航空航天技術(shù)發(fā)展ppt課件

1、航空、航天技術(shù)的開展今天不能夠的事明天將變?yōu)槟軌颉?康埃齊奧爾可夫斯基.航空與航天力學(xué)的開展 .1 總的概述歷史通知我們，對于航空來講，空氣動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)與實(shí)際開展大體上總是超前于飛行的實(shí)際的。飛機(jī)飛行需求處理的空氣動(dòng)力學(xué)主要有三方面的問題：早期的飛行關(guān)鍵是處理能不能飛起來的問題，即主要是研討當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)是升力的大小問題。對于氣球與飛艇來說，事情比較簡單，由于它們只與流體靜力學(xué)有關(guān)，它的實(shí)際根底是浮力原理，在阿基米德時(shí)代就曾經(jīng)建立。.對于比同體積空氣為重的飛行物來說，事情就比較復(fù)雜了，由于從牛頓開場，人們在研討空氣對機(jī)翼的作用時(shí)，把空氣看為由微粒組成的，在物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用動(dòng)量定律，得到的是升力與機(jī)

2、翼迎風(fēng)角的正弦的平方成正比。按照這個(gè)規(guī)律，當(dāng)迎風(fēng)角小時(shí)，升力太小，而當(dāng)迎風(fēng)角大時(shí)，阻力又太大，所以靠動(dòng)力飛行是沒有希望的，所以著名的空氣動(dòng)力學(xué)家馮卡門說：“牛頓耽擱了飛行的開展。牛頓這方面的錯(cuò)誤，由英國人凱利、美國人蘭利的實(shí)驗(yàn)研討以及后來俄國茹可夫斯基、英國人蘭徹斯特、德國人庫塔等人的實(shí)際研討給以糾正。這才有后來萊特兄弟的飛行勝利。.當(dāng)飛機(jī)飛起來之后，遇到的是什么問題呢？是同提高速度、改善可支配性、添加平安性有關(guān)的問題。而一切這些問題都是嶄新的力學(xué)課題。為了提高速度，必需進(jìn)展兩方面的研討。一方面是對飛機(jī)阻力的準(zhǔn)確研討；另一方面是為了改良發(fā)動(dòng)機(jī)、特別是為了研討與改善噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所急需的關(guān)于內(nèi)流的研

3、討。為了改善可支配性，產(chǎn)生了飛行動(dòng)力學(xué)的研討方向。還有一系列有關(guān)航空儀表的研討，如慣性導(dǎo)航的研討、自動(dòng)駕駛儀的研討等。而為了添加平安性，航空構(gòu)造分析開展成為專門的研討方向。.對于火箭的飛行與航天事業(yè)來說，它同航空遇到的問題大體上一樣，所不同的是飛機(jī)靠空氣動(dòng)力飛行，而火箭大部分是在空氣稀薄的空間飛行，它的推進(jìn)主要得借助于噴氣推進(jìn)，其實(shí)際根據(jù)是力學(xué)中的動(dòng)量守恒原理。但是火箭也有在空氣中飛行的階段，也需求討論空氣動(dòng)力對它的飛行的影響。至于構(gòu)造強(qiáng)度問題、自動(dòng)控制問題、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的熄滅問題等它同飛機(jī)遇到的問題一樣，有時(shí)還更鋒利、更具有挑戰(zhàn)性。.2 空氣動(dòng)力研討中心與假設(shè)干著名學(xué)者的研討任務(wù)流膂力學(xué)與航空有

4、關(guān)的較早研討結(jié)果是丹尼爾伯努利Daniel Bernaulli,170017821738年給出的現(xiàn)今稱為伯努利定理。.丹尼爾伯努利Daniel Bernaulli17001782.隨著航空事業(yè)的開展，空氣動(dòng)力學(xué)的研討迅速展開。它除了要求有實(shí)際任務(wù)以外，還要求大量的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，由此要求可觀的投資去建造實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還需求有相當(dāng)?shù)娜肆?。這就是近年來人們常說科學(xué)越來越走向大科學(xué)，即投入大量的人力、物力、經(jīng)過準(zhǔn)確的組織與方案到達(dá)一個(gè)目的。從本世紀(jì)初，世界各國都建立了本人的專門空氣動(dòng)力學(xué)研討機(jī)構(gòu)。.1906年6月，德國的動(dòng)力飛艇研討會(huì)成立，普朗特?fù)?dān)任該會(huì)的技術(shù)委員會(huì)的委員。以后他的研討興趣就轉(zhuǎn)向空氣動(dòng)力學(xué)。1

