空气动力学发展史


  空气动力学是研究空气和其他气体的运动规律以及运动物体与空气相互作用的科学,它是航空航天最重要的科学技术基础之一。
  
  一、空气动力学推动20世纪航空航天事业的发展
  
  1903年莱特兄弟研制成功世界上第一架带动力飞机,实现了人类向往已久的飞行梦想。为了研制这架飞机,他们进行过多次滑翔试验,还为此建造了一座试验段为0.Olm2的小型风洞。正是这些努力,加上综合运用早期的空气动力学知识,最终获得了成功。
  20世纪初,建立在理想流体基础上的环量和升力理论以及普朗特提出的边界层理论奠定了低速飞机设计基础,使重于空气的飞行器成为现实。40年代中期至50年代,可压缩气体动力学理论的迅速发展,以及对超声速流中激波性质的理论研究,特别是跨音速面积积律的发现和后掠翼新概念的提出,帮助人们突破“音障”,实现了跨音速和超音速飞行。50年代中期,美、苏等国研制成功性能优越的第一代喷气战斗机,如美国的F-86、F-100,苏联的米格-15、米格-19等。50年代以后,进入超音速空气动力学发展的新时期,第:二代性能更为先进的战斗机陆续投入使用,如美国的F-4、F-104,苏联的米格-21、米格-23,法国的幻影—3等。
  1957年苏联发射第一颗地球人造卫星和1961年第一艘载人飞船“东方号”升空,被认为是空间时代的开始。美、苏两国在战略导弹和航天器发展方面的激烈角逐,促使超音速和高超音速空气动力学得到迅速发展。两个超级大国都投入巨大力量,致力于发展地面模拟设备,开邻近高超出音速空气动力学和空气热力学的研究。航天方面的研究重点放在如何克服由于高超音速飞行和再入大气层,严重气动加热所引起的“热障”问题上在钱学森先生倡导下诞生了一门新的学科,即物理力学,为航天器重返大气层奠定了科学基础。航空方面的研究重点则放在了发展高性能作战飞机、超音速客机、垂直短距起落飞机和变后掠翼飞机。这一时期,空气动力研究方面的另一项重要成就是“超临界机殿”新概念的提出,它可以显著提高机翼的临界马赫数。
  20世纪70年代后,脱体涡流型和非线性涡升力的发现和利用,是空气动力学的又一重要成果。它直接导致了第三代高机动性战斗机的产生,如美国的F-15、F-16,苏联苏-27、米格-29和法国的“幻影2000”。
  20世纪80年代以后,由于军事需求的强力推动,美、苏两国都开始加紧研制第四代战斗机和高超音速飞行器以及跨大气层飞行器,其中最有代表性的是1981年美国发射的航天飞机。由此形成了现代空气动力学发展的新时期。
  
  二、21世纪航空航天事业事业发展的基础
  
  1986年美国宣布执行单级入轨的国家空气飞机计划(NASP),希望能在20世纪末研制出马赫数为25的空天飞机,但由于作为动力的氢燃料超燃冲压发动机研制中遇到了难于克服的困难,不得不于1994年宣布停止研制。随后又制订了以火箭发动机为动力、可重复使用的空天运载器X-33、X-34和X-37的发展计划,后因X-33液氢储箱复合材料脆性断裂等一系列技术问题和财政等其他方面的原因,上述研制计划于2001年3月终止。以后,美国空军和NASA还分别实施了“高超技术”(Hytech)和“高超-X”(Hyper-X)计划,但进展并不顺利,作为该计划的第一架X-43A首飞失败,2002年进行的另一次飞行试验也因火箭助推器出现故障而未能成功。美国人在总结这些研制教训时才认识到,一系列高超声速流的基础研究储备不够和风洞等地面模拟设备能力的严重不足是导致失败的主要原因。
  1996年美国制订了21世纪空军装备发展的战略性文件,提出建立全球快速机动反应和灵活作战保障能力,全方位占领空中优势的明确目标。航空方面以美国F-22、联合攻击战斗机(F-35)为代表的第四代战斗机,将高机动性、敏捷性、超音速巡航能力、高隐形能力、更大的高度/速度范围等诸多优异性能集于——身,对空气动力学、动力推进、电子控制和材料、工艺等技术提出了更高要求。
  
  三、我国的空气动力学研究
  
  1949年以前,我国空气动力学研究的基础非常薄弱。中华人民共和国成立后,党和国家高度重视航空航天事业,空气动力学因而获得蓬勃发展。1956年,北京空气动力研究所成立,这是我国第一个综合性的空气动力研究试验基地。1958年,为适应航空发展的需要,建立了沈阳空气动力研究院。1976年,在四川绵阳成立国家级的中国空气动力研究与发展中心,至今已建成各类中大型地面模拟实验设备,包括试验段尺寸为6m,Sm的低速风洞、2m激波风洞、2.4m跨超音速风洞、200m弹道靶等共30余座。经过50多年的努力,我国的空气动力学取得了很大进展,基本能满足现在型号选型和部分定型试验要求。在发展理论与数值计算、地面模拟试验和飞行试验以及在解决型号气动问题方面取得了大批研究成果,使得对飞行器气动特性的预测能力和设计水平有了很大的提高,为我国飞机、战术战略导弹、运载火箭、卫星和其他型航天器研制做出重要贡献。
  在近期召开的我国首届近代空气动力学与气动热学会议上,来自国内外的200余位空气动力学者围绕前瞻性技术研究展开热烈讨论,中科院院士庄逢甘对未来空间飞行器推进技术的发展做出展望:
  激光推进,即远距离发射出的高能激光,在航天器的抛物面反向镜聚焦后加热气体,使气体热膨胀产生推力。科学家预测,这种运载工具有效载荷可提高到15%以上。目前美、俄等国已经提出制造激光飞船的计划,到2015年将可推进数百公斤的小型飞船并送到太空。
  核能推进,利用核反应产生的能量加热工质或产生等离子体高速喷射产生推力。这相当于在飞行器上搞一个小的核反应堆。这项技术只有解决污染问题才可得到应用,目前尚在论证当中。
  光压推进,利用这种技术的飞行器就像一艘帆船,把太阳光或其他粒子流照射到帆板上,根据光帆两面的压差产生推力。国外不久前发射的光帆飞船,装有8个太阳帆板,能从不同方向反射太阳光,乘光前进。虽然发射没有最终成功,但已经迈出了可喜的一步。
  反物质推进,现今推进技术最高推进速度约为每秒20公里,无法实现恒星际飞行。反物质推进的飞行器将有可能达到光速。其原理是,带电粒子在强电场作用下,喷射速度接近光速。利用其产生的推力推进,科学家们初步估算,一艘质量为1000千克的飞船加速到0.1倍光速,需9千克的反物质“燃料”。现在科学家们正在研究反物质如何生产和储存。这种技术难度很高,然而一旦成功将是一次革命。

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