世界航空航天发展简史.doc

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世界航空航天发展简史序言升空飞行是人类最古老、最美好的愿望之一。千百年来，中国及其他国家和地区流传着许许多多有关飞行的美妙神话和传说，而家喻户晓、一直为人津津乐道的嫦娥奔月就是其中之一。由于科学技术长期落后，飞行的探索直到近代一直处于盲目的冒险和无尽的幻想阶段。在人们认识到简单模仿鸟类的扑翼飞行方式并不能使人升空之时，在近乎偶然的发现情况下，人们开始转向轻于空气的航空器的研究。1783年，载人热气球和氢气球相继研制和试验成功，标志着人类在征服天空的漫长历程中迈出了历史性的伟大一步，实现了古老的升空飞行理想。19世纪第二次工业革命出现了新型动力装置内燃机。与此同时，流体力学和空气动力学的理论、试验研究也初步进展。这两方面的发展为重于空气航空器飞机的诞生奠定了重要技术基础。19世纪后期，欧洲和美国都有许多航空先驱者探索研究、试验滑翔机和动力飞机，并取得了一定进展。综合前人的探索工作并依据自己的研制成果，美国的莱特兄弟于1903年12月17日试飞成功历史上第一架有动力、载人、可操纵的飞机，开创了现代航空新纪元。20世纪头十几年是航空技术初步达到使用化、飞机逐步走向成熟的时期。航空最重要的理论基础空气动力学也在本世纪初建立起来。升力理论、阻力理论和飞行力学理论成为指导飞行器设计、提高飞机性能的关键因素。正因为如此，美国、苏联、英国、法国相继组建了国家级的空气动力学和相关技术的专门研究机构。从此，飞机的研制和试验从个人盲目实践行为变成有科学技术指导和严密组织的工业门类。航空的发展走上了真正科学的道路。在飞机诞生的同一年，齐奥尔科夫斯基建立了火箭和航天飞行理论。此后，法国的埃斯诺贝尔特利、美国的戈达徳、德国的奥伯特也阐明了利用火箭进行太空飞行的基本原理。1926年，戈达徳研制发射成功历史上第一枚液体火箭。经过徳、美、苏等国一大批火箭先驱者的努力，液体火箭技术逐步发展成熟。1942年，德国研制成功实用的弹道导弹，为战后发展大型导弹和航天运载火箭奠定了基础。战后在冷战的背景下，苏美两国大力发展弹道导弹。1957年8月，苏联研制成功第一枚洲际弹道导弹。1957年10月4日，苏联利用洲际导弹技术研制成的运载火箭发射成功第一颗人造地球卫星，人类终于跨入了航天时代。航天技术发展之快是航天先驱者们未曾预料到的。相关技术的成熟特别是航空领域的许多技术的直接应用加快了航天的发展。同时冷战和太空竞赛客观上为航天的发展提供了极大的动力。航天时代开始以来，仅过了4年，载人太空飞行便取得了成功，实现了古老的人类遨游太空的理想。1969年7月，美国的阿姆斯特朗和奥尔德林乘“阿波罗”11号飞船登月成功，标志着人类征服太空取得了又一次历史性突破。航空航天技术是新技术革命的重要组成部分。航空航天技术又是典型的知识密集和技术密集的高技术学科。它以众多科学技术学科为基础，集中应用了20世纪许多工程技术新成就。同时，航空航天技术又为这些科学技术学科的发展提供了新手段，提出了新任务。高度综合性的航空航天技术的发达程度日益成为衡量一个国家科学技术、国民经济和国防建设整体水平的重要标志。第1章 飞行器分类一般把在地球大气层内或大气层之外的空间（太空）飞行的器械统称为飞行器。通常飞行器可分为三大类：航空器、航天器、火箭和导弹。航空器是指在大气层内飞行的飞行器，航空器根据飞行原理分为空气静力飞行器（又称为轻于空气的航空器）和空气动力飞行器（又称为重于空气的航空器）。空气静力飞行器依靠空气的静浮力升空飞行，包括气球和飞艇；空气动力飞行器依靠本身与空气相对运动产生的空气动力升空飞行，包括飞机、直升机、滑翔机、旋翼机和地效飞行器等。航天器是指主要在大气层之外的空间飞行的飞行器。例如人造地球卫星、空间站、航天飞机和载人飞船等。航天器在运载火箭的推动下获得必要的速度进入太空，然后在引力作用下完成类似于天体的轨道运动。火箭是以火箭发动机为动力而升空，可以在大气层内或大气层外飞行的飞行器；导弹是一种弹体带有战斗部、依靠制导系统控制其飞行轨迹的飞行器。导弹与火箭都属于一次性使用的飞行器，人们往往把它们归为一类。1.1 航空器航空器可以根据不同的原则来分类，有的根据飞行器的活动范围、使用条件分类，也有的根据飞行器的外形特征、产生升力的原理以及用途来分类。按照产生升力的原理，可将航空器分为如下两类。（1）空气静力飞行器空气静力飞行器也叫做轻于空气的航空器，包括气球和飞艇。其主体是一个气囊，其中充以密度小于外界空气密度的气体（如氢气、氦气或热空气）。由于气球所排开的空气重量大于气球本身的重量，故能够漂浮在空气之中，就像软木塞漂在水里一样。由于空气密度随着高度的增加而降低，所以这种航空器在上升时，其升力（浮力）也随着高度的增加而降低，到达一定高度时就停止。