航空发展史

航空概论一、本课程的主要学习内容♦航空发展史；♦飞机的飞行原理；♦飞机系统；♦航空材料的发展；♦今日航空。邮箱地址：[e-mail]密码：012345二、主要参考书目♦航空概论，史超礼，国防工业出版社♦航空概论，王细洋，航空工业出版社♦其他航空有关书籍三、考试方式¾期末成绩(开卷)，占60%¾平时成绩，占40%第一章航空发展史¾航空基本概念¾飞天探索¾中国航空工业概况1.1航空基本概念1.1.1航空航空：指载人或不载人的飞行器在地球大气层中的航行活动，必须具备空气介质。航空有军用航空和民用航空之分美国F/A-18波音7471.1.2航空器¾航空器：在大气层内飞行的飞行器。航空器成功飞行须解决的问题？‰有克服自身重力的向上升力。‰飞行必须具备动力装置产生推力或拉力来克服前进的阻力‰稳定性和操纵性好¾根据产生升力的基本原理不同，航空器分为轻于（或等于）同体积空气的航空器和重于同体积空气的航空器两大类。滑翔机旋翼机飞艇倾转旋翼机1.2飞天探索¾对鸟类和人类飞行的认识¾达.芬奇与航空扑翼¾气球和飞艇¾重于空气飞行器——滑翔机¾航空喷气时代¾直升机的发展1.2.1对鸟类和人类飞行的认识幻想天使或者神仙由于无法解释鸟类飞行本领，古代文化中对鸟类产生崇拜的思想。许多民族的神都被想象成有飞行能力。代达罗斯父子法厄同嫦娥奔月孙悟空腾云驾雾¾从古希腊开始，人们开始认真讨论鸟的飞行¾整个18世纪以前，关于鸟的飞行问题最有成就的研究工作是意大利学者波莱里（G.A.Borelli，1608-1679）作出的。《运动的动物》9详细描述了鸟及其翅膀的解剖结构，并计算了一些典型的尺寸和各部分的相对大小；9分析了鸟的飞行原理，指出鸟的飞行是空气的弹性力作用的结果；9分析了鸟在飞行中的平衡问题，提出鸟的重心应恰好位于翅膀下才能保持良好的平衡。¾英国博物学家雷（W.J.Ray,1628-1705），注意到鸟的流线型体形的重要性，可以降低空气阻力。1.2.2达.芬奇与航空扑翼•达·芬奇（LeonardodaVinci1452~1519）是世界文化史上最伟大的人物之一。•美国著名科学史学家乔治·萨顿（G.Saton）曾指出：“写一部有关他的天才作品的完整研究著作，也就意味着写一部15世纪科学技术的真正百科全书”。观察达·芬奇对鸟的飞行进行了长时间的观察和解剖研究，对飞行问题得出了一些重要的认识。•认为研究飞行问题除了研究飞鸟以外，还应当研究鸟的飞行环境，同时又说明空气动力学知识可以通过水动力学研究间接获得。《论鸟的飞行》手稿《论鸟的飞行》于1505在佛罗伦萨完成。论述了鸟飞行的一些原理：•鸟的持续飞行原理（或者说空气的升力原理）•鸟有效利用气流飞行的技术•鸟如何采取各种省力措施航空学研究达·芬奇的航空学研究可以分成三大部分：•关于飞行的理论和原理•飞行的稳定性和控制•飞行器设计可惜由于历史原因（不被当时理解，多种论文、手稿没有发表），达·芬奇对航空发展没有产生任何影响。扑翼机•他设计的扑翼机从科学意义上来讲意义不大，但从机械学角度上看，这些设计是很天才的达芬奇的扑翼机模型降落伞•在他的手稿中还有降落伞的草图直升机•达·芬奇还被许多人看作直升机的发明者，并认为这是他对航空学的真正贡献。扑翼机探索和设计阶段•17世纪~18世纪，欧洲航空发展处在一个特殊的扑翼机探索和设计阶段。•没有出现航空学理论研究的事件和成果。模仿鸟类进行冒险飞行的人明显减少。•在热气球飞行成功之前，扑翼机设计成了这个时期的主题。•气球诞生后进行扑翼机设计的人立即减少以致消失。1.2.3气球和飞艇9气球是人类创造的第一种载人航空器。9它的雏形起源于中国，在中国五代时期，曾出现过依靠热空气升空的气球雏形“孔明灯”。气球赖以升空的原理古希腊科学家阿基米德发现的浮力定律：物体在流体中所受到的浮力等于它所排开的同体积的流体的重量。只要在球内充入比空气轻的气体就可以产生浮力。