大家都知道飛機是比空氣重得多的東西,一架殲擊機可以上十噸,很多大型旅客機重達一百多噸,這樣重的機器能夠騰空,全靠它和空氣的相對運動,這運動使空氣對飛機產(chǎn)生了巨大的作用力,其中有一個分力是豎直向上抵消飛機的重力的,這個力叫舉力。
舉力大致是和速度平方成正比的(飛行速度很高之后,譬如接近音速或進入超音飛行之后,實際情況和這一規(guī)律就較大的出入了),作用力里面還有一個與飛行方向相反的分力稱為阻力。關(guān)于這個阻力我們在日常生活中就有這種感性知識。刮大風時,我們逆風走時比順風走吃力得多。這個力大致也是和速度的平方成正比的(接近音速時會大大增加,進入超音速飛行時另有規(guī)律),所以逆風愈大,阻力愈顯著。沒有這種阻力的話,也許你都能超過世界百米記錄。這也就是為什么跑百米的正式記錄必須風速小于一定的值才被承認的緣故。
我們要的是空氣給飛機以足夠的豎向力以托著全機的重量,同時阻力愈小愈好。高速飛機和火箭導彈之類的飛行器,盡量減小阻力就是它的主要課題??諝鈩恿W正是研究飛行器和空氣的相對運動的一門科學。它研究的是空氣的流動規(guī)律,這規(guī)律在具體問題上又各有它的特殊性。
上述的兩大問題--舉力和阻力,在每個具體的飛行器上需要作不同的具體的解決。自從莫查依斯基的第一架飛機出世以來,空氣動力學就從一般的力學里分了出來,而且迅速的發(fā)展起來。在短短的五六十年之間飛機從每小時幾十公里的速度很快地發(fā)展到了今天的每小時兩三千公里以上的速度,沒有空氣動力學方面的相應發(fā)展那是不可想像的。
空氣動力學和飛行器的飛行是一種理論指導實踐,實踐豐富理論的關(guān)系。過去的確有過理論落在實踐后面的事情,今后肯定還會有。莫查依斯基的空氣動力學知識大概還不及現(xiàn)在我們中學里的航模小組的同學知道得多。他憑一些對氣流的感性知識經(jīng)刻苦的摸索與試驗終于把第一架飛機造出來了,使飛機上了天。但以后如果始終停留在摸索和經(jīng)驗主義階段,那不用說今天不會有超音速飛機,恐怕連“北京一號”也不會有。
早期的飛機雖然碰上好運氣也能飛得不錯,可是弄不好就要摔下來,粉身碎骨。連空中安全飛行都沒有保障,進一步提高速度那是談不上的。是什么原因呢?原來感性知識似乎告訴人們幾十公里的速度已經(jīng)很高了,機翼前緣似乎應該用尖頭的,你看快船不都用尖頭嗎?俄羅斯航空之父儒可夫斯基從理論上指出,當時的飛機機翼應該具有圓頭尖尾的形狀。圓頭可以解決失事的問題。尖尾的作用后來弄清楚不僅是產(chǎn)生舉力所需要的,而且可以大大減少阻力。有了儒可夫斯基的機翼理論,飛機才成為可靠的一種航空器。以后在生產(chǎn)的需要下,不斷提高發(fā)動機的馬力,改善飛機的外形,以減小阻力,這樣飛機才迅速發(fā)展起來。后來研究到了超音速的理論才知道飛機真正到了高速,高到超過音速時,機翼確實應該用尖前緣。當初錯在不懂所謂低速高速應該和一種什么速度去對比?,F(xiàn)在清楚了,應該和音速去比。
也有很多實踐走在理論后面的例子。例如直升機的想法并不比普通形式的定翼機晚多少,但由于許多問題(振動,穩(wěn)定性等)沒有解決,以至真正能用的直升機晚了三十多年才造成。又如用軸流式壓氣機的燃氣渦輪,要不是因為當初空氣動力學的基礎(chǔ)知識不夠的話,也會早四五十年出世的。
目前的情況超音速的殲擊機已經(jīng)在使用,超音速的客機也在設計試制了。蘇聯(lián)的三顆人造衛(wèi)星上了天,人造行星正在遨游太空。這些飛行器的空氣動力學問題,只能說在基本上已經(jīng)有了理論的解答,細節(jié)上沒有解決得很徹底的問題還有的是。在這個階段上可以說又是實踐走到了理論的前面。我們可以斷言,理論會很快的跟上去,并把飛行器的發(fā)展向前推進一步。
