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五分钟带你认识航空科学史
2020-07-12           作者:航空知识官方账号

翼装飞行 (来源:百度百科)

人类的飞翔梦是从钦羡与学习飞行生物开始的。飞鸟的翅膀启发了人们,从而有了翼型的概念,进而探究飞行的奥秘与规律。经过漫长的研究与实践,人们借助航空器,终于实现了飞上蓝天的理想。

航空器分类图

人类研制生产的航空器有四大类:固定翼航空器、旋翼类航空器、浮空器和火箭。支撑其不断发展进步的是一个宏大的航空科技体系,包括科学基础与工程技术两个组成部分。

为明晰当今航空发展的阶段特点与使命任务,并对未来发展做出预判,有必要回顾航空科学史,对其增进了解、提升认知。本文力求以尽可能短的篇幅,从 学科飞行要素两个维度来认识航空科学史。

科学学科

航空器属机械装置,其科学学科的主要基础是力学和数学,包括牛顿三大定律、热力学定理、空气动力学、飞行力学、材料力学、结构力学与强度理论。其中一部分对于航空至关重要,且因航空的应用研究而发展成为独立分支学科。

航空科学学科种类

首先是 力学、数学,以及 二者的结合英国牛顿(1643-1727年)除了创立不朽的三大定律外,他和 德国莱布尼茨(1646-1716年)发明了微积分,提供了连续可微函数工具,为建立经典连续介质力学,进而发展流体力学和空气动力学建立了基础条件。

(来源:百度百科)

流体力学发展

在长期的科学研究实践中,空气动力学、飞行力学、结构力学与强度理论以及火箭推进理论发展成为独立学科或学科分支。

飞行要素

若按飞行要素维度来分析航空科学基础,则聚焦于 飞行得以实现的科学规律阐释,包括 浮力原理、升力产生原理、推力产生原理以及操纵性与稳定性理论。以此为主脉络,结合学科发展,具有里程碑意义的重大航空科学突破及其代表人物如下:

公元前245年, 希腊阿基米德 (公元前287-212年)发现物体在流体(液体或气体)中所受浮力,等于所排开的流体的重量;亦称 流体静力学

1726年, 瑞士丹尼尔•伯努利 (1700-1782年)提出:在理想流体的流动中,速度小的地方,压强大;速度大的地方,压强小;被称“伯努利原理”。伯努利方程,是机械能守恒定律的一种特殊形式,是飞机升力产生的基础性原理。1738年出版 《流体动力学》一书,为流体动力学奠基作。

1809年, 英国乔治•凯利 (1773-1857年)发表《论空中航行》,阐明重于空气的飞行器的飞行原理,系统论述现代飞机的概念与构型,指出 人类应走机械飞行之路,将升举与推进两种功能分开,以固定翼产生升力,用螺旋桨产生推进力。这一科学创见,成为航空发展的重大转折。他还是少有的驰骋于科学与技术两域的大师,1853年制成的滑翔机首次实现载人飞行。

在茹科夫斯基的科学生涯里,发表了大量关于飞行理论的专著,对气动力基础、结构稳定性、飞机强度、螺旋桨涡流、附着涡等均有研究与理论建树;如今俄罗斯航空业的深厚底蕴很大程度上源于茹科夫斯基留下的科学遗产。

1904年, 德国普朗特 (1875-1953年)发表论文《非常小摩擦下的流体流动》,提出边界层理论,解决了整体流动和局部流动的关系问题,为解决粘性流体绕过物体的阻力问题找到了新的途径,并提出失速概念。

普朗特的 边界层理论与实验相结合,奠定了现代流体力学的基础。他所创立的边界层理论,对层流稳定性和湍流边界层的研究成果,为计算飞行器阻力、控制气流分离和计算热交换等提供了理论依据。他在流变学、弹性力学、结构力学和可压缩性等方面的诸多研究成果,指导了飞机的设计工作及性能估算;他和他的学生共同创建的膨胀波理论、超声速喷管设计方法至今仍在使用。

(来源:百度百科)

