1、武际可:科技史选讲之七（2）1航空、航天技术的发展航空、航天技术的发展n今天不可能的事明天将变为可能。今天不可能的事明天将变为可能。 康康埃埃齐奥尔可夫齐奥尔可夫斯基斯基武际可:科技史选讲之七（2）2航空与航天力学的航空与航天力学的发展发展 武际可:科技史选讲之七（2）31 1 总的概述总的概述n历史告诉我们，对于航空来讲，空气动力学的实验与理论发展大体上总是超前于飞行的实践的。飞机飞行需要解决的空气动力学主要有三方面的问题：n早期的飞行关键是解决能不能飞起来的问题，即主要是研究当物体运动是升力的大小问题。对于气球与飞艇来说，事情比较简单，因为它们只与流体静力学有关，它的理论基础是浮力原理，在
2、阿基米德时代就已经建立。武际可:科技史选讲之七（2）4n对于比同体积空气为重的飞行物来说，事情就比较复杂了，因为从牛顿开始，人们在研究空气对机翼的作用时，把空气看为由微粒组成的，在物体运动时，利用动量定律，得到的是升力与机翼迎风角的正弦的平方成正比。按照这个规律，当迎风角小时，升力太小，而当迎风角大时，阻力又太大，所以靠动力飞行是没有希望的，所以著名的空气动力学家冯卡门说：“牛顿耽误了飞行的发展。”牛顿这方面的错误，由英国人凯利、美国人兰利的实验研究以及后来俄国茹可夫斯基、英国人兰彻斯特、德国人库塔等人的理论研究给以纠正。这才有后来莱特兄弟的飞行成功。武际可:科技史选讲之七（2）5n当飞机飞起
3、来之后，遇到的是什么问题呢？是同提高速度、改善可操纵性、增加安全性有关的问题。而所有这些问题都是崭新的力学课题。n为了提高速度，必须进行两方面的研究。一方面是对飞机阻力的精确研究；另一方面是为了改进发动机、特别是为了研究与改善喷气发动机所急需的关于内流的研究。n为了改善可操纵性，产生了飞行动力学的研究方向。还有一系列有关航空仪表的研究，如惯性导航的研究、自动驾驶仪的研究等。n而为了增加安全性，航空结构分析发展成为专门的研究方向。武际可:科技史选讲之七（2）6n对于火箭的飞行与航天事业来说，它同航空遇到的问题大体上相同，所不同的是飞机靠空气动力飞行，而火箭大部分是在空气稀薄的空间飞行，它的推进主
4、要得借助于喷气推进，其理论根据是力学中的动量守恒原理。但是火箭也有在空气中飞行的阶段，也需要讨论空气动力对它的飞行的影响。至于结构强度问题、自动控制问题、发动机内的燃烧问题等它同飞机遇到的问题一样，有时还更尖锐、更具有挑战性。武际可:科技史选讲之七（2）72 空气动力研究中心与若干著名学者的研究工作n流体力学与航空有关的较早研究结果是丹尼尔伯努利（Daniel Bernaulli,17001782）1738年给出的现今称为伯努利定理伯努利定理。constghv22武际可:科技史选讲之七（2）8武际可:科技史选讲之七（2）9丹尼尔伯努利Daniel Bernaulli17001782 丹伯努利像
5、 武际可:科技史选讲之七（2）10武际可:科技史选讲之七（2）11n随着航空事业的发展，空气动力学的研究迅速展开。它除了要求有理论工作以外，还要求大量的实验工作，由此要求可观的投资去建造实验设备，还需要有相当的人力。这就是近年来人们常说科学越来越走向大科学，即投入大量的人力、物力、通过精确的组织与计划达到一个目的。从本世纪初，世界各国都建立了自己的专门空气动力学研究机构。武际可:科技史选讲之七（2）12n1906年6月，德国的动力飞艇研究会成立，普朗特担任该会的技术委员会的委员。此后他的研究兴趣就转向空气动力学。1907年，在德国由力学家普朗特（Ludwig Prandtl,18751953）
