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五分鍾帶你認識航空科學史
2020-07-12           作者:航空知識官方賬號

翼裝飛行 (來源:百度百科)

人類的飛翔夢是從欽羨與學習飛行生物開始的。飛鳥的翅膀啟發了人們,從而有了翼型的概念,進而探究飛行的奧秘與規律。經過漫長的研究與實踐,人們借助航空器,終於實現了飛上藍天的理想。

航空器分類圖

人類研製生產的航空器有四大類:固定翼航空器、旋翼類航空器、浮空器和火箭。支撐其不斷發展進步的是一個宏大的航空科技體係,包括科學基礎與工程技術兩個組成部分。

為明晰當今航空發展的階段特點與使命任務,並對未來發展做出預判,有必要回顧航空科學史,對其增進了解、提升認知。本文力求以盡可能短的篇幅,從 學科飛行要素兩個維度來認識航空科學史。

科學學科

航空器屬機械裝置,其科學學科的主要基礎是力學和數學,包括牛頓三大定律、熱力學定理、空氣動力學、飛行力學、材料力學、結構力學與強度理論。其中一部分對於航空至關重要,且因航空的應用研究而發展成為獨立分支學科。

航空科學學科種類

首先是 力學、數學,以及 二者的結合英國牛頓(1643-1727年)除了創立不朽的三大定律外,他和 德國萊布尼茨(1646-1716年)發明了微積分,提供了連續可微函數工具,為建立經典連續介質力學,進而發展流體力學和空氣動力學建立了基礎條件。

(來源:百度百科)

流體力學發展

在長期的科學研究實踐中,空氣動力學、飛行力學、結構力學與強度理論以及火箭推進理論發展成為獨立學科或學科分支。

飛行要素

若按飛行要素維度來分析航空科學基礎,則聚焦於 飛行得以實現的科學規律闡釋,包括 浮力原理、升力產生原理、推力產生原理以及操縱性與穩定性理論。以此為主脈絡,結合學科發展,具有裏程碑意義的重大航空科學突破及其代表人物如下:

公元前245年, 希臘阿基米德 (公元前287-212年)發現物體在流體(液體或氣體)中所受浮力,等於所排開的流體的重量;亦稱 流體靜力學

1726年, 瑞士丹尼爾•伯努利 (1700-1782年)提出:在理想流體的流動中,速度小的地方,壓強大;速度大的地方,壓強小;被稱“伯努利原理”。伯努利方程,是機械能守恒定律的一種特殊形式,是飛機升力產生的基礎性原理。1738年出版 《流體動力學》一書,為流體動力學奠基作。

1809年, 英國喬治•凱利 (1773-1857年)發表《論空中航行》,闡明重於空氣的飛行器的飛行原理,係統論述現代飛機的概念與構型,指出 人類應走機械飛行之路,將升舉與推進兩種功能分開,以固定翼產生升力,用螺旋槳產生推進力。這一科學創見,成為航空發展的重大轉折。他還是少有的馳騁於科學與技術兩域的大師,1853年製成的滑翔機首次實現載人飛行。

在茹科夫斯基的科學生涯裏,發表了大量關於飛行理論的專著,對氣動力基礎、結構穩定性、飛機強度、螺旋槳渦流、附著渦等均有研究與理論建樹;如今俄羅斯航空業的深厚底蘊很大程度上源於茹科夫斯基留下的科學遺產。

1904年, 德國普朗特 (1875-1953年)發表論文《非常小摩擦下的流體流動》,提出邊界層理論,解決了整體流動和局部流動的關係問題,為解決粘性流體繞過物體的阻力問題找到了新的途徑,並提出失速概念。

普朗特的 邊界層理論與實驗相結合,奠定了現代流體力學的基礎。他所創立的邊界層理論,對層流穩定性和湍流邊界層的研究成果,為計算飛行器阻力、控製氣流分離和計算熱交換等提供了理論依據。他在流變學、彈性力學、結構力學和可壓縮性等方麵的諸多研究成果,指導了飛機的設計工作及性能估算;他和他的學生共同創建的膨脹波理論、超聲速噴管設計方法至今仍在使用。

(來源:百度百科)

