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力学对航空技术的决定性贡献[转载]
作者:科普中国 发表时间:2018-06-30 阅读次数:203

        说起航空技术,不得不说,它确实是一个技术科学对工程技术起作用的实例。
        力学作为一门技术科学,它对航空技术的贡献是有决定性的,也是技术科学与工程技术相互作用的典型。
        在古典的力学中有两个重要的分支:一个是流体力学,一个是固体力学。
        流体力学是处理液体和气体的运动的,所以它也包括了气体动力学和空气动力学。
        固体力学是处理固体在外力或加速度作用情况下所产生的应力应变,所以包括了弹性力学和塑性力学。
        从飞机的设计来看,很显然,流体力学与飞行器的外形设计和推进问题有密切关系,而固体力学则与飞行器的结构设计有密切的关系。也正因如此,我们认识到的流体力学必然是与许多其他工程技术有关系,像水利工程、蒸汽或燃气涡轮、船舶的设计等。固体力学也必然与所有工程技术中结构强度问题有关系。
        在飞机的研制或使用过程中,总是伴随着大量的固体力学问题,需要人们用各种手段,尤其是实验应力分析手段去解决。光力学应用于结构或零件的应变测量,具有全场、非接触、直观等优点,为解决飞机研制或使用过程中出现的复杂应力分析及结构完整性研究提供了重要的实验手段。

在设计飞机时发生了什么

        在飞机设计中,一个基本问题是升力和阻力,升力是飞行所必需的,然而,有升力就必然产生阻力。怎么样才能在一定升力下减少阻力呢?什么是一定升力所产生的最小阻力呢?
        流体力学的伟大科学家普朗特 (Prandtl) 在受到兰开斯特 (Friedrioks Lanchester) 意见的影响下,创造了著名的有限翼展机翼理论,给出了计算由升力所产生的阻力的方法,这就是所谓感生阻力公式。
        普朗特的研究也指出了减少阻力的方法,他的公式说在一定升力系数下,感生阻力系数是与翼展比成反比例的。因此要减少感生阻力,就要加大翼展比,也就是把翼面作得狭而长。
        感生阻力的问题解决了,接着下面的问题就是不由升力所产生的阻力了,也就是所谓寄生阻力。这一部分阻力是由于空气的黏性而来的,虽然空气的黏性很小,但是它并不等于零。
        怎么样来考虑小黏性所产生的作用呢?
        这也是流体力学对航空技术的一个大贡献,流体力学中指出小黏性的作用是局限于附在表面一层气流中,也就是附面层中,附面层有时会因为沿着表面在流向压力增加,感到运动的阻碍,因而从表面分离出去。这样分离了的附面层就造成涡流,减少了升力,加大了阻力。
        这些流体力学上研究的结果不但给设计飞机翼形和飞机舱形以原则性指导,而且指出,要减少寄生阻力,我们就必须减小附面层的面积,也就是减少表面面积。由于这一结果,飞机的设计才由多翼面的、带支柱的外形,走向单冀面、完全流线型化了的外形。
        既然要制造完全流线型化的单翼飞机,就不能再用不够坚固的、旧的、钢架蒙布式的结构,而必须改用全金属的薄壳结构。但是这是一种新型的结构,工程师们没有足够的经验,要能设计出有高效能的结构,这还是要请教弹性力学家们。他们首先给出计算薄壳结构的折曲负荷或临界负荷的方法,也就是解决弹性稳定问题。
        虽然,早在十九世纪欧拉就研究过这个问题,给出细柱临界负荷的公式,但是飞机上用的结构要比这复杂得多,而且薄壳是有表面曲度的,古典的、所谓小扰度理论是不正确的,它给出了过高的临界负荷。
另一方面,有些表面曲度小的结构,虽然折曲了,但是仍然能担起更大的负载。所以,弹性力学家们也还研究了结构在超越临界负荷的情况,也就是解决了所谓“有效宽度”的问题。