6、负责在哥廷根大学筹建德国的第一座风洞。该风洞实验段截面积为22，最大风速为10m/s，功率为30HP，于1908年运行。1911年在克莱因的支持下，普朗特向威廉大帝科学协会建议组建专门的空气动力学与流体力学研究机构。后来在哥廷根大学成立了空气动力学实验研究所（AVA），它是德国的航空航天研究院在哥廷根的流体力学研究中心。 武际可:科技史选讲之七（2）13n普朗特在塑性力学方面提出了增量型的应力应变关系，还研究过弹性稳定性问题，在湍流方面也有贡献。不过他最有名的工作是关于流体流动的边界层方面的工作。1904年，他的论文论黏性很小的流体的运动奠定了边界层理论的基础。边界层理论提供了近似计算物体在流
7、体中运动时所受到的摩擦阻力的方法，后来的发展形成了有关边界层的一系列的研究方向，如边界层分离、边界层传热、湍流边界层等。 武际可:科技史选讲之七（2）14图 4 普朗特像 武际可:科技史选讲之七（2）15n1918年，苏联成立了中央空气动力学研究所（），苏联力学家茹可夫斯基出任所长。n茹可夫斯基（ ,18471921）是俄国的力学家，先在俄国、后来到法国巴黎接受教育。1872年担任莫斯科技术学院的力学教授，1876年获硕士学位，1882年获博士学位，1866年到莫斯科大学当力学教授。 武际可:科技史选讲之七（2）16n1902年建成莫斯科大学的风洞，19021909年之间他独立地建立了升力的理
8、论基础。这个理论将机翼看为无限长的柱体，只要讨论它的一个截面便可以了，因之也称为二元机翼理论。 n由于他的这些工作，被誉为“俄罗斯航空之父”。茹可夫斯基有许多著作问世：液体动力学（1876）、飞鸟降落（1891）、机翼螺旋桨（1898）、飞机稳定性基本理论（1920）、推进螺旋桨涡流理论等。武际可:科技史选讲之七（2）17 茹可夫斯基像 武际可:科技史选讲之七（2）18n1921年当茹可夫斯基逝世后，由他的学生恰普雷金（ ，18691942）继任。n恰普雷金出生于店员家庭，1890年在莫斯科大学毕业后留校任教。恰普雷金早期的力学研究主要在非完整约束动力学与刚体绕固定点的运动两个方面。1902年
9、，恰普雷金向莫斯科大学提交的博士论文论气体射流，这项成果为解决亚声速气流奠定了理论基础。后来恰普雷金还着重研究了作用在机翼上的空气动力与最优翼型的理论研究。他最早给出了计算气流在阻塞体上压力的公式，后来被称为恰普雷金公式。1914年他又发表了论文机翼叶栅理论，后来成为设计螺旋桨、汽轮机与水力机械的理论基础。武际可:科技史选讲之七（2）19 恰普雷金像 武际可:科技史选讲之七（2）20n美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）是1915年成立的美国航空咨询委员会（NACA）在1958年10月改组而成的。1961年
10、5月25日美国总统肯尼迪在国会上提出“在10年内把人送上月球，并使他安全返回”的任务。在二次世界大战后曾任国家预算 局 局 长 、 助 理 国 务 卿 的 韦 伯 （ J a m e s E d w i n Webb,1906）于1961年二月到1968年10月出任美国国家航空航天局长。他为将人送上月球的“阿波罗”计划而尽职尽责，通过40万份合同动员了120所大学、2万家企业、400万人参加这项工作，共耗资240亿美元。在他1968年12月获美国总统的自由勋章退休后，1969年美国成功地实现了肯尼迪的计划。武际可:科技史选讲之七（2）21n冯卡门（Theodore von Karman,188
