航空航天概论复习

航空航天概论要点第1.1版第1页共12页航空航天概论要点（正式稿）第一章航空航天发展概况1.1航空航天基本概念航空：载人或不载人的飞行器在地球大气层中的航行运动。航空按其使用方向有军用航空和民用航空之分。军用航空泛指用于军事目的的一切航空活动，主要包括作战、侦察、运输、警戒、训练和联络救生等。民用航空泛指利用各类航空器为国民经济服务的非军事性飞行活动。民用航空分为商业航空和通用航空两大类。航天是指载人或不载人的航天器在地球大气层之外的航行活动，又称空间飞行或者宇宙航行。航天实际上又有军用和民用之分。1.2飞行器的分类、构成与功用在地球大气层内、外飞行的器械称为飞行器。在大气层内飞行的飞行器称为航空器。航空器轻于空气的航空器气球飞艇重于空气的航空器固定翼航空器飞机滑翔机旋翼航空器直升机旋翼机扑翼机倾转旋翼机航天器是指在地球大气层以外的宇宙空间，基本按照天体力学的规律运动的各类飞行器。航天器无人航天器人造地球卫星科学卫星应用卫星技术试验卫星空间探测器月球探测器行星和行星际探测器载人航天器载人飞船卫星式载人飞船登月载人飞船空间站航天飞机空天飞机1.3航空航天发展概况1783年6月5日，法国的蒙哥尔费兄弟用麻布制成的热气球完成了成功的升空表演。航空航天概论要点第1.1版第2页共12页1852年，法国人H.吉法尔在气球上安装了一台功率约为2237W的蒸汽机，用来带动一个三叶螺旋桨，使其成为第一个可以操纵的气球，这就是最早的飞艇。1903年12月17日，弟弟奥维尔·莱特，驾驶“飞行者”1号进行了试飞，当天共飞行了4次，其中最长的一次在接近1min的时间里飞行了260m的距离。这是人类历史上第一次持续而有控制的动力飞行。1947年10月14日，美国X-1研究机，首次突破了“声障”。喷气式战斗机（我国习惯称歼击机）的更新换代代表了航空技术的发展历程。代特点代表机型第一代战斗机高亚声速或低超音速、后掠翼、装涡喷发动机、带航炮和空空火箭，后期装备第一代空空导弹和机载雷达米格-15、F-100、米格-19第二代战斗机小展弦比薄机翼和带加力的涡喷发动机，飞行速度达到2倍声速，用第二代空空导弹取代了空空火箭和第一代空空导弹，配装有晶体管雷达的火控系统。F-4、米格-21、幻影III第三代战斗机边条翼、前缘襟翼、翼身融合等先进气动布局以及电传操纵和主动控制技术，装涡轮风扇发动机，具有高的亚声速机动性，配备多管速射航炮和先进的中距和近距格斗导弹，一般装有脉冲多普勒雷达和全天候火控系统，具有多目标跟踪和攻击能力，平视显示器和和多功能显示器为主要的座舱仪表。第三代战斗机在突出中、低空机动性的同时，可靠性、维修性和战斗生存性得到很大改善。F-15、F-16、米格-29、苏-27、幻影-2000第四代战斗机综合使用了隐身、航电、材料、发动机和气动设计方面的最新技术成果发展而成，是一种全面先进的战术战斗机。F-22、（F-35）火箭之父：俄国的K.齐奥尔科夫斯基1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星从苏联的领土上成功发射。1969年7月20日，“阿波罗”11号飞船首次把两名航天员N.阿姆斯特朗和A.奥尔德林送上了月球表面。1986年1月28日，“挑战者”号发射升空不久即爆炸，7名航天员全部罹难。2003年美国当地时间2月1日，载有7名航天员的“哥伦比亚”号航天飞机结束任务返回地球，在着陆前16分钟发生意外，航天飞机解体坠毁，机上航天员全部罹难。1.4我国的航空航天工业新中国自行设计并研制成功的第一架飞机是歼教1。我国自行设计制造并投入成批生产和大量装备部队的第一种飞机是初教6。我国第一架喷气式战斗机是歼5型飞机，是一种高亚声速歼击机。歼6飞机是我国第一代超声速战斗机，可达1.4倍声速。我国第二代超声速战斗机包括歼7和歼8系列。歼8系列飞机的研制成功，标志着我国的军用航空工业进入了一个自行研究、自行设计航空航天概论要点第1.1版第3页共12页和自行制造的新阶段。