廷根大学筹建德国的第一座风洞。该风洞实验段 截面积为22，最大风

6、速为10m/s，功率为 30HP，于1908年运行。1911年在克莱因的支持 下，普朗特向威廉大帝科学协会建议组建专门的 空气动力学与流体力学研究机构。后来在哥廷根 大学成立了空气动力学实验研究所（AVA），它 是德国的航空航天研究院在哥廷根的流体力学研 究中心。 12武际可:科技史选讲之七（2）n普朗特在塑性力学方面提出了增量型的应力应变 关系，还研究过弹性稳定性问题，在湍流方面也 有贡献。不过他最有名的工作是关于流体流动的 边界层方面的工作。1904年，他的论文论黏性 很小的流体的运动奠定了边界层理论的基础。 边界层理论提供了近似计算物体在流体中运动时 所受到的摩擦阻力的方法，后来的发展形

7、成了有 关边界层的一系列的研究方向，如边界层分离、 边界层传热、湍流边界层等。 13武际可:科技史选讲之七（2）14武际可:科技史选讲之七（2）n1918年，苏联成立了中央空气动力学研究所（ ），苏联力学家茹可夫斯基出任所长。n茹可夫斯基（ ,18471921）是俄国的力学家，先 在俄国、后来到法国巴黎接受教育。1872年担任 莫斯科技术学院的力学教授，1876年获硕士学位 ，1882年获博士学位，1866年到莫斯科大学当 力学教授。 15武际可:科技史选讲之七（2）n1902年建成莫斯科大学的风洞，19021909年 之间他独立地建立了升力的理论基础。这个理论 将机翼看为无限长的柱体，只要讨

8、论它的一个截 面便可以了，因之也称为二元机翼理论。 n由于他的这些工作，被誉为“俄罗斯航空之父”。 茹可夫斯基有许多著作问世：液体动力学（ 1876）、飞鸟降落（1891）、机翼螺旋桨 （1898）、飞机稳定性基本理论（1920） 、推进螺旋桨涡流理论等。16武际可:科技史选讲之七（2）17武际可:科技史选讲之七（2）n1921年当茹可夫斯基逝世后，由他的学生恰普雷金（ ，18691942）继任。n恰普雷金出生于店员家庭，1890年在莫斯科大学毕业后 留校任教。恰普雷金早期的力学研究主要在非完整约束动 力学与刚体绕固定点的运动两个方面。1902年，恰普雷 金向莫斯科大学提交的博士论文论气体射流

9、，这项成 果为解决亚声速气流奠定了理论基础。后来恰普雷金还着 重研究了作用在机翼上的空气动力与最优翼型的理论研究 。他最早给出了计算气流在阻塞体上压力的公式，后来被 称为恰普雷金公式。1914年他又发表了论文机翼叶栅 理论，后来成为设计螺旋桨、汽轮机与水力机械的理论 基础。18武际可:科技史选讲之七（2）19武际可:科技史选讲之七（2）n美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）是1915年成立的美国航空咨询委 员会（NACA）在1958年10月改组而成的。1961年5月25 日美国总统肯尼迪在国会上提出“在10

10、年内把人送上月球 ，并使他安全返回”的任务。在二次世界大战后曾任国家 预算局局长、助理国务卿的韦伯（James Edwin Webb,1906）于1961年二月到1968年10月出任美国国 家航空航天局长。他为将人送上月球的“阿波罗”计划而尽 职尽责，通过40万份合同动员了120所大学、2万家企业 、400万人参加这项工作，共耗资240亿美元。在他1968 年12月获美国总统的自由勋章退休后，1969年美国成功 地实现了肯尼迪的计划。20武际可:科技史选讲之七（2）n冯卡门（Theodore von Karman,18811963）出生在匈 牙利的一个犹太人的家庭。1906年，靠官方的助学金到

11、 德国师从普朗特为博士研究生。卡门在力学方面的固体力 学与流体力学都有突出的贡献。1910年他给出了板的大 挠度方程，至今被称为卡门方程。1913年，在克莱因的 推荐下出任德国亚琛工业大学航空学教授，并负责组建空 气动力学研究所。第一次世界大战结束后，在卡门领导下 亚琛空气动力学研究所办得很兴旺。他最早研究细长物体 的阻力问题，为计算火箭与导弹的阻力提供了理论根据。 30年代，德国在希特勒上台后排犹，作为犹太血统卡门考 虑到在德国比较困难，于是决定离开德国去美国。21武际可:科技史选讲之七（2）n1934年冯卡门就任美国加州理工大学的古根海姆 航空实验室主任，开展了高速飞行与喷气推进的 研究。

