空气动力学

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所有通过大气层的飞行器，都要利用风洞实验和理论计算来确定它们的空气动力外形和空气动力特性。实验工作者努力发展从亚跨声速到高超声速范围的风洞实验设备，并利用新的观测、显示、信息处理手段，揭示空气的流动现象，为飞行器设计师提供更多、更精确的气动力数据。理论工作者根据空气动力学的原理和各种理论，努力把实验揭示出的空气流动形态概括成数学模型，依靠数学分析的方法，研究空气流动现象中各种物理量之间的关系和变化，及其对飞行器性能的影响，把握规律，趋利避害，创造出飞行器新的设计思想、设计概念和设计方法。计算工作者则在已建立的数学模型指引下，利用当代最先进的电子计算机，致力于发展新的算法和软件，模拟更复杂的飞行器外形。正是亚声速、跨声速和超声速空气动力学的发展，才使得后掠翼、小展弦比细长翼和三角翼气动布局在飞机设计中成功地应用，促使了第一代超声速战斗机和旅客机的诞生。1954年问世的F102蜂腰形超声速战斗机就是其中第一代战斗机的代表。

随着电子计算机的迅速发展，利用空气动力学经典的欧拉方程和考虑到介质的黏性建立起来的纳维斯托克斯方程，可以进行飞行器比较复杂流动的计算。现在已经进入对整个机身的空气动力特性进行整体计算的阶段。在近代力学奠基人普朗特、卡门等著名学者的带动下，空气动力学的理论和实验基础日臻完善，于是诞生了对航空工程发展起到先导作用的许多新的设计思想，如非线性升力技术、边条翼布局，将机翼与机身作为一个整体设计的翼身融合技术，以及飞机与推进系统的一体化设计概念等，加上在气动布局上精细的设计计算和风洞实验分析，使得具有高升力特性和良好操纵性、稳定性的第三代战斗机应运而生。著名的美国F－15、F-16和苏联的苏－27、米-29，就是其中的代表。

1991年海湾战争中多国部队运用的“空、地一体战”体系的核心是空中优势，说明发展飞机技术对未来战争的胜败至关重要。经过近20年来在超声速巡航、过失速机动、隐身外形(即采用技术措施有效地减小雷达的反射和红外辐射，使飞机不易被敌方发现)的气动布局等综合研究的基础上，美国又率先推出21世纪的战斗机F-22。

同时，国际民航事业一直在持续并高速发展着。从20世纪50年代喷气客机问世以来，全世界民航客运年平均增长12％左右，约为同期经济增长的2倍。目前正在进行的民用飞机的层流控制技术和细长体布局研究，将为新一代亚声速干线飞机、第二代超声速旅客机提供可选用外形。

智斗阻力

如果在地面用火箭发射人造卫星，考虑到空气阻力及其它因素，火箭的末速度一定要大于7.9千米／秒才行。之所以说难于一步登天，就是说要达到这个速度可不容易!人类为了达到宇宙速度，经历了一段漫长的道路。张弓射箭，自古便有，但箭速一般只能达到107米／秒。一次大战期间，德国制造的“巴黎大炮”，创造了10倍弓箭速度，即1070米／秒的炮弹出口速度记录。二次大战中，德国的V-2导弹虽然达到1525米／秒的速度，但这一速度仅仅是宇宙速度的20％。有人也许会因此而想到现代飞机。飞得最快的飞机，速度可达到每小时3500多千米，大约只有第一宇宙速度的1／8。而且，飞机的发动机燃料燃烧必须要从大气中获得氧气。能支持飞机飞行的大气层高度只能到30多千米，因为再高，空气会更加稀薄。30千米高空，大气密度只有海平面的1.5％，而到100千米高空，则只有海平面的百万分之一了。要想靠飞机飞出地球，只好望空兴叹了。

火箭理论的先驱、俄国著名科学家齐奥尔科夫斯基，最先把火箭理论和宇宙航行的思想建立在科学的基础上。在不考虑空气动力和地球引力的前提下，他推导出了著名的齐氏公式，根据这个公式，要提高火箭最后达到的推进速度，有两个途径：一是提高发动机燃气的喷出速度，二是火箭携带的推进剂耗尽之后，火箭本身的结构质量要特别的轻。前者同推进剂的效率和发动机的性能有关，后者则要受到结构材料和工艺技术水平的限制。但无论如何，迄今为止，一枚单级火箭最大限度只能加速到4千米～7千米／秒，达不到宇宙速度。这是因为火箭达到停火点速度之前，一直靠发动机工作来加速，发动机所产生的能量，既要使火箭加速，又要消耗一部分能量用于火箭背着的那部分推进剂。

齐奥尔科夫斯基非常巧妙地利用多级火箭的办法来解决这个问题，多级火箭像赛跑“接力”一样一级一级加速。目前的运载火箭一般是三级，起飞时，先将第一级发动机点火，其推力使火箭产生一个加速度，徐徐升空。到了一定高度，第一级火箭燃料烧完后自动脱落，紧接着第二级立即起动，火箭继续加速。依此类推，每一级火箭都不断地提高速度和高度，使得末级火箭的飞行速度达到宇宙速度和预定高度，将卫星或飞船送入太空轨道。