        当然,结构强度的问题终了是要牵连到材料破坏问题上去的,因为强度就是在破坏的时候的负载,而且对金属材料来说,在未破坏以前,也必先进入塑性变形阶段,因此也要牵连到塑性力学的问题。
        直到现在,材料强度问题与塑性力学问题都在研究着,所以自然科学的已知规律显然还不能完全包括工程技术上的现象,但是力学工作者并不因此而放弃对结构强度问题的研究。
        他们一面用弹性力学的理论,一面吸取工程实践上的经验和实验的结果,把这些成果综合起来,创造出有科学根据而又有实际意义的结构理论,这种在现实条件下争取有用的理论的精神,是技术科学工作者所不可缺的。

流体力学与固体力学的贡献

        第二次世界大战之前,因为初步实验上发现物体阻力在声速附近急骤加大,在工程师中间也有人以为要飞机超过声速是不可能的,说存在着声速的墙。就在这时候,气体动力学家们作出了翼面和机身在超声速气流中的运动理论,设计了超声速的风洞,做了许多超声速气流的实验,他们用理论和实验双方并进的方法证明超声速飞机的阻力系数实际上不会太大,所以并没有所谓声速的墙。
        另一方面,气体动力学家也参加了喷气推进机的创造和发展,大大地增高了飞行推进机的效能,因而减少它的质量。
        力学家的这些贡献,促成了超声速飞行的实现。这一关一打破,航空的发展更快了。之后的流体力学家努力于高超声速气体动力学和稀薄气体动力学的研究,帮助超高空、超高速飞行的实现,因而促进了星际航行的诞生。
        因为技术科学的研究对象是具有一般性的,它的研究成果也有广泛的应用,力学的工作,虽然是由于航空技术迫切的要求,但是,现在已经得到的流体力学和固体力学的研究结果,对其他工程技术部门来说也有很大的帮助。
        20世纪以来产生的诸多高新技术,如高层建筑、大跨度悬索桥、海洋平台、航空航天器等许多重要的工程,都是在力学的指导下得以实现和不断发展的。这体现了现代高新技术发展的趋势,也进一步突出了力学的重要地位。
        不光是力学对航天航空有着一定的贡献。从古到今有很多人对航空事业也贡献十分大。下面就简单的介绍下:
1. 阿基米德(公元前287年-公元前212年)
        古希腊伟大学者,数学家兼力学家,流体静力学创始人。他对航空的贡献是间接的。他以液体中的浮体为研究对象,定量分析浮体的平衡规律。该定律适用于空气中的浮体,预兆和揭示了轻于空气的一类航空器,如气球、飞艇等的原理。不幸的是,公元前212年,正在聚精会神研究几何问题的阿基米德,被攻陷叙拉古的罗马士兵野蛮杀害。
2. 达·芬奇(1452-1519)
        意大利人,欧洲文艺复兴的杰出代表,思想深邃、学识渊博、多才多艺的世界艺术巨匠和科学巨匠。除了艺术贡献外,他对自然科学也有深入研究,其众多研究和发明中涉及到滑翔机、扑翼机、直升机、降落伞等航空器具。19世纪末,人们在清理他的遗物时,发现了大量与航空有关的文稿和草图。2008年4月26日,在瑞士西部城市帕耶讷,瑞士人奥利维耶·维耶提-特帕使用按达·芬奇设计图制作的金字塔型降落伞,从距地面600米高的直升机上成功跳下,表明达·芬奇设计的合理性。文艺大家和科学大家,这两种特质在达·芬奇身上奇妙地结合为一体。
3. 丹尼尔·伯努利(1700-1782)
        瑞士的伯努利是一个辉煌的科学家族,3代人中产生了多位世界级的科学家,其中物理学家兼数学家的丹尼尔·伯努利,同时是现代航空科学理论的奠基人之一,被尊为流体动力学之父。
