航天概论——飞机诞生之前

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1、飞机发明百年探索一、飞机诞生以前n中国及其他地区出现很多与飞行有关的神话 传说n中国古代有许多与航空航天有关的发明：向风乌、木鸟、纸鸢、风筝、竹蜻蜓、指南 针、被中香炉、火药、火箭等。n欧洲航空发展经历了三个阶段：扑翼飞行探索、轻空气航空器、固定翼飞机吉法尔飞艇杜蒙5号飞艇Lz-1n1783年，热气球和氢气球载人飞行成功n1852年，法国人吉法尔制成飞艇n1899年，杜蒙研制成功实用飞艇n1900年，德国齐伯林研制成功硬式飞艇n一战前，飞艇获得很大发展，并得到应用n二战后，硬式飞艇达到技术高峰，但很快被 淘汰。n70年代，飞艇又有复兴的迹向飞机发明的艰难前奏n建立起固定翼思想对飞机发展至关重要

2、n建立了飞机的基本结构布局n开展了航空学的理论与实验研究n开展了滑翔机的飞行实践n动力飞机进行了广泛探索n升力理论逐步获得突破n实用动力装置得发明和完善n以上成就为飞机发明奠定了坚实的基础n乔治凯利(G.Cayley，17731857)英国“航 空之父。”n威尔伯莱特评价：“在一百年以前，乔治凯利爵 士把航空技术推向了前所未有的高峰。在整个十 九世纪，这个高峰没人能够逾越。”n1909年，法国航空学会主席贝尔热写道：“乔治 凯利爵士是真正的航空之父，他的名字值得用金 字书写在航空史册的第一页。” n 冯卡门说：“目前所知的关于刚性飞机的飞行 原理，可以说是由凯利所首先宣布。”n研究兴趣：铁路机

3、车、洪水治理、航空、飞艇n乔治凯利很小就对飞行发生了浓厚的兴趣，这一 方面是由于对鸟的飞行的神往，另一方面是孩提 时代热气球载人飞行成功对他产生了很大影响， 而后者是促使他进行航空研究的直接动因。他的 第一项航空研究是仿制和改进中国古老的玩具竹 蜻蜓，时间大约是1796年。 n他对竹蜻蜓的兴趣一直保持到晚年。 1854年他去世前3年，他还将一个改进的 竹蜻蜓送给法国朋友杜布代克。n他在25岁前后曾根据竹蜻蜓设计了一架 直升机：直杆两端各有一副用四片羽毛 制成的螺旋桨。由弦和弓的伸张力带动 其旋转。凯利说，这个直升机进行过多 次成功的飞行。 n为了进行航空研究，凯利对鸟的飞行作了大量 的观察和研

4、究，包括测量鸟翼面积、鸟的重量 和飞行速度，并在此基础上估算速度、翼面积 和升力之间的关系。n他第一个明确认识到：人造飞行器应当分别实 现升举和推进两种功能，而首先应当解决的是 升举问题。这是摆脱片面模仿鸟类、实现定翼 机的重要思想和基础。 n他还认识到鸟翼弯曲形状的重要性、鸟 翼具有迎角的重要性、重心与升力中心 的关系以及对飞行稳定性的影响。n凯利于1799年设计了一架滑翔机，它包 括带有上反角的机翼、尾翼、机身，颇 具有现代意味。n凯利于1804年12月自己动手设计和制造 了一架旋臂机，用于研究平板的升力和 阻力。旋臂机实验件是一块0.1平方米的 平板，它被安装在旋臂机水平旋转杆的 末端，

5、可以偏转成各种角度。旋臂转动 的动力来自于石块下落的势能。 n凯利得出了第一批关于升力和运动速度 方面的数据。例如，当运动速度为每秒 3.52米时，升力为1.1牛顿。根据这些数 据，他半定量地认识到升力关系式。他 在1804年12月1日的笔记中总结说：空气 的升力“与空气介质密度成正比，与平板 面积成正比；与运动速度的平方成正比 ；与迎角的正弦成正比。” n1805年他又设计了一架滑翔机，它包括 了飞机的各主要部分，其中有垂直尾翼 ，机身前端还有金属配重。有一副定翼 ，又有一副扑翼，扑翼是单独用来产生 推进力的。n1808年，凯利又设计了一架滑翔机，它 的前端安装一只大的框式风筝，形状具 有鸟

