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世界航空航天发展史概要




力学学科从它诞生起就是与社会生活紧密相连 的,在精神生活的领域方面它为破除迷信冲破 精神枷锁开路,在改变人类的物质生活方面, 它是社会生产力最活跃的因素。 和人类文明进程密切相关的工程技术领域很多, 如土木、机械、化工、电机、交通、造船、纺 织、材料、能源等等,在每一个领域力学都发 挥了举足轻重的作用,我们不可能面面俱到地 讲清楚这所有的领域同力学的相互作用,只能 选择这些领域中最具有代表性的航空与航天两 个领域来介绍,必要的时候,也顺带涉及到相 关的领域。
一、 早期人类对于飞行的探索

流体力学的理论发展,为航空工业的诞生 准备了理论基础。在 19 世纪末,不少人进 行了飞行的探索。这些探索为 20 世纪初的 实际飞行准备了条件。最后终于迎来了一 个新兴的工业部门的诞生,这就是航空工 业的产生与发展。
我国晋代有关于竹蜻蜓的记载,是一种借旋转惯性以 升空的玩具。
航空、航天技术的发展
今天不可能的事明天将变为可能。 ---康· 埃· 齐奥尔可夫斯基
一、早期人类对于飞行的探索 二、早期的飞机 三、航天技术的发展

20 世纪是人类开始的航空与航天的世纪。 在人类开创的种类繁多的技术领域中,这 两个领域是与力学学科关系最为密切、也 最具有代表性的领域。由于力学的发展, 才使航空和航天成为可能;也由于航空和 航天的技术需要,刺激和推动了新的力学 问题的研究,特别是应用力学与工程力学 的研究。

根据鸟的飞行原理,达· 芬奇设计了飞机、降落伞、 直升机。他考虑最多的是扑翼机,他说:“鸟是 一架按数学定律工作的机器,人具有复制这架机 器全部运动的能力。它的强度可能不会符合,因 为缺少维持平衡的动力。我们可以说,人们建造 这种机器不缺少任何东西,只有鸟的生命除 外。”[1]后来的历史发展证明,达· 芬奇的这个论 断是十分正确的。 [1] 艾玛· 阿· 里斯特著,郑福洁译,《莱奥纳 多· 达· 芬奇笔记》,三联书店,1998年,第102页

1809-1810年凯利分三次在英国的《自然哲学、 化学和技艺》杂志上发表了题目为《论空中航行》 的论文。这是世界上最早的航空论文,也是世界 上现代航空的标志。所以凯利后来被人们称为 “航空之父”。在论文中,他明确说:“全部问 题是给一块平板提供动力,使之在空气中产生并 支持一定的重量。”文中他经过精心计算,给出 了一架飞机的设计参数,换为现在的单位:当平 板的面积为 60 平方米、迎风角为 6 度、速度为每 秒10米时,升力可以支承90千克的人机总重。他 并且说:“如果这块平板能在动力作用下高效率 运动,空中航行就会实现。”
利林塔尔 飞行图
二、早期的飞机
1、 兰利uel Pierpont Langley,1834- 1906)是美国的职业科学家,起先曾从事 土木工程工作,后来靠自学成为著名的天 文学家。他发展了测辐射热仪,对太阳光 谱测量作出了重要贡献,1867年,任美国 匹兹堡大学的物理与天文学教授。他从幼 年便对鸟的飞翔产生了极大的兴趣。经常 连续数小时观看鸟的飞行。

1887年兰利移居华盛顿,出任当时美国学术权威 机构斯密森学会的秘书。他建造了一座60英尺的 悬臂机,该机靠煤气发动机驱动,外周速度可达 每小时70海里。利用这座悬臂机,他进行了大量 的空气动力实验,研究平板与鸟翼在空气中运动 时的阻力与升力的规律,由此得到了许多定量的 结果,并且纠正了前人的不少错误。他得出了有 2 一攻角的平板升力为 F kAV sin 其中A为平板面 为空气的密度、 为平板的 积、V为飞行速度、 攻角。兰利将他的研究结果写成一本书《空气动 力学实验》,于1891年由华盛顿的斯密森学会出 版。这本书是最早的比较系统的实验空气动力学 著作,对后来的飞机研究者,包括莱特兄弟影响 很大。