5、907年，在德國由力學(xué)家普朗特Ludwig Prandtl,18751953擔(dān)任在哥廷根大學(xué)籌建德國的第一座風(fēng)洞。該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段截面積為22，最大風(fēng)速為10m/s，功率為30HP，于1908年運(yùn)轉(zhuǎn)。1911年在克萊因的支持下，普朗特向威廉大帝科學(xué)協(xié)會(huì)建議組建專門的空氣動(dòng)力學(xué)與流膂力學(xué)研討機(jī)構(gòu)。后來在哥廷根大學(xué)成立了空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研討所AVA，它是德國的航空航天研討院在哥廷根的流膂力學(xué)研討中心。 .普朗特在塑性力學(xué)方面提出了增量型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，還研討過彈性穩(wěn)定性問題，在湍流方面也有奉獻(xiàn)。不過他最有名的任務(wù)是關(guān)于流體流動(dòng)的邊境層方面的任務(wù)。1904年，他的論文奠定了邊境層實(shí)際的根底。邊境層實(shí)際提供

6、了近似計(jì)算物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所遭到的摩擦阻力的方法，后來的開展構(gòu)成了有關(guān)邊境層的一系列的研討方向，如邊境層分別、邊境層傳熱、湍流邊境層等。 .1918年，蘇聯(lián)成立了中央空氣動(dòng)力學(xué)研討所，蘇聯(lián)力學(xué)家茹可夫斯基出任所長。茹可夫斯基 ,18471921是俄國的力學(xué)家，先在俄國、后來到法國巴黎接受教育。1872年擔(dān)任莫斯科技術(shù)學(xué)院的力學(xué)教授，1876年獲碩士學(xué)位，1882年獲博士學(xué)位，1866年到莫斯科大學(xué)當(dāng)力學(xué)教授。 .1902年建成莫斯科大學(xué)的風(fēng)洞，19021909年之間他獨(dú)立地建立了升力的實(shí)際根底。這個(gè)實(shí)際將機(jī)翼看為無限長的柱體，只需討論它的一個(gè)截面便可以了，因之也稱為二元機(jī)翼實(shí)際。 由于他的這

7、些任務(wù)，被譽(yù)為“俄羅斯航空之父。茹可夫斯基有許多著作問世：1876、1891、1898、1920、等。.1921年當(dāng)茹可夫斯基逝世后，由他的學(xué)生恰普雷金 ，18691942繼任。恰普雷金出生于店員家庭，1890年在莫斯科大學(xué)畢業(yè)后留校任教。恰普雷金早期的力學(xué)研討主要在非完好約束動(dòng)力學(xué)與剛體繞固定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方面。1902年，恰普雷金向莫斯科大學(xué)提交的博士論文，這項(xiàng)成果為處理亞聲速氣流奠定了實(shí)際根底。后來恰普雷金還著重研討了作用在機(jī)翼上的空氣動(dòng)力與最優(yōu)翼型的實(shí)際研討。他最早給出了計(jì)算氣流在阻塞體上壓力的公式，后來被稱為恰普雷金公式。1914年他又發(fā)表了論文，后來成為設(shè)計(jì)螺旋槳、汽輪機(jī)與水力機(jī)械的

8、實(shí)際根底。.美國國家航空航天局National Aeronautics and Space Administration, NASA是1915年成立的美國航空咨詢委員會(huì)NACA在1958年10月改組而成的。1961年5月25日美國總統(tǒng)肯尼迪在國會(huì)上提出“在10年內(nèi)把人送上月球，并使他平安前往的義務(wù)。在二次世界大戰(zhàn)后曾任國家預(yù)算局局長、助理國務(wù)卿的韋伯James Edwin Webb,1906于1961年二月到1968年10月出任美國國家航空航天局長。他為將人送上月球的“阿波羅方案而盡職盡責(zé)，經(jīng)過40萬份合同發(fā)動(dòng)了120所大學(xué)、2萬家企業(yè)、400萬人參與這項(xiàng)任務(wù)，共耗資240億美圓。在他1968

