航空航天技术发展ppt课件

1、航空、航天技术的开展今天不能够的事明天将变为能够。 康埃齐奥尔可夫斯基.航空与航天力学的开展 .1 总的概述历史通知我们，对于航空来讲，空气动力学的实验与实际开展大体上总是超前于飞行的实际的。飞机飞行需求处理的空气动力学主要有三方面的问题：早期的飞行关键是处理能不能飞起来的问题，即主要是研讨当物体运动是升力的大小问题。对于气球与飞艇来说，事情比较简单，由于它们只与流体静力学有关，它的实际根底是浮力原理，在阿基米德时代就曾经建立。.对于比同体积空气为重的飞行物来说，事情就比较复杂了，由于从牛顿开场，人们在研讨空气对机翼的作用时，把空气看为由微粒组成的，在物体运动时，利用动量定律，得到的是升力与机

2、翼迎风角的正弦的平方成正比。按照这个规律，当迎风角小时，升力太小，而当迎风角大时，阻力又太大，所以靠动力飞行是没有希望的，所以著名的空气动力学家冯卡门说：“牛顿耽搁了飞行的开展。牛顿这方面的错误，由英国人凯利、美国人兰利的实验研讨以及后来俄国茹可夫斯基、英国人兰彻斯特、德国人库塔等人的实际研讨给以纠正。这才有后来莱特兄弟的飞行胜利。.当飞机飞起来之后，遇到的是什么问题呢？是同提高速度、改善可支配性、添加平安性有关的问题。而一切这些问题都是崭新的力学课题。为了提高速度，必需进展两方面的研讨。一方面是对飞机阻力的准确研讨；另一方面是为了改良发动机、特别是为了研讨与改善喷气发动机所急需的关于内流的研

3、讨。为了改善可支配性，产生了飞行动力学的研讨方向。还有一系列有关航空仪表的研讨，如惯性导航的研讨、自动驾驶仪的研讨等。而为了添加平安性，航空构造分析开展成为专门的研讨方向。.对于火箭的飞行与航天事业来说，它同航空遇到的问题大体上一样，所不同的是飞机靠空气动力飞行，而火箭大部分是在空气稀薄的空间飞行，它的推进主要得借助于喷气推进，其实际根据是力学中的动量守恒原理。但是火箭也有在空气中飞行的阶段，也需求讨论空气动力对它的飞行的影响。至于构造强度问题、自动控制问题、发动机内的熄灭问题等它同飞机遇到的问题一样，有时还更锋利、更具有挑战性。.2 空气动力研讨中心与假设干著名学者的研讨任务流膂力学与航空有

4、关的较早研讨结果是丹尼尔伯努利Daniel Bernaulli,170017821738年给出的现今称为伯努利定理。.丹尼尔伯努利Daniel Bernaulli17001782.随着航空事业的开展，空气动力学的研讨迅速展开。它除了要求有实际任务以外，还要求大量的实验任务，由此要求可观的投资去建造实验设备，还需求有相当的人力。这就是近年来人们常说科学越来越走向大科学，即投入大量的人力、物力、经过准确的组织与方案到达一个目的。从本世纪初，世界各国都建立了本人的专门空气动力学研讨机构。.1906年6月，德国的动力飞艇研讨会成立，普朗特担任该会的技术委员会的委员。以后他的研讨兴趣就转向空气动力学。1

5、907年，在德国由力学家普朗特Ludwig Prandtl,18751953担任在哥廷根大学筹建德国的第一座风洞。该风洞实验段截面积为22，最大风速为10m/s，功率为30HP，于1908年运转。1911年在克莱因的支持下，普朗特向威廉大帝科学协会建议组建专门的空气动力学与流膂力学研讨机构。后来在哥廷根大学成立了空气动力学实验研讨所AVA，它是德国的航空航天研讨院在哥廷根的流膂力学研讨中心。 .普朗特在塑性力学方面提出了增量型的应力应变关系，还研讨过弹性稳定性问题，在湍流方面也有奉献。不过他最有名的任务是关于流体流动的边境层方面的任务。1904年，他的论文奠定了边境层实际的根底。边境层实际提供

