航空航天技術(shù)發(fā)展.ppt

武際可:科技史選講之七（2）,1,航空、航天技術(shù)的發(fā)展,今天不可能的事明天將變?yōu)榭赡堋?康埃齊奧爾可夫斯基,武際可:科技史選講之七（2）,2,航空與航天力學(xué)的發(fā)展,武際可:科技史選講之七（2）,3,1 總的概述,歷史告訴我們，對于航空來講，空氣動力學(xué)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(jī)飛行需要解決的空氣動力學(xué)主要有三方面的問題： 早期的飛行關(guān)鍵是解決能不能飛起來的問題，即主要是研究當(dāng)物體運(yùn)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(xué)有關(guān)，它的理論基礎(chǔ)是浮力原理，在阿基米德時代就已經(jīng)建立。,武際可:科技史選講之七（2）,4,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，因為從牛頓開始，人們在研究空氣對機(jī)翼的作用時，把空氣看為由微粒組成的，在物體運(yùn)動時，利用動量定律，得到的是升力與機(jī)翼迎風(fēng)角的正弦的平方成正比。按照這個規(guī)律，當(dāng)迎風(fēng)角小時，升力太小，而當(dāng)迎風(fēng)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(xué)家馮卡門說：“牛頓耽誤了飛行的發(fā)展?！迸ｎD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。,武際可:科技史選講之七（2）,5,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、改善可操縱性、增加安全性有關(guān)的問題。而所有這些問題都是嶄新的力學(xué)課題。 為了提高速度，必須進(jìn)行兩方面的研究。一方面是對飛機(jī)阻力的精確研究；另一方面是為了改進(jìn)發(fā)動機(jī)、特別是為了研究與改善噴氣發(fā)動機(jī)所急需的關(guān)于內(nèi)流的研究。 為了改善可操縱性，產(chǎn)生了飛行動力學(xué)的研究方向。還有一系列有關(guān)航空儀表的研究，如慣性導(dǎo)航的研究、自動駕駛儀的研究等。 而為了增加安全性，航空結(jié)構(gòu)分析發(fā)展成為專門的研究方向。,武際可:科技史選講之七（2）,6,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(jī)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(jìn)主要得借助于噴氣推進(jìn)，其理論根據(jù)是力學(xué)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題、自動控制問題、發(fā)動機(jī)內(nèi)的燃燒問題等它同飛機(jī)遇到的問題一樣，有時還更尖銳、更具有挑戰(zhàn)性。,武際可:科技史選講之七（2）,7,2 空氣動力研究中心與若干 著名學(xué)者的研究工作,流體力學(xué)與航空有關(guān)的較早研究結(jié)果是丹尼爾伯努利（Daniel Bernaulli,17001782）1738年給出的現(xiàn)今稱為伯努利定理。,武際可:科技史選講之七（2）,8,武際可:科技史選講之七（2）,9,丹尼爾伯努利Daniel Bernaulli 17001782,武際可:科技史選講之七（2）,10,武際可:科技史選講之七（2）,11,隨著航空事業(yè)的發(fā)展，空氣動力學(xué)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(shè)備，還需要有相當(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、通過精確的組織與計劃達(dá)到一個目的。從本世紀(jì)初，世界各國都建立了自己的專門空氣動力學(xué)研究機(jī)構(gòu)。,武際可:科技史選講之七（2）,12,1906年6月，德國的動力飛艇研究會成立，普朗特?fù)?dān)任該會的技術(shù)委員會的委員。此后他的研究興趣就轉(zhuǎn)向空氣動力學(xué)。1907年，在德國由力學(xué)家普朗特（Ludwig Prandtl,18751953）負(fù)責(zé)在哥廷根大學(xué)籌建德國的第一座風(fēng)洞。該風(fēng)洞實驗段截面積為22，最大風(fēng)速為10m/s，功率為30HP，于1908年運(yùn)行。1911年在克萊因的支持下，普朗特向威廉大帝科學(xué)協(xié)會建議組建專門的空氣動力學(xué)與流體力學(xué)研究機(jī)構(gòu)。后來在哥廷根大學(xué)成立了空氣動力學(xué)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(xué)研究中心。,武際可:科技史選講之七（2）,13,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，還研究過彈性穩(wěn)定性問題，在湍流方面也有貢獻(xiàn)。不過他最有名的工作是關(guān)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(yùn)動奠定了邊界層理論的基礎(chǔ)。邊界層理論提供了近似計算物體在流體中運(yùn)動時所受到的摩擦阻力的方法，后來的發(fā)展形成了有關(guān)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。,武際可:科技史選講之七（2）,14,武際可:科技史選講之七（2）,15,1918年，蘇聯(lián)成立了中央空氣動力學(xué)研究所（），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。,武際可:科技史選講之七（2）,16,1902年建成莫斯科大學(xué)的風(fēng)洞，19021909年之間他獨立地建立了升力的理論基礎(chǔ)。這個理論將機(jī)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(jī)翼理論。 