《航空概論》課件-緒論

緒

論

0.0.1人類的飛天之夢

飛向天空，是人類亙古以來的幻想，是古往今來最經(jīng)久不衰的話題?？吹叫▲B在天空中自由翱翔，人們都渴望像鳥兒一樣飛行。在世界各民族絢麗多彩的神話中，都能找出許多人與鳥比翼齊飛的傳說。嫦娥奔月，這個(gè)故事反映出人們想升空飛行的強(qiáng)烈愿望。

0.0.2第一次飛上天空的有動(dòng)力的飛機(jī)和人

人類為了實(shí)現(xiàn)騰空飛行的夢想，從探索鳥類飛行的奧秘到駕駛飛機(jī)在空中飛行，經(jīng)歷了一個(gè)漫長而又曲折的過程。1903年12月17日是一個(gè)值得永遠(yuǎn)紀(jì)念的日子，美國萊特兄弟自己動(dòng)手設(shè)計(jì)、由弟弟奧維爾?萊特駕駛的“飛行者1號(hào)”，在北卡羅來納州的基蒂霍克沙洲實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次有動(dòng)力、穩(wěn)定、可操縱的持續(xù)(12s)飛行；當(dāng)天由哥哥威爾伯?萊特駕駛的第四次飛行，在空中只停留了短短的59s，飛行距離也只有微不足道的260，但卻使人類渴望了幾千年飛向天空的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，開創(chuàng)了人類現(xiàn)代航空的新紀(jì)元。

如圖0-1所示，“飛行者1號(hào)”是一架普通的雙翼飛機(jī)。飛機(jī)長6.5m，翼展12.3m，機(jī)翼面積47.4m2，起飛重量340。它采用了鴨式布局，一副前翼和一副主機(jī)翼都是雙翼結(jié)構(gòu)，前翼兼作升降舵，兩個(gè)方向舵裝在機(jī)身后面。一臺(tái)8.8kW的活塞式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)裝在下機(jī)翼中間偏右的部位，用鏈條帶動(dòng)兩副推進(jìn)式螺旋槳，螺旋槳直徑為2.59m，分別安裝在駕駛員位置的兩側(cè)。機(jī)身骨架和機(jī)翼用樅木和布制成，上下機(jī)翼之間用支撐柱加強(qiáng)。最初人是趴在下部機(jī)翼上駕駛的，1908年才改成坐式，1912年又將滑橇改成帶機(jī)輪的起落架。圖0-1“飛行者1號(hào)”和萊特兄弟

在萊特兄弟實(shí)現(xiàn)首次動(dòng)力飛行后的第6年，即1909年9月21日，在美國加州奧克蘭市郊外的派德蒙特山附近，被孫中山先生稱為“不可多得之奇才”的旅美華人馮如，親自駕駛自己設(shè)計(jì)制造的有動(dòng)力的飛機(jī)，成功地首次飛上藍(lán)天，被譽(yù)為中國第一個(gè)飛行家，如圖0-2所示。圖0-2馮如和馮如設(shè)計(jì)制造的飛機(jī)

0.0.3航空與航天的基本內(nèi)涵

航空航天技術(shù)是20世紀(jì)人類在認(rèn)識(shí)自然和改造自然的過程中最活躍、發(fā)展最迅速、對人類社會(huì)生活最有影響力的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一，也是代表一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。

航空是指在地球周圍稠密的大氣層內(nèi)的航行活動(dòng)。航天是指在大氣層之外的近地空間、行星際空間、行星附近以及恒星際空間的航行活動(dòng)。但是，在地面發(fā)射航天飛行器或者當(dāng)航天飛行器返回地面時(shí)，都要經(jīng)過大氣層，特別是水平起降的航天飛機(jī)，雖然主要活動(dòng)在大氣層之外的空間，但其起飛和降落過程與飛機(jī)極為相似，兼有航空和航天的特點(diǎn)。所以從科學(xué)技術(shù)上看，航空與航天不僅是緊密聯(lián)系的，有時(shí)甚至是難以區(qū)別的。航空航天一詞，既指進(jìn)行航空航天活動(dòng)所涉及的科學(xué)技術(shù)，又指研制航空航天飛行器所涉及的科學(xué)技術(shù)。

