淺談飛機(jī)制造中空氣動(dòng)力學(xué)原理應(yīng)用

任思齊

摘要空氣動(dòng)力學(xué)主要研究物體在同等氣流相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下的受力特征，以及氣體流動(dòng)規(guī)律和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化?？諝鈩?dòng)力學(xué)是隨著我國(guó)航空工業(yè)技術(shù)發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一種科學(xué)，是力學(xué)的一個(gè)重要分支。其發(fā)展對(duì)于我國(guó)航天器的發(fā)展也有著重大的意義。本文將淺述飛機(jī)制造的發(fā)展歷程及動(dòng)力學(xué)原理在飛機(jī)制造中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞飛機(jī)制造；空氣動(dòng)力學(xué)；航空航天；戰(zhàn)斗機(jī)

隨著國(guó)際化形勢(shì)的變化，航空發(fā)展更加迅猛，信息化程度不斷提高，航空技術(shù)也面臨著更多新的挑戰(zhàn)，這也對(duì)航空技術(shù)提出了更高的要求，作為航空技術(shù)的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一的空氣動(dòng)力學(xué)，同樣也面臨著諸多全新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。同時(shí)空氣動(dòng)力學(xué)是航空航天最為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)之一，對(duì)國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定都有著不可替代的作用。本文將講述飛機(jī)發(fā)展歷程中空氣動(dòng)力學(xué)的具體原理應(yīng)用。

1空氣動(dòng)力學(xué)研究歷程

空氣動(dòng)力學(xué)是航空領(lǐng)域中不可缺少的一門科學(xué)，其發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用可以分為以下幾個(gè)階段。

1）1726年，牛頓應(yīng)用力學(xué)原理和科學(xué)演繹法得出：在空氣中物體中受到的力，與物體的速度和物體的面積及空氣密度成正比例。

2）19世紀(jì)末，流體力學(xué)基礎(chǔ)基本形成。

3）20世紀(jì)以來(lái)，在航空事業(yè)的蓬勃發(fā)展下，空氣動(dòng)力學(xué)從流體力學(xué)中也逐漸發(fā)展壯大，并獨(dú)立出來(lái)形成了一個(gè)新的分支，從此以后空氣動(dòng)力學(xué)走上了高速發(fā)展的道路。

2飛機(jī)制造中空氣動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用

1）第一次世界大戰(zhàn)后，空氣動(dòng)力學(xué)研究成果開(kāi)始應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)。這提高了飛機(jī)的運(yùn)行速度和安全指數(shù)，慢慢地更多的研究者致力于優(yōu)化飛機(jī)的升力、阻力等問(wèn)題，空氣動(dòng)力研究結(jié)果對(duì)機(jī)翼設(shè)計(jì)提出更多要求，采用大展弦比的機(jī)翼，比如：采用雙凸或者上凸下平的機(jī)翼，目的是令其產(chǎn)生更好的流線型。

流線型機(jī)翼可以減少摩擦阻力。同時(shí)將分析和旋渦現(xiàn)象出現(xiàn)的概率降到最低，大大減少了尾流阻力，使得飛機(jī)功率大大提高，這些性能的優(yōu)化改進(jìn)，保障飛機(jī)的升力值大幅度提高。

2）第二次世界大戰(zhàn)后，飛機(jī)進(jìn)入噴氣技術(shù)與超音速時(shí)代。20世紀(jì)30年代以后，飛機(jī)主要應(yīng)用不可壓縮空氣動(dòng)力學(xué)原理。由于此時(shí)的飛機(jī)運(yùn)行速度不高，忽略了空氣的可壓縮性，在30年代末期，飛機(jī)俯沖時(shí)已經(jīng)接近音速，但此時(shí)波阻問(wèn)題的出現(xiàn)導(dǎo)致了很多機(jī)毀人亡的事件，研究人員開(kāi)始向著高速甚至超音速發(fā)展。

