航空航天概论

第一章航空航天发展概况《航空航天概论》1.1航空航天的基本概念1.1.1航空航空是指载人或不载人的飞行器在地球大气层中的航行活动。航空应具备：空气、升力、推力。航空技术学科基础：空气动力学。航空：军用与民用。军用航空：用于军事目的的飞行活动。民用航空：为国民经济服务的非军事飞行活动，分商用和通用。1.1.2航天航天是指载人或不载人的航天器在地球大气层之外的航行活动，又称空间飞行或宇航飞行。航天的实现：克服或摆脱地球引力。人类飞行活动的三个阶段：航空、航天和航宇。军用航天：军用卫星系统、反卫星系统、军事载人系统。民用航天：空间物理探测、天文探测、卫星气象探测和海洋观测、卫星广播通信、卫星导航、地外生命探索等。1.1航空航天的基本概念1.1.3航空航天的地位和作用航空航天是高度综合的现代科学技术。航空航天发展与其军事应用密切相关：航空武器是空军武器的重要组成部分，是空军战斗力的物质基础。空中力量对战争结局具有重大影响。卫星已成为当今作战指挥和战略武器系统的重要组成部分。航空航天取得的重大成就对国民经济产生了重大影响：航空发展改变了交通运输结构。航天技术与其他科学技术相结合开创了许多新兴的商业途径，产生了巨大的经济和社会效益。1.1航空航天的基本概念航空航天为科学研究的发展做出了重要贡献：航天技术开启了从太空观测、研究地球和整个宇宙的新时代。推动了天文学、空间物理学、高能物理学和生物学的发展形成了新的学科分支。空间实验室的特殊环境可用于开展地球上无法完成的物理、化学、生物、医药、新器材和新工艺等方面的综合研究工作。航空航天是附加值很高的新技术产品：航空航天产业已经成为部分发达国家经济的重要组成部分。1.1航空航天的基本概念1.2飞行器的分类飞行器：在地球大气层内、外飞行的器械。飞行器按工作环境和方式分类：航空器、航天器、火箭和导弹。航空器：在大气层内飞行的飞行器。航天器：在大气层外空间飞行的飞行器，按照天体力学的规律在太空运行。★世界上第一个航天器是苏联1957年10月4日发射的“人造地球卫星1号”；第一个载人航天器是苏联航天员加加林乘坐的东方号飞船；第一个把人送到月球上的航天器是美国“阿波罗11号”飞船；第一个兼有运载火箭、航天器和飞机特征的飞行器是美国“哥伦比亚号”航天飞机。火箭：以火箭发动机为动力而升空，可在大气层内外飞行。导弹：是带有战斗部、依靠制导系统控制飞行轨迹的飞行武器。1.2.1航空器升空条件：航空器能产生克服自身重力的升力。依据产生升力的基本原理不同，航空器可分为轻于同体积空气的航空器和重于同体积空气的航空器两类。航空器轻于空气的航空器重于空气的航空器气球飞艇固定翼航空器旋翼航空器扑翼机倾转旋翼机滑翔机飞机直升机旋翼机1.2飞行器的分类1）轻于空气的航空器依靠空气静浮力升空，包括气球和飞艇，是最早出现的航空器。热气球1.2飞行器的分类1.2飞行器的分类2）重于空气的航空器依靠自身与空气相对运动产生的空气动力升空飞行。包括固定翼、旋翼两类，扑翼机和倾转旋翼航空器。1.2飞行器的分类（1）固定翼飞机包括飞机和滑翔机。飞机是在大气层内飞行，由动力装置产生前进推力，由固定翼产生升力。按发动机不同分为：喷气式飞机和螺旋桨飞机。滑翔机是指没有动力装置的重于空气的固定翼航空。在无风情况下，可依靠自身重力分量获得动力做下滑飞行，称为滑翔；如遇到上升气流，可实现平飞或升高，称为翱翔。滑翔和翱翔是滑翔机的基本飞行方式。滑翔机主要用于体育运动。一般由狭长的机翼、光滑细长的机身和尾翼组成。1.2飞行器的分类（2）旋翼航空器包括直升机与旋翼机。直升机：以航空发动机驱动旋翼旋转提供升力和动力来源，能在大气中垂直起落及悬停，并能进行前飞、后飞、侧飞和定点回旋等可控飞行的重于空气的航空器。直升机组成：机身、起落架、动力装置、旋翼系统、操纵系统和其他机载设备。直升机按旋翼反作用扭矩平衡方式分类：单旋翼带尾桨直升机、双旋翼共轴直升机、双旋翼纵列直升机和双旋翼横列直升机，双旋翼交叉式直升机。