气球没有动力装置，升空后只能随风飘动或被系留在固定位置上。飞艇装有发动机、螺旋桨、安定面和操纵面，飞行路线可以控制。（2）空气动力飞行器空气动力飞行器也叫做重于空气的航空器，是靠自身与空气相对运动所产生的升力升空飞行的。这种航空器主要有固定翼航空器和旋翼航空器。固定翼航空器包括飞机和滑翔机，由固定的机翼产生升力。旋翼航空器包括直升机和旋翼机，由旋转的机翼产生升力。此外还有一种模拟鸟类飞行的扑翼机，很早就被航空先驱们所探索，但至今尚未取得载人飞行的成功。飞机是最主要，应用范围最广的航空器，其特点是装有提供拉力或推力的动力装置、产生升力的固定翼和控制飞行姿态的操纵面。飞机按用途可分为军用飞机和民用飞机两大类。军用飞机是按各种军事用途设计的飞机，主要包括歼击机（战斗机）、截击机、歼击轰炸机、强击机（攻击机）、反潜机、侦察机、预警机、电子干扰机、军用运输机、空中加油机和舰载飞机等。民用飞机泛指一切非军事用途的飞机，包括旅客机、货机、公务机、农业机、体育运动机、救护机和试验研究机等。1.2 航天器航天器是指在稠密大气层外环绕地球，或在行星际空间、恒星际空间，基本上按照天体力学规律运行的各种飞行器，又称空间飞行器。航天器可以分为无人航天器与载人航天器。无人航天器按是否绕地球飞行又可分为人造地球卫星和空间探测器。载人航天器又可分为载人飞船、航天站（又称空间站）和航天飞机。载人航天器与无人航天器的主要区别是载人航天器具有生命保障系统。（1）卫星人造地球卫星是一个人造天体，它遵循开普勒行星运动三定律围绕地球运行。人造地球卫星是数量最多的航天器。人造地球卫星与其他飞行器相比，有以下优点：无需动力就能在大气层外长时间运转；活动范围大，高度从几百千米到几万千米；能不受限制的飞越地球上绝大部分地区，甚至全部地区上空。由于具有上诉优点，卫星能在很短时间内从一定高度上对广大区域或空间进行探测，随着科学技术的发展，卫星的用途越来越广泛，既能用于科学研究（如空间探索），又能为国民经济服务（如通信、导航、气象、资源勘探、大地测量等），还能为军事服务（如侦察、预警等）。卫星按其用途可分为科学卫星、应用卫星和技术试验卫星。科学卫星用于科学探测和研究，主要包括空间探测卫星和天文卫星等，如中国的实践二号科学探测卫星。应用卫星直接为国民经济、军事和文化教育服务，主要有通信及广播卫星、气象卫星、测地卫星、地球资源卫星、导航卫星和侦察卫星等，还有专门用于军事的截击卫星，部分卫星还具有多种功能。应用卫星如中国的东方红三号通信卫星、风云二号气象卫星等。技术试验卫星主要用于各种在轨试验，如中国的实践一号试验卫星。（2）空间探测器空间探测器是指对月球、其他天体和空间进行探测的无人探测器，也称深空探测器。探测器的基本结构和人造地球卫星差不多，只不过探测器携带有用于观测天体的各种先进观测仪器。空间探测器按探测对象分为：月球探测器、金星探测器、火星探测器、土星探测器、木星探测器、哈雷彗星探测器、太阳探测器和宇宙探测器。例如，携带地球各种信息的先驱者号宇宙探测器，目前已经飞出太阳系，试图寻找地球外智能生命。（3）载人飞船 载人飞船是载乘宇航员的航天器，又称宇宙飞船。宇宙飞船是三种载人航天器中最小、最简单、最先使用的一种，可分为卫星式、登月式和行星际式三种。前两种已在20世纪发射成功，后一种有望在21世纪问世，并且很有可能是载人火星飞船。宇宙飞船只能使用一次，一般可单独飞行数天到十几天，也能作为往返于地球和空间站之间或地球和月球之间及地球和其他行星之间的太空“渡船”；还可与空间站或其他航天器对接后进行联合飞行。目前发射最多、用途最广的飞船是卫星式飞船。卫星式飞船实质上就是更大的人造地球卫星，不过它能载人，因此它要比人造卫星大得多，要有专门的防辐射的增压舱及生命保障系统、应急救生系统和回收系统等。中国第一艘载人飞船“神舟五号”就是一艘卫星式飞船，它由轨道舱、返回舱和推进舱组成。轨道舱是宇航员生活和工作的地方；返回舱是飞船的指挥控制中心，航天员乘坐它上天和返回地面；推进舱为飞船的飞行和返回提供能源和动力。（4）空间站 空间站是宇航员在太空轨道上生活和工作的基地，又称轨道站或航天站。空间站实际上是巨大的载人飞船，一般设有工作舱、服务舱、对接舱，并有巨大的太阳能电池板，空间站上进行的科学研究及实验主要是考察长期失重的影响和失重下的一些科学实验。美国有天空实验室，前苏联有礼炮号空间站、和平号空间站。国际空间站是人类历史上最庞大的航天工程，共有16个国家参与研制和运行。国际空间站结构复杂、规模大，由航天员居住舱、实验舱、服务舱、对接过渡舱和太阳能电池板等部件组成。（5）航天飞机航天飞机是世界上一种可重复使用的航天运载器，也是一种多用途的航天器。载人飞船、空间站都是一次性使用，耗资很大，因此需要发展一种可以重复使用的运载工具，降低成本，这就是航天飞机。航天飞机集火箭、卫星和飞机的技术特点于一身，能像火箭那样垂直发射进入太空，又能像卫星那样在太空轨道飞行，还能像再入大气层滑翔着陆，是一种新型的多功能航天飞行器。