航空、航天技術發(fā)展2

航空、航天技術的發(fā)展（2）今天不可能的事明天將變?yōu)榭赡堋？怠ぐ！R奧爾可夫斯基1武際可:科技史選講之七（2）4航空與航天力學的發(fā)展

2武際可:科技史選講之七（2）4．1總的概述歷史告訴我們，對于航空來講，空氣動力學的實驗與理論發(fā)展大體上總是超前于飛行的實踐的。飛機飛行需要解決的空氣動力學主要有三方面的問題：早期的飛行關鍵是解決能不能飛起來的問題，即主要是研究當物體運動是升力的大小問題。對于氣球與飛艇來說，事情比較簡單，因為它們只與流體靜力學有關，它的理論基礎是浮力原理，在阿基米德時代就已經(jīng)建立。3武際可:科技史選講之七（2）對于比同體積空氣為重的飛行物來說，事情就比較復雜了，因為從牛頓開始，人們在研究空氣對機翼的作用時，把空氣看為由微粒組成的，在物體運動時，利用動量定律，得到的是升力與機翼迎風角的正弦的平方成正比。按照這個規(guī)律，當迎風角小時，升力太小，而當迎風角大時，阻力又太大，所以靠動力飛行是沒有希望的，所以著名的空氣動力學家馮·卡門說：“牛頓耽誤了飛行的發(fā)展。”牛頓這方面的錯誤，由英國人凱利、美國人蘭利的實驗研究以及后來俄國茹可夫斯基、英國人蘭徹斯特、德國人庫塔等人的理論研究給以糾正。這才有后來萊特兄弟的飛行成功。4武際可:科技史選講之七（2）當飛機飛起來之后，遇到的是什么問題呢？是同提高速度、改善可操縱性、增加安全性有關的問題。而所有這些問題都是嶄新的力學課題。為了提高速度，必須進行兩方面的研究。一方面是對飛機阻力的精確研究；另一方面是為了改進發(fā)動機、特別是為了研究與改善噴氣發(fā)動機所急需的關于內流的研究。為了改善可操縱性，產(chǎn)生了飛行動力學的研究方向。還有一系列有關航空儀表的研究，如慣性導航的研究、自動駕駛儀的研究等。而為了增加安全性，航空結構分析發(fā)展成為專門的研究方向。5武際可:科技史選講之七（2）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相同，所不同的是飛機靠空氣動力飛行，而火箭大部分是在空氣稀薄的空間飛行，它的推進主要得借助于噴氣推進，其理論根據(jù)是力學中的動量守恒原理。但是火箭也有在空氣中飛行的階段，也需要討論空氣動力對它的飛行的影響。至于結構強度問題、自動控制問題、發(fā)動機內的燃燒問題等它同飛機遇到的問題一樣，有時還更尖銳、更具有挑戰(zhàn)性。6武際可:科技史選講之七（2）4．2空氣動力研究中心與若干

著名學者的研究工作流體力學與航空有關的較早研究結果是丹尼爾·伯努利（DanielBernaulli,1700－1782）1738年給出的現(xiàn)今稱為伯努利定理。7武際可:科技史選講之七（2）8武際可:科技史選講之七（2）丹尼爾·伯努利DanielBernaulli

1700－17829武際可:科技史選講之七（2）10武際可:科技史選講之七（2）隨著航空事業(yè)的發(fā)展，空氣動力學的研究迅速展開。它除了要求有理論工作以外，還要求大量的實驗工作，由此要求可觀的投資去建造實驗設備，還需要有相當?shù)娜肆Α＿@就是近年來人們常說科學越來越走向大科學，即投入大量的人力、物力、通過精確的組織與計劃達到一個目的。從本世紀初，世界各國都建立了自己的專門空氣動力學研究機構。11武際可:科技史選講之七（2）1906年6月，德國的動力飛艇研究會成立，普朗特擔任該會的技術委員會的委員。此后他的研究興趣就轉向空氣動力學。1907年，在德國由力學家普朗特（LudwigPrandtl,1875－1953）負責在哥廷根大學籌建德國的第一座風洞。該風洞實驗段截面積為2×2㎡，最大風速為10m/s，功率為30HP，于1908年運行。1911年在克萊因的支持下，普朗特向威廉大帝科學協(xié)會建議組建專門的空氣動力學與流體力學研究機構。后來在哥廷根大學成立了空氣動力學實驗研究所（AVA），它是德國的航空航天研究院在哥廷根的流體力學研究中心。12武際可:科技史選講之七（2）普朗特在塑性力學方面提出了增量型的應力應變關系，還研究過彈性穩(wěn)定性問題，在湍流方面也有貢獻。不過他最有名的工作是關于流體流動的邊界層方面的工作。1904年，他的論文《論黏性很小的流體的運動》奠定了邊界層理論的基礎。邊界層理論提供了近似計算物體在流體中運動時所受到的摩擦阻力的方法，后來的發(fā)展形成了有關邊界層的一系列的研究方向，如邊界層分離、邊界層傳熱、湍流邊界層等。13武際可:科技史選講之七（2）14武際可:科技史選講之七（2）1918年，蘇聯(lián)成立了中央空氣動力學研究所（ЦАГИ），蘇聯(lián)力學家茹可夫斯基出任所長。茹可夫斯基（НиколайЕгоровичЖуковский,1847－1921）是俄國的力學家，先在俄國、后來到法國巴黎接受教育。1872年擔任莫斯科技術學院的力學教授，1876年獲碩士學位，1882年獲博士學位，1866年到莫斯科大學當力學教授。