1.2飞行器的分类单旋翼带尾桨直升机：机身上部装有一副巨大的旋翼，机身后部有长长的尾梁，尾梁末端的垂尾一侧，装有一副小尾桨。尾桨旋转起来，产生的推力或拉力会形成与旋翼反作用扭矩方向相反的平衡力矩。优点：结构简单，易于操纵，适用范围较广。缺点：尾桨不产生升力，在旋翼和机身尾涡的不良气动环境里工作，气动效率较低，暴露在外的尾桨不利于飞行安全，70年代出现有涵道尾桨。米-26AH-64“阿帕奇”直-91.2飞行器的分类双旋翼共轴直升机：两副完全相同的旋翼，一上一下安装在同一根旋翼轴上，两旋翼间有一定间距。两副旋翼的旋转方向相反，反扭矩互相抵消。直升机的航向操纵靠上下两旋翼总距的差动变化来完成。优点：结构紧凑，外形尺寸小，飞行稳定性好，便于操纵，气动力对称，悬停效率较高。缺点：操纵机构复杂。卡-26直升机卡-50直升机1.2飞行器的分类CH-47支奴干直升机（Chinook）双旋翼纵列直升机：具有两副沿机体纵向前后排列并相逆旋转的旋翼的直升机。两副旋翼分别安装在前后两个塔座上，两副旋翼完全相同，旋转方向相反，反作用扭矩互相平衡。优点：纵向重心范围大，可设计大机身。缺点：结构复杂，机动性较差，前旋翼尾涡对后旋翼会造成气动干扰，为降低气动干扰通常把后旋翼装得高一些。1.2飞行器的分类米-12直升机双旋翼横列直升机：两副旋翼一左一右分别安装在机身两侧的两个支架上。两副旋翼完全相同，旋转方向相反，旋转时反作用扭矩相抵消。优点：平衡性好。缺点：与双旋翼纵列式直升机类似。1.2飞行器的分类H-43爱斯基摩双旋翼交叉式直升机：与其它双旋翼直升机一样装有两副完全一样，旋转方向相反的旋翼，但两旋翼轴不平行，分别向外侧倾斜，横向轴距很小，两副旋翼在机体上方呈交叉状。设计中需要考虑两副旋翼的协调性。优点：稳定性比较好，适宜执行起重、吊挂作业。缺点：因双旋翼横向布置，气动阻力较大，但由于两旋翼轴间距较小，其气动阻力相对双旋翼横列式直升机小一些。主要研究单位为：美国的卡曼公司。K-MAX起重运输直升机1.2飞行器的分类（3）扑翼机（ornithopter）扑翼机是指机翼能像鸟和昆虫翅膀那样上下扑动的重于空气的航空器，又称振翼机。扑动的机翼不仅产生升力，还产生向前的推动力。最早的扑翼机也许就是英国的修道士罗杰·培根在1250年发表的《工艺和自然的奥秘》一文中所记述的：“供飞行用的机器，上坐一人，靠驱动器械使人造翅膀上下扑打空气，尽可能地模仿鸟的动作飞行。”。15世纪初，意大利欧洲文艺复兴时期的文艺、科学巨擘达·芬奇研究了鸟翅，利用物理和解剖知识设想的扑翼机为：人俯卧在扑翼机中部，脚蹬后顶板，手扳前部装有鸟羽的横杵，就像划桨一样扇动空气，推动飞行。1.2飞行器的分类扑翼机产生升力和推力的机理非常复杂，目前动力规律还没有人们完全掌握，具有实用价值的扑翼机还处于研制阶段。扑翼机方案是微型航空器的一种可选布局形式。1.2飞行器的分类（4）倾转旋翼机倾转旋翼机是一种同时具有旋翼和固定翼，并在机翼两侧梢处各装有一套可在水平与垂直位置之间转动的旋翼倾斜系统组件的飞机。当旋翼倾转系统处于水平位置时，相当于固定翼螺旋桨飞机；而当旋翼倾转系统处于垂直位置时，倾转旋翼机相当于横列式直升机，可实现垂直起降。美国贝尔公司研制的V-22鱼鹰式倾转旋翼机贝尔V-280将在2017年首飞，是美国陆军未来直升机计划的一部分1.2飞行器的分类1.2.2航天器航天器是指在大气层以外的宇宙空间，基本按天体力学的规律运动的各类飞行器，又称空间飞行器。可在人的控制下改变运行轨道或回收。航天器无人航天器载人航天器人造地球卫星空间探测器载人飞船航天飞机空间站空天飞机应用科学卫星应用卫星技术试验卫星月球探测卫星行星与星际探测器飞星式载人飞船登月载人飞船1.2飞行器的分类1.无人航天器（1）人造地球卫星人造地球卫星指环绕地球飞行并在空间轨道运行一圈以上的无人航天器。简称人造卫星。人造卫星是发射数量最多，用途最广，发展最快的航天器。1957年10月4日苏联发射了世界上第一颗人造卫星。之后，美国、法国、日本也相继发射了人造卫星。