        1738年,伯努利的《流体动力学》出版。书中用能量守恒定律解决流体的流动问题,写出了被称为“伯努利方程”的流体动力学基本方程,提出了“流速增加、压强降低”的伯努利原理。这个科学定律解释了看似透明的空气能够托起庞大飞机的奥秘,并解决了有条件的升力计算问题。
4. 乔治·凯利(1773-1858)
        乔治·凯利是一位博学而勤奋的英国学者。从小就对航空有浓厚兴趣,曾着迷于“中国飞陀螺”(竹蜻蜓)。他进行了大量开拓性研究和试验,于1804年发表第一篇有关飞行原理的论文;五年后的1809年,发表创世杰作《论空中航行》。
        凯利提出,现代飞机不应模仿鸟类振翼而飞,而应采取固定翼飞机加推进器的模式。据此,他详尽描绘现代飞机的轮廓,提出流线型外形、安定性与舵面等概念,对速度与升力的关系、翼负荷、减轻飞行器重量的途径、采用内燃机作动力等问题进行了研究。
        由于没有合适的动力,凯利转向载人无动力滑翔机的研究。1849年,已届75岁高龄的凯利造了一架三冀滑翔机,实现了人类有史以来第一次载人滑翔机飞行。1853年又进行了第二次试飞。当年,他撰写了《改良型1853年有舵滑翔机》论文。(1971年,英国飞行员史泼劳中校,依照凯利此文,制作了一架与当年完全一样的滑翔机,成功飞行,足见118年前凯利设计的正确性。
        凯利的著作和他的航空试验,奠定了空气动力学的基础,确立了现代飞机的基本布局,为后来的飞行器研制提供了重要基础。莱特兄弟中的弟弟奥维尔曾说:“我们的成功完全要感谢那位英国绅士乔治·凯利,他写的有关航空的原理,他出版的著作,可以说毫无错误,实在是科学上最伟大的文献。”
        乔治·凯利的伟大正在于,在他那个时代,满世界都沿着一条路子——研制仿鸟飞行器时,他告诉人们:此路不通。是乔治·凯利,拨正了航船,指明了方向,从仿鸟转向固定翼,堪称现代航空史上最伟大的转折。
5. 莫扎伊斯基(1825-1890)
        莫扎伊斯基在俄罗斯有着崇高的地位,俄罗斯人称他是俄罗斯航空之父,甚至说他才是世界航空第一人。他做了很多了不起的事情,他全面研究了鸟翼的结构及飞行能力,研究过螺旋桨性能和飞行动力学。经过研究和辨析,坚定地转向研制固定翼飞行器的道路,并在研制重于空气的固定翼飞行器领域,多有建树,是俄罗斯第一架飞机的设计者。在这一方面,他同英国的乔治·凯利殊途同归,做出了贡献。
        1881年,他的空中飞行器获得俄罗斯专利。1876年,他做了单翼飞行器模型稳定性表演;这也是为什么俄罗斯人说他是航空第一人。但是这次早于莱特兄弟22年的飞行,没有载人,也未能稳定飞行。
        俄罗斯以各种形式肯定他的功绩,发行纪念他的邮票;并以他的名字命名1941年成立、为空军和军队培养人才的列宁格勒军事工程学院。而他最伟大的贡献是他用自己的学识和远见,为现代航空强国之一的俄罗斯做好了精神和文化的准备。
6. 奥托·李林达尔(1848-1896)
        德国的奥托·李林达尔是一位为航空献身的伟大先驱,被尊为世界实验飞机之父。他自幼酷爱飞行,少年时曾进行飞人试验,长期观察研究鸟的飞行规律。1889年写成著名的《鸟类飞行──航空的基础》一书,论述了鸟类飞行的特点,指出机翼也要像鸟翼那样具有弓形截面才能获得更大的升力。1891年,制成一架蝙蝠状的弓形翼滑翔机,成功地进行了滑翔飞行,验证了曲面翼的合理形式。此后,又制造了多架不同型别的单翼和双翼滑翔机。李林达尔的滑翔机在中部装设吊架,飞行员悬吊在架上,靠移动身体和调整姿态来掌握重心位置,控制滑翔方向和速度。1891-1896年间,他先后进行了2000次以上的滑翔试验,积累了丰富的资料,编制成空气压力数据表,还著有《飞翔中的实际试验》等书。
