飛躍發(fā)展的航空科學(xué)

沈　元

雖然人類祖先很早以前就有學(xué)著鳥飛、翱翔天空的愿望，甚至還有飛到月亮、飛到星辰上去的幻想，但是人類真正的飛行歷史主要是廿世紀(jì)的事情。在這六十年，特別是最近三十年的時(shí)期中，航空技術(shù)進(jìn)展的速度是其他科學(xué)技術(shù)部門所少有的。從飛機(jī)速度提高的經(jīng)過來看，廿世紀(jì)卅年代飛機(jī)最高速度才不過每小時(shí)四百公里左右；到了四十年代后期已經(jīng)接近六百公里了。第二次大戰(zhàn)中間出現(xiàn)了噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，飛機(jī)速度從而躍進(jìn)到每小時(shí)一千公里左右；到了六十年代前期則已經(jīng)跨進(jìn)了超音速飛行的時(shí)代。今天人們已在研究和試驗(yàn)三倍、四倍于聲音速度以至更高速度的飛機(jī)。如果我們聯(lián)想一下火車的最大速度和十級(jí)大風(fēng)的速度都不過聲音速度的十分之一左右，就不難想象超音速飛行的復(fù)雜情況。

在第二次大戰(zhàn)末期還出現(xiàn)了作為武器使用的無人駕駛飛行器，這就是當(dāng)時(shí)希特勒德國用來從歐洲大陸發(fā)射轟炸英國的V－1型飛彈和V－2型火箭。第二次大戰(zhàn)后火箭技術(shù)有著比飛機(jī)的發(fā)展更快的進(jìn)展，直到1957年蘇聯(lián)成功地發(fā)射了洲際彈道火箭并在其后接連著發(fā)射了三顆人造地球衛(wèi)星和三支宇宙火箭，揭開了航空史新的一章，開辟了宇宙航行的新紀(jì)元?，F(xiàn)在，根據(jù)蘇聯(lián)已經(jīng)掌握的大推力火箭技術(shù)和人造衛(wèi)星及宇宙火箭所探得的高空資料，人類飛到宇宙中去將不是很遠(yuǎn)的事情。為了挽救在宇宙飛行競(jìng)賽中的失敗，美國除了準(zhǔn)備在今年發(fā)射一些相形見拙的小型人造衛(wèi)星和月球火箭外，還吹噓要在1960年前，將一架帶人的研究飛機(jī)，飛到地球大氣層的邊緣，作為研究宇宙飛行和重新進(jìn)入大氣層的嘗試。但是連美國人自己也不能不承認(rèn)要趕上蘇聯(lián)在航空技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)絕不是很短時(shí)間的事情。

航空科學(xué)技術(shù)在發(fā)展中不斷擴(kuò)大自己的領(lǐng)域。今天的航空動(dòng)力已不限于從空氣中吸取氧氣的活塞式或各種噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括自帶氧化劑的各種化學(xué)燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和原子能發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然光子火箭目前還只是一個(gè)可能性，離子火箭則已經(jīng)是實(shí)驗(yàn)室中的現(xiàn)實(shí)了。飛行器的種類也不只限于有人駕駛的在空氣中飛行的各種飛機(jī)，還包括各種自動(dòng)控制或遠(yuǎn)距離操縱的導(dǎo)彈以及星際航行的器械。因此今天航空的涵義不只限于“在空氣中航行”的意義，而且還包含有“在太空中航行”的意義。

飛行器的速度、高度、航程和載重量的不斷提高；從由人駕駛的飛機(jī)到半自動(dòng)化的飛機(jī)以至完全自動(dòng)化或遙控的導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)變；飛行范圍從大氣層內(nèi)部擴(kuò)展到宇宙空間；這一切航空技術(shù)上的新進(jìn)展不斷提出新的科學(xué)技術(shù)問題。這里我們可以就最近發(fā)展的趨勢(shì)舉幾個(gè)例子。

隨著飛行速度的增加，在研究飛行器的空氣動(dòng)力性能上，一般流體力學(xué)所能處理問題的范圍已大受限制?？紤]空氣壓縮性影響的高速氣動(dòng)力學(xué)近十幾年有著很大的發(fā)展，在某些情況下甚至還要同時(shí)考慮空氣粘性的影響。不僅如此，高超音速飛行時(shí)由于靠近飛行器表面的氣體分子受熱而離子化，這些帶電粒子又在地球磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，這就又增加了電磁力的作用。磁性氣動(dòng)力學(xué)目前還是一門很年輕的學(xué)科，但是它的發(fā)展將對(duì)高速飛行起很大的作用。高速氣流的氣動(dòng)加熱作用在三、四倍聲音速度時(shí)就可以達(dá)到攝氏300度以上。因此不但引起了材料強(qiáng)度性能的變化，同時(shí)由于飛行器表皮里外及各點(diǎn)溫度不同還產(chǎn)生了熱應(yīng)力。這里不僅提出了飛機(jī)強(qiáng)度計(jì)算上的新問題，也提出了尋找新材料的問題，鋁合金將要被鈦合金、不銹鋼這一類高強(qiáng)度合金所代替。在更高速度時(shí)還要尋找其他對(duì)付這些在表皮上產(chǎn)生的大量熱量的辦法。

