航空航天的技术发展

武际可:科技史选讲之七（2）1航空、航天技术的发展今天不可能的事明天将变为可能。康·埃·齐奥尔可夫斯基武际可:科技史选讲之七（2）2航空与航天力学的发展武际可:科技史选讲之七（2）31总的概述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：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。武际可:科技史选讲之七（2）4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。武际可:科技史选讲之七（2）5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。而所有这些问题都是崭新的力学课题。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。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。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。武际可:科技史选讲之七（2）6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。武际可:科技史选讲之七（2）72空气动力研究中心与若干著名学者的研究工作流体力学与航空有关的较早研究结果是丹尼尔·伯努利（DanielBernaulli,1700－1782）1738年给出的现今称为伯努利定理。constghv22武际可:科技史选讲之七（2）8武际可:科技史选讲之七（2）9丹尼尔·伯努利DanielBernaulli1700－1782丹·伯努利像武际可:科技史选讲之七（2）10武际可:科技史选讲之七（2）11随着航空事业的发展，空气动力学的研究迅速展开。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。武际可:科技史选讲之七（2）121906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（LudwigPrandtl,1875－1953）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2×2㎡，最大风速为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。武际可:科技史选讲之七（2）13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。武际可:科技史选讲之七（2）14图4普朗特像武际可:科技史选讲之七（2）151918年，苏联成立了中央空气动力学研究所（ЦАГИ），苏联力学家茹可夫斯基出任所长。茹可夫斯基（НиколайЕгоровичЖуковский,1847－1921）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。武际可:科技史选讲之七（2）161902年建成莫斯科大学的风洞，1902－1909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，只要讨论它的一个截面便可以了，因之也称为二元机翼理论。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。武际可:科技史选讲之七（2）17茹可夫斯基像武际可:科技史选讲之七（2）181921年当茹可夫斯基逝世后，由他的学生恰普雷金（СергейАлксеевичЧаплыгин，1869－1942）继任。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》，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。武际可:科技史选讲之七（2）19恰普雷金像武际可:科技史选讲之七（2）20美国国家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration,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（JamesEdwinWebb,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。武际可:科技史选讲之七（2）21冯·卡门（TheodorevonKarman,1881－1963）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。武际可:科技史选讲之七（2）221934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。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。武际可:科技史选讲之七（2）23冯·卡门像武际可:科技史选讲之七（2）24根据冯·卡门的构思设计的XS－1火箭飞机在1947年10月14日超过了音速。1951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。1956－1960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。武际可:科技史选讲之七（2）252超音速气体动力学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V－2火箭就已经超过了音速。在1939年前后，英国的惠特尔（FrankWhitle,1907－）与德国的欧海因（HansvonOhain）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年才试飞成功。喷气发动机的发明大大提高了飞机的飞行速度。武际可:科技史选讲之七（2）26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。武际可:科技史选讲之七（2）27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。武际可:科技史选讲之七（2）28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X－1超过了音速。1953年10月29日美国的实战飞机F－100“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、法等国也有喷气式客机超过了音速。武际可:科技史选讲之七（2）294气动加热问题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。武际可:科技史选讲之七（2）30世界各国大约在50年代中期便开始研究热障问题。解决热障问题的途径一般是：合理的飞行器的外形设计，以减小空气动力加热；采用耐高温的材料；适当的隔热和冷却技术。在50年代材料的高温蠕变、高温强度问题，结构的热应力问题、热屈曲问题，飞行器的气动加热与隔热问题，一时间成为各国有关科学研究单位的重要研究课题。经过不断研究取得新的结果、