0.0.4飛行器的分類

在地球大氣層內(nèi)或大氣層之外的空間(含環(huán)地球空間、行星和行星際空間)飛行的器械，通稱為飛行器。一般，飛行器可分為三大類：航空器、航天器、火箭和導(dǎo)彈。在大氣層內(nèi)飛行的飛行器，稱為航空器；在大氣層之外的空間飛行的飛行器，稱為航天器；依靠制導(dǎo)系統(tǒng)控制其飛行軌跡的飛行武器，稱為導(dǎo)彈；靠火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)力的飛行器，稱為火箭。

1．航空器

任何航空器都需要產(chǎn)生升力來克服自身的重力，然后才能升空飛行。按照產(chǎn)生升力的基本原理，可將航空器分為兩大類：一是靠空氣靜浮力升空飛行的航空器(習(xí)慣上稱為輕于空氣的航空器)，二是靠航空器與空氣相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生空氣動(dòng)力升空飛行的航空器(習(xí)慣上稱為重于空氣的航空器)。航空器的分類如圖0-3所示。圖0-3航空器的分類

(1)輕于空氣的航空器。輕于空氣的航空器包括氣球和飛艇，其主體是一個(gè)氣囊，其中充以密度小于外界空氣密度的氣體(如熱空氣、氫或氦)，由于氣球所排開的空氣重量大于氣球本身的重量，所以通過靜浮力使氣球升空。氣球沒有動(dòng)力裝置，升空后只能隨風(fēng)飄動(dòng)或被系留在固定位置上。飛艇裝有發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳、安定面、操縱面以及裝載人或物的吊艙，飛行路線可以控制。

(2)重于空氣的航空器。重于空氣的航空器是靠自身與空氣相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的升力升空飛行的。這種航空器主要有固定翼航空器和旋翼航空器兩類。固定翼航空器包括飛機(jī)和滑翔機(jī)，旋翼航空器包括直升機(jī)和旋翼機(jī)。滑翔機(jī)在飛行原理與構(gòu)造形式上與飛機(jī)基本相同，只是它沒有動(dòng)力裝置和推進(jìn)裝置，一般由彈射或拖曳升空，然后靠有利的氣流(如上升氣流)或降低高度(位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能)繼續(xù)飛行。旋翼機(jī)與直升機(jī)的區(qū)別是，旋翼機(jī)的旋翼沒有動(dòng)力直接驅(qū)動(dòng)，是靠自身前進(jìn)時(shí)(前進(jìn)的動(dòng)力由動(dòng)力裝置提供)的相對氣流吹動(dòng)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生升力的。

2．航天器

航天器是在稠密大氣層之外環(huán)繞地球飛行，或在行星際空間、恒星際空間，基本上按照天體力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的各種飛行器，又稱空間飛行器。與自然天體不同的是，航天器可以按照人的意志，改變其運(yùn)行軌道。如圖0-4所示，航天器可以分為無人航天器和載人航天器。無人航天器可以按照是否環(huán)繞地球運(yùn)行分為人造地球衛(wèi)星和空間探測器；載人航天器又可分為載人飛船、航天站(又稱空間站)和航天飛機(jī)。圖0-4航天器的分類

(1)無人航天器。無人航天器包括人造地球衛(wèi)星和空間探測器。

①人造地球衛(wèi)星，簡稱人造衛(wèi)星，是由運(yùn)載火箭發(fā)射到一定高度，獲得必要的速度，沿一定軌道環(huán)繞地球，基本上按天體力學(xué)規(guī)律運(yùn)行的一種航天器。人造地球衛(wèi)星按其用途又可分為用于科學(xué)研究的科學(xué)衛(wèi)星，直接為國民經(jīng)濟(jì)和軍事服務(wù)的應(yīng)用衛(wèi)星，以及進(jìn)行航天技術(shù)試驗(yàn)的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星等。

