任思齊

摘要空氣動力學(xué)主要研究物體在同等氣流相對運動情況下的受力特征，以及氣體流動規(guī)律和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化?？諝鈩恿W(xué)是隨著我國航空工業(yè)技術(shù)發(fā)展應(yīng)運而生的一種科學(xué)，是力學(xué)的一個重要分支。其發(fā)展對于我國航天器的發(fā)展也有著重大的意義。本文將淺述飛機制造的發(fā)展歷程及動力學(xué)原理在飛機制造中的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞飛機制造；空氣動力學(xué)；航空航天；戰(zhàn)斗機

隨著國際化形勢的變化，航空發(fā)展更加迅猛，信息化程度不斷提高，航空技術(shù)也面臨著更多新的挑戰(zhàn)，這也對航空技術(shù)提出了更高的要求，作為航空技術(shù)的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一的空氣動力學(xué)，同樣也面臨著諸多全新的挑戰(zhàn)和機遇。同時空氣動力學(xué)是航空航天最為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)之一，對國家安全、經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定都有著不可替代的作用。本文將講述飛機發(fā)展歷程中空氣動力學(xué)的具體原理應(yīng)用。

1空氣動力學(xué)研究歷程

空氣動力學(xué)是航空領(lǐng)域中不可缺少的一門科學(xué)，其發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用可以分為以下幾個階段。

1）1726年，牛頓應(yīng)用力學(xué)原理和科學(xué)演繹法得出：在空氣中物體中受到的力，與物體的速度和物體的面積及空氣密度成正比例。

2）19世紀(jì)末，流體力學(xué)基礎(chǔ)基本形成。

3）20世紀(jì)以來，在航空事業(yè)的蓬勃發(fā)展下，空氣動力學(xué)從流體力學(xué)中也逐漸發(fā)展壯大，并獨立出來形成了一個新的分支，從此以后空氣動力學(xué)走上了高速發(fā)展的道路。

2飛機制造中空氣動力學(xué)的應(yīng)用

1）第一次世界大戰(zhàn)后，空氣動力學(xué)研究成果開始應(yīng)用于飛機設(shè)計。這提高了飛機的運行速度和安全指數(shù)，慢慢地更多的研究者致力于優(yōu)化飛機的升力、阻力等問題，空氣動力研究結(jié)果對機翼設(shè)計提出更多要求，采用大展弦比的機翼，比如：采用雙凸或者上凸下平的機翼，目的是令其產(chǎn)生更好的流線型。

流線型機翼可以減少摩擦阻力。同時將分析和旋渦現(xiàn)象出現(xiàn)的概率降到最低，大大減少了尾流阻力，使得飛機功率大大提高，這些性能的優(yōu)化改進，保障飛機的升力值大幅度提高。

2）第二次世界大戰(zhàn)后，飛機進入噴氣技術(shù)與超音速時代。20世紀(jì)30年代以后，飛機主要應(yīng)用不可壓縮空氣動力學(xué)原理。由于此時的飛機運行速度不高，忽略了空氣的可壓縮性，在30年代末期，飛機俯沖時已經(jīng)接近音速，但此時波阻問題的出現(xiàn)導(dǎo)致了很多機毀人亡的事件，研究人員開始向著高速甚至超音速發(fā)展。

波阻是影響飛行的重要因素，據(jù)統(tǒng)計，飛機在接近音速飛行時，阻力系數(shù)會加劇到原來的好幾倍，最大可消耗發(fā)動機全部功率的3/4，因此，在跨音速段的空氣動力學(xué)問題是相當(dāng)棘手的。經(jīng)過一番研究，隨后動力學(xué)家布斯曼提出了對飛機外形的進一步改良，提出后掠翼的設(shè)計理念，這將在很大程度上提高飛機運行速度，此項設(shè)計使德國獲得了“跨音速飛機”的專利。而此前，超音速飛戰(zhàn)斗機機，也已經(jīng)完成了第四代。代表機型如美國的“F-100”，英國的“獵人式”“幻影”F1等。

3）噴氣式客機在20世紀(jì)60時年代開始投入使用，先后出現(xiàn)的有英國的“彗星”，法國的“快帆”等，后繼出現(xiàn)的波音“737”、波音“747”等機型，其在氣動設(shè)計上進行了進一步的優(yōu)化，選擇采取低阻力亞音速翼型，同時減小機翼后掠角，增大機翼相對厚度，改善部件干擾流場，提高了機翼展弦比，大大提高了氣動效率，降低了耗油量，并且更加節(jié)能環(huán)保。

3航空技術(shù)發(fā)展趨勢

1）更高的速度。在全球經(jīng)濟發(fā)展中，中國、美國、英國、印度等國家紛紛提出了屬于自己的超高音速天空戰(zhàn)機的計劃。即使大都以維護和平為理由，但其真正的軍事價值是不言而喻的。而在眾多國家中當(dāng)屬美國的發(fā)展占領(lǐng)鰲頭，雖然它的驗證機型X-37B已經(jīng)進行過多次試驗，但是同時也積累了多次失敗的經(jīng)驗，從失敗中吸取教訓(xùn)后的機型改良升級，使得美國的戰(zhàn)機離實戰(zhàn)又近了一步。另外，美國創(chuàng)造的25倍音速的速度，也使其“一小時打遍全球”的計劃不再是不可能。

