从航空发展看空气动力学

从航空发展看空气动力学田春光土木工程与力学学院理论与应用力学专业基地班2011级摘要：空气动力学是力学的一个分支，它主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。它是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来一个学科。关键词：空气动力学，历史，航空，战斗机，方向。一、引言空气动力学和航空的关系极为密切，互相促进发展，我们可以从空气动力学的发展历史来看最早对空气动力学的研究，可以追溯到人类对鸟或弹丸在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测。17世纪后期，荷兰物理学家惠更斯首先估算出物体在空气中运动的阻力；1726年，牛顿应用力学原理和演绎方法得出：在空气中运动的物体所受的力，正比于物体运动速度的平方和物体的特征面积以及空气的密度。这一工作可以看作是空气动力学经典理论的开始。1755年，数学家欧拉得出了描述无粘性流体运动的微分方程，即欧拉方程。这些微分形式的动力学方程在特定条件下可以积分，得出很有实用价值的结果。19世纪上半叶，法国的纳维和英国的斯托克斯提出了描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程，后称为纳维-斯托克斯方程。到19世纪末，经典流体力学的基础已经形成。20世纪以来，随着航空事业的迅速发展，空气动力学便从流体力学中发展出来并形成力学的一个新的分支，直到此时，空气动力学才真正走上发展的快车道。在短短的百年间，航空工业由飞行850英尺，滞空时间一分钟，到航程一万两千余公里（B2隐形轰炸机），速度达到3马赫（米格25与A-12/SR-71黑鸟侦察机Ma=v/a）。现在航空器已经成为人类最复杂最精密的机器之一，其中，空气动力学在动力和外形上的贡献是不可磨灭的，而且，追求更高更快更远的航空工业也在推动着空气动力学不断前进。二、航空工业简介与航空器简介2.1航空工业主要指研发、生产和销售航空产品的企业事业单位的总和。航空工业是建设独立自主巩固国防的重要基础。它是一种知识和技术极为密集;产品和工艺高度精密、综合性强;军用与民用结合密切的产业。2.2航空工业发展的主要产品是航空器，航空器可以分为两种，轻于空气的航空器和重于空气的航空器。众所周知，任何航空器要升到空中，都必须产生一个克服自身重力向上的力，这个力叫做升力。提供这个力的，前者靠静浮力升空，又称浮空器；后者靠与空气相对运动产生升力升空。2.2.1轻于空气的航空器包括气球和飞艇，它们是早期出现的航空器。它们一般没有推进装置，主要与气囊，气囊下面通常有吊篮吊舱，气球可分为热气球，氢气，氦气气球。早期用于军事巡逻，侦查，运送人员物资，随着飞机的出现和发展，现多用于商业目的，运动项目等。优点：滞空时间长，运量大，环保，随后出现的氦气气球有较高的安全系数。缺点：速度慢。2.2.2重于空气的航空器包括固定翼航空器，旋翼航空器，扑翼机,倾转旋翼机。其种类较多，功能较前者也更为复杂，出现的也较晚，但发展迅速。重于空气的航空器靠自身与空气的相对运动产生空气动力升空。固定翼飞机结构通常包括机翼，机身，尾翼和起落架等部分。其优点是速度快，安全性较高；缺点是耗油量大，运量小，成本高。旋翼机是靠航空发动机驱动旋翼旋转作为升力和推进力的来源，现多由机身，起落架，动力装置，旋翼系统，操纵系统和其他系统组成，多用于运送人员物资武器设备等，尤其因为它可以垂直起降的特点，多用于抢险救灾，高空救援等特殊情况。但由于其特殊外形，不符合空气动力学特性，无法在空中滑翔，一旦发生故障，很容易发生重大事故。滑翔机，它属于无动力固定翼飞机，出现较早，利用自身重力的分量获得动力，现多用于运动或表演。扑翼机是指模拟鸟和昆虫翅膀的上下摆动获得动力的一类飞行器，又称振翼机。通过振翅可以获得升力和前进的动力，但机理复杂，其空气动力学规律至今尚未被人们完全掌握。