蒙哥尔费兄弟¾1783年9月19日，蒙哥尔费兄弟制成了世界上第一个热气球，气球下面系着一只用柳条编织的吊篮，将第一批“乘客”一只山羊、一只鸭和一只公鸡升到了520m高空，在飞行了8min、3.2km后，安全着陆。“蒙哥尔费气球”¾两个法国人乘热气球上升到900m高，腾空20min，随风漂移约10km，揭开了人类飞行的序幕。蒙哥尔费兄弟蒙哥尔费为国王路易十六首次举行动物飞行表演由于气球的缺陷（不可控、无动力），气球在20世纪初就不再更多用于载人飞行。9高空气象探测9大气污染监测9天文观测9商业广告9军事侦察1852年，法国人吉法尔在气球上安装一台3马力（约2205W）蒸汽机带动螺旋桨的推进装置，制成了世界上第一个可操纵飞艇。法国人吉法尔9到19世纪末，终于出现了有实用价值的飞艇。9德国的齐柏林制成了硬式飞艇，用汽油发动机作为动力，性能比其他的飞艇好，转载量也大9在军事和交通运输上得到了应用。德国的齐柏林20世纪最初30年是飞艇的全盛时期。1929年夏，超豪华巨型飞艇LZ-127“齐柏林伯爵”号完成了载客状态下的首次环球飞行，此次壮举比民航飞机的环球飞行早了12年。“齐柏林伯爵”号9比“齐柏林伯爵”号更为巨大的“兴登堡”号，成为联系欧美大陆之间的主要空中运输工具。91937年5月6日，由于氢气被电火花引爆造成“兴登堡”号爆炸，造成97名乘员中35人的死亡，也宣告了航空史上飞艇时代的结束。“兴登堡”号由于飞艇在载运能力和使用成本上具有明显优势先进的空气动力学设计、新动力、新材料、新工艺、新机载电子设备和氦气的应用，到20世纪70年代后，飞艇事业又有了复苏的迹象。¾1996年荷兰研制出的“千禧导航”号飞艇，长74m、直径29m、速度148km/h,最多可乘坐230名旅客。¾我国也在1985—1986年间研制成功了“天舟”号载人热气飞艇。现代飞艇技术的复兴实用技术的面目出现的，不会也不可能与飞机技术进行全面的竞争凭借某些优势在一些特殊的领域内取代或补充飞机技术•世界上最早的重于空气的飞行器是风筝。¾美国航空博物馆“世界上最早的飞行器是中国的风筝和火箭”¾英国国家博物馆“中国的第五大发明”•本质上风筝的飞行原理与现代飞机很相似，绳子的拉力使其与空气产生相对运动，从而获得向上的升力。1.2.4重于空气飞行器——滑翔机航空之父--乔治·凯利•乔治.凯利（1773~1857）为重于空气的航空器创立了必要的飞行原理•论文《论空中航行》(1809)被认为是现代航空学诞生的标志•论文阐述了飞机基本原理，分析了稳定性、安全性和操纵性的重要性，提出许多重要概念。•他的研究成果远远超出了时代，在之后近百年间，也没人超过他的水平或认识到他的发现的重大意义。凯利的滑翔机•在1847年设计制作了一架滑翔机，并由他的马车夫驾驶飞行了大约450m。•乔治凯利爵士是世界上成功把载人滑翔机飞上蓝天的第一人。德国李林达尔•1891年到1896年的5年间，进行了2000多次的滑翔飞行。•在掌握稳定性和操纵性方面取得了丰富的经验，留下不少著作，使后来的研究者获得很大教益。•1896年，他在一次滑翔飞行中不幸失事牺牲。兰利（1834~1906）•美国人兰利博士制造了一个用蒸汽机作为动力的飞机模型，是历史上第一次重于空气的动力飞行器实现了稳定持续飞行，在航空史上具有重大意义。第一次飞行——莱特兄弟•1903-12-17早晨，奥维尔·莱特进行了人类历史上第一次有动力、持续的、可操纵的飞行。这次具有历史意义的飞行进行了12秒，飞行距离约120英尺(36.58米)•同一天，接着又飞了3次，其中一次飞了852英尺(260米)，持续了59秒。ThebeginningofthefirstflightDecember17,1903飞行者1号他们从试验结果得出的结论：凸起的机翼比扁平的机翼升力大；狭长的机翼比短宽的机翼阻力小。