航天飞机由一个轨道器、两个固体助推器和一个大型外挂油箱组成。世界上到目前为止共有7架航天飞机轨道器，它们是“企业” 号（试验机）、“哥伦比亚” 号、“挑战者” 号、“发现者” 号、“阿特兰蒂斯” 号和“奋进”号以及俄罗斯的“暴风雪” 号。由于前苏联社会动荡和解体，“暴风雪”号始终未能投入使用，其继承者俄罗斯由于经济原因取消了“暴风雪”号航天飞机计划。目前，一种无需助推器和外储油箱、具有航空器和航天器两者特性的“空天飞机”正在研制试验中，如美国的“冒险星”计划。“空天飞机”将填补传统的航空器和航天器飞行范围之间的“真空地带”。1.3 火箭和导弹1.火箭火箭有时指火箭发动机，有时又指以火箭发动机为动力的飞行器。作为完整飞行器应为后一种说法，即火箭是以火箭发动机为动力的飞行器。火箭发动机按使用的能源分为化学火箭、核火箭和电火箭。化学火箭又分为固体火箭、液体火箭和混合推进剂火箭。以火箭为动力的飞行器按用途可分为无控火箭、探空火箭和运载火箭三类。其中，运载火箭的有效载荷既可以是战斗部，也可以是各种航天器。无控火箭弹（炮）为近程无控单级火箭，带有弹头。通常设计简单，无制导系统，命中精度较差，但可多发齐射，覆盖面大，弥补了精度之不足。可车载或机载发射，机动性较好，比火炮使用方便，破坏威力也较大。例如，第二次世界大战时期前苏联著名的柯秋莎火箭弹，其巨大威力曾让德国法西斯吃尽了苦头。探空火箭是在近地空间进行探测和科学试验的火箭。探空火箭一般为无控火箭，具有结构简单、成本低廉、发射方便等优点。利用探空火箭可以在高度方向探测大气层结构成分和参数，研究电离层、宇宙射线、太阳紫外线和X射线、陨尘等多种日-地物理现象。探空火箭比探空气球飞得高，比低轨道运行的人造地球卫星飞得低，是30200km高空的有效探测工具。2.导弹导弹是一种武器系统，因此完整的应叫做导弹系统，它应包括导弹及其地面设备。导弹本身一般由战斗部、动力系统、制导系统及弹体四大部分组成。导弹按发射位置和目标可分为：地地导弹、地空导弹；空地、空空、空舰导弹；舰舰、舰地、舰空导弹；岸舰导弹；潜地、潜舰导弹。导弹按攻击目标分为：反飞机、反舰、反潜艇、反坦克、反雷达、反辐射和反弹道导弹等。其中，反雷达导弹是指利用敌方雷达的电磁辐射进行引导，摧毁敌方雷达及其载体的导弹，又叫反辐射导弹。在电子对抗中，它是对雷达硬杀伤最有效的武器。导弹按作战使命可分为战术导弹和战略导弹。战术导弹是指用于打击常规目标的导弹。战略导弹是指用于打击战略目标的导弹，通常携带核弹头，用于打击政治和经济中心、军事和工业基地、核武器库、交通枢纽等目标，以及拦截来袭战略弹道导弹。战略导弹按射程分为中程、远程和洲际导弹。导弹按弹道及结构特点可以分为弹道式导弹与有翼式导弹。弹道式导弹是指在火箭发动机推力作用下按预定程序飞行（称为主动段），关机后按自由抛体轨迹飞行（称为被动段）的导弹。有翼导弹又分为巡航导弹和可作高机动飞行的导弹（一般为十字形翼面）。巡航导弹是指依靠喷气发动机的推力和弹翼的气动升力，主要以巡航状态在稠密大气层内飞行的导弹。第2章 世界航空发展简史飞向天空，是人类亘古以来的梦想，是古往今来最经久不衰的话题。但人类真正实现升空飞行是在18世纪末期。与漫长的人类文明相比，200余年的航空发展史只能算是历史长河中短暂的一瞬。2.1 远古的神话与传说自古以来，人们就怀有对飞行的渴望。看到小鸟在天空中自由翱翔，人们都渴望像鸟儿一样自由自在飞行在天际之间。在世界各民族绚丽多彩的神话中，都能找出许多人与鸟比翼齐飞的美好传说。中国古代流传的嫦娥奔月、仙女下凡和孙悟空腾云驾雾等神话故事，充分反映出人们对飞行的遐想和渴望。 敦煌壁画中的嫦娥奔月图 代达罗斯父子世界各国也有类似的模拟鸟类飞行的传说和活动。在西方的神话中，许多神仙都长有翅膀，或拥有飞翼作为座椅，长着一对小小肉翅的可爱小天使，至今还被人们当作吉祥物；古希腊神话中的代达罗斯父子，用蜡和羽毛制作了能飞向的翅膀，为的是逃出米诺斯国王对他们的禁锢。结果，欣喜若狂的儿子伊卡洛斯不听劝告，越飞越高，最终因蜡被太阳的光热所融化，不幸掉入汪洋中。阿拉伯神话中的波斯地毯，古条顿传说中魏兰所拥有的飞行马甲，古波斯国王卡考斯的摩托飞车和斯堪的納维亚神话中能工巧匠韦兰用铁锻打的能飞的金属羽衣等，都反映了古人对飞行的设想和渴望。16世纪初，被后人公认为世界航空科学研究创始人之一的著名画家达芬奇长期观察和研究鸟的飞行，在他所写的论鸟的飞行一书中绘制了许多飞行器设计草图，并且他还亲自制作了一个十分精巧的、灵活、能模仿鸟的扑翼动作的扑翼机，并让自己的仆人做第一次飞行试验，结果不幸摔断了腿。在达芬奇之后，还有许多人在继续研究探索扑翼飞行，如意大利人布拉蒂尼和格里马尔蒂，德国人梅希尔鲍尔，法国人笛弗格等，但他们的努力都没能实现自己的愿望和目标。