搜索
航空、航天技术的发展今天不可能的事明天将变为可能。---康·埃·齐奥尔可夫斯基一、早期人类对于飞行的探索二、早期的飞机三、航天技术的发展20世纪是人类开始的航空与航天的世纪。在人类开创的种类繁多的技术领域中，这两个领域是与力学学科关系最为密切、也最具有代表性的领域。由于力学的发展，才使航空和航天成为可能；也由于航空和航天的技术需要，刺激和推动了新的力学问题的研究，特别是应用力学与工程力学的研究。力学学科从它诞生起就是与社会生活紧密相连的，在精神生活的领域方面它为破除迷信冲破精神枷锁开路，在改变人类的物质生活方面，它是社会生产力最活跃的因素。和人类文明进程密切相关的工程技术领域很多，如土木、机械、化工、电机、交通、造船、纺织、材料、能源等等，在每一个领域力学都发挥了举足轻重的作用，我们不可能面面俱到地讲清楚这所有的领域同力学的相互作用，只能选择这些领域中最具有代表性的航空与航天两个领域来介绍，必要的时候，也顺带涉及到相关的领域。一、早期人类对于飞行的探索流体力学的理论发展，为航空工业的诞生准备了理论基础。在19世纪末，不少人进行了飞行的探索。这些探索为20世纪初的实际飞行准备了条件。最后终于迎来了一个新兴的工业部门的诞生，这就是航空工业的产生与发展。我国晋代有关于竹蜻蜓的记载，是一种借旋转惯性以升空的玩具。1、达·芬奇的《论鸟的飞行》我国在战国时代有了风筝、三国时代有了孔明灯、晋代有了竹蜻蜓、宋代有了火箭的发明。它们是人类早期对重物升空的尝试。在欧洲的文艺复兴时代，在达·芬奇的扎记中记载了他对滑翔升空的构想。据说他曾经花了20多年观察与研究鸟、蝙蝠、昆虫的飞行，并且计划将他的发现写成一本著作。1505年，达·芬奇写成了研究手稿《论鸟的飞行》。达·芬奇是大画家，在这篇论文中，图文并茂。他指出“由于大气本身是具有可压缩的性质的物质，当有某种物体以比它的流动更快的速度拍击大气时，它就要受到压缩。”还指出“除非翅膀拍击空气的运动比空气压缩时自身的运动速度快，否则翅膀下的空气不会变得很密，因此鸟就不会在空中支承自己的重量。”达·芬奇在这里已经有了作用与反作用的思想，即鸟的翅膀拍击空气，空气给鸟的翅膀以升力。达·芬奇还研究了鸟的羽毛的结构，他的结论是：羽毛的排列特点是当它向下扇动时，结构是密的压缩空气的效果显著；而当翅膀上扬时，羽毛变的疏散以减少空气阻力。达·芬奇LeonardodaVenci1452-1519的自画像和飞机的草图达·芬奇还观察到在山谷或一定条件下会产生向上的气流，鸟经常利用这种上升的气流，高飞而又节省力气。他进一步注意到鸟一般都是逆风而很少顺风飞行。他说：“鸟逆风飞行可以不必扇扑翅膀，这得益于下降时下面的气流。利用放松运动使之处于气流之上。”他在这里已经有了空气动力产生升力的萌芽，这是极可宝贵的体验。此外达·芬奇还对鸟的起飞、降落、转弯、滑翔等动作，并且给了许多合理的解释。根据鸟的飞行原理，达·芬奇设计了飞机、降落伞、直升机。他考虑最多的是扑翼机，他说：“鸟是一架按数学定律工作的机器，人具有复制这架机器全部运动的能力。它的强度可能不会符合，因为缺少维持平衡的动力。我们可以说，人们建造这种机器不缺少任何东西，只有鸟的生命除外。”[1]后来的历史发展证明，达·芬奇的这个论断是十分正确的。[1]艾玛·阿·里斯特著，郑福洁译，《莱奥纳多·达·芬奇笔记》，三联书店，1998年，第102页2、利用气球飞行1783年10月21日来自法国里昂附近蒙格菲兄弟在巴黎成功地进行了载人的热气球试验。由于蒙格菲的成功，巴黎科学院拨出经费进行气球的研究，在同年12月1日，在巴黎研究以氢气作气球的查礼成功地进行了一次载人的氢气球试验。蒙格菲兄弟成功地载人热气球试验1851年法国的吉法尔决定在长40米的气球上安装上50马力的蒸汽机，蒸汽机带动螺旋桨推进，这是最早的飞艇。时速可以达到每小时10公里。1900年7月德国的齐伯林以铝为构件的硬式飞艇试验成功。时速达每小时30公里。