空氣動力學發(fā)展史

崔爾杰

空氣動力學是研究空氣和其他氣體的運動規(guī)律以及運動物體與空氣相互作用的科學，它是航空航天最重要的科學技術基礎之一。

一、空氣動力學推動20世紀航空航天事業(yè)的發(fā)展

1903年萊特兄弟研制成功世界上第一架帶動力飛機，實現(xiàn)了人類向往已久的飛行夢想。為了研制這架飛機，他們進行過多次滑翔試驗，還為此建造了一座試驗段為0．Olm2的小型風洞。正是這些努力，加上綜合運用早期的空氣動力學知識，最終獲得了成功。

20世紀初，建立在理想流體基礎上的環(huán)量和升力理論以及普朗特提出的邊界層理論奠定了低速飛機設計基礎，使重于空氣的飛行器成為現(xiàn)實。40年代中期至50年代，可壓縮氣體動力學理論的迅速發(fā)展，以及對超聲速流中激波性質的理論研究，特別是跨音速面積積律的發(fā)現(xiàn)和后掠翼新概念的提出，幫助人們突破“音障”，實現(xiàn)了跨音速和超音速飛行。50年代中期，美、蘇等國研制成功性能優(yōu)越的第一代噴氣戰(zhàn)斗機，如美國的F－86、F-100，蘇聯(lián)的米格-15、米格-19等。50年代以后，進入超音速空氣動力學發(fā)展的新時期，第：二代性能更為先進的戰(zhàn)斗機陸續(xù)投入使用，如美國的F-4、F-104，蘇聯(lián)的米格-21、米格-23，法國的幻影—3等。

1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆地球人造衛(wèi)星和1961年第一艘載人飛船“東方號”升空，被認為是空間時代的開始。美、蘇兩國在戰(zhàn)略導彈和航天器發(fā)展方面的激烈角逐，促使超音速和高超音速空氣動力學得到迅速發(fā)展。兩個超級大國都投入巨大力量，致力于發(fā)展地面模擬設備，開鄰近高超出音速空氣動力學和空氣熱力學的研究。航天方面的研究重點放在如何克服由于高超音速飛行和再入大氣層，嚴重氣動加熱所引起的“熱障”問題上在錢學森先生倡導下誕生了一門新的學科，即物理力學，為航天器重返大氣層奠定了科學基礎。航空方面的研究重點則放在了發(fā)展高性能作戰(zhàn)飛機、超音速客機、垂直短距起落飛機和變后掠翼飛機。這一時期，空氣動力研究方面的另一項重要成就是“超臨界機殿”新概念的提出，它可以顯著提高機翼的臨界馬赫數(shù)。

20世紀70年代后，脫體渦流型和非線性渦升力的發(fā)現(xiàn)和利用，是空氣動力學的又一重要成果。它直接導致了第三代高機動性戰(zhàn)斗機的產生，如美國的F-15、F-16，蘇聯(lián)蘇-27、米格－29和法國的“幻影2000”。

20世紀80年代以后，由于軍事需求的強力推動，美、蘇兩國都開始加緊研制第四代戰(zhàn)斗機和高超音速飛行器以及跨大氣層飛行器，其中最有代表性的是1981年美國發(fā)射的航天飛機。由此形成了現(xiàn)代空氣動力學發(fā)展的新時期。

二、21世紀航空航天事業(yè)事業(yè)發(fā)展的基礎

1986年美國宣布執(zhí)行單級入軌的國家空氣飛機計劃(NASP)，希望能在20世紀末研制出馬赫數(shù)為25的空天飛機，但由于作為動力的氫燃料超燃沖壓發(fā)動機研制中遇到了難于克服的困難，不得不于1994年宣布停止研制。隨后又制訂了以火箭發(fā)動機為動力、可重復使用的空天運載器X-33、X-34和X-37的發(fā)展計劃，后因X-33液氫儲箱復合材料脆性斷裂等一系列技術問題和財政等其他方面的原因，上述研制計劃于2001年3月終止。以后，美國空軍和NASA還分別實施了“高超技術”(Hytech)和“高超-X”(Hyper-X)計劃，但進展并不順利，作為該計劃的第一架X-43A首飛失敗，2002年進行的另一次飛行試驗也因火箭助推器出現(xiàn)故障而未能成功。美國人在總結這些研制教訓時才認識到，一系列高超聲速流的基礎研究儲備不夠和風洞等地面模擬設備能力的嚴重不足是導致失敗的主要原因。