9、年12月獲美國總統(tǒng)的自在勛章退休后，1969年美國勝利地實(shí)現(xiàn)了肯尼迪的方案。.馮卡門Theodore von Karman,18811963出生在匈牙利的一個(gè)猶太人的家庭。1906年，靠官方的助學(xué)金到德國師從普朗特為博士研討生?？ㄩT在力學(xué)方面的固膂力學(xué)與流膂力學(xué)都有突出的奉獻(xiàn)。1910年他給出了板的大撓度方程，至今被稱為卡門方程。1913年，在克萊因的引薦下出任德國亞琛工業(yè)大學(xué)航空學(xué)教授，并擔(dān)任組建空氣動(dòng)力學(xué)研討所。第一次世界大戰(zhàn)終了后，在卡門指點(diǎn)下亞琛空氣動(dòng)力學(xué)研討所辦得很興隆。他最早研討細(xì)長物體的阻力問題，為計(jì)算火箭與導(dǎo)彈的阻力提供了實(shí)際根據(jù)。30年代，德國在希特勒上臺(tái)后排猶，作為猶太血緣

10、卡門思索到在德國比較困難，于是決議分開德國去美國。.1934年馮卡門就職美國加州理工大學(xué)的古根海姆航空實(shí)驗(yàn)室主任，開展了高速飛行與噴氣推進(jìn)的研討。后來他在1939、1940年與他的學(xué)生錢學(xué)森最早給出了球殼受外壓與圓柱殼受軸壓失穩(wěn)的非線性分析。在流膂力學(xué)方面他的最重要的任務(wù)是討論了在超聲速氣流中細(xì)長體的阻力1932年；1938年他與錢學(xué)森一同討論了可緊縮流體的邊境層實(shí)際；1941年與錢學(xué)森一同提出了著名的卡門錢方法，用于近似計(jì)算超聲速流中機(jī)翼上的壓力變化。他的這些任務(wù)對后來的超聲速飛行產(chǎn)生了很大的影響。 .根據(jù)馮卡門的構(gòu)思設(shè)計(jì)的XS1火箭飛機(jī)在1947年10月14日超越了音速。1951年卡門協(xié)助

11、建立北大西洋公約組織航天研討開展顧問團(tuán)，他出任該團(tuán)的主席。19561960年任國際航空科學(xué)委員會(huì)和國際星際航行學(xué)會(huì)會(huì)長。1963年獲肯尼迪總統(tǒng)授予的美國第一枚國家科學(xué)勛章。.2 超音速氣體動(dòng)力學(xué)超音速空氣動(dòng)力學(xué)最早的研討者是馬赫。在馬赫時(shí)代，超音速運(yùn)動(dòng)的物體是炮彈。對于超音速飛行器的研討要晚許多。超音速飛行的導(dǎo)彈出現(xiàn)得比超音速飛機(jī)要早，在二次世界大戰(zhàn)期間的V2火箭就曾經(jīng)超越了音速。在1939年前后，英國的惠特爾Frank Whitle,1907與德國的歐海因Hans von Ohain分別完成了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明。德國的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在1939年就曾經(jīng)安裝到飛機(jī)上試飛勝利，而英國那么到1941年才試

12、飛勝利。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明大大提高了飛機(jī)的飛行速度。.在40年代初飛機(jī)的飛行速度曾經(jīng)接近音速，到達(dá)0.7馬赫數(shù)以上。在飛機(jī)接近音速飛行時(shí)，阻力有忽然增大的趨勢，而且隨之而來產(chǎn)活力翼與機(jī)身的抖動(dòng)。那時(shí)一些專家以為音速不能夠被飛機(jī)超越。這就是所謂的“聲障問題。.早在1935年之前，哥廷根大學(xué)的布塞曼A. Bussemann就曾經(jīng)研討了超音速的飛行的空氣動(dòng)力學(xué)問題，他根據(jù)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)提出：采用尖型機(jī)頭與機(jī)翼的前沿設(shè)計(jì)方案時(shí)可以減小阻力并延遲激波的發(fā)生；采用后掠式機(jī)翼可以使垂直于翼前沿的空氣速度分量低于音速，后掠角越大，對抑制音障越有利。這些實(shí)際結(jié)果被哥廷根大學(xué)的貝茨A.Betz于1939年的實(shí)驗(yàn)所證明。