在一般機(jī)械振動(dòng)中只需要考慮慣性力和彈性力的交互作用，在飛機(jī)中還要加上空氣動(dòng)力的作用。機(jī)翼和尾翼的顫振就是這三種力交互作用的結(jié)果。在近音速的飛機(jī)上由于空氣動(dòng)力加大了，同時(shí)翼型變薄了，機(jī)身更細(xì)長了，顫振問題已經(jīng)引起了很大的技術(shù)困難，而在更高的速度下除了上述三種力的作用外，還要考慮空氣動(dòng)力加熱對(duì)材料性能和應(yīng)力分布的影響。因此在高速飛行器的設(shè)計(jì)中還必須考慮這些屬于空氣熱彈性力學(xué)(一門新興學(xué)科)研究范圍的現(xiàn)象。

高速飛機(jī)的動(dòng)力裝置，趨向于使用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合起來或火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合起來，甚至渦輪，火箭，沖壓三種發(fā)動(dòng)機(jī)組合起來的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)。在燃料里加上鋁，鎂，硼，鈹?shù)冉饘俜蹱顟腋∥锘蚪饘贇浠?，以增加含能量的研究工作已有很大成果。這里都包含著復(fù)雜的管道氣流問題，燃燒問題和冷卻問題。蘇聯(lián)洲際導(dǎo)彈，人造衛(wèi)星及宇宙火箭上所用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)估計(jì)有幾百噸的推力。這樣大發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒問題，冷卻問題以及燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)問題都有很多新的技術(shù)困難要解決。原子能動(dòng)力在飛機(jī)或火箭上的應(yīng)用將使繞地球的不著陸飛行以及帶人的宇宙火箭成為現(xiàn)實(shí)。這種動(dòng)力裝置的屏蔽方法和重量問題目前正在大力解決。

一般飛機(jī)上所用的陀螺儀由于摩擦力矩或不平衡所引起的飄移可以允許每小時(shí)大到5°的進(jìn)轉(zhuǎn)?，F(xiàn)代導(dǎo)彈中所依靠著來定向定位的陀螺儀則必須有小于每小時(shí)0.05°的飄移角速度才能滿足要求。為了追求更高精確度的超遠(yuǎn)程慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，目前各國正在研究好幾年中才飄移一轉(zhuǎn)的高精密度浮子陀螺以及采用其他原理的新型陀螺。高速飛行器接近地面目標(biāo)或彼此互相接近的速度可達(dá)每秒一公里以上，因此，能從同一回答訊號(hào)中探得更多對(duì)象情況的遠(yuǎn)程雷達(dá)和重量小的快速電子計(jì)算機(jī)以及其他電子設(shè)備在飛機(jī)和導(dǎo)彈上都已被或?qū)⒈粡V泛采用?，F(xiàn)代重型飛行器上所用電子管多至數(shù)千個(gè)，無線電電子設(shè)備重達(dá)數(shù)噸。因此在半導(dǎo)體技術(shù)基礎(chǔ)上的元件超小型化和裝配緊湊化是航空無線電技術(shù)不斷努力的方向。在空空導(dǎo)彈或地空導(dǎo)彈等近程導(dǎo)彈上這些要求更為突出，因?yàn)檫@里不但要求重量輕而且要求容積小?？諝鈩?dòng)力加熱的結(jié)果對(duì)電子設(shè)備電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等也都提出了苛刻的要求。目前耐500℃以上的各種元件和線路已在研究中。

飛機(jī)和導(dǎo)彈性能的提高總是帶來了材料和工藝上的新問題。這不僅意味著尋找具有更好性能的材料，而且意味著對(duì)材料規(guī)格和加工精確度要有更加嚴(yán)格的控制以便在設(shè)計(jì)中能充分利用材料的強(qiáng)度而不增加重量。焊接裝配將更多地代替了鉚接裝配。蜂窠結(jié)構(gòu)(將機(jī)翼內(nèi)部作成蜂窠形)和化學(xué)銑切(將機(jī)翼內(nèi)部不要的部分浸蝕掉)將更適合于高速的薄型機(jī)翼。

由上述這些例子，我們不難看出航空利學(xué)技術(shù)的復(fù)雜性。這些新的技術(shù)發(fā)展都有軍事上的重要意義。因此航空科學(xué)向來是綜合利用了各門科學(xué)的最新成就，而且?guī)?dòng)了很多新的科學(xué)部門的發(fā)展。目前在各先進(jìn)國家中航空科學(xué)研究機(jī)構(gòu)組織最為龐大，涉及的專業(yè)范圍也最廣。在這些機(jī)構(gòu)中同時(shí)進(jìn)行著飛機(jī)和火箭導(dǎo)彈的研究，并由政府給以人力和物力上的巨大支持。