6、了近似计算物体在流体中运动时所遭到的摩擦阻力的方法，后来的开展构成了有关边境层的一系列的研讨方向，如边境层分别、边境层传热、湍流边境层等。 .1918年，苏联成立了中央空气动力学研讨所，苏联力学家茹可夫斯基出任所长。茹可夫斯基 ,18471921是俄国的力学家，先在俄国、后来到法国巴黎接受教育。1872年担任莫斯科技术学院的力学教授，1876年获硕士学位，1882年获博士学位，1866年到莫斯科大学当力学教授。 .1902年建成莫斯科大学的风洞，19021909年之间他独立地建立了升力的实际根底。这个实际将机翼看为无限长的柱体，只需讨论它的一个截面便可以了，因之也称为二元机翼实际。 由于他的这

7、些任务，被誉为“俄罗斯航空之父。茹可夫斯基有许多著作问世：1876、1891、1898、1920、等。.1921年当茹可夫斯基逝世后，由他的学生恰普雷金 ，18691942继任。恰普雷金出生于店员家庭，1890年在莫斯科大学毕业后留校任教。恰普雷金早期的力学研讨主要在非完好约束动力学与刚体绕固定点的运动两个方面。1902年，恰普雷金向莫斯科大学提交的博士论文，这项成果为处理亚声速气流奠定了实际根底。后来恰普雷金还着重研讨了作用在机翼上的空气动力与最优翼型的实际研讨。他最早给出了计算气流在阻塞体上压力的公式，后来被称为恰普雷金公式。1914年他又发表了论文，后来成为设计螺旋桨、汽轮机与水力机械的

8、实际根底。.美国国家航空航天局National Aeronautics and Space Administration, NASA是1915年成立的美国航空咨询委员会NACA在1958年10月改组而成的。1961年5月25日美国总统肯尼迪在国会上提出“在10年内把人送上月球，并使他平安前往的义务。在二次世界大战后曾任国家预算局局长、助理国务卿的韦伯James Edwin Webb,1906于1961年二月到1968年10月出任美国国家航空航天局长。他为将人送上月球的“阿波罗方案而尽职尽责，经过40万份合同发动了120所大学、2万家企业、400万人参与这项任务，共耗资240亿美圆。在他1968

9、年12月获美国总统的自在勋章退休后，1969年美国胜利地实现了肯尼迪的方案。.冯卡门Theodore von Karman,18811963出生在匈牙利的一个犹太人的家庭。1906年，靠官方的助学金到德国师从普朗特为博士研讨生。卡门在力学方面的固膂力学与流膂力学都有突出的奉献。1910年他给出了板的大挠度方程，至今被称为卡门方程。1913年，在克莱因的引荐下出任德国亚琛工业大学航空学教授，并担任组建空气动力学研讨所。第一次世界大战终了后，在卡门指点下亚琛空气动力学研讨所办得很兴隆。他最早研讨细长物体的阻力问题，为计算火箭与导弹的阻力提供了实际根据。30年代，德国在希特勒上台后排犹，作为犹太血缘

10、卡门思索到在德国比较困难，于是决议分开德国去美国。.1934年冯卡门就职美国加州理工大学的古根海姆航空实验室主任，开展了高速飞行与喷气推进的研讨。后来他在1939、1940年与他的学生钱学森最早给出了球壳受外压与圆柱壳受轴压失稳的非线性分析。在流膂力学方面他的最重要的任务是讨论了在超声速气流中细长体的阻力1932年；1938年他与钱学森一同讨论了可紧缩流体的边境层实际；1941年与钱学森一同提出了著名的卡门钱方法，用于近似计算超声速流中机翼上的压力变化。他的这些任务对后来的超声速飞行产生了很大的影响。 .根据冯卡门的构思设计的XS1火箭飞机在1947年10月14日超越了音速。1951年卡门协助