12、后来他在1939、1940年与他的学生钱学森 最早给出了球壳受外压与圆柱壳受轴压失稳的非 线性分析。在流体力学方面他的最重要的工作是 讨论了在超声速气流中细长体的阻力（1932年） ；1938年他与钱学森一起讨论了可压缩流体的边 界层理论；1941年与钱学森一起提出了著名的卡 门钱方法，用于近似计算超声速流中机翼上的 压力变化。他的这些工作对后来的超声速飞行产 生了很大的影响。 22武际可:科技史选讲之七（2）23武际可:科技史选讲之七（2）n根据冯卡门的构思设计的XS1火箭飞机 在1947年10月14日超过了音速。n1951年卡门协助建立北大西洋公约组织航 天研究发展顾问团，他出任该团的主席

13、。 19561960年任国际航空科学委员会和国 际星际航行学会会长。1963年获肯尼迪总 统授予的美国第一枚国家科学勋章。24武际可:科技史选讲之七（2）2 超音速气体动力学n超音速空气动力学最早的研究者是马赫。在马赫 时代，超音速运动的物体是炮弹。对于超音速飞 行器的研究要晚许多。超音速飞行的导弹出现得 比超音速飞机要早，在二次世界大战期间的V2 火箭就已经超过了音速。n在1939年前后，英国的惠特尔（Frank Whitle,1907）与德国的欧海因（Hans von Ohain）分别完成了喷气发动机的发明。德国的 喷气发动机在1939年就已经安装到飞机上试飞成 功，而英国则到1941年才

14、试飞成功。喷气发动机 的发明大大提高了飞机的飞行速度。25武际可:科技史选讲之七（2）n在40年代初飞机的飞行速度已经接近音速 ，达到0.7马赫数以上。在飞机接近音速飞 行时，阻力有突然增大的趋势，而且随之 而来产生机翼与机身的抖动。那时一些专 家认为音速不可能被飞机超过。这就是所 谓的“声障”问题。26武际可:科技史选讲之七（2）n早在1935年之前，哥廷根大学的布塞曼（A. Bussemann）就已经研究了超音速的飞行的空气 动力学问题，他根据计算与实验提出：采用尖型机 头与机翼的前沿设计方案时可以减小阻力并延迟激 波的发生；采用后掠式机翼可以使垂直于翼前沿的 空气速度分量低于音速，后掠角

15、越大，对克服音障 越有利。这些理论结果被哥廷根大学的贝茨（ A.Betz）于1939年的实验所证实。后来美国有人 提出采用小展弦比（翼长与翼宽之比）可以减小波 阻。还提出在跨音速飞行时在机翼上添加顺流片， 可以切断形成的涡旋，从而增加超音速飞行时飞机 的稳定性。 27武际可:科技史选讲之七（2）n根据由空气动力学得到的这些结论设计的 飞机，后来确实突破了音障。1947年美国 的实验喷气式飞机X1超过了音速。1953 年10月29日美国的实战飞机F100“超级 佩刀”式喷气式飞机实现了超音速飞行。到 50年代末60年代初，美、英、苏各国的战 斗机都超过了马赫数2。到60年代末苏、英 、法等国也有

16、喷气式客机超过了音速。28武际可:科技史选讲之七（2）4 气动加热问题n当飞机的飞行速度超过马赫数2时，根据理论估算，在11000 米以上的高空飞行，飞机头部的温度可以高达118。当马 赫数达到2.5时，驻点（即飞行器最前面的部分，空气相对飞 行器的速度为零）温度可以达到215。而当马赫数达到3时 ，可以达到335。飞机的这种高温是由于在高速飞行时， 飞机表明附近的空气受压缩和强烈的摩擦，一部分动能转化 为热能。对于航天飞机来说，当它再入大气层时，它的驻点 可以达到1430。这样的高温带来一系列问题。首先是飞行 员能不能耐受高温的问题，其次是飞机的结构材料在高温下 强度降低的问题。这就是所谓的“热障”问题。一般认为马赫 数2.5以上就是进入热障的温度。在载人火箭与航天飞机飞出 与再入大气时，也会遇到热障问题。29武际可:科技史选讲之七（2）n世界各国大约在50年代中期便开始研究热障问题。n解