限于当时的生产力水平和科学技术水平，不可能使飞行由梦想变成现实。一直到17世纪，人们经过长期深入的研究，发现同鸟的肌肉发出的动力相比，人类的手臂和腿所能发出的动力，相对来说要小得多，所以不可能靠振动人造翅膀来飞行。2.2 气球和飞艇的出现与发展在中国五代时期，曾出现过依靠热空气升空的气球雏形“孔明灯”，将之升入空中，作为战争联络的信号。据有关史料记载，1306年前后，中国元朝宫廷每逢节庆日，都会放出热烟气球升空助兴。这说明中国民间的热气球制作和运用已经相当成熟。随着中国与欧洲贸易交往的增多，孔明灯的制作技术也随之传入欧洲，进而在后来发展成为热气球。1670年，意大利修道士徳拉纳才绘制出设想图，即用4个直径各为6.1m真空铜铝箔薄壁圆球，吊起一具船型吊仓，以悬浮在空中。但他忽略了一件事，即薄铜皮的真空圆球会被外部大气的压力所压扁，因而是不可能成功飞行的。1783年9月19日，法国首都巴黎凡尔赛宫前热闹非凡，国王路易十六、玛丽皇后、满朝文武官员和13万市民汇聚一堂，观赏世界航空史上第一次最精彩、最壮观的气球升空表演。蒙哥尔费兄弟制成了世界上第一个热气球，气球下面系着一只用柳条编织的吊篮，将第一批“乘客”一只山羊、一只鸭和一只公鸡升到了520m高空，在飞行了8min、3.2km后，气球和小动物安全着陆。国王路易十六大喜，当即宣布将以后的热气球都命名为“蒙哥尔费气球”。在第一次升空取得成功的鼓舞下，蒙哥尔费兄弟把气球直径加大到15m、高23m、容积约为2200立方米，并在气球的表面上绘制了皇家徽章和宫殿图案，在气球的下面吊着一只回廊式吊篮，底部中空处还吊着一个火盆，以便在飞行途中给气球内的空气加热。同年11月，两个法国人乘热气球上升到900m高，腾空20min，随风漂移约10km，揭开了人类飞行的序幕。人类几千年飞向天空的梦想终于第一次变成了现实。1783年9月19日，蒙哥尔费为国王路易十六首次举行动物飞行表演热气球升空后又出现了氢气球和氦气球，其升空的原理是完全相同的。氢气球的发明是气球技术的重要阶段，一直流传至今。最早发明并实践氢气球飞行的先驱者是法国科学家查理教授。后来采用氦气代替氢气，气球制作和飞行也就更加安全了。1852年，法国人吉法尔在气球上安装一台3马力（约2205W）蒸汽机带动螺旋桨的推进装置，制成了世界上第一个可操纵飞艇。它可以根据人的意志按选定的方向飞行，不再单纯随风漂移。吉法尔飞艇由于生产力和科学技术的发展，到19世纪末，终于出现了有实用价值的飞艇。德国的齐柏林制成了硬式飞艇，用汽油发动机作为动力，性能比其他的飞艇好，转载量也大，不久便在军事和交通运输上得到了应用。飞艇的研究、制造和应用，已在全球许多地方得到了发展。 飞艇先驱齐柏林 齐柏林式硬式飞艇1910年6月22日，德国飞艇建立了世界上第一条商业运营的定期空中航线，往返飞行于法兰克福、杜塞尔多夫等地，航程193km。在第一次世界大战爆发前，从19101914年的4年中，齐柏林制造的多种型号飞艇共飞行了274万km，运送旅客35000人次而无一伤亡，使其风光一时，名声大振，并迅速想全世界蔓延开来，在各国兴起了飞艇热。当时欧洲就有5个国家制造了近40艘各式飞艇，并用来建立各自国家的飞艇部队，其中法国12艘，德国11艘，俄国4艘，英国和意大利各6艘。当1914年7月28日爆发第一次世界大战时，飞艇作为一种新式武器很快就投入了战斗。德国最先在飞艇上配备了火炮、机炮和炸弹，用来对敌方进行攻击和轰炸，并可执行侦察和预警任务。20世纪最初30年是飞艇的全盛时期。1929年夏，超豪华巨型飞艇LZ-127“齐柏林伯爵”号完成了载客状态下的首次环球飞行，此次壮举比民航飞机的环球飞行早了12年。“齐柏林伯爵”号飞艇长236m，最大直径30.48m，气囊容积110450立方米，艇上装有5台412kw的内燃发动机和5副螺旋桨，最高速度128km/h,艇上可载客2035人，艇上工作人员40人，此外还可搭载15t货物。比“齐柏林伯爵”号更为巨大的“兴登堡”号飞艇全长248m，庞大的飞艇吊舱内设有酒吧、餐厅、卧室、厨房、吸烟室以及散步走廊，甚至还配置了一架大三角钢琴。到1937年4月底，“兴登堡”号安全往返于大西洋上空56次，成为联系欧美大陆之间的主要空中运输工具。1937年5月6日，由于氢气被电火花引爆造成“兴登堡”号爆炸，造成97名乘员中35人的死亡，也宣告了航空史上飞艇时代的结束。“齐柏林伯爵”号飞艇“兴登堡”号飞艇爆炸由于飞艇在载运能力和使用成本上具有明显优势，随着航空技术的发展，特别是先进的空气动力学设计、新动力、新材料、新工艺、新机载电子设备和氦气的应用，到20世纪70年代后，飞艇事业又有了复苏的迹象。德国、英国、荷兰都先后制成了大型飞艇。其中1996年荷兰研制出的“千禧导航”号飞艇，长74m、直径29m、速度148km/h,最多可乘坐230名旅客。除客运之外，飞艇还广泛应用于运送巨型物资、安装高压电线、电视摄影、地质考察、森林防火和农业播种施肥等。