当然，经过多级火箭加速得到的火箭推进速度还不是火箭实际飞行的速度，因为还没有考虑到运载火箭在飞行中由于地球引力和空气阻力所造成的速度损失。事实上，运载火箭在飞行中一部分推力与沿推力反方向的地球引力分量互相抵消，对加速没有什么贡献，这就是所谓速度的重力损失。另一方面，运载火箭上升段要穿越稠密的大气层，才能把卫星送入二三百千米以上的高空轨道。在空气密度比较稠密的近地空间，随着速度的加大，所受到的空气阻力也急剧增加。但飞行高度越高，由于空气变得越稀薄，空气对火箭造成的阻力也会迅速下降。所以，火箭设计师根据空气动力学原理，让运载火箭慢慢地垂直爬升，以较低的速度穿越稠密大气的下层，以较快的速度飞出大气的上层，让大约占总速度2／3的速度在大气层以外的高空由火箭加速产生。一般而言，三级火箭的第一级都在60千米以上高空关闭发动机后脱落，让第二级火箭在极稀薄的大气层飞行。第三级飞行高度更接近于真空带，目的是把空气阻力引起的速度损失减少到最低程度。

爱你真不易

火箭从发射到发动机关闭这一段飞行全靠火箭发动机提供动力来加速，这一段叫做火箭飞行的上升段。论速度，火箭从待发状态的零速起飞，越飞越快，飞越了亚声速、跨声速、超声速到高超声速。不同的速度和环境，空气动力学问题不尽相同。对于空气，要说爱你真不易――这些问题如不逐一解决，火箭就不可能冲到九霄云外。

卫星或其他航天器，部安装在运载火箭的头部。火箭穿越稠密大气层时，由于迎面气流的猛烈冲击和剧烈摩擦，不仅阻力增大而且使火箭头部温度急剧升高。为了减小阻力，保护卫星设备，就要为火箭的头部包上一个流线型、耐高温、抗烧蚀的外罩，叫做整流罩。在大约120千米的高空，空气已非常稀薄，整流罩的作用已经完成，又得把它抛掉，以便减轻火箭的质量。为了有利于

加速，火箭必须及时扔掉已经工作完毕的火箭级，减轻负重。火箭从发射到上升这个阶段，比较突出的难题是分离的气动设计，如整流罩的分离、火箭头体的分离、各级火箭燃料燃尽后的级间分离等。继续飞行级火箭和脱落抛弃的火箭在一定的飞行姿态角度下受到发动机推力、惯性力、外界气动力、分离力和重力等因素的作用而产生复杂的运动，级与级之间的重心又会发生变化。这部需要理论计算和实验分析相结合，预先模拟显示各级火箭所受的力和力矩、发动机噪声、发动机喷流和绕过火箭的空气流的相互作用、火箭级与级之间的相互干扰、火箭的稳定性、每级火箭在发动机熄火点的速度与剩余质量。空间飞行的特点是速度高、路途远，哪怕出现一点点的疏忽和纰漏，都将会造成失之毫厘、谬以千里的后果。

多级火箭一般是由头部、柱段、裙部、倒裙部和稳定翼等气动部件构成复杂的组合体。各段的外形和尺寸必须经过最佳的气动设计，保证火箭有足够大的升力和稳定性。运载火箭形式多样，级数各别。为增加推力，它可采用并联式发动机，像我国长征二号E运载火箭，就沿主发动机四周等间隔捆绑了4个助推器。火箭在上升段飞行速度变化很大，从亚、跨声速到超声速、高超声速，越飞得高空气越稀薄。在不同的飞行速度范围，空气与火箭相互作用情况也不尽相同，如在跨声速、低超声速时，可能出现压力脉动和结构振荡(即所谓跨声速抖振)，压力脉动会形成气动噪声环境，直接影响火箭结构疲劳寿命和舱内仪器的正常工作。这部是火箭设计师必须认真对待的问题。

火箭设计师要认真对待的另外一个问题是地面风作用于火箭上的风载荷对火箭飞行的影响。火箭在发射前竖立在发射架上，承受着地面风场中风的作用，而风向、风速又总是在变化的。由于组成火箭的柱段、裙段粗细不一，段间常有拐点，外形也不是旋转对称的，如局部安装天线、电缆管和稳定翼等，加上火箭比较细长，在风载荷作用下，火箭可能发生变形和风激振动。运载火箭气动力学问题很多，技术比较复杂，难度也比较大。不把运载火箭的各种空气动力学问题从理论上和实验上研究清楚，火箭就上不了天。像法国的“阿里亚娜”火箭，光是实验研究，就选了10多种火箭外形，在12座风洞中进行，历时4年之久。

载人航天飞行器的设计更离不开空气动力学这个先行官。

人们常见到的载人航天飞行器有两种不同的外形，那就是航天飞机与飞船。它们都是飞行轨道具有穿越大气层的上升段、在大气层外飞行的轨道飞行段以及再入大气层的再人、返回段的飞行器。

航天飞机的外形像飞机，由机身、机翼、尾翼和一些控制舵面，如副翼、襟翼、水平舵、垂直舵和控制姿态的发动机组构成。飞船是无翼的大钝头旋成体，虽然也有局部的不对称凸起物，但总的气动外形比较简单。在飞离地球的上升段，飞船被整流罩包裹住，人们看不到它的外貌。

航天飞机返回地面时，依靠翼的舵面及姿态控制发动机产生的空气动力，操纵飞行轨道返回。而飞船返回时，返回舱大钝头要转向迎风面，依靠大气阻力减速，利用姿态控制发动机控制飞行姿态与飞行轨迹。在接近10千米高度，飞行速度已低于声速，从飞船上释放一组降落伞，进一步减速，以达到安全降落地面的目的。由此可以看出，飞行力学、空气动力学、空气热动力学等决定了航天器的飞行规律与飞行轨迹。

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