歼10战斗机是我国自行研制的具有完全自主知识产权的第三代战斗机，实现了我国战斗机从第二代向第三代的历史性跨越。“北京”1号是新中国自行研制的第一架轻型旅客机。由北京航空航天大学的前身北京航空学院的师生设计、生产。2007年2月26日，国务院正式批准我国大飞机国家重大专项立项实施，标志着我国大型民用客机和大型运输机进入工程研制阶段。1970年4月24日21时35分，我国第一枚运载火箭“长征”1号携带着中国的第一颗人造地球卫星，从我国酒泉卫星发射场发射升空，10分钟后，卫星顺利进入轨道。1970年4月24日，我国成功发射第一颗人造地球卫星“东方红”1号。我国的气象卫星称为“风云”系列。我国成功研制和发射了“北斗”导航定位卫星。2003年10月15日，“长征”2号F运载火箭，托着我国第一艘载人飞船“神州”5号胜利升空。我国第一位航天员杨利伟。2005年10月12日上午9时，搭载费俊龙和聂海胜两名中国航天员的“神州”6号飞船在酒泉卫星发射中心发射升空。2007年10月24日18时05分，“嫦娥”1号月球探测卫星从西昌发射中心由“长征”3号甲运载火箭成功发射。2008年9月25日21时10分“神州”7号飞船发射，在轨期间，中国航天员翟志刚在搭档刘伯明和景海鹏的协助下首次出仓进行太空行走，飞船飞行到第31圈时，成功释放伴飞小卫星。第二章飞行环境及飞行原理2.1飞行环境飞行环境包括大气飞行环境和空间飞行环境。根据大气中温度随高度的变化，可将大气层划分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层5个层次。大气层特点对流层气温随高度增加而降低；风向、风速经常变化；空气上下对流剧烈；有云、雨、雾、雪等天气现象。对流层是天气变化最复杂的一层，飞行中所遇到的各种天气变化几乎都出现在这一层中。（最低）平流层空气沿铅垂方向的运动较弱，因而气流较平稳，能见度较好。（较低）中间层气温随高度升高而下降，且空气有相当强烈的铅垂方向的运动。（中间）热层空气密度极小，空气处于高度电离状态，温度随高度增高而上升。（次高）散逸层空气极其稀薄，大气分子不断地向星际空间逃逸。（最高）连续性假设：研究飞行器和大气之间的相对运动时，气体分子之间的距离完全可以忽略不计，即把气体看成连续的介质。大气的粘性是空气在流动过程中表现出的一种物理性质，也叫做大气的内摩擦力。大气的粘性，主要是气体分子作不规则运动的结果。对于像空气这种内摩擦系数很小的流体，当物体在空气中的运动速度不是很大时，粘性的作用也就不很明显，此时，可以采用理想流体模型来做理论分析。通常把不考虑粘性的流体（即流体的内摩擦系数趋于零的流体），称为理想流体或无粘流体。航空航天概论要点第1.1版第4页共12页当气流的速度较小时，压强的变化量较小，其密度的变化也很小，因此在研究大气低速流动的有关问题时，可以不考虑大气可压缩性的影响。但当大气流动的速度较高时，由于可压缩性的影响，使得大气以超声速流过飞行器表面时与低速流过飞行器表面时有很大的差别，在某些方面甚至还会发生质的变化。就必须考虑大气的可压缩性（气体的可压缩性是指当气体的压强改变时其密度和体积改变的性质）。声速是指声波在物体中传播的速度。声速的大小和传播介质有关。在对流层中，气温随高度增加而降低，声速也随着降低。马赫数Ma，衡量空气被压缩程度的大小。avMa，v表示在一定高度上，飞行器的飞行速度，a表示该处的声速。根据Ma的大小，可以把飞行器的飞行速度划分为如下区域：为高超声速飞行为超声速飞行为跨声速飞行为亚声速飞行为低速飞行0.5Ma5.0Ma3.11.3Ma85.00.85Ma4.04.0Ma2.2流动气体的基本规律相对运动原理：“空气流动，物体不动”和“空气静止，物体运动”产生的空气动力效果完全一样。只要物体和空气之间有相对运动，就会在物体上产生空气动力。