由于他的這些工作，被譽(yù)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(xué)（1876）、飛鳥降落（1891）、機(jī)翼螺旋槳（1898）、飛機(jī)穩(wěn)定性基本理論（1920）、推進(jìn)螺旋槳渦流理論等。,武際可:科技史選講之七（2）,17,武際可:科技史選講之七（2）,18,1921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)研究主要在非完整約束動力學(xué)與剛體繞固定點的運(yùn)動兩個方面。1902年，恰普雷金向莫斯科大學(xué)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(chǔ)。后來恰普雷金還著重研究了作用在機(jī)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(jī)翼葉柵理論，后來成為設(shè)計螺旋槳、汽輪機(jī)與水力機(jī)械的理論基礎(chǔ)。,武際可:科技史選講之七（2）,19,武際可:科技史選講之七（2）,20,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（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(nèi)把人送上月球，并使他安全返回”的任務(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”計劃而盡職盡責(zé)，通過40萬份合同動員了120所大學(xué)、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。,武際可:科技史選講之七（2）,21,馮卡門（Theodore von Karman,18811963）出生在匈牙利的一個猶太人的家庭。1906年，靠官方的助學(xué)金到德國師從普朗特為博士研究生?？ㄩT在力學(xué)方面的固體力學(xué)與流體力學(xué)都有突出的貢獻(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，在克萊因的推薦下出任德國亞琛工業(yè)大學(xué)航空學(xué)教授，并負(fù)責(zé)組建空氣動力學(xué)研究所。第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，在卡門領(lǐng)導(dǎo)下亞琛空氣動力學(xué)研究所辦得很興旺。他最早研究細(xì)長物體的阻力問題，為計算火箭與導(dǎo)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。,武際可:科技史選講之七（2）,22,1934年馮卡門就任美國加州理工大學(xué)的古根海姆航空實驗室主任，開展了高速飛行與噴氣推進(jìn)的研究。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。在流體力學(xué)方面他的最重要的工作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)森一起討論了可壓縮流體的邊界層理論；1941年與錢學(xué)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(jī)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。,武際可:科技史選講之七（2）,23,武際可:科技史選講之七（2）,24,根據(jù)馮卡門的構(gòu)思設(shè)計的XS1火箭飛機(jī)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(tuán)，他出任該團(tuán)的主席。19561960年任國際航空科學(xué)委員會和國際星際航行學(xué)會會長。1963年獲肯尼迪總統(tǒng)授予的美國第一枚國家科學(xué)勛章。,武際可:科技史選講之七（2）,25,2 超音速氣體動力學(xué),超音速空氣動力學(xué)最早的研究者是馬赫。在馬赫時代，超音速運(yùn)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(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火箭就已經(jīng)超過了音速。 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)動機(jī)的發(fā)明。德國的噴氣發(fā)動機(jī)在1939年就已經(jīng)安裝到飛機(jī)上試飛成功，而英國則到1941年才試飛成功。噴氣發(fā)動機(jī)的發(fā)明大大提高了飛機(jī)的飛行速度。,武際可:科技史選講之七（2）,26,在40年代初飛機(jī)的飛行速度已經(jīng)接近音速，達(dá)到0.7馬赫數(shù)以上。在飛機(jī)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(jī)翼與機(jī)身的抖動。那時一些專家認(rèn)為音速不可能被飛機(jī)超過。這就是所謂的“聲障”問題。,武際可:科技史選講之七（2）,27,早在1935年之前，哥廷根大學(xué)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(xué)問題，他根據(jù)計算與實驗提出：采用尖型機(jī)頭與機(jī)翼的前沿設(shè)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(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，對克服音障越有利。這些理論結(jié)果被哥廷根大學(xué)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(jī)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(jī)的穩(wěn)定性。,武際可:科技史選講之七（2）,28,根據(jù)由空氣動力學(xué)得到的這些結(jié)論設(shè)計的飛機(jī)，后來確實突破了音障。1947年美國的實驗噴氣式飛機(jī)X1超過了音速。1953年10月29日美國的實戰(zhàn)飛機(jī)F100“超級佩刀”式噴氣式飛機(jī)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(jī)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(jī)超過了音速。