第5章 宇航科技使人类飞向太空(1)

科技给了人类实现梦想的翅膀。宇航科技的高速发展，更为人类架起了通天的“金桥”，千百年来，一代又一代的人类科学家，以无所畏惧的探索精神和实事求是的科学态度，创造和推动着人类科技的进步。与此同时，人类航天技术的发展更是日新月异，一个个禁区被突破，一个个态度被创造。21世纪的人类正驾着科技的飞船，越飞越高，越飞越远。

一、为上青天巧借力

1.航空发展，动力先导

从20世纪初开始，飞机的军用意义已广泛引起各个国家的关注。在20～30年代，飞机从双翼机到张臂式单翼机，从木结构到全金属结构，从敞开式座舱到密闭式座舱，从固定式起落架到收放式起落架，飞机外形结构和气动布局已经发生了革新性变化。二次世界大战期间，参战飞机数量猛增，性能迅速提高，军用航空显然已对战争局势具有举足轻重的影响。战后，航空科学技术迅速地发展，特别表现在飞机空气动力外形的改进上。所谓空气动力外形，就是应用空气动力学原理来设计飞机外形，使得它的升力高，阻力小，稳定性、操纵性好。比如，机身尽可能呈流线型，减少突起物，以此来减小阻力。机翼的形状和配置也相当讲究。低速飞机通常用长方形或梯形翼。当飞机飞行速度到达声速附近或超过声速以后，就要采用像燕子翅膀似的后掠机翼。超声速战斗机或轰炸机的机翼可采用三角形的平面形状。飞机的飞行速度从低速到高速发展，与机翼从直机翼到后掠翼、三角翼、边条翼这些飞机气动构形的不断地演变密切相关。可我们的力学家为了这些气动外形的演进，不知付出了多少心血。世界各国的空气动力学研究机构都投入相当大的人力、物力，致力于飞机机翼翼型的理论分析和风洞实验研究。翼型指的是机翼横切剖面形状。剖面形状是影响机翼升力的重要因素。在飞机诞生的初期，飞行的主要矛盾是如何克服飞机的重力，使飞机离地升空。实践已经表明，采用大翼面积、大弯度剖面的机翼，克服重力而升空不成问题。当飞机速度不断提高，特别是超声速飞机出现后，推动飞机前进的力与空气阻力的矛盾就更加突出了。因此，必须找到能进一步大大减小阻力的机翼形状，才能满足飞机提速后的需要。有人做过统计，经过各国力学家长期研究，可以应用于飞机设计的机翼翼型总数已经超过15000个，简直就是一个翼型“大仓库”。仰仗翼型的这些空气动力学研究成果，加上活塞式发动机、喷气式发动机、涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、冲压发动机这一些性能越来越先进的航空动力装置的相继出现，飞机设计师才有可能设计出飞得高、飞得快、飞得远而且又灵活机动的一代又一代新型飞机。

二次大战前，飞机的速度超不过声速（每秒340米）。当时有人认为声速不可逾越，就是说飞机速度要达到和超过声速，似乎所需要的发动机的推力就得要大得不得了，而且飞机也难以驾驶。这就是所谓声障。但是由于空气动力学的发展，升力理论、阻力理论、稳定性操纵性理论、飞行力学理论的突破性进展，力学家根据这种飞行速度时空气流动的特点，采用后掠翼和小展弦比机翼机身组合体等先进的空气动力布局，1947年便出现首架超声速飞机，“声障”很快成为了一个历史名词。随着空气动力学、结构力学和材料科学的进展，飞机飞行突破声障之后，飞行速度接着又达到声速的2～3倍，进入了超声速飞行时代。

所有通过大气层的飞行器，都要利用理论计算和风洞实验来确定它们的空气动力外形和空气动力特性。实验家努力发展从亚跨声速到高超声速速度范围配套的风洞实验设备，并利用新的观测、显示、信息处理手段，揭示新的流动现象，为飞行器设计师更快的提供更多、更精确的气动力数据。理论家根据空气动力学的原理和各种理论，努力把实验揭示出的流动现象就其最典型的简化形态概括成数学模型。主要依靠数学分析的方法，研究流动现象中各种物理量之间的关系和变化以及这种关系和变化对飞行器性能的影响，尽可能获得有利的流动，避开不利的流动。经过反反复复研究变化中的变化，关系中的关系，才能对流动的物理实质和主要矛盾作出合理的解释和预测，以便把握新的流动规律，创造出飞行器新的设计思想、设计概念和设计方法。计算家则在已建立的数学模型指引下，利用当代最先进的电子计算机，致力于发展新的算法和软件，模拟更复杂的飞行器外形和流动现象。这些复杂的流动现象，是航空航天工程应用必然遇到和必须解决的。亚声速、跨声速（指0.75～1.2倍声速范围）和超声速（指1.2～5倍声速范围）空气动力学的发展，才使得后掠翼、小展弦比细长翼和三角翼气动布局在飞机设计中成功地应用，促使了第一代超声速战斗机和旅客机的诞生。1954年问世的F102蜂腰形超声速战斗机就是其中第一代战斗机的代表。