11、建立北大西洋公约组织航天研讨开展顾问团，他出任该团的主席。19561960年任国际航空科学委员会和国际星际航行学会会长。1963年获肯尼迪总统授予的美国第一枚国家科学勋章。.2 超音速气体动力学超音速空气动力学最早的研讨者是马赫。在马赫时代，超音速运动的物体是炮弹。对于超音速飞行器的研讨要晚许多。超音速飞行的导弹出现得比超音速飞机要早，在二次世界大战期间的V2火箭就曾经超越了音速。在1939年前后，英国的惠特尔Frank Whitle,1907与德国的欧海因Hans von Ohain分别完成了喷气发动机的发明。德国的喷气发动机在1939年就曾经安装到飞机上试飞胜利，而英国那么到1941年才试

12、飞胜利。喷气发动机的发明大大提高了飞机的飞行速度。.在40年代初飞机的飞行速度曾经接近音速，到达0.7马赫数以上。在飞机接近音速飞行时，阻力有忽然增大的趋势，而且随之而来产活力翼与机身的抖动。那时一些专家以为音速不能够被飞机超越。这就是所谓的“声障问题。.早在1935年之前，哥廷根大学的布塞曼A. Bussemann就曾经研讨了超音速的飞行的空气动力学问题，他根据计算与实验提出：采用尖型机头与机翼的前沿设计方案时可以减小阻力并延迟激波的发生；采用后掠式机翼可以使垂直于翼前沿的空气速度分量低于音速，后掠角越大，对抑制音障越有利。这些实际结果被哥廷根大学的贝茨A.Betz于1939年的实验所证明。

13、后来美国有人提出采用小展弦比翼长与翼宽之比可以减小波阻。还提出在跨音速飞行时在机翼上添加顺流片，可以切断构成的涡旋，从而添加超音速飞行时飞机的稳定性。 .根据由空气动力学得到的这些结论设计的飞机，后来确实突破了音障。1947年美国的实验喷气式飞机X1超越了音速。1953年10月29日美国的实战飞机F100“超级佩刀式喷气式飞机实现了超音速飞行。到50年代末60年代初，美、英、苏各国的战斗机都超越了马赫数2。到60年代末苏、英、法等国也有喷气式客机超越了音速。.4 气动加热问题当飞机的飞行速度超越马赫数2时，根据实际估算，在11000米以上的高空飞行，飞机头部的温度可以高达118。当马赫数到达2

14、.5时，驻点即飞行器最前面的部分，空气相对飞行器的速度为零温度可以到达215。而当马赫数到达3时，可以到达335。飞机的这种高温是由于在高速飞行时，飞机阐明附近的空气受紧缩和剧烈的摩擦，一部分动能转化为热能。对于航天飞机来说，当它再入大气层时，它的驻点可以到达1430。这样的高温带来一系列问题。首先是飞行员能不能耐受高温的问题，其次是飞机的构造资料在高温下强度降低的问题。这就是所谓的“热障问题。普通以为马赫数2.5以上就是进入热障的温度。在载人火箭与航天飞机飞出与再入大气时，也会遇到热障问题。.世界各国大约在50年代中期便开场研讨热障问题。处理热障问题的途径普通是：合理的飞行器的外形设计，以减

15、小空气动力加热；采用耐高温的资料；适当的隔热和冷却技术。在50年代资料的高温蠕变、高温强度问题，构造的热应力问题、热屈曲问题，飞行器的气动加热与隔热问题，一时间成为各国有关科学研讨单位的重要研讨课题。经过不断研讨获得新的结果、不断实验与改良设计，50年代末期实验飞机便已突破了热障。60年代末70年代初，美国的SR71，与苏联的米格25，以为是突破热障后的第一代飞机，它们的飞行速度都超越了马赫数3。在航天飞机上处理热障问题还需求运用特殊的耐高温资料，如陶瓷资料与碳纤维资料等。.莱脱兄弟1901年风洞的草图.Post- Wright Brothers Wind Tunnels Date Size

16、Individual Location 1901 16 x 16 in. Wright Bros. Dayton, Ohio 1901 6 x 6 ft Zahm Catholic University, USA 1903 2 ft diameter Stanton National Physical Laboratory, England 1903 1 x 1 m Crocco Rome, Italy 1904 1.2 m diameter Riabouchinsky Koutchino, Moscow, Russia 1908 2 x 2 m Prandtl Gottingen, Germ