13、后來美國有人提出采用小展弦比翼長與翼寬之比可以減小波阻。還提出在跨音速飛行時(shí)在機(jī)翼上添加順流片，可以切斷構(gòu)成的渦旋，從而添加超音速飛行時(shí)飛機(jī)的穩(wěn)定性。 .根據(jù)由空氣動(dòng)力學(xué)得到的這些結(jié)論設(shè)計(jì)的飛機(jī)，后來確實(shí)突破了音障。1947年美國的實(shí)驗(yàn)噴氣式飛機(jī)X1超越了音速。1953年10月29日美國的實(shí)戰(zhàn)飛機(jī)F100“超級佩刀式噴氣式飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了超音速飛行。到50年代末60年代初，美、英、蘇各國的戰(zhàn)斗機(jī)都超越了馬赫數(shù)2。到60年代末蘇、英、法等國也有噴氣式客機(jī)超越了音速。.4 氣動(dòng)加熱問題當(dāng)飛機(jī)的飛行速度超越馬赫數(shù)2時(shí)，根據(jù)實(shí)際估算，在11000米以上的高空飛行，飛機(jī)頭部的溫度可以高達(dá)118。當(dāng)馬赫數(shù)到達(dá)2

14、.5時(shí)，駐點(diǎn)即飛行器最前面的部分，空氣相對飛行器的速度為零溫度可以到達(dá)215。而當(dāng)馬赫數(shù)到達(dá)3時(shí)，可以到達(dá)335。飛機(jī)的這種高溫是由于在高速飛行時(shí)，飛機(jī)闡明附近的空氣受緊縮和劇烈的摩擦，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。對于航天飛機(jī)來說，當(dāng)它再入大氣層時(shí)，它的駐點(diǎn)可以到達(dá)1430。這樣的高溫帶來一系列問題。首先是飛行員能不能耐受高溫的問題，其次是飛機(jī)的構(gòu)造資料在高溫下強(qiáng)度降低的問題。這就是所謂的“熱障問題。普通以為馬赫數(shù)2.5以上就是進(jìn)入熱障的溫度。在載人火箭與航天飛機(jī)飛出與再入大氣時(shí)，也會(huì)遇到熱障問題。.世界各國大約在50年代中期便開場研討熱障問題。處理熱障問題的途徑普通是：合理的飛行器的外形設(shè)計(jì)，以減

15、小空氣動(dòng)力加熱；采用耐高溫的資料；適當(dāng)?shù)母魺岷屠鋮s技術(shù)。在50年代資料的高溫蠕變、高溫強(qiáng)度問題，構(gòu)造的熱應(yīng)力問題、熱屈曲問題，飛行器的氣動(dòng)加熱與隔熱問題，一時(shí)間成為各國有關(guān)科學(xué)研討單位的重要研討課題。經(jīng)過不斷研討獲得新的結(jié)果、不斷實(shí)驗(yàn)與改良設(shè)計(jì)，50年代末期實(shí)驗(yàn)飛機(jī)便已突破了熱障。60年代末70年代初，美國的SR71，與蘇聯(lián)的米格25，以為是突破熱障后的第一代飛機(jī)，它們的飛行速度都超越了馬赫數(shù)3。在航天飛機(jī)上處理熱障問題還需求運(yùn)用特殊的耐高溫資料，如陶瓷資料與碳纖維資料等。.萊脫兄弟1901年風(fēng)洞的草圖.Post- Wright Brothers Wind Tunnels Date Size

16、Individual Location 1901 16 x 16 in. Wright Bros. Dayton, Ohio 1901 6 x 6 ft Zahm Catholic University, USA 1903 2 ft diameter Stanton National Physical Laboratory, England 1903 1 x 1 m Crocco Rome, Italy 1904 1.2 m diameter Riabouchinsky Koutchino, Moscow, Russia 1908 2 x 2 m Prandtl Gottingen, Germ

17、any 1909 1.5 m diameter Eiffel Champ de Mars, France 1910 4 x 4 ft n/a National Physical Laboratory, England 1912 7 x 7 ft n/a National Physical Laboratory, England 1912 2 m diameter Eiffel Auteuil, France 1912 Junkers Aachen, Germany n/a 1913 8 x 8 ft Zahm Washington Navy Yard, USA 1914 4 x 4 ft Hu

18、nsaker MIT, USA 1916 2.2 x 2.2 m Prandtl Gottingen, Germany 1917 5.5 ft diameter Durand Stanford University, USA 1917 7 ft diameter Curtiss Hempstead, New York, USA 1918 7 x 14 ft n/a National Physical Laboratory, England 1918 4.5 ft octagon n/a Bureau of Standards, USA 1919 4 x 4 ft Ober MIT, USA 1