15武際可:科技史選講之七（2）1902年建成莫斯科大學的風洞，1902－1909年之間他獨立地建立了升力的理論基礎。這個理論將機翼看為無限長的柱體，只要討論它的一個截面便可以了，因之也稱為二元機翼理論。

由于他的這些工作，被譽為“俄羅斯航空之父”。茹可夫斯基有許多著作問世：《液體動力學》（1876）、《飛鳥降落》（1891）、《機翼螺旋槳》（1898）、《飛機穩(wěn)定性基本理論》（1920）、《推進螺旋槳渦流理論》等。16武際可:科技史選講之七（2）17武際可:科技史選講之七（2）1921年當茹可夫斯基逝世后，由他的學生恰普雷金（СергейАлксеевичЧаплыгин，1869－1942）繼任。恰普雷金出生于店員家庭，1890年在莫斯科大學畢業(yè)后留校任教。恰普雷金早期的力學研究主要在非完整約束動力學與剛體繞固定點的運動兩個方面。1902年，恰普雷金向莫斯科大學提交的博士論文《論氣體射流》，這項成果為解決亞聲速氣流奠定了理論基礎。后來恰普雷金還著重研究了作用在機翼上的空氣動力與最優(yōu)翼型的理論研究。他最早給出了計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《機翼葉柵理論》，后來成為設計螺旋槳、汽輪機與水力機械的理論基礎。18武際可:科技史選講之七（2）19武際可:科技史選講之七（2）美國國家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA）是1915年成立的美國航空咨詢委員會（NACA）在1958年10月改組而成的。1961年5月25日美國總統(tǒng)肯尼迪在國會上提出“在10年內把人送上月球，并使他安全返回”的任務。在二次世界大戰(zhàn)后曾任國家預算局局長、助理國務卿的韋伯（JamesEdwinWebb,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”計劃而盡職盡責，通過40萬份合同動員了120所大學、2萬家企業(yè)、400萬人參加這項工作，共耗資240億美元。在他1968年12月獲美國總統(tǒng)的自由勛章退休后，1969年美國成功地實現(xiàn)了肯尼迪的計劃。20武際可:科技史選講之七（2）馮·卡門（TheodorevonKarman,1881－1963）出生在匈牙利的一個猶太人的家庭。1906年，靠官方的助學金到德國師從普朗特為博士研究生?？ㄩT在力學方面的固體力學與流體力學都有突出的貢獻。1910年他給出了板的大撓度方程，至今被稱為卡門方程。1913年，在克萊因的推薦下出任德國亞琛工業(yè)大學航空學教授，并負責組建空氣動力學研究所。第一次世界大戰(zhàn)結束后，在卡門領導下亞琛空氣動力學研究所辦得很興旺。他最早研究細長物體的阻力問題，為計算火箭與導彈的阻力提供了理論根據(jù)。30年代，德國在希特勒上臺后排猶，作為猶太血統(tǒng)卡門考慮到在德國比較困難，于是決定離開德國去美國。21武際可:科技史選講之七（2）1934年馮·卡門就任美國加州理工大學的古根海姆航空實驗室主任，開展了高速飛行與噴氣推進的研究。后來他在1939、1940年與他的學生錢學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。在流體力學方面他的最重要的工作是討論了在超聲速氣流中細長體的阻力（1932年）；1938年他與錢學森一起討論了可壓縮流體的邊界層理論；1941年與錢學森一起提出了著名的卡門－錢方法，用于近似計算超聲速流中機翼上的壓力變化。他的這些工作對后來的超聲速飛行產(chǎn)生了很大的影響。22武際可:科技史選講之七（2）23武際可:科技史選講之七（2）根據(jù)馮·卡門的構思設計的XS－1火箭飛機在1947年10月14日超過了音速。1951年卡門協(xié)助建立北大西洋公約組織航天研究發(fā)展顧問團，他出任該團的主席。1956－1960年任國際航空科學委員會和國際星際航行學會會長。1963年獲肯尼迪總統(tǒng)授予的美國第一枚國家科學勛章。24武際可:科技史選講之七（2）4．2超音速氣體動力學超音速空氣動力學最早的研究者是馬赫。在馬赫時代，超音速運動的物體是炮彈。對于超音速飛行器的研究要晚許多。超音速飛行的導彈出現(xiàn)得比超音速飛機要早，在二次世界大戰(zhàn)期間的V－2火箭就已經(jīng)超過了音速。在1939年前后，英國的惠特爾（FrankWhitle,1907－）與德國的歐海因（HansvonOhain）分別完成了噴氣發(fā)動機的發(fā)明。德國的噴氣發(fā)動機在1939年就已經(jīng)安裝到飛機上試飛成功，而英國則到1941年才試飛成功。噴氣發(fā)動機的發(fā)明大大提高了飛機的飛行速度。25武際可:科技史選講之七（2）在40年代初飛機的飛行速度已經(jīng)接近音速，達到0.7馬赫數(shù)以上。在飛機接近音速飛行時，阻力有突然增大的趨勢，而且隨之而來產(chǎn)生機翼與機身的抖動。那時一些專家認為音速不可能被飛機超過。這就是所謂的“聲障”問題。26武際可:科技史選講之七（2）早在1935年之前，哥廷根大學的布塞曼（A.Bussemann）就已經(jīng)研究了超音速的飛行的空氣動力學問題，他根據(jù)計算與實驗提出：采用尖型機頭與機翼的前沿設計方案時可以減小阻力并延遲激波的發(fā)生；采用后掠式機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，對克服音障越有利。這些理論結果被哥廷根大學的貝茨（A.Betz）于1939年的實驗所證實。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在機翼上添加順流片，可以切斷形成的渦旋，從而增加超音速飛行時飛機的穩(wěn)定性。