齐伯林的飞艇几经改进，到1911年的齐伯林七号，装有420马力的发动机，时速大约每小时58公里，并且被用于第一次世界大战，去对法国作战。齐伯林FerdinandvonZeppelin1838—1917齐伯林的气球利用氢气比重比空气小的性质进行飞行，是基于流体静力学原理，即在古希腊由阿基米德所发现的浮力原理。虽然后来历经改进，采用氦气，采用金属外壳，还安装了发动机进行飞行，但是由于它既笨重又不安全，所以后来慢慢被飞机淘汰了。3、凯利的飞行研究在达·芬奇系统地研究鸟的飞行之后的数百年间，人们似乎忘掉了航空。特别是，在18世纪末，当法国人乘气球升空得到成功，并热衷于研究靠气球飞行、又逐步并取得进展的时候，在法国没有人再关心飞机飞行了。到了19世纪初，英国人乔治·凯利（GeorgeCayley,1773－1858）才又提出这个问题，而且比达·芬奇更前进了一步.1809－1810年凯利分三次在英国的《自然哲学、化学和技艺》杂志上发表了题目为《论空中航行》的论文。这是世界上最早的航空论文，也是世界上现代航空的标志。所以凯利后来被人们称为“航空之父”。在论文中，他明确说：“全部问题是给一块平板提供动力，使之在空气中产生并支持一定的重量。”文中他经过精心计算，给出了一架飞机的设计参数，换为现在的单位：当平板的面积为60平方米、迎风角为6度、速度为每秒10米时，升力可以支承90千克的人机总重。他并且说：“如果这块平板能在动力作用下高效率运动，空中航行就会实现。”凯利像GeorgeCayley1773-1858后来凯利还研究了飞机的飞行稳定性、操纵性和安全性，为了保证这些性能，他建议在飞机上在机翼上设置反角、在飞机身后加尾翼、在尾翼上装置可转动的垂直尾翼等。这些建议都为后来的飞行证实是有效的。受时代的限制，凯利当时还没有合用的发动机，甚至连瓦特的蒸汽机也还没有。所以他没有办法实现他的设想。不过在1849－1853年间，他设计并且试制了供载人用的滑翔机。后来，在凯利逝世后的半个世纪，美国的莱脱兄弟实现了飞机飞行，大莱脱曾说过：“我们设计的飞机，完全按照凯利爵士的非常精确的计算方法。”所以后来西方的航空专家都称凯利为航空之父。凯利设计的飞机4、世界各国的早期飞行探索在19世纪的后期，在英国、俄国、德国、法国都有一些动力飞行的探索者。1842年英国的汉森申请了他的飞机设计专利，这是世界上第一个有关飞机的专利。他的飞机上装置的动力是蒸汽机，他将这种飞行器定名为“空中蒸汽车”。后来他自己进行了模型试验，在头几次试验失败后，他的财力已经耗尽，无力继续而停止了。1857年，法国的布里斯制造了一架大型滑翔机，他的起飞方式是将滑翔机固定在马车上，然后驱车沿大路奔跑，当马车达到一定速度时，把滑翔机放出去。在第二从试飞时，不幸遇到了下降的气流，滑翔机摔坏，他本人也摔断了大腿。过了10年，他又东山再起，继续继续滑翔机试验，试验又遭失败，从此他退出了航空。德国的利林塔尔，1889年发表了一本《鸟类飞行的艺术》，这本书对后来的飞行影响很大。他还制造了具有蝙蝠形状机翼的滑翔机，为了改进他制造的滑翔机，他进行了2000次以上的飞行试验。他对滑翔机不断改进，最长的一次飞行是从15米高的山头上起飞，滑翔了300米远。他在滑翔机上增加了舵，并且准备装上动力，可惜在1896年8月的一天，在试飞时，因为机翼折断而牺牲。他离开人世时最后的遗言是：“如果没有牺牲，任何事都不会成功。”这些只是动力飞行的早期探索者中的少数例子。是这些勇敢的冒险家的前仆后继的探求，人们又不断从中总结经验，才有后来的飞行世纪。诚然，像后来最早飞行成功的莱特兄弟，那样的胜利者的业绩值得庆贺，而像利林塔尔，这样的失败者的业绩也是可歌可泣的。利林塔尔OttoLilienthal1848–1896利林塔尔飞行图二、早期的飞机1、兰利的飞机研究与实验兰利（SamuelPierpontLangley,1834－1906）是美国的职业科学家，起先曾从事土木工程工作，后来靠自学成为著名的天文学家。