②空間探測器，又稱為深空探測器，是對月球、行星和行星際空間進(jìn)行探測的航天器，目前，已發(fā)展到了探測太陽系之外的宇宙空間的探測器。

(2)載人航天器。按照飛行和工作情況，載人航天器可分為載人飛船、航天站(空間站)和航天飛機(jī)。

①載人飛船包括衛(wèi)星式載人飛船和登月載人飛船。它們提供航天員在外層空間生活和工作的條件，并能使航天員安全返回地面。載人飛船可以獨(dú)立進(jìn)行航天活動(dòng)，也可以作為往返于地面和航天站(或月球)之間的“渡船”。

②航天站是可供多名航天員長期生活的航天器。它的運(yùn)行原理與環(huán)繞地球的衛(wèi)星式載人飛船類似，主要區(qū)別是，衛(wèi)星式載人飛船運(yùn)行的時(shí)間很短，一般僅能一次使用后返回地面。

③航天飛機(jī)是可以重復(fù)使用，往返于地面和近地軌道之間運(yùn)送有效載荷或在軌道上完成規(guī)定活動(dòng)的航天器。航天飛機(jī)一般可以設(shè)計(jì)成飛機(jī)形式，由運(yùn)載火箭送入軌道，返回地面時(shí)可像飛機(jī)那樣著陸。目前，正在探索像飛機(jī)那樣水平起飛、水平著陸的航天飛機(jī)(又稱空天飛機(jī))。

3．火箭和導(dǎo)彈

在許多文獻(xiàn)中，“火箭”一詞既指火箭發(fā)動(dòng)機(jī)又指以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的飛行器。如指火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，可按能源分為化學(xué)火箭、核火箭、電火箭；如指以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的飛行器，可按用途分為無控火箭彈、探空火箭、運(yùn)載火箭等。

導(dǎo)彈是由制導(dǎo)系統(tǒng)控制其飛行軌跡的飛行武器，特點(diǎn)是帶有戰(zhàn)斗部。按導(dǎo)彈飛行特點(diǎn)可分為彈道式導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈和可作高機(jī)動(dòng)飛行的導(dǎo)彈(如地空導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈等)三大類。導(dǎo)彈的動(dòng)力裝置可以是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以是渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。每一類導(dǎo)彈，還可以按用途或射程大小再予以細(xì)分。

0.0.5航空航天發(fā)展簡史

碧空萬里，浩瀚無垠，神秘莫測，令人神往。自古以來，人類就懷有飛行的愿望，但是在社會(huì)生產(chǎn)力水平低下的年代，這種愿望是難以實(shí)現(xiàn)的。不過，許多先驅(qū)人物的勇敢探索，卻為人類實(shí)現(xiàn)飛行提供了有益的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。特別是18世紀(jì)的產(chǎn)業(yè)革命，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為人類實(shí)現(xiàn)飛行的愿望提供了條件。

1．航空發(fā)展簡史

1)輕于空氣的航空器

利用空氣靜浮力升空，在技術(shù)上是比較容易實(shí)現(xiàn)的。中國在10世紀(jì)初期，就有了類似于熱氣球的“孔明燈”，將其升入空中作為戰(zhàn)爭中的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。

氣球的出現(xiàn)激起了人們對乘氣球飛行的熱情，有人開始致力于飛艇的研究。經(jīng)過多年的探索和試驗(yàn)，人類制成了帶動(dòng)力、可操縱的飛艇，并升空飛行。1900年，德國的齊柏林制成了長128m，容積為11300m3的硬式飛艇，巡航速度為60km/h，并于1910年開辟了載客的定期航線。圖0-5是齊柏林制造的世界上第一個(gè)實(shí)用的飛艇。圖0-5世界上第一個(gè)實(shí)用的LZ-1飛艇

