“航空航天”简介、含义、起源、历史及发展

航空航天航空与航天是20世纪人类认识和改造自然进程中最活跃、最有影响的科学技术领域，也是人类文明高度发展的重要标志。航空指飞行器在地球大气层内的航行活动，航天指飞行器在大气层外宇宙空间的航行活动。人类在征服大自然的漫长岁月中，早就产生了翱翔天空、遨游宇宙的愿望。在生产力和科学技术水平都很低下的时代，这种愿望只能停留在幻想的阶段。虽然人类很早就做过种种飞行的探索和尝试，但实现这一愿望还是从18世纪的热空气气球升空开始的。自从20世纪初第一架带动力的、可操纵的飞机完成了短暂的飞行之后，人类在大气层中飞行的古老梦想才真正成为现实。经过许多杰出人物的艰苦努力，航空科学技术得到迅速发展，飞机性能不断提高。人类逐渐取得了在大气层内活动的自由，也增强了飞出大气层的信心。到了50年代中期，在火箭、电子、自动控制等科学技术有了显著进展的基础上，第一颗人造地球卫星发射成功，开创了人类航天新纪元，广阔无垠的宇宙空间开始成为人类活动的新疆域。航空航天事业的发展是20世纪科学技术飞跃进步，社会生产突飞猛进的结果。航空航天的成果集中了科学技术的众多新成就。迄今为止的航空航天活动，虽然还只是人类离开地球这个摇篮的最初几步，但它的作用已远远超出科学技术领域，对政治、经济、军事以至人类社会生活都产生了广泛而深远的影响。人类活动范围的飞跃人类为了扩大社会生产活动，必然要不断开拓新的天地。人类活动范围，经历了从陆地到海洋，从海洋到大气层，从大气层到宇宙空间的逐渐扩展的过程。人类活动范围的每一次飞跃，都大大增强了认识和改造自然的能力，促进了生产力的发展和社会的进步。人类为了实现腾空飞行的理想，曾经历了一段艰难曲折的道路。中国西汉时期的飞人试验、中世纪欧洲人的跳塔扑翼飞行和其他先驱者的勇敢尝试屡遭失败，使人们认识到简单模仿动物，特别是鸟类飞行的做法并不能使人升空。飞行探索遂转向研究轻于空气的航空器。1783年，法国蒙哥尔费兄弟的热空气气球和J.A.C.查理的氢气气球相继升空成功，实现了人类自古以来的“凌云之志”，标志着人类在征服天空的道路上迈出了第一步。性能优于气球、飞行方向可以操纵的飞艇随之获得发展。轻于空气的航空器存在升力小、阻力大、飞行速度慢等缺点，不能实现便捷的飞行，人们转而探索重于空气的航空器。18世纪产业革命后对汽车用内燃机和船用螺旋桨的研究，为重于空气的航空器提供了动力基础。在G.凯利、O.李林达尔等航空先驱对滑翔机和空气动力作用的初步研究之后，美国莱特兄弟制造成功世界公认的第一架飞机，并在1903年12月17日实现了人类首次持续的、有动力的、可操纵的飞行，开创了现代航空的新纪元。20世纪上半叶相继发生了两次世界大战，航空的发展首先对战争产生了重大影响。从1909年起，一些国家政府就注意到飞机的军事用途，相继成立了航空科学研究机构。在第一次世界大战中，飞机开始得到大规模使用，出现了执行不同军事任务的机种。在20～30年代，飞机完成了从双翼机到张臂式单翼机、从木布结构到全金属结构，从敞开式座舱到密闭式座舱，从固定式起落架到收放式起落架的过渡，飞机的升限、速度提高了2～4倍。而发动机功率则提高了5倍，航空工业逐渐成为独立的产业部门。第二次世界大战引起了航空工业的第二次大发展，参战飞机数量剧增，性能迅速提高，空军发展成为对战争全局有重要影响的一个军种。飞机气动外形的改进、燃气涡轮发动机和机载雷达的应用，改变了飞机的面貌。战后喷气技术迅速发展，军用飞机广泛采用喷气发动机。随着超音速空气动力学、结构力学和材料科学的进展，飞机突破了“音障”和“热障”，飞行速度达到2～3倍音速，进入了超音速飞行时代。变后掠机翼和垂直起落技术的成功为变后掠翼飞机和垂直起落飞机的发展创造了条件。直升机也得到发展和广泛应用。在两次世界大战间隙中发展起来的民用航空运输也有了很大增长，从50年代起，喷气式旅客机逐渐取代了螺旋桨旅客机。随着低耗油率的高涵道比涡轮风扇发动机的产生，70年代初出现了大型宽体高亚音速喷气式旅客机和货机，飞机载重量大大增加。