1996年美國制訂了21世紀空軍裝備發(fā)展的戰(zhàn)略性文件，提出建立全球快速機動反應和靈活作戰(zhàn)保障能力，全方位占領空中優(yōu)勢的明確目標。航空方面以美國F-22、聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(F-35)為代表的第四代戰(zhàn)斗機，將高機動性、敏捷性、超音速巡航能力、高隱形能力、更大的高度／速度范圍等諸多優(yōu)異性能集于——身，對空氣動力學、動力推進、電子控制和材料、工藝等技術提出了更高要求。

三、我國的空氣動力學研究

1949年以前，我國空氣動力學研究的基礎非常薄弱。中華人民共和國成立后，黨和國家高度重視航空航天事業(yè)，空氣動力學因而獲得蓬勃發(fā)展。1956年，北京空氣動力研究所成立，這是我國第一個綜合性的空氣動力研究試驗基地。1958年，為適應航空發(fā)展的需要，建立了沈陽空氣動力研究院。1976年，在四川綿陽成立國家級的中國空氣動力研究與發(fā)展中心，至今已建成各類中大型地面模擬實驗設備，包括試驗段尺寸為6m,Sm的低速風洞、2m激波風洞、2．4m跨超音速風洞、200m彈道靶等共30余座。經過50多年的努力，我國的空氣動力學取得了很大進展，基本能滿足現(xiàn)在型號選型和部分定型試驗要求。在發(fā)展理論與數(shù)值計算、地面模擬試驗和飛行試驗以及在解決型號氣動問題方面取得了大批研究成果，使得對飛行器氣動特性的預測能力和設計水平有了很大的提高，為我國飛機、戰(zhàn)術戰(zhàn)略導彈、運載火箭、衛(wèi)星和其他型航天器研制做出重要貢獻。

在近期召開的我國首屆近代空氣動力學與氣動熱學會議上，來自國內外的200余位空氣動力學者圍繞前瞻性技術研究展開熱烈討論，中科院院士莊逢甘對未來空間飛行器推進技術的發(fā)展做出展望：

激光推進，即遠距離發(fā)射出的高能激光，在航天器的拋物面反向鏡聚焦后加熱氣體，使氣體熱膨脹產生推力。科學家預測，這種運載工具有效載荷可提高到15％以上。目前美、俄等國已經提出制造激光飛船的計劃，到2015年將可推進數(shù)百公斤的小型飛船并送到太空。

核能推進，利用核反應產生的能量加熱工質或產生等離子體高速噴射產生推力。這相當于在飛行器上搞一個小的核反應堆。這項技術只有解決污染問題才可得到應用，目前尚在論證當中。

光壓推進，利用這種技術的飛行器就像一艘帆船，把太陽光或其他粒子流照射到帆板上，根據(jù)光帆兩面的壓差產生推力。國外不久前發(fā)射的光帆飛船，裝有8個太陽帆板，能從不同方向反射太陽光，乘光前進。雖然發(fā)射沒有最終成功，但已經邁出了可喜的一步。

反物質推進，現(xiàn)今推進技術最高推進速度約為每秒20公里，無法實現(xiàn)恒星際飛行。反物質推進的飛行器將有可能達到光速。其原理是，帶電粒子在強電場作用下，噴射速度接近光速。利用其產生的推力推進，科學家們初步估算，一艘質量為1000千克的飛船加速到0．1倍光速，需9千克的反物質“燃料”?，F(xiàn)在科學家們正在研究反物質如何生產和儲存。這種技術難度很高，然而一旦成功將是一次革命。