我国也在19851986年间研制成功了“天舟”号载人热气飞艇。2.3 飞机的诞生气球和飞艇都是轻于空气的飞行器。世界上最早的重于空气的飞行器是风筝。本质上风筝的飞行原理与现代飞机很相似，绳子的拉力使其与空气产生相对运动，从而获得向上的升力。风筝发明于中国，至今已有近2000年的历史。在一些国家的博物馆中，至今还展示有中国的风筝，如美国国家航空博物馆中有一块牌子上醒目地写着：“世界上最早的飞行器是中国的风筝和火箭。”英国国家博物馆也把中国的风筝称之为“中国的第五大发明”。据史料记载，中国的风筝大约在14世纪传入欧洲，这对后来的滑翔机和飞机的发明有着重要的影响。人们从鸟的飞翔和风筝的飞翔中得到启示，认为用固定机翼同样能使比空气重的东西飞起来。人类关于飞行的许多探索和尝试是从模仿鸟类的飞行开始的。轻于空气的航空器的出现，激励着人们以更大的热情，继续从研究鸟类飞行着手，发明重于空气的航空器。但关键问题首先是如何获得升力；其次是解决稳定、操纵问题；最后是解决动力问题。在实现重于空气的飞行之前，人们进行了许多探索。先驱精英 与飞机发明仅差一步之遥在这些探索过程中，有不少先驱者都作出了牺牲。约在10021010年间，阿拉伯人阿尔达瓦里用一对木制翅膀从一塔顶跳下，试图进行滑翔飞行，结果坠地身亡，试验没有取得成功。在1010年，英国僧人埃尔默将两队人造翅膀捆绑在四肢上，从一塔顶跳下，向前滑行了200m，结果腿骨受伤。早在19世纪初，英国科学家乔治凯利爵士就提出了重于空气飞行器的基本飞行原理和飞机的结构布局，被看做现代航空学诞生的标志。他在1847年设计制作了一架滑翔机，并由他的马车夫驾驶飞行了大约450m。应该说乔治凯利爵士是世界上成功把载人滑翔机飞上蓝天的第一人。令人遗憾的是，凯利的研究和滑翔机飞行在当时并未引起太大的重视，因为那时人们完全沉浸在热气球与飞艇的热潮中，许多权威人士对凯利的研究不屑一顾。乔治凯利爵士乔治凯利在1853年就用这样的滑翔机命令他的马车夫飘过峡谷在整个19世纪的中后期，出现了许多的无动力滑翔机，人们通过滑翔机来研究升力和阻力的产生和变化规律，探索稳定性和操纵性问题，为实现动力飞行奠定了技术基础。德国的李林达尔研究滑翔机20多年，从1891年到1896年的5年间，就进行了2000多次的滑翔飞行。他在掌握稳定性和操纵性方面取得了丰富的经验，留下不少著作，使后来的研究者获得很大教益。1896年，他在一次滑翔飞行中不幸失事牺牲。李林达尔李林达尔探索滑翔原理直至牺牲1896年5月6日，美国人兰利博士制造了一个用蒸汽机作为动力的飞机模型，飞行高度达到20m，飞行距离达760m。同年11月28日，他又制造了另一个动力飞机模型，飞行高度达到150m，飞行时间近3min，这是历史上第一次重于空气的动力飞行器实现了稳定持续飞行，在航空史上具有重大意义。此时，兰利以年逾六旬，但他依然在航空技术领域里继续顽强探索。兰利18世纪和19世纪末，蒸汽机和内燃机的先后出现，为航空器由滑翔机向飞机的进展创造了动力条件。蒸汽机首先应用在轮船和火车上，也曾有人把它装在飞机上进行试验，但终因质量大，功率小而失败。莱特兄弟 征服天空的王者莱特兄弟美国自行车技师莱特兄弟吸取了前人有关滑翔机的研究成果，自制滑翔机进行实际飞行。经过1000多次的滑翔试验，初步掌握了操纵滑翔机的方法。在这个基础上，他们在滑翔机上装了一台自制的8.8kw的水冷4缸活塞汽油发动机，带动两幅推进螺旋桨，制成了首架飞机“飞行者”1号。1903年12月17日试飞成功，飞过260m的距离，相对空气的速度为48km/h(对地速度16km/h),留空时间59s。莱特兄弟的飞行成功，开创了动力飞行的新纪元。人类第一架飞机腾空而起莱特兄弟是美国俄亥俄州代顿一家自行车工场的场主。他们仅读完中学课程，没受过高等教育，却从小热爱飞行，虚心好学，刻苦实践。莱特兄弟在总结前人的纪念教训基础上，亲自建立了一个小风洞，精确测量气流吹到板上所产生了升力，同时他们还造出3架滑翔机，亲自进行上千次飞行试验，每次都详细记录升力、阻力和速度，并对纵向和横向操纵进行反复修改、完善。20世纪初，欧洲也有人从事飞机的研究工作。法国的桑托杜蒙于1906年、布莱里奥于1909年都成功地飞行了他们自己设计的飞机。在1909年春夏之交飞跃英吉利海峡的飞行竞赛中，布莱里奥驾驶“布莱里奥”XI号单翼机首次飞跃了英吉利海峡，全程40km，飞行时间37min。尽管当时飞机已经能够飞行，但从理论上仍不能圆满解释机翼为什么能够产生升力，飞机的结构和设备也极其简陋，飞行事故经常发生。因此，如何改进飞机的飞行性能和操作性能，保证空中安全等，就成为一系列迫切需要解决的问题。1914年爆发了第一次世界大战，飞机首先被用于侦察。敌对双方的侦察机在空中相遇时，驾驶员用自卫手枪进行射击，于是出现了早期的空战。