航空科學(xué)不但內(nèi)容復(fù)雜、范圍廣、方面多，而且各個(gè)方面關(guān)系密切，互相影響。十多年以前飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)還可以彼此互相獨(dú)立地進(jìn)行，今天則必須彼此密切聯(lián)系配合。目前為了設(shè)計(jì)一種新飛機(jī)而專門設(shè)計(jì)新的發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎是一般的規(guī)律，并且發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，出氣口以及附件的安排要和飛機(jī)的構(gòu)造一并考慮。不但飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)系如此密切，飛機(jī)和儀表設(shè)備的關(guān)系以及各種設(shè)備之間的關(guān)系也是很密切的。飛機(jī)速度的增加引起了飛行操縱和炮火控制的自動(dòng)化。目前在高速殲擊機(jī)或轟炸機(jī)中已把領(lǐng)航裝置，自動(dòng)駕駛儀，射擊或轟炸瞄準(zhǔn)雷達(dá)和電子計(jì)算機(jī)聯(lián)合運(yùn)用，使飛機(jī)從進(jìn)入戰(zhàn)斗到退出都不需要飛行員的動(dòng)作。反過來自動(dòng)化的發(fā)展又影響了飛行器的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求和飛行器的具體設(shè)計(jì)及部位安排。這些總體和部件以及部件和部件之間的互相聯(lián)系配合在火箭和導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)中更為突出。

材料及加工工藝和產(chǎn)品設(shè)計(jì)之間的相互關(guān)系在航空上也顯得特別密切。葉片渦輪材料所允許的工作溫度如果再能提高便可以從發(fā)動(dòng)機(jī)得到更高的熱效率。高速飛機(jī)由于采用薄型機(jī)翼引起了新的加工方法。特別是近來航空技術(shù)的發(fā)展越來越快，為了不斷更新、保持技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于飛機(jī)和導(dǎo)彈的生產(chǎn)絕不會(huì)象第二次大戰(zhàn)以前那樣大批制造，而是產(chǎn)量低、批數(shù)多、設(shè)計(jì)不斷更改，同時(shí)又要求周期短、成本低。因此就要求設(shè)計(jì)人員熟悉設(shè)計(jì)對(duì)象的加工工藝，工藝人員了解加工對(duì)象的設(shè)計(jì)要求和構(gòu)造，連生產(chǎn)組織者也要了解航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求和生產(chǎn)特點(diǎn)以便各方面能很好配合起來達(dá)到最高的效果。

根據(jù)以上特點(diǎn)可見航空工業(yè)部門需要很多種門類的技術(shù)干部，這些干部的培養(yǎng)要求最好是既具備專門知識(shí)又了解航空要求；既掌握主要專業(yè)對(duì)象的最新技術(shù)成就，也了解鄰近專業(yè)對(duì)象的發(fā)展情況；設(shè)計(jì)干部要具備一定的工藝基礎(chǔ)，工藝干部也要具備一定的設(shè)計(jì)知識(shí)。無疑地培養(yǎng)這樣干部的最有效方法就是把主要有關(guān)專業(yè)集中在一個(gè)航空高等工業(yè)學(xué)校里。因?yàn)?1)有關(guān)航空的主要專業(yè)既然都集中在一處，彼此輔助的各門專業(yè)課程的教學(xué)就不但能保持較高的科學(xué)水平而且都能結(jié)合其在航空技術(shù)中的最新成就和應(yīng)用。畢業(yè)設(shè)計(jì)也可以在各方面得到較高水平的輔導(dǎo)。(2)由于集中了各方面的專業(yè)師資，在開展科學(xué)研究時(shí)就可以得到很好的聯(lián)系和配合。這種聯(lián)系和配合的全面性和密切程度就是在航空的專門科學(xué)研究機(jī)構(gòu)里也不容易達(dá)到的。特別在貫徹黨的教育方針實(shí)行教學(xué)、科研、生產(chǎn)三結(jié)合的情況下學(xué)?？梢試@若干科學(xué)研究或生產(chǎn)的中心任務(wù)按專業(yè)分工，分別結(jié)合教學(xué)來進(jìn)行。這樣進(jìn)行科學(xué)研究收效大、質(zhì)量高、結(jié)合又密切，是提高教學(xué)質(zhì)量和科學(xué)水平的極為有效的方式。當(dāng)然這種培養(yǎng)方法不是唯一的，但是無疑是最有效的，特別是當(dāng)我們對(duì)所培養(yǎng)的干部不是著重要求數(shù)量而是著重要求質(zhì)量的時(shí)候。