德国的利林塔尔, 1889 年发表了一本《鸟 类飞行的艺术》,这本书对后来的飞行影 响很大。他还制造了具有蝙蝠形状机翼的 滑翔机,为了改进他制造的滑翔机,他进 行了 2000 次以上的飞行试验。他对滑翔机 不断改进,最长的一次飞行是从 15 米高的 山头上起飞,滑翔了300米远。他在滑翔机 上增加了舵,并且准备装上动力,可惜在 1896年8月的一天,在试飞时,因为机翼折 断而牺牲。他离开人世时最后的遗言是: “如果没有牺牲,任何事都不会成功。”

除了实验室研究外,兰利还动手做飞行试验。他 先后从1891年开始试制了橡筋动力模型飞机、设 计并制造了轻型蒸汽机、并且设计了空中旅行者0 -6共7个型号的飞机模型、对其中的第5、6两号 在1896年进行了成功的飞行、后来又在1903年进 行了两次不成功的载人的飞行试验。后来因为财 政拮据和新闻界的冷嘲热讽,以及兰利本人年事 已高(接近70岁)的诸多原因,放弃了试验,兰 利也于1906年逝世。后人总结他载人飞行的失败 主要是由于结构上的不合理,当时他的发射架如 果采用轮式起落架,试飞很可能是另一种结果。
兰利像
Samuel Pierpont
Langley
1834-1906
兰利的飞机(1901)
2、 莱特兄弟的飞机


飞机的发明与发展是力学渐渐渗入技术的结果,是 从盲目走向自觉的过程。19世纪末不少人都想制造 飞机,当时滑翔机已有相当的进步,凡是致力于改 进滑翔机的人,很自然的想法是在滑翔机上安装上 动力。但是那时只有蒸汽机这种过重的发动机。 于是有一些人从事研究内燃机,如德国的利林塔 尔与皮尔彻在1896年与1899年,先后在滑翔机上 安装上内燃机进行试验。不幸他们二人先后都因为 事故而牺牲。同时美国也有人进行类似的试验,结 果也以失败而告终。

后来,在凯利逝世后的半个世纪,美国的 莱脱兄弟实现了飞机飞行,大莱脱曾说过: “我们设计的飞机,完全按照凯利爵士的 非常精确的计算方法。”所以后来西方的 航空专家都称凯利为航空之父。
凯利设计的飞机
4、世界各国的早期飞行探索


在19世纪的后期,在英国、俄国、德国、法国都有一些动 力飞行的探索者。 1842 年英国的汉森申请了他的飞机设计专利,这是世界 上第一个有关飞机的专利。他的飞机上装置的动力是蒸汽 机,他将这种飞行器定名为“空中蒸汽车”。后来他自己 进行了模型试验,在头几次试验失败后,他的财力已经耗 尽,无力继续而停止了。 1857 年,法国的布里斯制造了一架大型滑翔机,他的起 飞方式是将滑翔机固定在马车上,然后驱车沿大路奔跑, 当马车达到一定速度时,把滑翔机放出去。在第二从试飞 时,不幸遇到了下降的气流,滑翔机摔坏,他本人也摔断 了大腿。过了10年,他又东山再起,继续继续滑翔机试验, 试验又遭失败,从此他退出了航空。
3、凯利的飞行研究