后来由于战争的需要，又出现了携带武器的“驱逐机”、“轰炸机”和“强击机”。第一次世界大战促进了航空科学技术和航空工业的发展。随后，飞机逐渐从军用转为民用。各国开始设计和制造专用的运输机。航空业务由起初的邮递发展到客货运输。1919年开始，已有几条定期的国际航线。战后还出现了创造飞行高度、速度、航程和续航世界记录的航空竞赛热潮，一些专为破记录而制造的飞机相继问世。在航空史上，将第一次世界大战结束到第二次世界大战爆发间的20年，称为航空黄金年代。在这20年间，先后问世的航空新技术有：硬壳式轻型合金结构、悬臂单翼、可收放式起落架、密封座舱、动力传动的炮架、襟翼、可变浆距螺旋浆、发动机增压器以及包括自动驾驶仪在内的一系列供飞行和导航使用的设备等。在航空黄金年代出现了一些著名的飞机，如波音P-12/F4B、P-26战斗机；格鲁门F3F舰载战斗机；寇蒂斯F11C-2/BF2c-战斗轰炸机等。1933年，美国人林白驾机不着陆飞行首次飞跃大西洋。为了改进飞机性能，空气动力学理论获得了飞速发展，飞机结构、航空发动机也取得了重大进展。这些科学技术成果很快反映到飞机设计上。20世纪20年代初，双翼机逐渐向单翼机过度。到30年代初期，双翼机已趋于淘汰。同时出现了起落架可以收放、驾驶舱封闭、发动机加整流罩等一系列提高空气动力效率的构造形式。飞机材料也由木材、层板、亚麻布等逐渐改用铝合金，提高了结构强度，降低了飞行阻力，飞机性能得到了很大提高。1937年苏联的“安特25”从莫斯科直飞美国，创造了飞行航程记录；1938年飞行升限记录为17094m；1939年创造了755.09km/h的飞行速度记录。第二次世界大战中，空军成为一个独立的军种参战。军用机的分工更细，性能大为提高。参战飞机数量大，种类多，出现了总质量为62500kg的轰炸机和速度达784km/h的战斗机。用活塞式发动机作为动力的螺旋桨飞机，当速度大于700km/h以后，再用增大活塞式发动机的功率和提高螺旋桨效率的办法来进一步提高速度则受到了限制。当飞行速度接近声速时，由于机翼上气动压力中心的变化，引起飞机稳定性和操纵性方面的新问题，从而为进一步提高飞行速度带来了障碍，当时人们称之为“音障”。突破“音障”首先要求发动机提供足够的推力，涡轮喷气发动机的出现，解决了这一问题。飞机突破音障瞬间 航天飞机突破音障瞬间战神火箭突破音障为了给飞机提供更大的动力，德国自1930年代中期就开始了涡轮喷气发动机的研制。德国的喷气发动机研究由航空工程师冯鸥海因主持进行。1939年德国试飞成功了最早的喷气飞机He-178。与此同时，1930年，在英国弗兰克惠特尔取得了使用燃气涡轮发动机的第一个专利，1937年4月12日制造出第一台涡轮喷气发动机（压气机为离心式），直到1941年5月15日装有这种新发动机的E-28/39研究机进行了首次飞行试验。在第二次世界大战末期，有少量喷气式战斗机参加了空战，但未能发挥多大作用，直到战后喷气飞机才获得了迅速发展。第二次世界大战以后，人们在追求更高的飞行速度。X-1试验飞机作为人类历史上一种划时代的飞机，不仅仅是因为它的速度超过了声速，也是因为它是世界上第一种纯粹为了试验目的而设计制造的飞机。1947年10月14日，试飞员查理斯椰格尔上校驾驶X-1在43000英尺（1英尺=0.3048m）的高空飞出了马赫数为1.06的高速，从而迈出了人类超声速飞行的第一步。在20世纪40年代后期，人们通过对跨声速、超声速空气动力学的研究和气动弹性力学方面的研究，解决了超声速飞机设计的一系列问题。20世纪50年代初期，出现了超声速的军用飞机，到60年代，有些飞机的最大速度已达声速的3倍左右，这时又遇到“热障”问题，即由于长时间高速飞行产生的气动加热而导致结构材料性能的下降。解决“热障”问题的途径主要是研制质量轻、耐高温的新材料和新型结构。20世纪70年代到80年代后期，航空军事大国又研制了一系列供现役使用的喷气式歼击机、轰炸机、强击机和军用运输机等，如美国的F-14、F-15、F-16和F-18；苏联的米格-23、米格-27、米格-29和米格-31以及苏-30、苏-34、苏-35、苏-37等军用飞机。这些飞机的特点是速度并不太高，多为声速22.5倍；飞行高度为1525km,但强调良好的机动性并装有先进的机载设备、火控系统和多种形式的武器配置。在民用航空方面，由于第一次世界大战结束后，大量的军用飞机闲置下来，于是人们纷纷把它们转为民用。欧洲各国纷纷创办航空公司，当时使用的民航机大多数有军用飞机改装而成。到第二次世界大战之前，民航业已得到了很大规模的发展。民用喷气飞机的发展较晚，在1950年，世界上第一架涡轮螺旋桨喷气客机英国的“子爵”号投入使用，但是“子爵”号的使用并没有开启喷气时代。因为涡轮螺旋桨飞机的主要推力来自螺旋桨，其速度提高相对于活塞式飞机并不是太大。