飞机成了国民经济和人民生活不可缺少的交通工具。人类从模仿鸟类飞行开始，已发展到能比任何鸟类飞得更高、更快、更远。航天不同于航空，飞行器在极高真空的宇宙空间以类似于自然天体的运动规律飞行。实现航天首先要寻找不依赖空气、有巨大推力的运载工具。这种工具就是火箭。中国是火箭的发源地，公元12世纪就在战争中使用了火箭。20世纪初，以К.Э.齐奥尔科夫斯基、R.H.戈达德和H.奥伯特为代表的航天理论先驱者阐明了利用火箭进行航天的基本原理，描绘了现代液体火箭的设想。1926年戈达德首先研制成功世界上第一枚液体火箭。在一些国家陆续成立了火箭学会，开展理论研究和小型液体火箭的研制工作。在第二次世界大战期间，纳粹德国集中力量研制大型液体火箭，并于1942年10月成功地进行了A-4火箭(即以后的V-2火箭)的发射试验，为战后发展大型导弹和航天运载工具奠定了基础。1957年8月和12月，苏联和美国分别发射成功洲际导弹。1957年10月4日，世界第一颗人造地球卫星由苏联发射成功，它标志着人类活动范围的又一次飞跃。1961年4月12日，苏联Ю.А.加加林乘“东方”1号飞船进入太空，人类实现了遨游太空的理想。1969年7月20～21日，美国N.A.阿姆斯特朗和E.E.奥尔德林乘“阿波罗”11号飞船登月成功，创造了人类涉足地球以外另一个天体的纪录。从60年代以来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫星与应用卫星获得很大发展，并取得显著的效益。70年代后各种卫星向着多用途、高可靠、长寿命、低成本的方向发展。载人航天活动为认识宇宙、开发和利用太空提供了条件，并为在太空建立永久性的航天站奠定了基础。80年代可以重复使用的航天飞机的出现，为人类提供了理想的航天运载工具，使航天活动进入一个新的阶段。空间探测获得了丰硕的成果，先后有12人登上了月球。无人的空间探测器已在金星和火星着陆，还探测了太阳系大多数行星，有的还将飞出太阳系。在不到30年的时间内，航天技术取得了划时代的成就，成为世界新技术革命的一个重要组成部分。现代科学技术的结晶航空技术和航天技术都是高度综合的现代科学技术，它们以基础科学和技术科学为基础，集中应用了20世纪许多工程技术新成就。力学、热力学、材料学、医学、电子技术、自动控制、喷气推进、计算机、真空技术、低温技术、半导体技术、制造工艺学等都对航空航天的进步发挥了重要作用。这些科学技术在航空航天的应用中互相交叉和渗透，产生了一些新学科，使航空和航天科学技术形成了完整的体系。航空航天不断提出的新要求，又促进了这些科学技术的进步。莱特兄弟对航空的一个重大贡献是在飞机设计中应用了空气动力学原理。后来航空技术的每一项成就，多与空气动力学的进展有关。空气动力学的机翼理论和边界层理论为早期飞机性能的改进指出了方向。所有通过大气层的飞行器都要利用风洞实验来确定它们的空气动力外形和空气动力特性。亚音速、跨音速和超音速空气动力学的发展，取得了后掠翼和面积律的一系列成果，在飞机采用涡轮喷气发动机后突破了“音障”，实现了超音速飞行。在耐热和防热材料发展的基础上，高超音速空气动力学和气动热力学为飞机突破“热障”和再入大气层的飞行器的防热设计指出了方向。气动热力学和发动机气动力学也是航空发动机和火箭发动机的重要理论基础之一。飞行器结构力学和强度理论，对飞行器的性能和经济性都有重大影响。分析空气动力和飞行器相互作用的气动弹性力学，成功地解决了曾引起飞机多次事故的颤振问题。大气层飞行动力学已经成为研究在空气动力等外力作用下飞行器运动规律的科学，成为各类飞行器设计的理论基础之一。而天体力学则为研究航天器的运行奠定了理论基础。推进系统是飞机和火箭的心脏，是决定它们性能的重要因素。活塞式航空发动机的发展提高了早期飞机的飞行速度；在叶轮机械的效率大幅度提高的基础上出现的涡轮喷气发动机，使飞机的飞行速度得以超过音速;高性能的涡轮风扇发动机降低了耗油率和发动机噪声，使得巨型旅客机有可能投入航线飞行。