19、919 7.5 ft diameter Durand Stanford University, USA .810英尺的亞音速風(fēng)洞.12英尺超音速風(fēng)洞外觀.飛機(jī)模型在作吹風(fēng)實(shí)驗(yàn).5 慣性導(dǎo)航的開展高速旋轉(zhuǎn)物體的定向性，是自古以來人們從陀螺一類的景象中早就熟習(xí)的。最早把這種原理用于制造儀表的，大約是由法國的科學(xué)家傅科Jean Bernard Lon Foucult,18191868開場的。1852年他制成了一架陀螺儀，由基座、支架與轉(zhuǎn)子三部分組成。支架使轉(zhuǎn)子與基座之間有三個(gè)角運(yùn)動(dòng)的自在度。傅科用這架陀螺儀證明了地球的自轉(zhuǎn)，所以傅科又稱它為“轉(zhuǎn)動(dòng)指示器。最早運(yùn)用陀螺儀來定向的是航海。在19世紀(jì)中葉，

20、以蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的輪船發(fā)明了，同時(shí)鋼鐵也大量作為造船資料。以前在航行中指示方向主要靠磁性羅盤，但是磁性羅盤在鋼鐵邊上，指南性就不可靠了。這就要求人們尋求新的導(dǎo)航手段。.傅科Jean Bernard Lon Foucult18191868.1908年，德國人安休茨Hernann Anchtz制成了第一架可以用于航行的陀螺儀，隨后德國的海軍在最早的潛水艇上和裝甲軍艦上裝上了這種儀表。大約在1907年美國人斯派瑞Elmer Ambrose Sperry,18601930在一艘船上裝上了陀螺儀，并且于1911年申報(bào)了專利。后來他于1921年消費(fèi)了依托陀螺儀的自動(dòng)掌握輪船行駛方向的控制安裝，隨后，又利用陀螺

21、的定向性制成了減輕船舶顛簸的穩(wěn)定器。.斯派瑞Elmer Ambrose Sperry 1860 1930 .在第一次世界大戰(zhàn)期間，德國與美國先后把陀螺儀用在飛機(jī)上作為飛機(jī)傾斜與轉(zhuǎn)彎的指示。到了1929年9月，美國人多里特J.H.Dolit運(yùn)用無線電、陀螺程度儀、航向陀螺儀來控制飛行。在1931年美國人鮑格斯M.S.Boggs完成飛機(jī)盲目著陸，使在夜間與有云霧的天氣下航行與降落成為能夠。二次世界大戰(zhàn)期間，德國人把陀螺儀安裝到V2導(dǎo)彈上來控制導(dǎo)彈的飛行。.近年來陀螺儀的運(yùn)用越來越廣，除了用于航海、航空、航天、潛水艇與火箭導(dǎo)航外，還大量用于坦克與火炮的穩(wěn)定、攻擊魚雷與導(dǎo)彈的定向、車輛特別是單軌車輛的

22、穩(wěn)定、任務(wù)平臺(tái)與丈量儀器的穩(wěn)定等等方面。.陀螺儀從誕生以來，對它的加工精度要求越來越高，設(shè)計(jì)越來越精細(xì)。曾經(jīng)成為一項(xiàng)集精細(xì)工藝、力學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制、冶金學(xué)、等學(xué)科為一體的結(jié)合高技術(shù)行業(yè)。它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)，在支架的設(shè)計(jì)上，要求陀螺在單位時(shí)間內(nèi)的漂移率越小越好。如今的飛機(jī)與導(dǎo)彈，要求漂移率每小時(shí)不超越百分之一度。因之，它的加工帶動(dòng)了機(jī)械加工的精度。普通精度要求在微米級，光潔度要求到達(dá)12 14 。加工時(shí)還必需在恒溫恒濕和干凈無塵的條件下進(jìn)展。.為了提高陀螺儀的精度，人們從各個(gè)方面改良。首先從設(shè)計(jì)原理上，原來高速旋轉(zhuǎn)的固體有希望被高速旋轉(zhuǎn)的液體來替代、可以用運(yùn)動(dòng)的電子或根本粒子來替代，從而構(gòu)成新型陀螺。其次在支承方式上，有液浮陀螺、氣浮陀螺、用靜電支承的陀螺，還有支承在彈性細(xì)桿端