11、11963）出生在匈牙利的一个犹太人的家庭。1906年，靠官方的助学金到德国师从普朗特为博士研究生。卡门在力学方面的固体力学与流体力学都有突出的贡献。1910年他给出了板的大挠度方程，至今被称为卡门方程。1913年，在克莱因的推荐下出任德国亚琛工业大学航空学教授，并负责组建空气动力学研究所。第一次世界大战结束后，在卡门领导下亚琛空气动力学研究所办得很兴旺。他最早研究细长物体的阻力问题，为计算火箭与导弹的阻力提供了理论根据。30年代，德国在希特勒上台后排犹，作为犹太血统卡门考虑到在德国比较困难，于是决定离开德国去美国。武际可:科技史选讲之七（2）22n1934年冯卡门就任美国加州理工大学的古根海
12、姆航空实验室主任，开展了高速飞行与喷气推进的研究。后来他在1939、1940年与他的学生钱学森最早给出了球壳受外压与圆柱壳受轴压失稳的非线性分析。在流体力学方面他的最重要的工作是讨论了在超声速气流中细长体的阻力（1932年）；1938年他与钱学森一起讨论了可压缩流体的边界层理论；1941年与钱学森一起提出了著名的卡门钱方法，用于近似计算超声速流中机翼上的压力变化。他的这些工作对后来的超声速飞行产生了很大的影响。 武际可:科技史选讲之七（2）23冯卡门像 武际可:科技史选讲之七（2）24n根据冯卡门的构思设计的XS1火箭飞机在1947年10月14日超过了音速。n1951年卡门协助建立北大西洋公约
13、组织航天研究发展顾问团，他出任该团的主席。19561960年任国际航空科学委员会和国际星际航行学会会长。1963年获肯尼迪总统授予的美国第一枚国家科学勋章。武际可:科技史选讲之七（2）252 超音速气体动力学n超音速空气动力学最早的研究者是马赫。在马赫时代，超音速运动的物体是炮弹。对于超音速飞行器的研究要晚许多。超音速飞行的导弹出现得比超音速飞机要早，在二次世界大战期间的V2火箭就已经超过了音速。n在 1 9 3 9 年 前 后 ， 英 国 的 惠 特 尔 （ F r a n k Whitle,1907）与德国的欧海因（Hans von Ohain）分别完成了喷气发动机的发明。德国的喷气发动机
14、在1939年就已经安装到飞机上试飞成功，而英国则到1941年才试飞成功。喷气发动机的发明大大提高了飞机的飞行速度。武际可:科技史选讲之七（2）26n在40年代初飞机的飞行速度已经接近音速，达到0.7马赫数以上。在飞机接近音速飞行时，阻力有突然增大的趋势，而且随之而来产生机翼与机身的抖动。那时一些专家认为音速不可能被飞机超过。这就是所谓的“声障”问题。武际可:科技史选讲之七（2）27n早在1935年之前，哥廷根大学的布塞曼（A. Bussemann）就已经研究了超音速的飞行的空气动力学问题，他根据计算与实验提出：采用尖型机头与机翼的前沿设计方案时可以减小阻力并延迟激波的发生；采用后掠式机翼可以使
15、垂直于翼前沿的空气速度分量低于音速，后掠角越大，对克服音障越有利。这些理论结果被哥廷根大学的贝茨（A.Betz）于1939年的实验所证实。后来美国有人提出采用小展弦比（翼长与翼宽之比）可以减小波阻。还提出在跨音速飞行时在机翼上添加顺流片，可以切断形成的涡旋，从而增加超音速飞行时飞机的稳定性。 武际可:科技史选讲之七（2）28n根据由空气动力学得到的这些结论设计的飞机，后来确实突破了音障。1947年美国的实验喷气式飞机X1超过了音速。1953年10月29日美国的实战飞机F100“超级佩刀”式喷气式飞机实现了超音速飞行。到50年代末60年代初，美、英、苏各国的战斗机都超过了马赫数2。到60年代末苏
16、、英、法等国也有喷气式客机超过了音速。武际可:科技史选讲之七（2）294 气动加热问题n当飞机的飞行速度超过马赫数2时，根据理论估算，在11000米以上的高空飞行，飞机头部的温度可以高达118。当马赫数达到2.5时，驻点（即飞行器最前面的部分，空气相对飞行器的速度为零）温度可以达到215。而当马赫数达到3时，可以达到335。飞机的这种高温是由于在高速飞行时，飞机表明附近的空气受压缩和强烈的摩擦，一部分动能转化为热能。对于航天飞机来说，当它再入大气层时，它的驻点可以达到1430。这样的高温带来一系列问题。首先是飞行员能不能耐受高温的问题，其次是飞机的结构材料在高温下强度降低的问题。这就是所谓的“
