空气动力学发展简史及展望_边若鹏

空气动力学发展简史及展望

边若鹏1 周欣荣2 郭 强2

（1.海军驻保定地区航空军事代表室 河北 保定 072152；2.中航工业惠阳航空螺旋桨有限责任公司 河北 保定 072152）

摘 要： 航空航天事业的发展推进空气动力学的发展之外，60年代以来，由于交通、运输、建筑、气象、环境保护和能源利用等多方面的发展，出现工业空气动力学等分支学科。伴随主动流动控制技术的逐步研究和探索以及先进推进系统、结构、材料、控制和机载电子学科方面的突破，航空飞行器将面临新的变革期，翼身融合体（BWB ）飞机、鸭式旋翼/机翼（CRW ）复合飞机以及变形飞机将成为21世纪典型的航空飞行器。

关键词： 空气动力学；发展；展望

中图分类号：U461.6 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0820030－01

空气动力学是力学的衍生支派，它着重探索物体在与气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。空气动力学很重要，这一点很多人应该都知道。特别是当我们越开越快的时候。如果你不信在当今的遥控车比赛中，你可以试试不用车壳裸跑，就会看到很大的区别。在我国十一国庆大典上，各式飞机进行的表演，航展上的各种特技，如果没有创新性的考虑空气的动力和阻力，那将是不能实现的事。

1 空气动力学的发展简史

对空气动力学的渊源，可以追溯到人们对鸟在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测。一般来说，水滴形状是最棒的，也就是说它产生的空气阻力最小。近代的研究发现，企鹅形状的物体阻力更小。无论什么形状，其重点是：空气在形状平缓的物体的表面流动，是最有效率的。这种进化的结果是因为所有有突出的形状或者锋利的边角的东西都会产生阻力，这种阻力会使飞机飞得更慢。

荷兰物理学家惠更斯第一个估算出物体在空气中运动的阻力，而后牛顿应用力学原理和演绎方法得出：在空气中运动的物体所受的力，正比于物体运动速度的平方和物体的特点面积以及空气的密度。这一工作是空气动力学典型理论的开始。

除航空航天外，空气动力学在其他方面也有十分重要的运用。大型建筑物设计到风载荷，市内空气动力学研究城市的微气候环境，环境空气动力学研究大气环流和飞行对生态环境的影响。还有引擎设计所包括的热流和内流也是空气动力学十分重要的方面。在包含汽车在内的全部运输工具的设计中，它都是一个非常重要的要素。

在高速运动的情况下，须将流体力学与热力学这两门学科综合分析，才能正确了解和解决高速空气动力学中的问题。1887～1896年间，奥地利科学家马赫在探究弹丸运动扰动的传播时指出：在小于或大于声速的不同流动中，弹丸引起的扰动传播特征是根本不同的。

在高速流动中，流动速度与当地声速之比是一个重要的无量纲参数。1929年，德国空气动力学家阿克莱特第一次将此无量纲参数和马赫的名字放在一起进行比较，十年后，气体动力学中出现了马赫数此特征参数。

英国科学家兰金在1870年、法国科学家许贡纽在1887年分别独立地成立了气流通过激波所应满足的关系式，为超声速流场的数学处理提供了预备的边界条件。对于薄冀小扰动问题，阿克莱特在1925年提出了二维线化机冀观点，以后又对应地产生了三维机翼的线化理论。这些超声速流的线化理论成功地解决了流动中小扰动的影响问题。

在飞行速度或流动速度与声速接近时，飞行器的气动性能发生剧烈变化，阻力突增，升力骤降。飞行器的操纵性和稳定性极端恶化，这就是航空史上著名的声障。大推力发动机的出现冲过了声障，但并没有非常好地解决复杂的跨声速流动问题。直至20世纪60年代以后，由于跨声速巡航飞行、机动飞行，以及发展高效率喷气发动机的需求，跨声速流动的探索更加受到重视，并有很大的进展。

远程导弹和人造卫星的研发推动了高超声速空气动力学的发展。在50年代到60年代初，确立了高超声速无粘流理论和气动力的工程计算方法。60年代初，高超声速流动数值计算也有了快速的进展。

由于在高温条件下引起飞行器表面材料的烧蚀和质量的引射，应研究

高温气体的多相流。空气动力学的发展出现了和多种学科相融合的特点。

空气动力学发展的其他重要方面是研究实验，包括风洞等各种实验设施的发展和实验理论、方法、技术的进展。世界上首个风洞是英国的韦纳姆在1871年建成的。到目前适用于各种模拟条件、目的、用途和各种测量方式的风洞已有数十种之多，风洞实验的内容极为广泛。

20世纪70年代以来，激光技术、电子技术和电子计算机的迅速发展，很快提高了空气动力学的实验和计算水平，使对高度非线性问题和复杂结构的流动的研究迅速升温了。

除了上述由航空航天事业的发展推进空气动力学的发展之外，60年代以来，由于交通、运输、建筑、气象、环境保护和能源利用等多方面的发展，出现了工业空气动力学等分支学科。

2 空气动力学发展展望

海湾战争中“多国”部队使用的“空地整体战”，即协同陆、海、空与电子战而形成的一个整体化作战体系，表现了现代战争的特点，并使“多国”部队取得了绝对性的胜利。“空地整体战”的核心是空中优势，因此当前各国在大量削减常规武器的同时又继续增大对航空新技术研究的投资，以发展更先进的飞机，争取空中优势。

航空空气动力学发展的目的是不断地开发新的飞机设计概念，成功地实现先进飞机的设计，研究使设计师在经济可承受范围内精确预测气动力、力矩和载荷的可靠工具。航空空气动力学发展研究的最终目的是成功地实现先进的飞行器设计。传统的飞机气动布局设计主要依赖理论研究估算、设计师的经验以及大量的风洞试验结果，风洞试验是主要设计工具。

伴随主动流动控制技术的逐步研究和探索以及先进推进系统、结构、材料、控制和机载电子学科方面的突破，航空飞行器将面临新的变革期，翼身融合体（BWB ）飞机、鸭式旋翼/机翼（CRW ）复合飞机以及变形飞机将成为21世纪典型的航空飞行器。

3 结束语

将来战斗机和民航机的设计是高度复杂的大系统，并涉及多种学科的总和。导弹、雷达、电子仪表及自动控制系统等的迅速发展对战斗机的优异性能起着愈来愈大的作用；然而，毋庸置疑高性能的动力装置和优良的空气动力特性仍然是使战斗机获得高机动性和机敏性、在作战效能上实现新高度的保证，也是使民航机获得优异的巡航性能、起飞着陆性能和经济性的保证。因此，空气动力学在航空中的位置还需加强。没有先进的空气动力技术及新成果，就无法实现未来军、民机的高性能。

参考文献：

[1]徐华舫，《空气动力学基础》，北京：北京航空学院出版社，1978. [2]陈再新，《空气动力学》，北京：航空工业出版社，1993. 作者简介：

边若鹏（1975-），男，海军驻保定地区航空军事代表室，研究方向：螺旋桨设计；周欣荣（1979-），女，中航工业惠阳航空螺旋桨有限责任公司，研究方向：螺旋桨设计；郭强（1971-），男，中航工业惠阳航空螺旋桨有限责任公司，研究方向：螺旋桨设计。