倾转旋翼机，是一种近期备受关注的新型飞行器，它通过旋转旋翼兼具固定翼飞机的速度和旋翼机垂直起降的优点。尤其美国的V-22型军用运输机在几次战争中大放异彩，使各国争相研制同类型飞机。在众多的飞行器中，军用飞行器无疑是科技含量很高的一个部分，而其中战斗机有时精品中的精品，最新的空气动力学技术总是先在它的身上实施，而军队对战斗机更高的要求也让空气动力学前进的更快。那就让我们由战斗机的发展历程，看空气动力学的发展。三、战斗机发展的各个阶段3.1有动力的的飞机于1903年由莱特兄弟发明。飞机之所以能飞就一定要提到空气动力学上的一个重要发现，那就是空气流速不同处压力的不同。流速快，压强小。为了让飞机飞起来，人们设法利用气流的速度差产生的气动压力差向上推动飞机。所以，人们将飞机机翼的横截面设计成上凸下凹或平。这样空气吹过这样形状的机翼表面时，又有上表面空气走的路程比下表面长，因此上表面空气流速比下表面的快。根据伯努里定理（丹尼尔伯努里于178年提出了的流体力学中一个重要定理。他认为在理想流体的定常流动中，流体压力p，流体速度v，流体的密度ρ和流体的位置H，满足关系式）将产生一个向上的压力差，这个压力差称为飞机的升力，就是这个力将飞机送上天。飞机自发明之日起仅仅过了3年时间便被运用到了军事行动中。不过当时多是侦查任务，当时的飞行员想如果能把对方的飞机打下来，对自己会是很有帮助的，所以，飞行员们自带手枪，步枪。这就有了最初的战斗机。3.2开始的飞机多为两翼或三翼，虽然单位受力减轻，增加空气的作用面积，便与操控。但飞机变得笨重，速度慢，已经不适合战争的需要。到第二次世界大战时，几乎所有的战斗机都采用单翼设计，尤其是德国率先使用可收回式起落架和封闭式座舱，是整个飞机更加符合流线型，这源于其空气动力学的进步，这几项改进，使飞机的速度，由于减少了阻力的损耗的能力，使得续航能力也大幅提升。美国人在他们的新飞机P-51“野马”上使用了他们的新型机翼——层流型机翼.层流翼型是它的前缘半径较小，最大厚度位置靠后，能使翼型表面上尽可能保持层流流动，以便减小摩擦阻力。摩擦阻力是在“附面层”（或叫边界层）内产生的。所谓附面层，就是指，空气流过飞机时，贴近飞机表面、气流速度由层外主流速度逐渐降低为零的那一层空气流动层。附面层是怎样形成的呢？原来是，当有粘性的空气流过飞机时，紧贴飞机表面的一层空气，与飞机表面发生粘性摩擦，这一层空气完全粘附在飞机表面上，气流速度降低为零。紧靠这静止空气层的外面第二气流层，因受这静止空气层粘性摩擦的作用，气流速度也要降低，但这种作用要弱些，因此气流速度不会降低为零。再往外，第三气流层又要受第二气流层粘性摩擦的作用，气流速度也要降低，但这种作用更弱些，因此气流速度降低就更少些。这样，沿垂直于飞机表面的方向，从飞机表面向外，由于粘性摩擦作用的减弱，气流速度就一层一层的逐渐增大，到附面层边界，就和主流速度相等了。这层气流速度由零逐渐增大到主流速度的空气层，就是附面层。附面层内，气流速度之所以越贴近飞机表面越慢，这必然是由于这些流动空气受到了飞机表面给它的向前的作用力的作用的结果。根据作用和反作用定律，这些被减慢的空气，也必然要给飞机表面一个向后的反作用力，这就是飞机表面的摩擦阻力。附面层按其性质不同，可分为层流附面层和紊流附面层。就机翼而言，一般在最大厚度以前，附面层的气流各层不相混杂而分层的流动。这部份叫层流附面层。在这之后，气流流动转变为杂乱无章，并且出现了旋涡和横向运动。这部份叫率流附面层。层流转变为紊流的那一点叫转捩点。附面层内的摩擦阻力与附面层的性质有很大关系。实验表明，紊流附面层的摩擦阻力要比层流附面层的摩擦阻力大得多。因此，尽可能在机翼上保持层流附面层，对于减小阻力是有利的。所谓层流翼型，就是这样设计的。总的说来，摩擦阻力的大小，决定于空气的粘性，飞机的表面状况，以及同空气相接触的飞机的表面积。空气粘性越大，飞机表面越粗糙，飞机表面积越大，摩擦阻力就越大。战争是科学的助推器，在第二次大战期间，活塞式发动机达到顶峰,活塞式发动机的机构与工作原理和汽车发动机十分类似，其实最早的航空发动机就是将汽车发动机搬到了飞机上。