我國空氣動力學奠基人之一 陸士嘉 (1911-1986年)是普朗特的學生。關於超聲速流動的完整理論則由他的學生馮•卡門最終完成。我國科學家、航天與火箭之父 錢學森 (1911-2009年)是馮•卡門的學生,他們共同研究了飛機亞聲速飛行時空氣的可壓縮性對升力的影響,創建了計算壓強與速度間定量關係的卡門-錢公式。

(來源:百度百科)

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1952年, 美國理查德·惠特科姆 (1921-2009 年)提出跨聲速麵積律理論,即飛機跨聲速阻力是整架飛機截麵縱向展開的函數;應根據最小波阻力旋成體的橫截麵積分布來調整飛機的橫截麵積,在機身與機翼相連區段應縮小截麵積,以獲得最小的波阻力。這一理論指導了跨聲速飛機的設計,產生了第一批超聲速飛機。

超音速飛行

1967年和1976年,他又先後提出超臨界翼型和翼梢小翼,前者可推遲局部激波的產生,提高亞聲速飛機的速度,並降低燃料消耗,後者能顯著降低誘導阻力,並可提供額外升力和前推力。這兩項成果都被世界上各種高亞聲速飛機所普遍采用。1953年,另一位美國空氣動力學家 O·瓊斯提出 超聲速麵積律,指出為解決超聲速飛行時降低零升阻力問題,應要求翼身組合體的當量旋成體的截麵積、而非橫截麵積沿縱軸無突變。

做出最重大貢獻的三位科學先驅是 俄國齊奧爾科夫斯基 (1857-1935年)美國羅伯特·戈達德 (1882-1945年)德國赫爾曼·奧伯特 (1894-1989)

(來源:百度百科)

其中,齊奧爾科夫斯基居功至偉。1903年,他發表《利用噴氣式器械探測宇宙空間》,全麵闡述火箭飛行理論,提出實現星際空間飛行的設計思想,首創液體燃料火箭的設想和原理圖,並建立了成為宇宙航行基本公式的、以火箭推進獲得速度增量的方程式;他還對噴氣式飛機在平流層的飛行原理和高超聲速飛機構造做過研究。1919年戈達德發表的《到達極高空的方法》和1923年奧伯特發表的《飛往星際空間的火箭》(後更名為《通向航天之路》,也做出了重要理論建樹。

根據以上概述,在20世紀上半葉,現代航空的科學體係應已基本建立。從目前正在開展的航空科學研究項目來看,新的突破可能來自 仿生飛行學反重力理論新推進原理等領域。

鳥類飛行

仿生飛行學既是一個古老的學科,又是一個尚未充分發育的科學領域。人類通過仿效飛禽取得了部分成功,但隻是局部形態和功能的仿效,對於鳥禽無一例外的 高升力、低能耗、自適應變體、模態多樣,且穩定性極好的“自由飛”原理,以及時間和空間對稱的節律運動控製律,人們仍知之甚少,現在的航空器在這些方麵也遠遜於飛行生物。

希望有更多資源投入到該領域,出現更多研究成果;期待在21世紀的後半葉,建立起精細的仿生飛行數學模型,破解“自由飛”的奧秘,進而在材料、動力等科技新成果的支撐下,實現大尺度實用型仿生飛行器的突破。

Metafly仿生可控生物無人機

後兩個領域—— 反重力新推進具有深度互耦的特點,擁有影響未來的重大潛在價值。迄今,人類在航空領域所做的一切努力都是以克服重力為前提的。如果能夠破解重力的本質,進而尋找到屏蔽重力及從引力場獲取能量的方法,將有可能實現更高、更快、更久遠的飛行。

太陽帆 (來源:百度百科)

據信,一些科研機構與航空企業正致力於開展此類研究,波音公司的“先進空間推進技術重力研究”(Grasp)即是這樣的項目,而建立“超導盤”以使與其關聯物體失重的科學實驗一直在進行。此外,如“太陽帆”、離子風和小型可控核聚變等能量獲取新方式,不僅可能帶給飛行動力以巨變,還可能使航空科學的領域大為擴展,從而牽引航空器從形態到功能的革命性改變。

本文改編自:聚恩君

原文作者:張聚恩

責任編輯:Geoffrey 來源:網絡來源
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