新型的航空器出世之后,往往會提出一種完全新的學問來,至少要在一種很不相同的具體條件下應用并發(fā)展已有的理論。人造衛(wèi)星要到很高的稀薄大氣層中去飛行,因此提出了高超音速稀薄空氣動力學的問題。在那種大氣層中可能氣體已成離子狀態(tài),因而會出現(xiàn)電磁力,或者由于飛行器運動得太快,靠近物體表面的氣體溫度過高,使氣體離子化,因而出現(xiàn)電磁力,處理這種流動就得考慮到電磁力,這是普通飛行高度和速度之下所沒有的問題,這樣就要求發(fā)展一支稱為電磁流體力學的科學。像直升機的問題屬于第二種情況,雖然不需要發(fā)展出一門完全新的科學來,但直升機的旋翼的工作情況卻與普通飛機的固定翼大不相同,有好些新的具體問題要解決的。
一門科學,和其他一切事物一樣,發(fā)展是無止境的。絕不會因超音速飛機已經(jīng)有了,人造衛(wèi)星和行星已經(jīng)上了天就沒事可干了。恰恰相反,今天空氣動力學上待做的工作比以前任何一個時期還要多。
除了上面說到的飛機本身的空氣動力學問題之外,飛行器上的噴氣發(fā)動機和火箭發(fā)動機里也有許多空氣動力學問題在內(nèi)。除了燃料之外,要提高這種噴氣式發(fā)動機的推力,第二個重要關(guān)鍵就是空氣動力學問題得到更完善地解決。
此外,一般工業(yè)上凡是用到氣流的地方都有空氣動力學問題,像通風機,蒸汽渦輪機,燃氣渦輪機等,用到大量氣流工作的機器,現(xiàn)在都要用空氣動力學的原理來更好地解決問題,以提高效率,為國民經(jīng)濟創(chuàng)造更多的財富。連火車現(xiàn)在也有許多問題要從空氣動力學的角度上去解決了,因為火車的速度要想超過每小時100公里的話,不從空氣動力學上去考慮問題是不行的了。
自從人們認識到空氣動力學對航空發(fā)展的重要性之后,各國相繼建立空氣動力學方面的研究機關(guān)和實驗室。蘇聯(lián)在革命之后就由列寧倡議在儒可夫斯基的領(lǐng)導下建立了中央空氣流體動力學研究所(ЦАГИ)。這個研究所為蘇聯(lián)的航空事業(yè)做出了輝煌的成績。許多現(xiàn)代研究所,工作人員都在千名以上。
我國在解放前,自己的航空事業(yè)是談不上的,當然也談不上空氣動力學的研究工作和人材的培養(yǎng)。解放后,各方面的建設都展開了,我們有了自己的航空事業(yè),有了制造飛機的工廠,也有了培養(yǎng)航空工業(yè)方面的人材的學校??茖W院有了專門從事于流體力學(范圍較空氣動力學廣些,可以包括空氣動力學在內(nèi))研究的組織。57年作科學規(guī)劃之后,許多大學和學院成立了流體動力學專業(yè)或空氣動力學專業(yè)。大躍進以來又有許多大學和學院成立了這方面的專業(yè)。此外還建立了一些研究機關(guān)。這完全是個從無到有的過程。在解放前,全國數(shù)起來不過三四個小尺寸低速風洞,只能做教學用。解放后,不僅成立了培養(yǎng)人材的專業(yè),建立了研究所,而且在許多大學和學院以及研究機關(guān)里都建立起進行研究所必需的風洞。有適于做生產(chǎn)實驗的大口徑低速風洞,洞身最大直徑達十幾米,看來有三四層樓房高。有相當大口徑的高音速風洞,能做生產(chǎn)實驗和基本科學研究。教學用的小尺寸低速和高風洞那是各校都普遍添造的。
當然這還只是一個開頭,隨著祖國經(jīng)濟建設的展開,航空事業(yè)會不斷的發(fā)展和壯大,這方面的人材可能不止以千數(shù)計,設備也會不斷地添造更多的更新的更完善的風洞。祖國的一切事業(yè)都像初升的太陽,空氣動力學事業(yè)的未來也是一樣的光輝燦爛!
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