        他原本计划在充分掌握稳定操纵后,在滑翔机上安装蒸汽机实现动力飞行,但在1896年的一次飞行试验中失事牺牲,而壮志未酬。李林达尔虽未实现飞机动力飞行,但他进行的大量飞行实践和研究为后来的飞机研究者提供了宝贵的经验。莱特兄弟不仅从他的经验中获得许多教益,还从李林达尔勇于探索的实践中学习和继承了他的崇高品格和奋斗精神。
7. 塞缪尔·兰利(1834-1906)
        美国的塞缪尔·兰利是天文学家、物理学家、测热辐射计的发明者,同时也是一位航空先驱,在可操纵、有动力飞机的研究事业上成果颇丰,并有一系列著述。
        兰利早期试图从鸟类飞行中获得启发研制飞机;后转向研制固定翼飞机。1896年5月,兰利研制的固定翼飞机成功地进行了无人飞行试验,该模型飞机从船上弹射起飞,飞行了大约半英里。这次飞行在航空史上具有重要历史地位。同年11月,他的另一架飞机模型又成功飞行了五千多英尺。随后,兰利试图建造有人驾驶飞机。
        1902年,兰利制造的有人驾驶飞机进行了初次试验。1903年10月7日和12月8日,又进行了两次有人驾驶飞行试验,均告失败。他最后一次失败离莱特兄弟的成功只相隔九天。但他是一个伟大的失败者。他的试验证明了设计原理和方案基本正确,败因在于发动机功率稍小。
        兰利失败后,遭到了猛烈的批评和嘲讽。有人说,如果上帝想让人类飞翔,为什么不给人类以翅膀。甚至预言,再有一千年人也飞不起来。但仅仅九天后,莱特兄弟就以他们的成功回击了这些短视者。好在历史是更正的,并不只以成败论英雄,美国科学技术界给了兰利公正的评价。美国的第一艘航母以他的名字命名,美国空军的一所著名实验室也以他的名字命名。
8.  桑托斯·杜蒙(1873-1932)
        杜蒙是巴西的民族英雄,伟大的航空先驱,当之无愧的世界轻型航空器之父。
        杜蒙的大量航空实践活动都是在法国巴黎进行的,他的家里很有钱,但他矢志航空、献身航空,做出了卓越的贡献。他是欧洲第一位制造出能转弯飞行飞艇的人,第一位驾驶飞艇绕埃菲尔铁塔飞行一周的人,第一位在欧洲实现动力飞机飞行的人,也是世界上第一架超轻型飞机的设计制造者。
        杜蒙先后设计制造了14艘飞艇,为飞艇的实用化做出了划时代的贡献。1899年,他研制成功一架有前翼的盒型双翼风筝式飞机,这是欧洲的第一架动力飞机(2016年里约奥运会开幕式体育场上空飞翔的飞行器就是这件杰作的再现)。1906年9月至11月完成了多次飞行,创造留空21.2秒、飞行距离220米的记录,轰动欧洲。之后,杜蒙转向研制超轻型飞机,成为现代超轻型飞机的“始祖”。
        在取得如此大的成就之后,这位大半辈子生活在法国的巴西人于1928年回到祖国,继续从事发明创造。在目睹飞机用于战争、显示巨大杀伤威力后,这位和平主义者决定不再从事飞行器设计,并因深受刺激,而于1932年7月23日自杀身亡。巴西为他们的民族英雄举行了隆重的国葬。一位伟大航空先驱以这种形式献身,令我们唏嘘不已。
        直到今天,巴西人还认为他们的杜蒙才是有动力载人飞行的世界第一人。他们认为,杜蒙是在平地上起飞的,且起飞后的飞行稳定,而莱特兄弟是在一个斜坡上、借助一定的上升气流才起飞的。
        杜蒙的另一可贵之处在于他不把自己在航空方面的成就视为个人秘密和致富手段。他的全部飞行试验和技术细节都向世人公开;并正式宣布,他的设计不申请专利,可向所有人免费提供。
9-10.  威尔伯·莱特(1867-1912)、奥维尔·莱特(1871-1948)
        美国莱特兄弟的贡献已是耳熟能详了,他们共同谱写了人类首次有动力、载人、可控飞行的壮丽篇章。

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