波阻是影響飛行的重要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)在接近音速飛行時(shí)，阻力系數(shù)會(huì)加劇到原來(lái)的好幾倍，最大可消耗發(fā)動(dòng)機(jī)全部功率的3/4，因此，在跨音速段的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是相當(dāng)棘手的。經(jīng)過(guò)一番研究，隨后動(dòng)力學(xué)家布斯曼提出了對(duì)飛機(jī)外形的進(jìn)一步改良，提出后掠翼的設(shè)計(jì)理念，這將在很大程度上提高飛機(jī)運(yùn)行速度，此項(xiàng)設(shè)計(jì)使德國(guó)獲得了“跨音速飛機(jī)”的專利。而此前，超音速飛戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)，也已經(jīng)完成了第四代。代表機(jī)型如美國(guó)的“F-100”，英國(guó)的“獵人式”“幻影”F1等。

3）噴氣式客機(jī)在20世紀(jì)60時(shí)年代開(kāi)始投入使用，先后出現(xiàn)的有英國(guó)的“彗星”，法國(guó)的“快帆”等，后繼出現(xiàn)的波音“737”、波音“747”等機(jī)型，其在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，選擇采取低阻力亞音速翼型，同時(shí)減小機(jī)翼后掠角，增大機(jī)翼相對(duì)厚度，改善部件干擾流場(chǎng)，提高了機(jī)翼展弦比，大大提高了氣動(dòng)效率，降低了耗油量，并且更加節(jié)能環(huán)保。

3航空技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1）更高的速度。在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、印度等國(guó)家紛紛提出了屬于自己的超高音速天空戰(zhàn)機(jī)的計(jì)劃。即使大都以維護(hù)和平為理由，但其真正的軍事價(jià)值是不言而喻的。而在眾多國(guó)家中當(dāng)屬美國(guó)的發(fā)展占領(lǐng)鰲頭，雖然它的驗(yàn)證機(jī)型X-37B已經(jīng)進(jìn)行過(guò)多次試驗(yàn)，但是同時(shí)也積累了多次失敗的經(jīng)驗(yàn)，從失敗中吸取教訓(xùn)后的機(jī)型改良升級(jí)，使得美國(guó)的戰(zhàn)機(jī)離實(shí)戰(zhàn)又近了一步。另外，美國(guó)創(chuàng)造的25倍音速的速度，也使其“一小時(shí)打遍全球”的計(jì)劃不再是不可能。

2）新的動(dòng)力技術(shù)。當(dāng)下最新的技術(shù)，當(dāng)屬超然沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)了，這是一種能在超聲速氣流中進(jìn)行燃燒的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，在采用氫燃料時(shí)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行M數(shù)大約在8以下，而當(dāng)改用氫燃料時(shí)，其飛行M值翻了3倍，可達(dá)到25的水平。目前，美國(guó)的X-43試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)達(dá)到在大氣層內(nèi)部9.6倍音速的記錄。

3）無(wú)人趨勢(shì)。近年來(lái)，中國(guó)的無(wú)人機(jī)的發(fā)展也十分迅猛，無(wú)人航空母艦戰(zhàn)斗機(jī)，無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)日益明顯，我國(guó)已經(jīng)發(fā)展出無(wú)人直升機(jī)，到無(wú)人偵察機(jī)等多種無(wú)人機(jī)的機(jī)型，圖1為我國(guó)無(wú)人機(jī)試飛機(jī)型。

無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)和用途是顯而易見(jiàn)的，主要分為以下3個(gè)方面：

（1）減少不必要的傷亡。無(wú)論是試飛還是真正投入使用，無(wú)人機(jī)在替代人類完成一些危險(xiǎn)的飛行任務(wù)上面的作用是其他類型的飛機(jī)不可比擬的。

（2）外形更優(yōu)美，輕巧并且承載力大。無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)外形不需要考慮人的問(wèn)題，因此可對(duì)其外觀進(jìn)行更優(yōu)質(zhì)的改良同時(shí)能運(yùn)載更多的武器裝備。