27武際可:科技史選講之七（2）根據(jù)由空氣動力學得到的這些結論設計的飛機，后來確實突破了音障。1947年美國的實驗噴氣式飛機X－1超過了音速。1953年10月29日美國的實戰(zhàn)飛機F－100“超級佩刀”式噴氣式飛機實現(xiàn)了超音速飛行。到50年代末60年代初，美、英、蘇各國的戰(zhàn)斗機都超過了馬赫數(shù)2。到60年代末蘇、英、法等國也有噴氣式客機超過了音速。28武際可:科技史選講之七（2）4．4氣動加熱問題當飛機的飛行速度超過馬赫數(shù)2時，根據(jù)理論估算，在11000米以上的高空飛行，飛機頭部的溫度可以高達118℃。當馬赫數(shù)達到2.5時，駐點（即飛行器最前面的部分，空氣相對飛行器的速度為零）溫度可以達到215℃。而當馬赫數(shù)達到3時，可以達到335℃。飛機的這種高溫是由于在高速飛行時，飛機表明附近的空氣受壓縮和強烈的摩擦，一部分動能轉化為熱能。對于航天飛機來說，當它再入大氣層時，它的駐點可以達到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，其次是飛機的結構材料在高溫下強度降低的問題。這就是所謂的“熱障”問題。一般認為馬赫數(shù)2.5以上就是進入熱障的溫度。在載人火箭與航天飛機飛出與再入大氣時，也會遇到熱障問題。29武際可:科技史選講之七（2）世界各國大約在50年代中期便開始研究熱障問題。解決熱障問題的途徑一般是：合理的飛行器的外形設計，以減小空氣動力加熱；采用耐高溫的材料；適當?shù)母魺岷屠鋮s技術。在50年代材料的高溫蠕變、高溫強度問題，結構的熱應力問題、熱屈曲問題，飛行器的氣動加熱與隔熱問題，一時間成為各國有關科學研究單位的重要研究課題。經(jīng)過不斷研究取得新的結果、不斷試驗與改進設計，50年代末期實驗飛機便已突破了熱障。60年代末70年代初，美國的SR－71，與蘇聯(lián)的米格－25，認為是突破熱障后的第一代飛機，它們的飛行速度都超過了馬赫數(shù)3。在航天飛機上解決熱障問題還需要應用特殊的耐高溫材料，如陶瓷材料與碳纖維材料等。30武際可:科技史選講之七（2）萊脫兄弟1901年風洞的草圖31武際可:科技史選講之七（2）Post-WrightBrothersWindTunnels