2)重于空氣的航空器

人類關(guān)于飛行的許多探索和試驗(yàn)都是從模仿鳥類的飛行開始的，中外歷史文獻(xiàn)中都記載著用羽毛制成翅膀嘗試飛行的記錄，但這些嘗試都沒有獲得成功。他的重要著作《關(guān)于空中的航行》，為后來航空器的研制提供了重要的理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。圖0-6是G.凱利于1847年設(shè)計(jì)制作的一架載人滑翔機(jī)，可以說G.凱利是世界上成功地使載人滑翔機(jī)飛上藍(lán)天的第一人。圖0-6G.凱利于1847年設(shè)計(jì)制作的載人滑翔機(jī)

為了使飛機(jī)能夠成功地飛行，必須解決升力、動(dòng)力、穩(wěn)定飛行和操縱的問題。有些人將蒸汽機(jī)作為動(dòng)力裝置，并對此進(jìn)行了探索。1896年，美國科學(xué)家蘭利制造了一個(gè)用蒸汽機(jī)作動(dòng)力的飛機(jī)模型，如圖0-7所示，飛行高度達(dá)到20m，飛行距離達(dá)760m。1893年，汽油內(nèi)燃機(jī)(活塞發(fā)動(dòng)機(jī))問世，20世紀(jì)初，美國科學(xué)家蘭利又制造了安裝活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，但1903年的兩次試飛均未成功，主要原因是未能解決飛機(jī)穩(wěn)定飛行和操縱的問題。圖0-7美國科學(xué)家蘭利的蒸汽機(jī)飛機(jī)模型

20世紀(jì)初，歐洲也有人從事飛機(jī)的研究工作。法國的桑托?杜蒙于1906年，法國的布萊里奧于1909年，都成功地飛行了他們自己設(shè)計(jì)的飛機(jī)。布萊里奧駕駛“布萊里奧Ⅺ號(hào)”單翼機(jī)于1909年首次飛越了英吉利海峽，全程40km，飛行時(shí)間37min。

1939年，第一架裝有渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)試飛成功，這便是德國人亨克爾設(shè)計(jì)的He-178飛機(jī)，如圖0-8所示。

圖0-8世界上第一架渦輪噴氣式飛機(jī)He-178

2．火箭、導(dǎo)彈發(fā)展簡史

火箭是中國發(fā)明的。在10世紀(jì)，中國的文獻(xiàn)中已有火藥用于火箭的記載，12世紀(jì)已出現(xiàn)了以火藥為能源利用反作用力推進(jìn)的火箭雛形。

3．航天發(fā)展簡史

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，涌現(xiàn)出了許多富有探索精神的航天先驅(qū)者。蘇聯(lián)的齊奧爾科夫斯基，從理論上證明了利用多級(jí)火箭可以克服地球引力而進(jìn)入太空。他建立了火箭運(yùn)動(dòng)的基本數(shù)學(xué)方程，并肯定了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是航天器最適宜的動(dòng)力裝置。美國的戈達(dá)德提出了火箭飛行的原理，并導(dǎo)出了脫離地球引力所需的7.9的第一宇宙速度。他以很大的精力研制液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1926年作了首次飛行試驗(yàn)。德國的奧伯特研究了火箭飛行的數(shù)學(xué)理論，提出了許多關(guān)于火箭的構(gòu)造和飛行的新概念。這些先驅(qū)者的工作，為航天技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