他发展了测辐射热仪，对太阳光谱测量作出了重要贡献，1867年，任美国匹兹堡大学的物理与天文学教授。他从幼年便对鸟的飞翔产生了极大的兴趣。经常连续数小时观看鸟的飞行。1887年兰利移居华盛顿，出任当时美国学术权威机构斯密森学会的秘书。他建造了一座60英尺的悬臂机，该机靠煤气发动机驱动，外周速度可达每小时70海里。利用这座悬臂机，他进行了大量的空气动力实验，研究平板与鸟翼在空气中运动时的阻力与升力的规律，由此得到了许多定量的结果，并且纠正了前人的不少错误。他得出了有一攻角的平板升力为其中A为平板面积、V为飞行速度、为空气的密度、为平板的攻角。兰利将他的研究结果写成一本书《空气动力学实验》，于1891年由华盛顿的斯密森学会出版。这本书是最早的比较系统的实验空气动力学著作，对后来的飞机研究者，包括莱特兄弟影响很大。sin2kAVF除了实验室研究外，兰利还动手做飞行试验。他先后从1891年开始试制了橡筋动力模型飞机、设计并制造了轻型蒸汽机、并且设计了空中旅行者0－6共7个型号的飞机模型、对其中的第5、6两号在1896年进行了成功的飞行、后来又在1903年进行了两次不成功的载人的飞行试验。后来因为财政拮据和新闻界的冷嘲热讽，以及兰利本人年事已高（接近70岁）的诸多原因，放弃了试验，兰利也于1906年逝世。后人总结他载人飞行的失败主要是由于结构上的不合理，当时他的发射架如果采用轮式起落架，试飞很可能是另一种结果。兰利像SamuelPierpontLangley1834-1906兰利的飞机（1901）2、莱特兄弟的飞机飞机的发明与发展是力学渐渐渗入技术的结果，是从盲目走向自觉的过程。19世纪末不少人都想制造飞机，当时滑翔机已有相当的进步，凡是致力于改进滑翔机的人，很自然的想法是在滑翔机上安装上动力。但是那时只有蒸汽机这种过重的发动机。于是有一些人从事研究内燃机，如德国的利林塔尔与皮尔彻在1896年与1899年，先后在滑翔机上安装上内燃机进行试验。不幸他们二人先后都因为事故而牺牲。同时美国也有人进行类似的试验，结果也以失败而告终。美国在俄亥俄州开自行车修理店的莱特兄弟为德国的利林塔尔的牺牲精神所鼓舞，决心试制飞机。他们首先从制造滑翔机开始，从1899年开始，逐渐改进。1899年，他们写信给斯密森研究院索取有关航空资料，他们研究前人的经验，其中包括达·芬奇、乔治·凯利、兰利教授、马克辛（机枪的发明者）、查纽特、帕森斯、托马斯·爱迪生、利林塔尔、阿代尔、等等的事迹与经验。1901年莱特兄弟（哥哥WilburWright，1867－1912,弟弟OrvilleWright，1871－1948）为了实验和改进翅膀，建造了风洞，他们研究与比较了200种以上的机翼形状。到1902年秋，已经积累了上千次滑翔经验，掌握了飞行的理论与技术。莱特兄弟哥哥(左)WilburWright1867－1912弟弟OrvilleWright1871－1948最后，他们决心制造装有发动机与螺旋桨的飞机。经过艰苦的研究，终于制成了4缸8马力的内燃发动机，并且用枞木制造了螺旋桨。1903年12月17日在北卡罗来纳州的刺鬼山海岸（KillDevilHillsbeach），对他们制成的“飞行者”1号进行了试飞。经过4次试飞，最好的成绩是在空中飞行59秒，飞行距离259.7米的记录。那次试飞，他们发了50封邀请信，结果只来了5个人，报界对此反映冷淡。到1905年，美国著名的科学普及杂志《科学的美国人》说这次试验只不过是一个骗局。莱特兄弟的飞机试飞图之后莱特兄弟以及世界上不少国家与个人进行了改进试验。1904年进行了“飞行者”2号试飞，总共飞行了105次，最长飞行记录是飞行了5分钟，距离为4.4公理。后来他们对飞机的操纵性能做了改进，1905年6月，制成了“飞行者”3号。经过50次试飞，在10月5日达到了持续飞行38分3秒、飞行距离38.6公理的记录。经过各种姿态的