1952年装配4个涡轮喷气发动机的英国“彗星”号客机在航线上开始使用，但随后的两年内“彗星”号连续三次空中解体，使喷气机在民航应用上受到挫折。不久人们找打了导致“彗星”号解体的原因“疲劳断裂”，并找到了解决的方法。1956年苏联的图-104、1958年美国的波音707和DC-8进入航线，标志着民用喷气航空时代的开始。波音707的速度为9001000km/h，航程可达12000km,乘客158人。1968年底，苏联首先试飞了超声速客机图-144；1969年初，英法合作研制的“协和”号客机试飞，并于1976年用于航线飞行。图-144和“协和”号的最大速度略大于声速的两倍。“协和”号分别于1992年、1995年创造了客机环绕地球飞行的最短时间记录32h49min49s、31h27min49s。英航、法航对该机型的使用，集中在横跨大西洋往返纽约伦敦、纽约巴黎航线，仅需3h30min,比普通客机缩短一半多。但超声速客机噪声大，会产生“声爆”，耗油率高，“协和”号每分钟就要耗费约990kg燃料，燃烧产生的废气会极大地破坏大气臭氧层。数年前，住在纽约肯尼迪机场附近的居民还曾和“协和”号飞机噪声扰民的问题告上法庭。由于诸多原因，“协和”号于2003年正式停飞。随着客运市场需求的发展，1969年出现宽体式大型客机（波音-747），标志着航空客运已经走向大众化。此时，民航飞机的航程大增，座位增加了许多，运营成本也大大降低。1970年2000年间，客机的各项技术和性能也越来越现代化。在20002005年间，出现A380大型双层客机。同时，各国还在不断地预研制新型的高速、远航程、低油耗的未来客机，以及空天飞机，以适应未来民用航空的需要。第3章 世界航天发展简史探索浩瀚的宇宙，是人类千百年来的美好梦想。我国在远古时就有嫦娥奔月的神话，公元前1700年，我国有“顺风飞车，日行万里”之说，还绘制了飞车腾云的想象图。外国也有许多有关月亮的美好传说。火药是中国古代的四大发明之一，火箭晚于火药，也是由中国人发明的。早在公元1000年宋朝唐福献就应用火箭原理制成了战争武器，13世纪初传到外国。中国古代火箭的发展、16世纪以来科学技术的进步、近代工业化运动的兴起4人类得以从幻想转向科学探索。19世纪末20世纪初，在一些工业化比较发达的国家出现了一批航天先驱者。宇航之父齐奥尔科夫斯基1873年冬天的一个夜晚，在积雪覆盖的莫斯科城，有一位18岁的年轻人，正在一间低矮的木屋里，借着一盏小油灯的灯光，埋头读书，他沉浸在另一个梦幻的世界里。忽然，他站起来，踱到窗前，仰望雪后夜空上繁星点点的世界，不住的喃喃自语：“人不能永远蜗居在地球这个摇篮，应该到遥远的星星上去看看。那么用什么方法才能飞向遥远的星空呢？”这位充满幻想的年轻人，脑海里编织起在太空飞行的情景。他回到桌旁，拿起笔，铺开纸，绘出了一幅想像中的宇宙飞船草图。这位年轻人就是日后创立宇航理论的先驱者齐奥尔科夫斯基。这位被誉为“宇航之父”的俄国人，1857年9月出生在梁赞州一个偏僻村庄的贫寒家庭里。父亲是护林员，母亲务农。他10岁时因患猩红热而失去听力，失去了上学机会，念完小学三年级就辍学了。两年后母亲去世，他只好在家自学，靠顽强的毅力，5年学完了中学课程。由于求职强烈，16岁时他只身来到莫斯科，但由于耳聋又无中学毕业文凭，无法进入大学。齐奥尔科夫斯基只得租住一间简陋的屋子，开始图书馆的艰苦自学生活，直到学完了大学的课程。1878年由于年老多病的父亲退休经济上更加困难。同年，齐奥尔科夫斯基回到家乡，考取中学教师资格，在教学之余醉心于研究宇宙航行问题，提出了关于人造卫星和宇宙飞船的最早构想。齐奥尔科夫斯基的思路有时异想天开，并且简直到了痴迷的程度。为了研究气流对飞行器的影响，他竟像孩子一样，迎着大风身披被单猛跑，或者拽着风筝在泥泞路上奔跑，因此往往招致一些人的嘲弄和冷遇，甚至有人把这位耳聋的中学教师视为精神不正常的怪人。但齐奥尔科夫斯基冲破世人的偏见，矢志不渝，执着追求，不断有所成就。1883年，他把自己的研究成果写成自由空间论文手稿，断定在地球上可以研究遥远的星空，在地球之外要受到失重的考验，火箭能在太空中飞行，同时描述了征服宇宙空间的火箭发动机原理。齐奥尔科夫斯基还写了一本叫在地球之外的科幻作品，设想科学家制造出一种长100米、直径40米的纺锤形“火箭航天船”，靠一种“宇宙枪”喷出气体，推动航天船进入环绕地球的轨道飞行。航天船载人20人，可在船内栽种蔬菜和水果，制造金属材料，携带足够的食品和用具，然后飞往月球。这艘航天船中有两人开动月球车游览月球，看到了使人眼花缭乱的多姿多彩景象。经过若干年后，航天船平安返航，溅落在大洋上，胜利结束了一次难忘的宇宙航行。这个构想与今天的载人飞船有相似之处。1892年，齐奥尔科夫斯基到卡卢加定居下来，致力于宇航的理论研究与实践。1898年他写成利用喷气装置探索宇宙空间的著作，集中的反映了他对宇航科学的贡献。