（3）在飛機(jī)性能維護(hù)上，無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)原理比較簡(jiǎn)單，因此其造價(jià)低，操作人只需在地面就可以操作，減少了不必要的人力，提高了飛機(jī)安全性能。

4）過(guò)去的飛機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，其燃料、發(fā)動(dòng)機(jī)、操縱、控制等方面都是分開(kāi)設(shè)計(jì)改造的。隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，人們慢慢意識(shí)到這種獨(dú)立的設(shè)計(jì)理念。雖然各要素組成部件的功能都發(fā)揮了最大的作用，但是飛機(jī)的整體性能仍然有待考證。因此，必須進(jìn)行全部?jī)?yōu)勢(shì)的綜合化才能將飛機(jī)性能提升一個(gè)高度，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將各部分的優(yōu)勢(shì)綜合運(yùn)用到一架飛機(jī)上，使其具有高性能、高質(zhì)量等特性，協(xié)調(diào)飛機(jī)的氣動(dòng)性和隱身特性的關(guān)系，將空氣阻力降到最低，減輕飛機(jī)自重。由此看出，在未來(lái)飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，需要朝著綜合的設(shè)計(jì)方向邁進(jìn)。

4空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)

1）航空動(dòng)力學(xué)主要是推動(dòng)軍事政治形勢(shì)的需要，讓空氣動(dòng)力學(xué)從低速到超高速再到超高速，甚至把飛機(jī)送入外層空間中。由此看來(lái)，未來(lái)的空氣動(dòng)力學(xué)正朝著高速高空發(fā)展。

2）高速運(yùn)動(dòng)下，必然會(huì)涉及磁場(chǎng)和熱學(xué)的概念理論，因此，未來(lái)的空氣動(dòng)力學(xué)將是一門多個(gè)學(xué)科交叉的科學(xué)，并且可能需要大型風(fēng)能與性能完美結(jié)合的計(jì)算機(jī)來(lái)處理龐大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3）隨著日后航空航天的研究進(jìn)一步深入，空氣動(dòng)力學(xué)細(xì)化是必然的發(fā)展趨勢(shì)，例如將理論研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，并且在新的研發(fā)技術(shù)應(yīng)用前必須進(jìn)行大量的試驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)論都作為空氣動(dòng)力學(xué)原理應(yīng)用的有力保證。

4）空氣動(dòng)力與軍工國(guó)防緊密相連。空氣動(dòng)力學(xué)與航空航天的發(fā)展是相輔相成的，這個(gè)理論的建立與實(shí)施會(huì)帶動(dòng)航空業(yè)的發(fā)展，而同樣航空航天也會(huì)反作用于空氣動(dòng)力學(xué)，使更多更深?yuàn)W具體的理論出現(xiàn)。從21世紀(jì)后，航空航天發(fā)展中陸續(xù)出現(xiàn)超高音速飛行器、平流層無(wú)人機(jī)等，分別應(yīng)用柔性空氣動(dòng)力學(xué)、升力浮力一體化等理論，這些機(jī)型主要應(yīng)用于我國(guó)國(guó)防建設(shè)，為國(guó)防做出了巨大的貢獻(xiàn)。

5結(jié)論

隨著航空航天發(fā)展的需要，空氣動(dòng)力學(xué)逐步成為航空航天技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，從萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)開(kāi)始，到F-22邀游在廣袤的天空之后，我們可以看到全球的飛機(jī)研究制造都和空氣動(dòng)力學(xué)研究掛鉤，同時(shí)空氣動(dòng)力學(xué)與航空工業(yè)的關(guān)系是密不可分的。即使空氣動(dòng)力學(xué)面臨著很多的挑戰(zhàn)，但與此同時(shí)它也被人們所需要，相信未來(lái)的航空工業(yè)在空氣動(dòng)力學(xué)的指導(dǎo)下會(huì)取得更大的進(jìn)步，航空工業(yè)也會(huì)為整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)家安全做出更大的貢獻(xiàn)，讓整個(gè)世界的天空變得更加多姿多彩，也讓我們的生活充滿活力。endprint