6、翼一样的弯曲结构。 n凯利在旋臂机试验过程中，做出了另一 个重要发现：流线型物体能够大大降低 阻力。他还解剖了一条鳟鱼，画出了截 面形状曲线。冯卡门评论说：“他得到的 截面形状几乎可以跟某些现代的低阻力 翼型完全相合，这一点是很令人注意的 。” n1809年1810年，凯利把他的研究成果 分三次发表在英国自然哲学、化学和 技艺杂志上，题目是论空中航行 。这篇论文在航空史上占有极其重要的 地位。它的问世被看成是现代航空学诞 生的标志。 n凯利在论文中指出：机械飞行的“全部问 题是给一块平板提供动力，使之在空气 中产生升力并支持一定的重量。”他通过 平板升力估算，给出了一架飞机的设计 参数，其中平

7、板面积需要18.6平方米。 他还分析了飞机的稳定性、安全性和操 纵性的重要性。 n在论鸟的飞行的第二部分里，凯利着重分 析了设计成功飞机面临的几个主要困难。第一 是动力问题，第二是动力转换问题，第三是飞 机结构强度和降低结构重量问题。尽管当时蒸 汽机已经发明并得到应用，但凯利认为蒸汽机 的功率重量比非常低，很难应用于飞机上。于 是他研究了多种新的动力装置。1805年前后， 他发明了一种热空气发动机，甚至设想使用液 氢为燃料。 n凯利在论文的第三部分中，提出了多翼 机思想。他指出，当机翼面积增大时， 轻重量和高强度不能同时保证，因此应 当采用多翼面结构解决这个问题。 n由于超越了时代，他的众多发

8、现没有产 生很大影响n汉森于1842年设计了有名的“空中蒸气车”时， 凯利很兴奋。他于1843年4月在力学杂志 上发表文章，对汉森的飞机设计作了评价。 1849年1853年间，凯利设计并试验了全尺寸 载人滑翔机。n1849年，一个10岁的小男孩乘坐他的滑翔机离 开过地面。凯利记述说：“飘离地面几码后， 从小山上滑下来，而且还通过一些人用绳索把 这个装置逆着微风，拉起了大约同样的高度。 ” n据记载1853年6月，凯利的滑翔机又作了一次 载人飞行。据凯利的外孙女汤普森 (Thompson)回忆说：“马车夫乘坐这架飞机离 开了地面，并降落在与起飞点的高度大致相同 的西侧。我认为，飞机降落时飞行的距

9、离比预 计的要短得多。当参观者越过山谷时，马车夫 走下飞机，他叫了起来：乔治爵士，我想请您 注意，我是雇来赶车的，不是飞行的。这就是 我记得的一切。” 1804年设计的定翼机1804年设计的定翼机模型1817飞艇载人滑翔机晚 年 载 人 滑 翔 机凯利的后继者汉森n汉森(W.S.Henson，1812-1888) 英国工程师主要工作是设计滑翔机，进行结构试验和改进轻型蒸 汽机。n斯特林费罗(J.Stringfellow，1799-1883)英国工 程师主要工作是研制小型发动机和小型飞机1842年1月10日，汉森给斯特林费罗的信中谈到他早 期航空研究的情况。他说，他设计的蒸汽机太笨重， 不适于飞

10、机使用。他计划进行进一步改进，目标是在 蒸汽机重量不变的情况下，使其功率增加一倍。 n1842年9月29日，汉森申请了飞机设计专利， 名称是“用于空中、陆地和海上的蒸汽动力装 置。”他在专利说明书上写道：这种装置“能够 把信件、物品和乘客经由空中从一地送到另一 地。” n1843年4月，“空中蒸汽车”专利获得批准。这 是历史上第一个重于空气飞行器的发明专利， 在世界航空史上具有重要地位。后人对这项设 计也给予了很高的评价，有人称之为世界上第 一种真正的飞机。 n汉森的飞机取名为“空中蒸汽车”。飞机呈 单翼结构，机翼翼展45.72米、宽9.14米 、翼面积418.1平方米，水平尾翼面积为 139

11、.4平方米。飞机长约为25.83米，总 重约1360千克。汉森计划采用的动力装 置是一台1822.4千瓦的蒸汽机，驱动 两个六叶螺旋桨。 n斯特林费罗坚信重于空气飞行器能够研制成功。他 建议先进行模型试验。汉森也表示同意。1843年12 月29日，他们两人签订了一项合作协议书。n18441847年间，汉森和斯特林费罗合作进行模型 动力飞机的设计和研制。它的翼展6.1米，翼面积 7.8平方米，尾翼面积1.1平方米。螺旋桨直径1米。n1845年6月17日，空中蒸汽车模型进行了首次地面 试验。n1847年，这架模型在查尔德城外的巴拉进行了飞行 试验。由于模型无法支持本身的重量，它在弹射后 便慢慢在落