直到今天，这仍是空气动力学中的两个最基本的结论•建造风洞,他们开创了“试验空气动力学”的先河用木箱和电风扇建造了一个简易风洞，用它试验了200多种（2000多小时）不同的翼型，试验了上下叠置和前后串置布局对升力和阻力的影响，并把试验数据列成表格，作为设计依据•借鉴其他领域有用知识•如：双翼型式——借用桥梁受力型式，用撑杆和张线将两片机翼组成整体，增大强度自己设计、制作发动机（当时没有足够轻、功率够大的发动机）制作螺旋桨（当时可供参考的只有船舶推进器，而飞机螺旋桨是与之不同的）其他早期的飞行探索•1909年，美国华侨冯如驾驶自己设计的飞机在美国旧金山奥克兰试飞成功。•两年后返华报效祖国，不幸于1912年在广州燕塘进行的一次飞行表演中壮烈牺牲。•1910年3月28日，法国人试飞成功世界上第一架水上飞机•1913年，俄国人研制了四发大型客机成功•到1913年，飞行速度已达200km/h，续航时间超过13小时，飞行高度达到6500m。第一次世界大战¾第一次世界大战（1914-1918）促进了航空科学技术和航空工业的发展。¾一战中飞机多为钢管焊接骨架加布或木制蒙皮的双翼机，性能和功率都有较大提高。¾随后，飞机逐渐从军用转为民用。飞机进入战争¾第一次世界大战结束到第二次世界大战爆发间的20年，称为航空黄金年代。¾航空新技术有：硬壳式轻型合金结构、悬臂单翼、可收放式起落架、密封座舱、发动机增压器以及包括自动驾驶仪在内的一系列供飞行和导航使用的设备等。¾美国在战争期间落后于欧洲，战后在民用飞机方面后来居上，典型飞机有DC-3等。DC-3第二次世界大战¾用活塞式发动机作为动力的螺旋桨飞机¾二战中出现了许多名机。如P-51等。二战后期，最大速度达到780km/h，已达到速度极限。¾当速度大于700km/h以后，再用增大活塞式发动机的功率和提高螺旋桨效率的办法来进一步提高速度则受到了限制。¾当飞行速度接近声速时，由于机翼上气动压力中心的变化，引起飞机稳定性和操纵性方面的新问题，从而为进一步提高飞行速度带来了障碍—“音障”。¾突破“音障”首先要求发动机提供足够的推力。¾为了给飞机提供更大的动力，德国1930年代中期就开始了涡轮喷气发动机的研制。¾德国的喷气发动机研究由航空工程师冯鸥海因主持进行。¾1939年德国试飞成功了最早的喷气飞机He-178。1.2.5航空喷气时代飞机突破音障瞬间航天飞机突破音障瞬间¾X-1试验飞机速度超过了声速，是世界上第一种纯粹为了试验目的而设计制造的飞机¾20世纪50年代初期，出现了超声速的军用飞机¾到60年代，有些飞机的最大速度已达声速的3倍左右，遇到“热障”问题，由于长时间高速飞行产生的气动加热而导致结构材料性能的下降。解决“热障”问题的途径主要是研制质量轻、耐高温的新材料和新型结构涡轮喷气飞机发展X-1¾1945年，美国的F-80喷气式战斗机开始交付使用，最大速度达935km/h¾前苏联的米格-9喷气战斗机F-80喷气式战斗机米格-9喷气战斗机¾第一代超声速战斗机：F-100和米格-19等（歼5、歼6）¾第二代超声速战斗机：米格-21、F-104、F-4、F-5等（歼7、歼8）¾第三代战斗机：F-16、F/A-18、米格-29、苏-27等¾第四代战斗机：F-22美国F22重型四代战斗机新式战机¾克服“热障”——SR-71、米格-25¾垂直起降——“鹞”式战斗机¾变后掠翼——F-111、F-14¾隐身飞机——F-117、B-2F-117¾1956年苏联的图-104、1958年美国的波音707和DC-8进入航线，标志着民用喷气航空时代的开始。波音707的速度为900～1000km/h，航程可达12000km,乘客158人。¾1969年出现宽体式大型客机（波音-747），标志着航空客运已经走向大众化。此时，民航飞机的航程大增，座位增加了许多，运营成本也大大降低。¾在2000—2005年间，出现A380大型双层客机。同时，各国还在不断地预研制新型的高速、远航程、低油耗的未来客机。民用飞机¾第一种实用的喷气式客机——波音707¾宽体干线客机——波音747、空中客车A300¾超声速客机——协和号¾客机进入电传时代——空中客车A320、波音777¾新一代的