我国空气动力学奠基人之一 陆士嘉 (1911-1986年)是普朗特的学生。关于超声速流动的完整理论则由他的学生冯•卡门最终完成。我国科学家、航天与火箭之父 钱学森 (1911-2009年)是冯•卡门的学生,他们共同研究了飞机亚声速飞行时空气的可压缩性对升力的影响,创建了计算压强与速度间定量关系的卡门-钱公式。

(来源:百度百科)

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1952年, 美国理查德·惠特科姆 (1921-2009 年)提出跨声速面积律理论,即飞机跨声速阻力是整架飞机截面纵向展开的函数;应根据最小波阻力旋成体的横截面积分布来调整飞机的横截面积,在机身与机翼相连区段应缩小截面积,以获得最小的波阻力。这一理论指导了跨声速飞机的设计,产生了第一批超声速飞机。

超音速飞行

1967年和1976年,他又先后提出超临界翼型和翼梢小翼,前者可推迟局部激波的产生,提高亚声速飞机的速度,并降低燃料消耗,后者能显著降低诱导阻力,并可提供额外升力和前推力。这两项成果都被世界上各种高亚声速飞机所普遍采用。1953年,另一位美国空气动力学家 O·琼斯提出 超声速面积律,指出为解决超声速飞行时降低零升阻力问题,应要求翼身组合体的当量旋成体的截面积、而非横截面积沿纵轴无突变。

做出最重大贡献的三位科学先驱是 俄国齐奥尔科夫斯基 (1857-1935年)美国罗伯特·戈达德 (1882-1945年)德国赫尔曼·奥伯特 (1894-1989)

(来源:百度百科)

其中,齐奥尔科夫斯基居功至伟。1903年,他发表《利用喷气式器械探测宇宙空间》,全面阐述火箭飞行理论,提出实现星际空间飞行的设计思想,首创液体燃料火箭的设想和原理图,并建立了成为宇宙航行基本公式的、以火箭推进获得速度增量的方程式;他还对喷气式飞机在平流层的飞行原理和高超声速飞机构造做过研究。1919年戈达德发表的《到达极高空的方法》和1923年奥伯特发表的《飞往星际空间的火箭》(后更名为《通向航天之路》,也做出了重要理论建树。

根据以上概述,在20世纪上半叶,现代航空的科学体系应已基本建立。从目前正在开展的航空科学研究项目来看,新的突破可能来自 仿生飞行学反重力理论新推进原理等领域。

鸟类飞行

仿生飞行学既是一个古老的学科,又是一个尚未充分发育的科学领域。人类通过仿效飞禽取得了部分成功,但只是局部形态和功能的仿效,对于鸟禽无一例外的 高升力、低能耗、自适应变体、模态多样,且稳定性极好的“自由飞”原理,以及时间和空间对称的节律运动控制律,人们仍知之甚少,现在的航空器在这些方面也远逊于飞行生物。

希望有更多资源投入到该领域,出现更多研究成果;期待在21世纪的后半叶,建立起精细的仿生飞行数学模型,破解“自由飞”的奥秘,进而在材料、动力等科技新成果的支撑下,实现大尺度实用型仿生飞行器的突破。

Metafly仿生可控生物无人机

后两个领域—— 反重力新推进具有深度互耦的特点,拥有影响未来的重大潜在价值。迄今,人类在航空领域所做的一切努力都是以克服重力为前提的。如果能够破解重力的本质,进而寻找到屏蔽重力及从引力场获取能量的方法,将有可能实现更高、更快、更久远的飞行。

太阳帆 (来源:百度百科)

据信,一些科研机构与航空企业正致力于开展此类研究,波音公司的“先进空间推进技术重力研究”(Grasp)即是这样的项目,而建立“超导盘”以使与其关联物体失重的科学实验一直在进行。此外,如“太阳帆”、离子风和小型可控核聚变等能量获取新方式,不仅可能带给飞行动力以巨变,还可能使航空科学的领域大为扩展,从而牵引航空器从形态到功能的革命性改变。

本文改编自:聚恩君

原文作者:张聚恩

责任编辑:Geoffrey 来源:网络来源
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