可压缩流体沿管道流动的连续性方程：常数333222111AvAvAv不可压缩流体沿管道流动的连续性方程：常数332211AvAvAv（A为所取截面的面积）不可压理想流体的伯努利方程：动压静压，常数，总压222121vpvp低速气流的流动特点：(此时近似认为不可压缩）121212,,,ppvvAA不变则有；反之121212,,,ppvvAA不变则有。高速气流的流动特点：12121212,,,ppvvAA则有；反之12121212,,,ppvvAA则有。拉瓦尔喷管是使气流由亚声速加速成超音速的一种先收缩后扩张的管道，当然要想变为超音速，对气流还必须的是沿气流方向有一定压力差。航空航天概论要点第1.1版第5页共12页2.3飞机上的空气动力作用及原理翼弦与相对气流速度v之间的夹角α叫“迎角”。假设翼型有一个不大的迎角α，当气流流到翼型的前缘时，气流分成上下两股分别流经翼型的上下翼面。由于翼型的作用，当气流流过上翼面时流动通道变窄，气流速度增大，压强降低，并低于前方气流的大气压；而气流流过下翼面时，由于翼型前端上仰，气流受到阻拦，且流动通道扩大，气流速度减小，压强增大，并高于前方气流的大气压。因此，在上下翼面之间就形成了一个压强差，从而产生了一个向上的升力Y。失速现象：随着迎角的增大，升力也会随着增大，但当迎角增大到一定程度时，气流就会从机翼前缘开始分离，尾部出现很大的涡流区。此时，升力会突然下降，而阻力却迅速增大，这种现象称为“失速”。失速刚刚出现时的迎角叫“临界迎角”。所以飞机飞行时迎角最好不要接近或大于临界迎角。影响飞机升力的因素1.机翼面积的影响2.相对速度的影响3.空气密度的影响4.机翼剖面形状的影响5.迎角的影响增升措施1.改变机翼剖面形状，增大机翼弯度；2.增大机翼面积；3.改变气流的流动状态，控制机翼上的附面层，延缓气流分离。低速飞机上的阻力按其产生的原因不同可分为摩擦阻力、压强阻力、诱导阻力和干扰阻力。1.摩擦阻力摩擦阻力的大小，取决于空气的粘性、飞机表面的状况、附面层中气流的流动情况和同气流接触的飞机表面积的大小。空气的粘性越大，飞机表面越粗糙，飞机的表面积越大，则摩擦阻力越大。为了减小摩擦阻力，应在这些方面采取必要的措施。另外，用层流翼型代替古典翼型，使紊流层尽量后移，对减小摩擦阻力也是有益的。2.压差阻力为了减小飞机的压差阻力，应尽量减小飞机的最大迎风面积，并对飞机的各部件进行整流，做成流线型，有些部件如活塞式发动机的机头应安装整流罩。3.诱导阻力诱导阻力与机翼的平面形状、翼剖面形状、展弦比等有关。可以通过增大展弦比，选择适当的平面形状（如椭圆形的机翼平面形状），增加“翼梢小翼”等来减小诱导阻力。4.干扰阻力干扰阻力和飞机不同部件之间的相对位置有关，因此，在设计时要妥善地考虑和安排各部件的相对位置，必要时在这些部件之间加装流线型的整流片，使连接处圆滑过渡，尽量避免旋涡的产生。2.4高速飞行的特点激波实际上是受到强烈压缩的一层薄薄的空气。航空航天概论要点第1.1版第6页共12页正激波是指其波面与气流方向接近于垂直的激波。斜激波是指波面沿气流方向倾斜的激波。（P95图）由激波阻滞气流的产生的阻力叫做激波阻力，简称波阻。某些超声速飞机的机身、机翼等部分的前缘设计成尖锐的形状，就是为了减小激波强度，进而减小激波阻力。与临界速度相对应的马赫数就叫做“临界马赫数”，用Ma临界表示。当飞机的飞行速度超过临Ma临界时，机翼上就会出现一个局部超声速区，并在那里产生一个正激波。这个正激波是由于局部产生的，所以叫“局部激波”。(临界速度是气流的速度，当气流以此速度从前缘爬升到机翼最高点时，刚好加速到声速)局部激波和波阻的产生，是出现“声障”问题的根本原因。飞机气动布局的类型：（P98图）按机翼和机身的连接位置分：上单翼、中单翼、下单翼；按机翼弦平面有无上反角分：上反翼、无上反翼、下反翼；按立尾的数量分：单立尾、双立尾、V形尾；按纵向气动布局分：正常式、鸭式、无尾式超声速飞机的翼型特点：大都采用相对厚度小的对称翼型或接近对称的翼型。波阻较小的翼型有：双弧形、菱形、楔形、双菱形超声速飞机的机翼