17、热障”问题。一般认为马赫数2.5以上就是进入热障的温度。在载人火箭与航天飞机飞出与再入大气时，也会遇到热障问题。武际可:科技史选讲之七（2）30n世界各国大约在50年代中期便开始研究热障问题。n解决热障问题的途径一般是：合理的飞行器的外形设计，以减小空气动力加热；采用耐高温的材料；适当的隔热和冷却技术。在50年代材料的高温蠕变、高温强度问题，结构的热应力问题、热屈曲问题，飞行器的气动加热与隔热问题，一时间成为各国有关科学研究单位的重要研究课题。经过不断研究取得新的结果、不断试验与改进设计，50年代末期实验飞机便已突破了热障。60年代末70年代初，美国的SR71，与苏联的米格25，认为是突破热障
18、后的第一代飞机，它们的飞行速度都超过了马赫数3。在航天飞机上解决热障问题还需要应用特殊的耐高温材料，如陶瓷材料与碳纤维材料等。武际可:科技史选讲之七（2）31莱脱兄弟1901年风洞的草图武际可:科技史选讲之七（2）32Post- Wright Brothers Wind Tunnels Date Size 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 Phy
19、sical 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, Germany 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 L
20、aboratory, 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 Hunsaker 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 Hempst
21、ead, 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 1919 7.5 ft diameter Durand Stanford University, USA 武际可:科技史选讲之七（2）33810英尺的亚音速风洞武际可:科技史选讲之七（2）3412英尺超音速风洞外观武际可:科技史选讲之七（2）35飞机模型在作吹风试验武际可:科技史选讲之七（2）
22、365 惯性导航的发展n高速旋转物体的定向性，是自古以来人们从陀螺一类的现象中早就熟悉的。最早把这种原理用于制造仪表的，大约是由法国的科学家傅科（Jean Bernard Lon Foucult,18191868）开始的。1852年他制成了一架陀螺仪，由基座、支架与转子三部分组成。支架使转子与基座之间有三个角运动的自由度。傅科用这架陀螺仪证实了地球的自转，所以傅科又称它为“转动指示器”。n最早使用陀螺仪来定向的是航海。在19世纪中叶，以蒸汽机驱动的轮船发明了，同时钢铁也大量作为造船材料。以前在航行中指示方向主要靠磁性罗盘，但是磁性罗盘在钢铁边上，指南性就不可靠了。这就要求人们寻求新的导航手段。