2）新的動力技術(shù)。當(dāng)下最新的技術(shù)，當(dāng)屬超然沖壓發(fā)動機了，這是一種能在超聲速氣流中進行燃燒的沖壓發(fā)動機，在采用氫燃料時，超燃沖壓發(fā)動機的飛行M數(shù)大約在8以下，而當(dāng)改用氫燃料時，其飛行M值翻了3倍，可達(dá)到25的水平。目前，美國的X-43試驗機已經(jīng)達(dá)到在大氣層內(nèi)部9.6倍音速的記錄。

3）無人趨勢。近年來，中國的無人機的發(fā)展也十分迅猛，無人航空母艦戰(zhàn)斗機，無人機的發(fā)展趨勢日益明顯，我國已經(jīng)發(fā)展出無人直升機，到無人偵察機等多種無人機的機型，圖1為我國無人機試飛機型。

無人機的優(yōu)勢和用途是顯而易見的，主要分為以下3個方面：

（1）減少不必要的傷亡。無論是試飛還是真正投入使用，無人機在替代人類完成一些危險的飛行任務(wù)上面的作用是其他類型的飛機不可比擬的。

（2）外形更優(yōu)美，輕巧并且承載力大。無人機的設(shè)計外形不需要考慮人的問題，因此可對其外觀進行更優(yōu)質(zhì)的改良同時能運載更多的武器裝備。

（3）在飛機性能維護上，無人機設(shè)計原理比較簡單，因此其造價低，操作人只需在地面就可以操作，減少了不必要的人力，提高了飛機安全性能。

4）過去的飛機在設(shè)計時，其燃料、發(fā)動機、操縱、控制等方面都是分開設(shè)計改造的。隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，人們慢慢意識到這種獨立的設(shè)計理念。雖然各要素組成部件的功能都發(fā)揮了最大的作用，但是飛機的整體性能仍然有待考證。因此，必須進行全部優(yōu)勢的綜合化才能將飛機性能提升一個高度，簡單來說就是將各部分的優(yōu)勢綜合運用到一架飛機上，使其具有高性能、高質(zhì)量等特性，協(xié)調(diào)飛機的氣動性和隱身特性的關(guān)系，將空氣阻力降到最低，減輕飛機自重。由此看出，在未來飛機的設(shè)計中，需要朝著綜合的設(shè)計方向邁進。

4空氣動力學(xué)的發(fā)展趨勢

1）航空動力學(xué)主要是推動軍事政治形勢的需要，讓空氣動力學(xué)從低速到超高速再到超高速，甚至把飛機送入外層空間中。由此看來，未來的空氣動力學(xué)正朝著高速高空發(fā)展。

2）高速運動下，必然會涉及磁場和熱學(xué)的概念理論，因此，未來的空氣動力學(xué)將是一門多個學(xué)科交叉的科學(xué)，并且可能需要大型風(fēng)能與性能完美結(jié)合的計算機來處理龐大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3）隨著日后航空航天的研究進一步深入，空氣動力學(xué)細(xì)化是必然的發(fā)展趨勢，例如將理論研究與實際應(yīng)用相結(jié)合，并且在新的研發(fā)技術(shù)應(yīng)用前必須進行大量的試驗，這些實驗結(jié)論都作為空氣動力學(xué)原理應(yīng)用的有力保證。

4）空氣動力與軍工國防緊密相連?？諝鈩恿W(xué)與航空航天的發(fā)展是相輔相成的，這個理論的建立與實施會帶動航空業(yè)的發(fā)展，而同樣航空航天也會反作用于空氣動力學(xué)，使更多更深奧具體的理論出現(xiàn)。從21世紀(jì)后，航空航天發(fā)展中陸續(xù)出現(xiàn)超高音速飛行器、平流層無人機等，分別應(yīng)用柔性空氣動力學(xué)、升力浮力一體化等理論，這些機型主要應(yīng)用于我國國防建設(shè)，為國防做出了巨大的貢獻。

5結(jié)論

隨著航空航天發(fā)展的需要，空氣動力學(xué)逐步成為航空航天技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，從萊特兄弟發(fā)明飛機開始，到F-22邀游在廣袤的天空之后，我們可以看到全球的飛機研究制造都和空氣動力學(xué)研究掛鉤，同時空氣動力學(xué)與航空工業(yè)的關(guān)系是密不可分的。即使空氣動力學(xué)面臨著很多的挑戰(zhàn)，但與此同時它也被人們所需要，相信未來的航空工業(yè)在空氣動力學(xué)的指導(dǎo)下會取得更大的進步，航空工業(yè)也會為整個社會的經(jīng)濟建設(shè)和國家安全做出更大的貢獻，讓整個世界的天空變得更加多姿多彩，也讓我們的生活充滿活力。endprint