12、回了地面，试飞失败。 n汉森走后，斯特林费罗继续进行模型试 验。他有意识地把模型设计的较小，总 重仅4.5千克。除此之外，他还在许多方 面进行了改进：它的机翼前缘部分具有 挠性，这有利于增加自动稳定性；机翼 形状由矩形改为弧形；翼型也作了更改 。斯特林费罗为这架新模型设计了微型 蒸汽发动机。 n1848年进行的第一次试验，由于斜面放 置的太高，致使模型以很高的速度下滑 并触及地面而损坏。第二次试验把起飞 装置角度调低，据说飞行距离约20米。 有人认为这是“第一台能够利用动力升空 的机器。” n1867年英国航空学会秘书来查尔德拜访斯特林 费罗，请他为航空学会将要举行的展览会提供 展品。斯特林费

13、罗答应为此设计一架模型。 1868年6月，世界首次航空展览会在伦敦的水 晶宫举行。斯特林费罗为展览会送交了三件展 品：一个功率为0.38千瓦的蒸汽发动机，重量 只有8千克；一个0.746千瓦的蒸汽发生器和一 架蒸汽动力飞机模型。这个飞机模型呈三翼结 构。在展览会上，他的发动机获得了最小重量 功率比奖。 英国航空学会成立1866n1866年，世界上第一个航空研究团体大 不列颠航空学会宣布成立，这是世界航 空史的重大事件，也是重于空气飞行器 发展进入一个新时代的标志。n1870年英国航空学会成立了试验委员会 。试验委员会在进行试验过程中，获得 了一些重要结果，其中包括空气升力的 关系式。 n格莱舍

14、发现了边界层现象。他指出：“与 平板接触的流体粒子会改变它的运动路 线，它将沿表面滑行。这种效应只适用 于平板邻近的一层。而对于这种现象， 理论上是无法预言的。”这是空气动力学 的一大发现，也是首次阐述边界层的概 念。 n两位杰出的航空学家：n维纳姆(F.H.Wenham，18241908)n菲利普斯(H.F.Phillips，18451912)n他们的工作代表了英国航空学会19世纪 航空研究的最高水平。 n维纳姆已经进行过几年航空研究，内容包括观 察鸟的飞行、开展旋臂机试验、螺旋桨试验和 全尺寸滑翔机试验等，这些工作已经为他的著 名论文论空中交通作了大量前期准备。n1866年，维纳姆在英国航

15、空学会上发表了一篇 题为论空中交通和关于重于空气飞行器的支 持原理的演讲。明确阐述升力主要集中于前 缘的思想。n他的最初试验通过旋臂机进行。 n1871年，维纳姆设计并建造了世界上第 一座风洞。它是个四周封闭的矩形框， 一端有一架鼓风机，提供试验用的气流 。中间的一个支杆上安装试验件，用弹 簧秤测量气动升力。 n1880年前后，菲利普斯决定自己设计和 改进风洞，并开展试验研究。n1884年，他改进设计的风洞制造成功。 风洞长为2米，截面宽度43厘米。它的最 大特点是试验气流由直射式改为引射式 ，并且加了过滤网，从而大大改善了试 验气流的均匀性和平衡性。他获得了几 项专利。 n菲利普斯研究了各种

16、不同的翼型。他试验过的 翼型多达上百种，有单弯度、各种双弯度，甚 至还有菱形的。通过这些试验他发现，双弯度 翼型即使没有迎角也能产生升力。这也是一个 重大发现。n菲利普斯于1893年设计了一架样子奇特的飞机 。它上下排列着50个翼面，左右对称各25个。 每个弯曲机翼长6.1米，宽只有4厘米，展弦比 竟高达153。 菲利普斯翼型专利1904年飞机动力飞机探索n法国船长让玛丽布里斯(J.M.Bris)是早期对滑翔飞 行做出了重大贡献的航空先驱者。1857年，布里斯 设计了一架大型滑翔机。其翼面同信天翁的翅膀非 常相似。它的翼展长达15.3米。在第一次试验试飞 时，他成功地飘飞了一段距离。n他在第二次飞行时，由于遇到了下降气流，滑翔机 落地摔坏。他本人也折断了大腿。n1867年，布里斯又制造了第二架滑翔机。n1868年，布里斯再度开始滑翔机试验。用重物代替 人。试验又遭失败，滑翔机翻倒，摔在地面。 n法国海军军官费里克斯杜坦卜尔(F.D.Temple ，18231890)。他在40年代初进行过模型飞