23、武际可:科技史选讲之七（2）37傅科Jean Bernard Lon Foucult18191868武际可:科技史选讲之七（2）38武际可:科技史选讲之七（2）39阿波罗上用的导航系统 武际可:科技史选讲之七（2）40n1908年，德国人安休茨（Hernann Anchtz）制成了第一架可以用于航行的陀螺仪，随后德国的海军在最早的潜水艇上和装甲军舰上装上了这种仪表。n大约在1907年美国人斯派瑞（Elmer Ambrose Sperry,18601930）在一艘船上装上了陀螺仪，并且于1911年申报了专利。后来他于1921年生产了依靠陀螺仪的自动掌握轮船行驶方向的控制装置，随后，又利用陀螺的定
24、向性制成了减轻船舶颠簸的稳定器。武际可:科技史选讲之七（2）41斯派瑞Elmer Ambrose Sperry 1860 1930 武际可:科技史选讲之七（2）42n在第一次世界大战期间，德国与美国先后把陀螺仪用在飞机上作为飞机倾斜与转弯的指示。到了1929年9月，美国人多里特（J.H.Dolit）应用无线电、陀螺水平仪、航向陀螺仪来控制飞行。在1931年美国人鲍格斯（M.S.Boggs）完成飞机盲目着陆，使在夜间与有云雾的天气下航行与降落成为可能。二次世界大战期间，德国人把陀螺仪安装到V2导弹上来控制导弹的飞行。武际可:科技史选讲之七（2）43n近年来陀螺仪的应用越来越广，除了用于航海、航空
25、、航天、潜水艇与火箭导航外，还大量用于坦克与火炮的稳定、攻击鱼雷与导弹的定向、车辆特别是单轨车辆的稳定、工作平台与测量仪器的稳定等等方面。武际可:科技史选讲之七（2）44n陀螺仪从诞生以来，对它的加工精度要求越来越高，设计越来越精密。已经成为一项集精密工艺、力学、电子学、自动控制、冶金学、等学科为一体的联合高技术行业。它的转子转速可达每分钟数万转，在支架的设计上，要求陀螺在单位时间内的漂移率越小越好。现在的飞机与导弹，要求漂移率每小时不超过百分之一度。因之，它的加工带动了机械加工的精度。一般精度要求在微米级，光洁度要求达到12 14 。加工时还必须在恒温恒湿和洁净无尘的条件下进行。武际可:科技
26、史选讲之七（2）45n为了提高陀螺仪的精度，人们从各个方面改进。首先从设计原理上，原来高速旋转的固体有希望被高速旋转的液体来代替、可以用运动的电子或基本粒子来代替，从而构成新型陀螺。其次在支承方式上，有液浮陀螺、气浮陀螺、用静电支承的陀螺，还有支承在弹性细杆端的挠性陀螺。此外，根据陀螺仪在运动过程中感受到的加速度，经过积分得到运动的速度与位移，以确定飞行物的位置的仪器。所有这些已经形成一门专门的学问：惯性导航学。 武际可:科技史选讲之七（2）466 飞行器的稳定性与气动弹性力学问题n飞行器在运动过程中的稳定性，简单说来是把飞行器作为六个自由度的自由刚体在空气动力的作用下的稳定性问题。在小的扰动
27、下，运动是不是也只有小的偏差，这种一般性的定义1877年在儒斯（Edward John Routh,18311907）的书中、1892年在李亚普诺夫的博士论文中给出了。武际可:科技史选讲之七（2）47李亚普诺夫 18571918 武际可:科技史选讲之七（2）48n最早将稳定性理论应用于讨论飞机飞行的稳定性问题的是1904年有两位英国人（G. H. Bryan 与 W. E. Williams）在英国皇家学会会刊上发表的论文航空的稳定性。文中他给出了一个静力不稳定的系统在飞行中却可以稳定的结论。由于飞行稳定性的重要性，后来经过不少学者进行研究，发展成为一门飞行动力学的学科。武际可:科技史选讲之七
28、（2）49n在空气动力的作用下，飞行器的结构部件会产生变形。这种变形会产生两方面的不利影响，一方面由于变形后空气动力也要产生改变会影响飞机的操纵与稳定性，另一方面由于结构部件变形与空气动力的相互作用，会产生结构失稳。关于对操纵性稳定性的影响，一般在飞行动力学中进行研究。飞机在低速飞行时，结构部件的变形不大，但是当速度不断提高后，就会达到一个临界速度，在这个速度下发生动力失稳而形成发散的强烈的抖动，这就是所谓的可怕的颤振。上面说的后一种结构失稳的颤振现象在1916年就有报导，大约在40年代前后曾经是引起空难的重要原因之一。武际可:科技史选讲之七（2）50n针对解决颤振问题而开展的气动弹性力学，在