中國空間技術(shù)研究院成立于20世紀(jì)60年代末，在“東方紅一號(hào)”之后，中國空間技術(shù)研究院先后自主研制并成功發(fā)射了80多顆人造地球衛(wèi)星、11艘“神舟”飛船和中國第一個(gè)月球探測器“嫦娥一號(hào)”，在人造衛(wèi)星、載人航天和深空探測三個(gè)航天技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了新跨越，多項(xiàng)技術(shù)跨入世界先進(jìn)行列?！疤鞂m一號(hào)”是中國于2011年9月29日發(fā)射的第一個(gè)目標(biāo)飛行器，飛行器全長10.4，最大直徑3.35，由實(shí)驗(yàn)艙和資源艙構(gòu)成。2011年11月3日，“天宮一號(hào)”順利實(shí)現(xiàn)了與“神舟八號(hào)”飛船的對接任務(wù)，如圖0-9所示。圖0-9“天宮一號(hào)”飛行器與“神舟八號(hào)”飛船順利完成了對接任務(wù)

0.0.6飛行環(huán)境

1．大氣飛行環(huán)境

包圍地球的空氣層(大氣)是航空器唯一的飛行活動(dòng)環(huán)境，也是導(dǎo)彈和航天器的飛行活動(dòng)環(huán)境。大氣層沒有明顯的上限，它的各種特性在垂直方向上的差異非常顯著，例如空氣密度和壓強(qiáng)都隨高度增加而減小。在10km高度，空氣密度只相當(dāng)于海平面空氣密度的1/3，壓強(qiáng)約為海平面壓強(qiáng)的1/4；在100km高空，空氣密度只是地面密度的％(百萬分之零點(diǎn)四)，壓強(qiáng)只是地面的％(百萬分之零點(diǎn)三)。

以大氣中溫度隨高度的分布為主要依據(jù)，可將大氣層劃分為對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層等5個(gè)層次，而航空器的飛行環(huán)境是對流層和平流層。

(1)對流層。大氣中最低的一層為對流層，氣溫隨高度增加而降低，空氣對流運(yùn)動(dòng)極為明顯。對流層的厚度隨緯度和季節(jié)的變化而變化，低緯度地區(qū)平均為16～18km，中緯度地區(qū)平均為10～12km，高緯度地區(qū)平均為8～9km。對流層集中了大約全部大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部的水汽，是天氣變化最復(fù)雜的層次，飛行中所遇到的各種重要天氣變化幾乎都出現(xiàn)在這一層中。

(2)平流層。平流層位于對流層之上，頂界擴(kuò)展到50～55km。在平流層內(nèi)，隨著高度的增加，起初氣溫保持不變(為190)或者略有升高；到20～30km，氣溫升高很快；到了平流層頂，氣溫升至270～290K。平流層的這種氣溫分布特征，同它受地面影響較小和存在大量臭氧有關(guān)。過去常稱這一層為“同溫層”，實(shí)際上指的是平流層的下部。平流層中的空氣沿垂直方向的運(yùn)動(dòng)較弱，因而氣流比較平穩(wěn)，能見度較好。

(3)中間層。中間層從50～55km伸展到80～85km的高度。這一層的特點(diǎn)是，隨著高度的增加，氣溫下降，空氣有相當(dāng)強(qiáng)烈的沿垂直方向的運(yùn)動(dòng)。這一層頂部的氣溫可低至160～190K。

(4)熱層。熱層從中間層頂延伸到800高空，這一層的空氣密度極小，聲波已難以傳播。熱層的一個(gè)特征是氣溫隨高度的增加而上升，另一個(gè)特征是空氣處于高度的電離狀態(tài)。

(5)散逸層。散逸層又稱外大氣層，位于熱層之上，是地球大氣的最外層。該層的空氣極其稀薄，又遠(yuǎn)離地面，受地球引力較小，因而大氣分子不斷地向星際空間逃逸。

2．空間飛行環(huán)境

空間飛行環(huán)境包括自然環(huán)境和誘導(dǎo)環(huán)境。自然環(huán)境包括真空、電磁輻射、高能粒子輻射、等離子體、微流星體等；誘導(dǎo)環(huán)境是指