它的工作分为四个行程，即进气行程，压缩行程，膨胀行程和排气行程。由多个缸爆燃产生推进力，由多组缸的程序式交替工作获得持续的动力输出。3.3在战中中后期出现的野马战斗机与过去的活塞式发动机飞机比较已经有了质的飞跃。距飞机发明40余年，发动机功率提高近百倍，结构上由于流线型机身，层流型机翼的使用，速度由百公里左右提高到816千米每小时。但已经是活塞式飞机的极限了，对于寻求高速推重比的战斗机来说，活塞式战斗机已经没有什么可以改良发展的了。因为活塞式发动机有以下缺点。1.功率小2.重量大3.外形阻力大4.螺旋桨高速旋转时效率低5.桨尖易产生激波。所以随着涡轮喷气，涡轮螺桨和涡轮风扇发动机的发展，活塞式发动机逐渐退出大飞机领域，战斗机也有活塞式全部过渡到喷气式。3.3．1物体高速前行时所造成的强扰动（即引起的压强和密度的变化比声波大）在空气中的传播。在飞机和导弹跨声速或超音速飞行时会出现由无数较强的波叠加而成的边界波，它是由于边界波面处受到强烈压缩形成的。波面前后物理特性发生了突变，波面之后的压强突然增大，密度温度也随之升高，由于气流通过波面时，气流微团受到很强的阻滞，速度锐减，因此气流速度会大大降低。这种由较强压缩波组成的边界波就是激波。3.3.2由激波阻滞气流而产生的阻力叫做激波阻力，简称波阻。因为激波是一种强压缩波，因此当气流通过激波时产生的波阻也特别大。3.4当飞行器的速度越来越高，设计者发现，再想提高速度很困难，尤其是接近声速，用过去的设计方法几乎不可能。看似航空业的尽头已经到来，但两大关键技术使航空的发展翻开了新的一页。这就是后掠翼和喷气推进技术的发展。3.4.1后掠翼与平直机翼相比之所以更适合于超音速飞行，是因为其能够提高Ma临界，降低了机翼上的有效速度，当气流以速度v流过后掠翼时，由于后掠角的影响只有垂直机翼前缘的气流速度分量vn是产生升力的有效速度，另一个沿着机翼方向的分量vt只能产生摩擦阻力，对产生升力不起作用。因此作用到后掠翼上的实际速度比飞行速度小。如果对于平直机翼来说，速度已达到临界速度，在它上面有可能产生局部激波和波阻，那么对于后掠翼来说还要把速度在提高一些才能达到临界速度，并在局部产生激波和波阻。因此后掠翼可以提高飞机的Ma临界推迟局部激波的产生。现代超音速飞机的机翼后掠翼后掠角一般在三十度到六十度之间。机翼的后掠角越大，相同飞行速度下作用在机翼上的有效速度就越小，Ma临界也就越大。后掠角度15304560Ma临界增加百分比2820603.5超音速飞行的优良气动外形问题得到了有效地解决，这时需要的就是强大的动力是飞机冲破音障（由于接近声速时激波和波阻骤增产生的一种现象），实现超音速。航空喷气式发动机的出现彻底将战斗机带入了超音速时代，它最早由英国人提出设想，但并为得到政府的重视，后发明者虽然进行试验，但工艺限制，都以失败告终，最后是由德国人最先研制出来（Me-262），并很快投入了战争，虽然他的出现并未改变战局，但让世人都认识到了他的重要价值。战后美俄相继开发了各自的喷气式飞机。喷气式发动机的动力来源是由压气机压缩空气在燃烧室中于燃料混合，将高压气体从为喷口喷出，空气的反作用力使飞机快速前进。借助燃料爆燃的巨大推力，现代喷气式发动机的推力甚至达到几百千年，相比于过去的发动机，推力提高了数百倍，结合先进的空气动力学外形，超音速飞机迅速普及。如美国的F-86“佩刀”和苏联的米格15两款早期代表性产品还在朝鲜战场上相遇。后来由他们改进出现的米格-19，F-100“超级佩”刀还成功实现了超音速，但超音速的性能差，只能实现短时间的超音速飞行。以他们为首的首批超音速战斗机被划定为“第一代战斗机”超音速也就是这一代战斗机最大的特点。他们的速度均达到1.3马赫，升限15千米，在空战中追求更高更快的想法，使得双方很快投入到下一代飞机的研制工作。3.6第二代战斗机应运而生，以美国F-104，苏联的米格-21，法国的幻影，中国的歼8为代表的一批新式战斗机为代表。他们的速度都达到2马赫，升限2千米左右，它