29、40到50年代得到很好的发展。1955年出版的Aeroelasticity（R.L.Bisplinghoff 等著）是这方面的一本总结性的专著。武际可:科技史选讲之七（2）511、用爱心来做事，用感恩的心做人。2、人永远在追求快乐，永远在逃避痛苦。3、有多大的思想，才有多大的能量。4、人的能量=思想+行动速度的平方。5、励志是给人快乐，激励是给人痛苦。6、成功者绝不给自己软弱的借口。7、你只有一定要，才一定会得到。8、决心是成功的开始。9、当你没有借口的那一刻，就是你成功的开始。10、命运是可以改变的。11、成功者绝不放弃。12、成功永远属于马上行动的人。13、下定决心一定要，才是成功的关键。
30、14、成功等于目标，其他都是这句话的注解。15、成功是一个过程，并不是一个结果。16、成功者学习别人的经验，一般人学习自己的经验。17、只有第一名可以教你如何成为第一名。18、学习需要有计划。19、完全照成功者的方法来执行。20、九十九次的理论不如一次的行动来得实际。21、一个胜利者不会放弃，而一个放弃者永远不会胜利。22、信心、毅力、勇气三者具备，则天下没有做不成的事。23、如果你想得到，你就会得到，你所需要付出的只是行动。24、一个缺口的杯子，如果换一个角度看它，它仍然是圆的。25、对于每一个不利条件，都会存在与之相对应的有利条件。26、一个人的快乐，不是因为他拥有的多，而是他计较的少。2
31、7、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限美好。28记住：你是你生命的船长；走自己的路，何必在乎其它。29、你要做多大的事情，就该承受多大的压力。30、如果你相信自己，你可以做任何事。31、天空黑暗到一定程度，星辰就会熠熠生辉。32、时间顺流而下，生活逆水行舟。33、生活充满了选择，而生活的态度就是一切。34、人各有志，自己的路自己走。35、别人的话只能作为一种参考，是不能左右自己的。36、成功来自使我们成功的信念。37、相互了解是朋友，相互理解是知己。38、没有所谓失败，除非你不再尝试。39、有时可能别人不在乎你，但你不能不在乎自己。40、你必须成功，因为你不能失败。41、羡慕别人得
32、到的，不如珍惜自己拥有的。42、喜欢一个人，就该让他（她）快乐。43、别把生活当作游戏，谁游戏人生，生活就惩罚谁，这不是劝诫，而是-规则！44、你要求的次数愈多，你就越容易得到你要的东西，而且连带地也会得到更多乐趣。45、把气愤的心境转化为柔和，把柔和的心境转化为爱，如此，这个世间将更加完美。46、一份耕耘，一份收获，付出就有回报永不遭遇过失败，因我所碰到的都是暂时的挫折。47、心如镜，虽外景不断变化，镜面却不会转动，这就是一颗平常心，能够景转而心不转。48、每件事情都必须有一个期限，否则，大多数人都会有多少时间就花掉多少时间。49、人，其实不需要太多的东西，只要健康地活着，真诚地爱着，也不失为一种富有。50、生命之长短殊不重要，只要你活得快乐，在有生之年做些有意义的事，便已足够。51、活在忙与闲的两种境界里，才能俯仰自得，享受生活的乐趣，成就人生的意义。52、一个从来没有失败过的人，必然是一个从未尝试过什么的人。53、待人退一步，爱人宽一寸，人生自然活得很快乐。54、经验不是发生在一个人身上的事件，而是一个人如何看待发生在他身上的事。55、加倍努力，证明你想要的不是空中楼阁。胜利是在多次失败之后才姗姗而来。