,武際可:科技史選講之七（2）,29,4 氣動加熱問題,當(dāng)飛機(jī)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(jī)頭部的溫度可以高達(dá)118。當(dāng)馬赫數(shù)達(dá)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(dá)到215。而當(dāng)馬赫數(shù)達(dá)到3時，可以達(dá)到335。飛機(jī)的這種高溫是由于在高速飛行時，飛機(jī)表明附近的空氣受壓縮和強(qiáng)烈的摩擦，一部分動能轉(zhuǎn)化為熱能。對于航天飛機(jī)來說，當(dāng)它再入大氣層時，它的駐點可以達(dá)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(jī)的結(jié)構(gòu)材料在高溫下強(qiáng)度降低的問題。這就是所謂的“熱障”問題。一般認(rèn)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，也會遇到熱障問題。,武際可:科技史選講之七（2）,30,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(shè)計，以減小空氣動力加熱；采用耐高溫的材料；適當(dāng)?shù)母魺岷屠鋮s技術(shù)。在50年代材料的高溫蠕變、高溫強(qiáng)度問題，結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)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(guān)科學(xué)研究單位的重要研究課題。經(jīng)過不斷研究取得新的結(jié)果、不斷試驗與改進(jìn)設(shè)計，50年代末期實驗飛機(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，認(rèn)為是突破熱障后的第一代飛機(jī)，它們的飛行速度都超過了馬赫數(shù)3。在航天飛機(jī)上解決熱障問題還需要應(yīng)用特殊的耐高溫材料，如陶瓷材料與碳纖維材料等。,武際可:科技史選講之七（2）,31,萊脫兄弟1901年風(fēng)洞的草圖,武際可:科技史選講之七（2）,32,Post- Wright Brothers Wind Tunnels,武際可:科技史選講之七（2）,33,810英尺的亞音速風(fēng)洞,武際可:科技史選講之七（2）,34,12英尺超音速風(fēng)洞外觀,武際可:科技史選講之七（2）,35,飛機(jī)模型在作吹風(fēng)試驗,武際可:科技史選講之七（2）,36,5 慣性導(dǎo)航的發(fā)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(xué)家傅科（Jean Bernard Lon Foucult,18191868）開始的。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角運(yùn)動的自由度。傅科用這架陀螺儀證實了地球的自轉(zhuǎn)，所以傅科又稱它為“轉(zhuǎn)動指示器”。 最早使用陀螺儀來定向的是航海。在19世紀(jì)中葉，以蒸汽機(jī)驅(qū)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(dǎo)航手段。,武際可:科技史選講之七（2）,37,傅科 Jean Bernard Lon Foucult 18191868,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）,40,1908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。,武際可:科技史選講之七（2）,41,斯派瑞 Elmer Ambrose Sperry 1860 1930,武際可:科技史選講之七（2）,42,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）應(yīng)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(jī)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V2導(dǎo)彈上來控制導(dǎo)彈的飛行。,武際可:科技史選講之七（2）,43,近年來陀螺儀的應(yīng)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穩(wěn)定、工作平臺與測量儀器的穩(wěn)定等等方面。,武際可:科技史選講之七（2）,44,陀螺儀從誕生以來，對它的加工精度要求越來越高，設(shè)計越來越精密。已經(jīng)成為一項集精密工藝、力學(xué)、電子學(xué)、自動控制、冶金學(xué)、等學(xué)科為一體的聯(lián)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)計上，要求陀螺在單位時間內(nèi)的漂移率越小越好?，F(xiàn)在的飛機(jī)與導(dǎo)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(jī)械加工的精度。一般精度要求在微米級，光潔度要求達(dá)到12 14 。加工時還必須在恒溫恒濕和潔凈無塵的條件下進(jìn)行。,武際可:科技史選講之七（2）,45,為了提高陀螺儀的精度，人們從各個方面改進(jìn)。首先從設(shè)計原理上，原來高速旋轉(zhuǎn)的固體有希望被高速旋轉(zhuǎn)的液體來代替、可以用運(yùn)動的電子或基本粒子來代替，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)桿端的撓性陀螺。此外，根據(jù)陀螺儀在運(yùn)動過程中感受到的加速度，經(jīng)過積分得到運(yùn)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(xué)問：慣性導(dǎo)航學(xué)。,武際可:科技史選講之七（2）,46,6 飛行器的穩(wěn)定性與氣動彈性力學(xué)問題,飛行器在運(yùn)動過