中国于1970年4月24日发射了东方红1号人造卫星。人造卫星一般由专用系统（有效载荷）和保障系统组成（服务系统）。专用系统：通信转发器，遥感器，导航设备，科学探测仪器，各种科学实验设备等。人造地球卫星轨道：低轨道、中高轨道、地球同步轨道、地球静止轨道、太阳同步轨道，大椭圆轨道和极轨道。1.2飞行器的分类东方红一号人造地球卫星中国第一颗人造地球卫星人造卫星“斯普特尼克”１号世界第一颗人造地球卫星1.2飞行器的分类（2）空间探测器空间探测器又称深空探测器或宇宙探测器。对月球和月球以远的天体和空间进行探测的无人航天器。空间探测器装载科学探测仪器，由运载火箭送入太空，飞近月球或行星进行近距离观测，做人造卫星进行长期观测，着陆进行实地考察，或采集样品进行研究分析。空间探测器按探测的对象划分为月球探测器、行星和行星际探测器、小天体探测器等。探测器飞向月球通常是靠地面测控网和空间探测器的轨道控制系统配合进行控制；而行星际飞行距离遥远，无线电信号传输时间长，地面不能进行实时遥控，所以行星和行星际探测器的轨道控制系统应有自主导航能力。1.2飞行器的分类空间探测的主要目的是：研究月球和太阳系的起源和现状，通过对太阳系各大行星及其卫星的考察研究，进一步揭示地球环境的形成和演变情况；认识太阳系的演化，探寻生命的起源和演变历史，利用宇宙空间的特殊环境进行各种科学实验，直接为国民经济服务。空间探测的主要方式有：1）在近地空间轨道上进行远距离空间探测。2）从月球或行星近旁飞过，进行近距离探测。3）成为月球或行星的人造卫星，进行长期的反复观测。4）在月球或行星及其卫星表面硬着陆，利用着陆之前的短暂时间进行探测。5）在月球或行星及其卫星表面软着陆，进行实地考察，也可将获取的样品送回地球进行研究。6）在深空飞行，进行长期考察。1.2飞行器的分类空间探测主要成果：1958年1月31日美国发射成功第一颗卫星探险者1号，首次探测到地球周围存在一个高能电子、粒子聚集的辐射带，这就是著名的范·艾伦辐射带；1958年末美国发射的先驱者3号探测器，在飞离地球10万千米的地方又发现了第二条辐射带；从1958年开始，人类用人造卫星、宇宙飞船、空间站和航天飞机等作为探测手段，对近地空间的环境，如地球辐射带、地球磁层、太阳辐射、极光、宇宙线等进行了探测。从1959年开始，人类已经跨过近地空间到月球以至月球以外的深空进行探测活动。各种空间探测器相继考察了月球，拜访了太阳系的水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星以及“哈雷”彗星等。回答了过去天文学家们争议不休的许多不解之谜。美国宇航局NASA于1977年9月5日发射的“旅行者”1号（Voyager1）无人太空探测器已经飞出了太阳系。“新视野”号探测器在飞行了9年、跋涉近50亿公里后，已经于北京时间2015年7月14日19时49分飞掠冥王星。1.2飞行器的分类21世纪的火星探测器：2001年4月7日，美国发射”2001火星奥德赛号”探测器，于2001年10月23日到达火星轨道。发现火星表面可能有丰富的冰冻水。美国勇气号于2003年6月10日发射升空，于2004年1月3日在火星表面成功着陆，3个月后失去联络。机遇号于2003年7月7日发射升空，于2004年1月25日成功着陆火星。大幅超出原本设计3个月的任务时间并工作至今。2007年8月4日，美国成功发射凤凰号火星探测器，凤凰号探测器于2008年5月25日在火星北极成功着陆。2011年11月，俄罗斯发射福布斯－土壤号火星探测器，因主动推进装置未能点火而变轨失败。搭载的中国第一个火星探测器”萤火一号“也宣告失败。2011年11月26日，美国好奇号火星探测器成功发射，并于2012年8月6日成功登陆火星，2015年火星陨石样本中发现大量甲烷，增加了火星上生命存在的可能性。2013年11月5日，印度发射印度首颗火星探测器“曼加里安号火星探测器”号。2014年9月24日，印度“曼加里