17、any 1909 1.5 m diameter Eiffel Champ de Mars, France 1910 4 x 4 ft n/a National Physical Laboratory, England 1912 7 x 7 ft n/a National Physical Laboratory, England 1912 2 m diameter Eiffel Auteuil, France 1912 Junkers Aachen, Germany n/a 1913 8 x 8 ft Zahm Washington Navy Yard, USA 1914 4 x 4 ft Hu

18、nsaker MIT, USA 1916 2.2 x 2.2 m Prandtl Gottingen, Germany 1917 5.5 ft diameter Durand Stanford University, USA 1917 7 ft diameter Curtiss Hempstead, New York, USA 1918 7 x 14 ft n/a National Physical Laboratory, England 1918 4.5 ft octagon n/a Bureau of Standards, USA 1919 4 x 4 ft Ober MIT, USA 1

19、919 7.5 ft diameter Durand Stanford University, USA .810英尺的亚音速风洞.12英尺超音速风洞外观.飞机模型在作吹风实验.5 惯性导航的开展高速旋转物体的定向性，是自古以来人们从陀螺一类的景象中早就熟习的。最早把这种原理用于制造仪表的，大约是由法国的科学家傅科Jean Bernard Lon Foucult,18191868开场的。1852年他制成了一架陀螺仪，由基座、支架与转子三部分组成。支架使转子与基座之间有三个角运动的自在度。傅科用这架陀螺仪证明了地球的自转，所以傅科又称它为“转动指示器。最早运用陀螺仪来定向的是航海。在19世纪中叶，

20、以蒸汽机驱动的轮船发明了，同时钢铁也大量作为造船资料。以前在航行中指示方向主要靠磁性罗盘，但是磁性罗盘在钢铁边上，指南性就不可靠了。这就要求人们寻求新的导航手段。.傅科Jean Bernard Lon Foucult18191868.1908年，德国人安休茨Hernann Anchtz制成了第一架可以用于航行的陀螺仪，随后德国的海军在最早的潜水艇上和装甲军舰上装上了这种仪表。大约在1907年美国人斯派瑞Elmer Ambrose Sperry,18601930在一艘船上装上了陀螺仪，并且于1911年申报了专利。后来他于1921年消费了依托陀螺仪的自动掌握轮船行驶方向的控制安装，随后，又利用陀螺

21、的定向性制成了减轻船舶颠簸的稳定器。.斯派瑞Elmer Ambrose Sperry 1860 1930 .在第一次世界大战期间，德国与美国先后把陀螺仪用在飞机上作为飞机倾斜与转弯的指示。到了1929年9月，美国人多里特J.H.Dolit运用无线电、陀螺程度仪、航向陀螺仪来控制飞行。在1931年美国人鲍格斯M.S.Boggs完成飞机盲目着陆，使在夜间与有云雾的天气下航行与降落成为能够。二次世界大战期间，德国人把陀螺仪安装到V2导弹上来控制导弹的飞行。.近年来陀螺仪的运用越来越广，除了用于航海、航空、航天、潜水艇与火箭导航外，还大量用于坦克与火炮的稳定、攻击鱼雷与导弹的定向、车辆特别是单轨车辆的

22、稳定、任务平台与丈量仪器的稳定等等方面。.陀螺仪从诞生以来，对它的加工精度要求越来越高，设计越来越精细。曾经成为一项集精细工艺、力学、电子学、自动控制、冶金学、等学科为一体的结合高技术行业。它的转子转速可达每分钟数万转，在支架的设计上，要求陀螺在单位时间内的漂移率越小越好。如今的飞机与导弹，要求漂移率每小时不超越百分之一度。因之，它的加工带动了机械加工的精度。普通精度要求在微米级，光洁度要求到达12 14 。加工时还必需在恒温恒湿和干净无尘的条件下进展。.为了提高陀螺仪的精度，人们从各个方面改良。首先从设计原理上，原来高速旋转的固体有希望被高速旋转的液体来替代、可以用运动的电子或根本粒子来替代，从而构成新型陀螺。其次在支承方式上，有液浮陀螺、气浮陀螺、用静电支承的陀螺，还有支承在弹性细杆端