随着电子计算机的迅速发展，利用空气动力学经典的欧拉方程和考虑到介质的粘性建立起来的纳维斯托克斯方程，可以进行飞行器比较复杂流动的计算。现在已经进入对整个机身的空气动力特性进行整体计算的阶段。诞生了对航空工程发展起到先导作用的许多新的设计思想，加上在气动布局上精细的设计计算和风洞实验分析，使得具有高升力特性和良好操纵性、稳定性的第三代战斗机群应运而生。著名的美国F-15、F-16和前苏联的苏-27、米格29，就是其中的代表。这些战斗机的主要特点是：升限可至18～19公里，最大速度低空时为1350～1450公里/时；高空时为2300～2500公里/时，机动性（指转弯、加速、减速和爬升性能）也极好，保证能有效地进行近距空战和截击高空高速目标时能进入有利的攻击位置。

1991年海湾战争中多国部队运用的“空、地一体战”体系的核心是空中优势，说明发展飞机技术对未来战争的胜败至关重要。经过近20年来在超声速巡航、过失速机动、隐身外形（即采用技术措施有效地减小雷达的反射和红外辐射，使飞机不易被敌方发现）的气动布局等综合研究的基础上，美国又率先推出21世纪使用的先进战斗机F-22。

同时，国际民航事业一直在持续并高速发展着。从50年代喷气客机问世以来，全世界民客运年平均增长12％左右，约为同期经济增长的2倍。据专家预测，到2005年，民航市场的空运量将比90年代初翻一番。目前正在进行的民用飞机的层流控制技术和细长体布局研究，将为新一代亚声速干线飞机、第二代超声速旅客机提供可选用的外形。

2.空气动力学支持航空技术的发展

航空与航天是20世纪人类认识和改造自然进程中最活跃、最有影响的科学技术领域。人类从陆地到大气层，从大气层到宇宙空间，每一次活动范围的飞跃，都集中了航空航天技术的众多新成就。空气动力学在航空航天的进步和发展中扮演了非常重要的角色。

没有接触过空气动力学的人们感到“空气动力”看不到、摸不着、很抽象、难理解。因此自然会联想到空气动力学这门科学深奥、难懂。实则不然，凡是有空气（原指流体）流动的地方，都有空气动力学的问题。因此，空气动力学应该成为现代社会必须普及的知识。

空气动力学既是基础科学，也是技术科学。它是在数学和理论物理的基础上发展起来的一门学科。它的研究领域十分广泛，与国民经济、国防建设有着直接的密切的关系。飞机、导弹、卫星、宇宙飞船、航天飞机等的研究与发展离不开它；汽车、火车、轮船等交通工具的发展离不开它；就是农林、环保、风工程也离不开空气动力学。人们已逐渐认识到了空气与物体只要有相对运动，在物体上就会有空气动力的作用。所以空气动力学是一门研究空气与物体有相对运动时空气的流动情况及空气在物体上产生空气动力的科学。

自从1903年美国莱特（Wright）兄弟试制成功人类历史上第一架低速飞机起，在低速飞机不断完善、发展的过程中，人们用古老的流体力学理论，对飞机在空气中运动时产生的力、力矩深入进行了研究，逐步掌握其规律。随着飞行速度的提高，为了要使飞行速度超过声速，人们克服了重重困难，终于突破了“声障”，于是就产生了超声速空气动力学。今天，人造卫星满天飞，载人飞船已多次把人送上月宫，星际探测器已飞出太阳系，到茫茫的太空去遨游。由于火箭、导弹的飞行速度高达十几倍声速，于是遇到了“热障”。人们发展了气动加热及热防护的理论和方法，保证导弹再入大气层，准确地击中地面目标，以及卫星安全返回地面。总之，随着航空航天技术的不断发展，使空气动力学这门基础科学得到了飞速的发展，使它的内容更加丰富，应用的领域更加广阔。