与飞机相比，火箭发动机对航天器运载火箭的性能影响更大。液体火箭发动机性能的提高，对成功地发射第一颗人造地球卫星起了重要的作用。只有在研制成功大推力的助推发动机和高性能的液氧液氢发动机之后，才有可能成功地进行载人登月飞行。高性能的固体火箭发动机促进了战略导弹和战术导弹的发展。航天飞机助推用的固体火箭发动机，单台推力已超过10兆牛（约1千吨力）。随着能源的不断开发，利用核能、太阳能的各种发动机将在航空航天活动中得到更广泛的应用。真空技术和低温技术的发展，对低温推进剂在火箭上的应用、研制高性能火箭发动机以及航天器的热设计都有着关键性的作用。医学对航空航天的发展有着十分重要的作用。研究人对航空航天特殊环境的适应性和医学保障的航空航天医学，是航空航天生命保障技术的医学基础，它的发展保证了人在航空航天活动中的安全和高效率的工作。电子技术、自动控制、计算机与航空航天密切相关。这些技术应用于飞行器的通信、导航、制导、控制、侦察、预警、遥感等方面，大大提高了飞行器的性能。在飞机上应用先进的微电子技术、自动控制和计算机技术，使飞机实现了主动控制和机载电子系统小型化、综合化、数字化，提高了飞机的机动飞行、目标捕获、识别和跟踪、自动火力控制以及全天候飞行等能力。在火箭上采用高精度惯性器件、先进的计算机和制导方法，使火箭的制导精度有了很大的提高。航天器采用多变量控制、最优控制等先进控制技术和计算机，使航天器能够完成复杂的姿态控制、轨道控制等任务。计算机辅助设计和制造使飞行器设计和制造发生了重大变化。对航天器实施跟踪、测量和控制的航天测控系统复杂而庞大，且多是具有信息反馈的实时控制系统，需要应用先进的电子技术、自动控制、计算机以及系统工程的原理进行设计。计算机是航空工程和航天工程中最重要的技术工具。从民用航空的订座系统到多功能、大信息量和高度自动化的航天测控系统，无不依赖计算机。航空航天要求采用高速度、大容量的大型计算机。它要求电子设备、计算机的体积小、重量轻、可靠性高和寿命长，又促使电子元器件和计算机向小型化和微型化的方向发展。航空航天的需要是推动电子技术、自动控制和计算机技术飞速发展的主要动力之一。20世纪以来，航空工程和航天工程的规模日益扩大，工程技术的复杂程度越来越高。一架大型飞机由数十万个零部件组成，涉及许多企业的各种工序，只要存在一处隐患，就可能危及数百名乘客的生命安全，为了保证可靠性和提高经济效益，需要做大量的协调和管理工作。60年代参加美国“阿波罗”载人登月工程的有上百个科研机构，二万多家企业。制造的元器件多达几百万个。研制这样复杂的工程系统所面临的难题是：怎样把比较笼统的初始要求(例如使航天员安全登上月球并返回地面)逐步变为成千上万个工程任务的参加者的具体工作；怎样把这些工作最终组合成一个技术上合理、经济上合算、研制周期短、协调运转方便的实际工程系统。这样复杂的工程系统涉及大规模复杂社会劳动的组织协调和管理，需要有一套严密而科学的组织管理方法，即系统工程的方法。航空航天为系统工程的发展和应用提供了实践机会，它也是应用系统工程的最早和最大的收益者。航空航天开拓的系统工程思想对人类社会的生产活动也产生了重要影响。对社会进步的重大贡献航空航天的发展虽然与军事应用密切相关，但更为重要的是人类在这个领域所取得的巨大进展，对国民经济的众多部门和社会生活的许多方面都产生了重大影响，改变了世界的面貌。航空的发展大大改变了交通运输的结构，飞机为人们提供了一种快速、方便、经济、安全、舒适的运输手段，国际航班已经代替了远洋客轮，成为人们洲际往来的主要工具，密切了世界各国的交往。国内航班在一些国家更多地代替了铁路客运，加快了边远地区的开发。大型喷气式客机和通信卫星被认为是信息社会的两个重要支柱。在工业方面，飞机还广泛用于空中摄影、大地测绘、地质勘探和资源调查；在农业方面，飞机用于播种施肥、除草灭虫、森林防火以及环境保护。这一切对传统生产方式的变革产生了深远的影响。航天技术与其他科学技术相结合开创了许多新的技术途径，它们直接服务于国民经