在达· 芬奇系统地研究鸟的飞行之后的数百年间, 人们似乎忘掉了航空。特别是,在18世纪末,当 法国人乘气球升空得到成功,并热衷于研究靠气 球飞行、又逐步并取得进展的时候,在法国没有 人再关心飞机飞行了。 到 了 19 世 纪 初 , 英 国 人 乔 治 · 凯 利 ( George Cayley,1773 - 1858 )才又提出这个问题,而且 比达· 芬奇更前进了一步.
齐伯林
Ferdinand von Zeppelin 1838—1917
齐伯林的气球


利用氢气比重比空气小的性质进行飞行, 是基于流体静力学原理,即在古希腊由阿 基米德所发现的浮力原理。虽然后来历经 改进,采用氦气,采用金属外壳,还安装 了发动机进行飞行,但是由于它既笨重又 不安全,所以后来慢慢被飞机淘汰了。
1、达· 芬奇的《论鸟的飞行》


我国在战国时代有了风筝、三国时代有了孔明灯、晋代有了竹蜻蜓、 宋代有了火箭的发明。它们是人类早期对重物升空的尝试。 在欧洲的文艺复兴时代,在达· 芬奇的扎记中记载了他对滑翔升空的构 想。据说他曾经花了20多年观察与研究鸟、蝙蝠、昆虫的飞行,并且 计划将他的发现写成一本著作。 1505 年,达 · 芬奇写成了研究手稿 《论鸟的飞行》。达· 芬奇是大画家,在这篇论文中,图文并茂。他指 出“由于大气本身是具有可压缩的性质的物质,当有某种物体以比它 的流动更快的速度拍击大气时,它就要受到压缩。”还指出“除非翅 膀拍击空气的运动比空气压缩时自身的运动速度快,否则翅膀下的空 气不会变得很密,因此鸟就不会在空中支承自己的重量。”达· 芬奇在 这里已经有了作用与反作用的思想,即鸟的翅膀拍击空气,空气给鸟 的翅膀以升力。达· 芬奇还研究了鸟的羽毛的结构,他的结论是:羽毛 的排列特点是当它向下扇动时,结构是密的压缩空气的效果显著;而 当翅膀上扬时,羽毛变的疏散以减少空气阻力。
达· 芬奇
Leonardo da Venci 1452-1519 的自画像和飞机的草图


达· 芬奇还观察到在山谷或一定条件下会产生向上 的气流,鸟经常利用这种上升的气流,高飞而又 节省力气。他进一步注意到鸟一般都是逆风而很 少顺风飞行。他说:“鸟逆风飞行可以不必扇扑 翅膀,这得益于下降时下面的气流。利用放松运 动使之处于气流之上。”他在这里已经有了空气 动力产生升力的萌芽,这是极可宝贵的体验。 此外达· 芬奇还对鸟的起飞、降落、转弯、滑翔等 动作,并且给了许多合理的解释。

这些只是动力飞行的早期探索者中的少数 例子。是这些勇敢的冒险家的前仆后继的 探求,人们又不断从中总结经验,才有后 来的飞行世纪。诚然,像后来最早飞行成 功的莱特兄弟,那样的胜利者的业绩值得 庆贺,而像利林塔尔,这样的失败者的业 绩也是可歌可泣的。
利林塔尔 Otto Lilienthal 1848 – 1896

美国在俄亥俄州开自行车修理店的莱特兄弟为德 国的利林塔尔的牺牲精神所鼓舞,决心试制飞机。 他们首先从制造滑翔机开始,从1899年开始,逐 渐改进。1899年,他们写信给斯密森研究院索取 有关航空资料,他们研究前人的经验,其中包括 达· 芬奇、乔治· 凯利、兰利教授、马克辛(机枪 的发明者)、查纽特、帕森斯、托马斯· 爱迪生、 利林塔尔、阿代尔、等等的事迹与经验。1901年 莱特兄弟(哥哥 Wilbur Wright,1867-1912,弟 弟Orville Wright,1871-1948)为了实验和改进 翅膀,建造了风洞,他们研究与比较了200种以 上的机翼形状。到1902年秋,已经积累了上千次 滑翔经验,掌握了飞行的理论与技术。
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