DateSizeIndividualLocation190116x16in.WrightBros.Dayton,Ohio19016x6ftZahmCatholicUniversity,USA19032ftdiameterStantonNationalPhysicalLaboratory,England19031x1mCroccoRome,Italy19041.2mdiameterRiabouchinskyKoutchino,Moscow,Russia19082x2mPrandtlGottingen,Germany19091.5mdiameterEiffelChampdeMars,France19104x4ftn/aNationalPhysicalLaboratory,England19127x7ftn/aNationalPhysicalLaboratory,England19122mdiameterEiffelAuteuil,France1912JunkersAachen,Germanyn/a19138x8ftZahmWashingtonNavyYard,USA19144x4ftHunsakerMIT,USA19162.2x2.2mPrandtlGottingen,Germany19175.5ftdiameterDurandStanfordUniversity,USA19177ftdiameterCurtissHempstead,NewYork,USA19187x14ftn/aNationalPhysicalLaboratory,England19184.5ftoctagonn/aBureauofStandards,USA19194x4ftOberMIT,USA19197.5ftdiameterDurandStanfordUniversity,USA32武際可:科技史選講之七（2）8×10英尺的亞音速風洞33武際可:科技史選講之七（2）12英尺超音速風洞外觀34武際可:科技史選講之七（2）飛機模型在作吹風試驗35武際可:科技史選講之七（2）4．5慣性導航的發(fā)展高速旋轉物體的定向性，是自古以來人們從陀螺一類的現(xiàn)象中早就熟悉的。最早把這種原理用于制造儀表的，大約是由法國的科學家傅科（JeanBernardLéonFoucult,1819－1868）開始的。1852年他制成了一架陀螺儀，由基座、支架與轉子三部分組成。支架使轉子與基座之間有三個角運動的自由度。傅科用這架陀螺儀證實了地球的自轉，所以傅科又稱它為“轉動指示器”。最早使用陀螺儀來定向的是航海。在19世紀中葉，以蒸汽機驅動的輪船發(fā)明了，同時鋼鐵也大量作為造船材料。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航手段。36武際可:科技史選講之七（2）傅科

JeanBernardLéon

Foucult

1819－186837武際可:科技史選講之七（2）38武際可:科技史選講之七（2）39武際可:科技史選講之七（2）1908年，德國人安休茨（HernannAnchütz）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（ElmerAmbroseSperry,1860－1930）在一艘船上裝上了陀螺儀，并且于1911年申報了專利。后來他于1921年生產(chǎn)了依靠陀螺儀的自動掌握輪船行駛方向的控制裝置，隨后，又利用陀螺的定向性制成了減輕船舶顛簸的穩(wěn)定器。40武際可:科技史選講之七（2）斯派瑞

ElmerAmbroseSperry

1860－1930

41武際可:科技史選講之七（2）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上作為飛機傾斜與轉彎的指示。到了1929年9月，美國人多里特（J.H.Dolit）應用無線電、陀螺水平儀、航向陀螺儀來控制飛行。在1931年美國人鮑格斯（M.S.Boggs）完成飛機盲目著陸，使在夜間與有云霧的天氣下航行與降落成為可能。二次世界大戰(zhàn)期間，德國人把陀螺儀安裝到V－2導彈上來控制導彈的飛行。42武際可:科技史選講之七（2）近年來陀螺儀的應用越來越廣，除了用于航海、航空、航天、潛水艇與火箭導航外，還大量用于坦克與火炮的穩(wěn)定、攻擊魚雷與導彈的定向、車輛特別是單軌車輛的穩(wěn)定、工作平臺與測量儀器的穩(wěn)定等等方面。43武際可:科技史選講之七（2）陀螺儀從誕生以來，對它的加工精度要求越來越高，設計越來越精密。已經(jīng)成為一項集精密工藝、力學、電子學、自動控制、冶金學、等學科為一體的聯(lián)合高技術行業(yè)。它的轉子轉速可達每分鐘數(shù)萬轉，在支架的設計上，要求陀螺在單位時間內的漂移率越小越好?，F(xiàn)在的飛機與導彈，要求漂移率每小時不超過百分之一度。因之，它的加工帶動了機械加工的精度。一般精度要求在微米級，光潔度要求達到▽12～▽14。加工時還必須在恒溫恒濕和潔凈無塵的條件下進行。44武際可:科技史選講之七（2）為了提高陀螺儀的精度，人們從各個方面改進。首先從設計原理上，原來高速旋轉的固體有希望被高速旋轉的液體來代替、可以用運動的電子或基本粒子來代替，從而構成新型陀螺。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，還有支承在彈性細桿端的撓性陀螺。此外，根據(jù)陀螺儀在運動過程中感受到的加速度，經(jīng)過積分得到運動的速度與位移，以確定飛行物的位置的儀器。所有這些已經(jīng)形成一門專門的學問：慣性導航學。

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