3.风洞：飞行器的摇篮

飞行器空气动力学问题的研究有三大手段，即理论分析、地面模拟和飞行试验。随着航空航天科学技术的发展，空气动力地面模拟实验的方法也在不断发展。从物体的自由落体观察到空气动力车、旋臂、水洞，一直发展到风洞、缩尺模型飞行试验、弹道靶实验等。其中应用最广泛，试验数据可靠、重复性好、精度高的实验设备是风洞。

自从风洞问世以来，由于它具有重演物体在空气（泛指流体）中运动时所产生的复杂物理现象的本领，所以立即受到航空、航天及国民经济其他领域的科技人员的重视与关注。风洞不但是航空航天领域最重要、应用最广泛的实验设备之一，而且在国民经济的许多领域也得到了广泛应用。

随着飞机速度和性能的提高，风洞实验的小时数也随之迅速增加。据统计，1940年前后，老式螺旋桨飞机只需要进行几百个小时的风洞实验，而70年代的协和式超声速巨型客机要进行4～5万个小时的风洞实验。1981年试飞成功的航天飞机要进行6～10万个小时的风洞实验，相当于一个风洞十年的工作量。所用的风洞实验费用约2亿美元。

一架新飞机的诞生要在十几座不同类型不同速度范围的风洞中进行十多项实验。如飞机选型实验、操纵性和稳定性实验、发动机与进气道的匹配实验、飞机表面的防热实验等。每架新飞机试飞以前必须具有上述风洞实验的合格证明才能予以放飞。

同样，导弹、卫星、飞船等的研制过程也必须进行大量的风洞实验，如研制美国“民兵导弹”就曾使用了17座风洞等实验设备，实验时数达37000小时以上。不少飞行器在初次发射过程中会暴露出不少新问题，这也得靠风洞实验来找原因。例如，无人驾驶的阿波罗飞船再入大气层时，发现实际着陆点和预算着陆点竟相差380公里！原因何在？通过更进一步的风洞实验才发现，原来风洞实验模型的模拟防热层和飞行器实际防热层在几何形状上有微小的差异，使操纵面平衡角差2.5°，于是在飞行重心一定时升阻比（升力与阻力之比）损失20％，因而着陆点相差了380公里。

新的统计资料表明，一个典型飞行器型号的研制周期大约是10年左右，其中有3～4年要花在研究实验工作上，这当中空气动力问题约占一半。由此可见，一种新的飞行器的诞生、试飞及改型都得靠在风洞里做大量的气动力实验。因此飞行器设计师们都深有感触地说：“风洞是诞生飞行器的摇篮”。风洞实验既能在飞行器的新型号研制工作中提供新的构思，开辟新的技术途径，又能保证新的飞行器及时地、经济地、可靠地飞上天。这个道理很简单，因为修改图纸比修改实物容易得多，节省得多。有人做过如下的测算：飞行器在方案设计和初步设计阶段若修改飞行器外形所付的成本为1的话，那么把它制造出来进行首次飞行后再要进行外形修正，则所需付的代价是30000。由此读者就很容易理解为什么工业发达的国家和发展中国家都十分重视空气动力实验基地的建设，先后建立起了强大的国家级空气动力实验研究中心。

4.乔治·凯利：空气动力学的奠基人

伦敦科学博物馆内收藏着一件1799年制作的小银盘。盘子的一面刻着对作用在机翼上的力的说明；另一面刻着一架滑翔机草图。飞行员坐在固定机翼下的船式机身内，操纵着一副桨式“扑动翼”，以产生推动力。尾部有组合式升降舵和水平安定面，以及组合式垂直安定面和方向舵，其安装呈十字形。如果用螺旋桨代替扑翼，那么，图上这架带动力的滑翔机和现代飞机就更加相似了。

当年制作这个小银盘的，便是航空史上被称为“空气动力学之父”的英国人乔治·凯利爵士。

凯利生于1773年12月27日，早期受过很好的教育，并同著名数学家乔治华克的女儿莎娜结为伉俪，俩人长相厮守达63年之久。凯利虽然从1792年便继承父志，开始经营庞大的产业，可是在他的内心里，却充满着征服天空的愿望和追求。

凯利10岁那年，亲眼见到了法国人作第一次载人气球飞行。那雀跃欢腾的热烈场面，惊心动魄的紧张时刻，以及凯旋的天之骄子，都使他激动不已，这一切在他那幼小的心灵中播下了飞天的种子。他想，轻于空气的气球能升天，那比空气重的鸟儿为什么会在天空中翱翔呢？于是他开始构思重于空气的航空器。