在这部划时代的著作中，齐奥尔科夫斯基提出了火箭在自由空间中运动的基本原理，推导出了描述火箭在重力场中运动时所能达到的最大速度的数学公式，这就是具有奠基意义的齐氏公式。这个著名的公式以最简捷的形式表明，提高火箭速度的关键不在于增大火箭的尺寸和质量，而在于提高发动机的喷气速度和火箭在一定条件下尽可能多地添加推进剂。这一公式为火箭和宇航的发展奠定了理论基础。此后，齐奥尔科夫斯基进一步提出研制宇宙火箭列车即多级液体火箭实现宇宙航行的构想，并且培养造就了一代功勋卓著的航天探索者。但是鉴于当时的工业水平和工艺条件，齐氏未能亲眼看到火箭升空的情景。即使如此，齐奥尔科夫斯基也没有丝毫犹豫，对自己毕生的奋斗目标充满信心。他在1933年发表的一篇讲话中说：“我始终都坚定地认为，在可预见的将来，人类将可能飞向火星。尽管时代在变，但星际飞行的理想总要继续下去。今天我确信，你们之中将有人到星际中航行。早在1911年4月13日，齐奥尔科夫斯基在一封信中写道：“地球是人类的摇篮。但是，人不会永远生活在摇篮里，他们不断地争取着生存世界和空间，起初将小心翼翼地飞出大气层，然后便是征服整个太阳系。”经过将近一个世纪的努力，这一预言正在变成现实，人类终于飞出了自己的摇篮，开始了到太空去游历的新里程。齐奥尔科夫斯基最早从理论上证明了用多级火箭可以克服地球引力而进入太空。他建立了火箭运动的基本数学方程，奠定了航天学的基础。齐奥尔科夫斯基的另一重要贡献是肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置，为运载器的发展指出了正确的方向。美国火箭之父戈达徳1920年1月20日，美国华盛顿传出一条新闻：克拉克大学物理系教授罗伯特-戈达徳设计成功探测高空大气的多级火箭，它能把推测仪器送到321.8千米的高度，甚至可以达到月球。戈达徳及其火箭顿时名噪一时，成为美国街谈巷议的中心话题。在地球的另一端，由齐奥尔科夫斯基构思的液体火箭，后来确实在戈达徳的手里实现了。戈达徳1882年10月5日生于美国马萨诸塞州的伍斯特城。他幼年体弱多病，但却喜好学习，充满幻想。在上小学时，有一次他好奇的打开蓄电池，取出一对锌制电极，绑在自己的脚上，试图升空飞行。他中学时读完科幻小说从地球到月球，便爬上一颗樱桃树，极目远望辽阔的天空，不禁想发明一种工具，飞到天上旅游。1908年从伍斯特工学院毕业后，在攻读物理学硕士和博士的同时，他倾心于利用火箭推力实现宇宙航行的研究工作。1919年，戈达徳将自己多年的研究成果写成一篇题为达到极限高度的一种方法的著名论文。这篇著作描述了火箭运动的数学原理和计算方法，提出了利用火箭冲击月球的宇航原理。他还用示意图说明火箭如何可能抵达月球。当时这个结论不被人理解，嘲笑者攻击者大有人在，但这并未动摇戈达徳的追求。他在给朋友的信中表达了自己的心迹：“生命如此之短暂，而世上又有那么多的事需要我们去做，这是令人着急的。我们应当冒点风险，去做那些我们力所能及的工作。”戈达徳是第一个将火箭技术理论与实际的试制试验工作相结合的先驱者，他经过艰苦努力，在马萨诸塞州奥本郊外的沃德农场建起了一座液体火箭静态试验和发射基地。他一面在克拉克大学从事火箭理论研究，一面利用假日到沃德农场进行试验。1923年，经过多次失败，戈达徳制成了世界上第一台供飞行试验用的液体火箭发动机样机。这台用汽油和液氧作燃料的液体火箭发动机在沃德农场进行地面静态试验，它被固定在试车台上，用泵把液氧和汽油注入发动机中，然后点火燃烧，测试发动机功率及其他数据。这次测试结果对发动机设计的改进具有重要参考作用。1925年11月戈达徳造出了一台5.5kg的小型液体火箭发动机，成功地工作了27秒钟。1926年3月16日，是世界火箭发展史上一个永不磨灭的日子。这一天下午2时30分，在大雪覆盖的沃德农场，世界上第一枚液体火箭竖在简陋的发射架上点火发射，火箭起飞，爬高12m，然后水平飞行56m，最后掉在一片菜地里，整个飞行时间仅2.5秒，但这却是划时代的一瞬。戈达徳为试验成功兴奋不已，激动地喊道：“这一下我可创造了历史！”这确实是20世纪初叶创造的一大奇迹。这枚花了戈达徳20多年心血的火箭，高3.04m，由一台0.6m长的液体发动机和两个燃料贮箱组成。它的结构尽管简单，但却是火箭技术的一次飞跃，从此，火箭进入实际的试验阶段。1930年12月30日，戈达徳又研制一种较大的液体火箭，发射高度610m，飞行距离300m，速度达到800km/h。这枚火箭的性能已大大提高了一步。1930年以后，戈达徳辞去了在卡拉克大学的教职，在新墨西哥州罗斯维尔沙漠建立起艾登火箭试验场。他把全部精力用于液体火箭的研究试验，到1940年，他先后设计了十种系列火箭，目的是探索加大发动机尺寸的可能；试验燃料的性能和混合比例；利用陀螺控制燃气舵稳定的飞行方向；研究小型离心泵喷住推进剂；提高发动机的功率等。后来，戈达徳在改进火箭的研究中继续获得进展，他一生申请了212项有关火箭技术和航天技