淺談飛機制造中空氣動力學原理應用

任思齊

摘要空氣動力學主要研究物體在同等氣流相對運動情況下的受力特征，以及氣體流動規律和伴隨發生的物理化學變化。空氣動力學是隨著我國航空工業技術發展應運而生的一種科學，是力學的一個重要分支。其發展對于我國航天器的發展也有著重大的意義。本文將淺述飛機制造的發展歷程及動力學原理在飛機制造中的應用及其發展趨勢。

關鍵詞飛機制造；空氣動力學；航空航天；戰斗機

隨著國際化形勢的變化，航空發展更加迅猛，信息化程度不斷提高，航空技術也面臨著更多新的挑戰，這也對航空技術提出了更高的要求，作為航空技術的重要基礎學科之一的空氣動力學，同樣也面臨著諸多全新的挑戰和機遇。同時空氣動力學是航空航天最為基礎的科學技術之一，對國家安全、經濟發展、社會穩定都有著不可替代的作用。本文將講述飛機發展歷程中空氣動力學的具體原理應用。

1空氣動力學研究歷程

空氣動力學是航空領域中不可缺少的一門科學，其發現到應用可以分為以下幾個階段。

1）1726年，牛頓應用力學原理和科學演繹法得出：在空氣中物體中受到的力，與物體的速度和物體的面積及空氣密度成正比例。

2）19世紀末，流體力學基礎基本形成。

3）20世紀以來，在航空事業的蓬勃發展下，空氣動力學從流體力學中也逐漸發展壯大，并獨立出來形成了一個新的分支，從此以后空氣動力學走上了高速發展的道路。

2飛機制造中空氣動力學的應用

1）第一次世界大戰后，空氣動力學研究成果開始應用于飛機設計。這提高了飛機的運行速度和安全指數，慢慢地更多的研究者致力于優化飛機的升力、阻力等問題，空氣動力研究結果對機翼設計提出更多要求，采用大展弦比的機翼，比如：采用雙凸或者上凸下平的機翼，目的是令其產生更好的流線型。

流線型機翼可以減少摩擦阻力。同時將分析和旋渦現象出現的概率降到最低，大大減少了尾流阻力，使得飛機功率大大提高，這些性能的優化改進，保障飛機的升力值大幅度提高。

2）第二次世界大戰后，飛機進入噴氣技術與超音速時代。20世紀30年代以后，飛機主要應用不可壓縮空氣動力學原理。由于此時的飛機運行速度不高，忽略了空氣的可壓縮性，在30年代末期，飛機俯沖時已經接近音速，但此時波阻問題的出現導致了很多機毀人亡的事件，研究人員開始向著高速甚至超音速發展。

波阻是影響飛行的重要因素，據統計，飛機在接近音速飛行時，阻力系數會加劇到原來的好幾倍，最大可消耗發動機全部功率的3/4，因此，在跨音速段的空氣動力學問題是相當棘手的。經過一番研究，隨后動力學家布斯曼提出了對飛機外形的進一步改良，提出后掠翼的設計理念，這將在很大程度上提高飛機運行速度，此項設計使德國獲得了“跨音速飛機”的專利。而此前，超音速飛戰斗機機，也已經完成了第四代。代表機型如美國的“F-100”，英國的“獵人式”“幻影”F1等。

3）噴氣式客機在20世紀60時年代開始投入使用，先后出現的有英國的“彗星”，法國的“快帆”等，后繼出現的波音“737”、波音“747”等機型，其在氣動設計上進行了進一步的優化，選擇采取低阻力亞音速翼型，同時減小機翼后掠角，增大機翼相對厚度，改善部件干擾流場，提高了機翼展弦比，大大提高了氣動效率，降低了耗油量，并且更加節能環保。

3航空技術發展趨勢

1）更高的速度。在全球經濟發展中，中國、美國、英國、印度等國家紛紛提出了屬于自己的超高音速天空戰機的計劃。即使大都以維護和平為理由，但其真正的軍事價值是不言而喻的。而在眾多國家中當屬美國的發展占領鰲頭，雖然它的驗證機型X-37B已經進行過多次試驗，但是同時也積累了多次失敗的經驗，從失敗中吸取教訓后的機型改良升級，使得美國的戰機離實戰又近了一步。另外，美國創造的25倍音速的速度，也使其“一小時打遍全球”的計劃不再是不可能。

2）新的動力技術。當下最新的技術，當屬超然沖壓發動機了，這是一種能在超聲速氣流中進行燃燒的沖壓發動機，在采用氫燃料時，超燃沖壓發動機的飛行M數大約在8以下，而當改用氫燃料時，其飛行M值翻了3倍，可達到25的水平。目前，美國的X-43試驗機已經達到在大氣層內部9.6倍音速的記錄。

3）無人趨勢。近年來，中國的無人機的發展也十分迅猛，無人航空母艦戰斗機，無人機的發展趨勢日益明顯，我國已經發展出無人直升機，到無人偵察機等多種無人機的機型，圖1為我國無人機試飛機型。

無人機的優勢和用途是顯而易見的，主要分為以下3個方面：

（1）減少不必要的傷亡。無論是試飛還是真正投入使用，無人機在替代人類完成一些危險的飛行任務上面的作用是其他類型的飛機不可比擬的。

（2）外形更優美，輕巧并且承載力大。無人機的設計外形不需要考慮人的問題，因此可對其外觀進行更優質的改良同時能運載更多的武器裝備。

（3）在飛機性能維護上，無人機設計原理比較簡單，因此其造價低，操作人只需在地面就可以操作，減少了不必要的人力，提高了飛機安全性能。

4）過去的飛機在設計時，其燃料、發動機、操縱、控制等方面都是分開設計改造的。隨著航空技術的快速發展，人們慢慢意識到這種獨立的設計理念。雖然各要素組成部件的功能都發揮了最大的作用，但是飛機的整體性能仍然有待考證。因此，必須進行全部優勢的綜合化才能將飛機性能提升一個高度，簡單來說就是將各部分的優勢綜合運用到一架飛機上，使其具有高性能、高質量等特性，協調飛機的氣動性和隱身特性的關系，將空氣阻力降到最低，減輕飛機自重。由此看出，在未來飛機的設計中，需要朝著綜合的設計方向邁進。

4空氣動力學的發展趨勢

1）航空動力學主要是推動軍事政治形勢的需要，讓空氣動力學從低速到超高速再到超高速，甚至把飛機送入外層空間中。由此看來，未來的空氣動力學正朝著高速高空發展。

2）高速運動下，必然會涉及磁場和熱學的概念理論，因此，未來的空氣動力學將是一門多個學科交叉的科學，并且可能需要大型風能與性能完美結合的計算機來處理龐大的基礎數據。

3）隨著日后航空航天的研究進一步深入，空氣動力學細化是必然的發展趨勢，例如將理論研究與實際應用相結合，并且在新的研發技術應用前必須進行大量的試驗，這些實驗結論都作為空氣動力學原理應用的有力保證。

4）空氣動力與軍工國防緊密相連。空氣動力學與航空航天的發展是相輔相成的，這個理論的建立與實施會帶動航空業的發展，而同樣航空航天也會反作用于空氣動力學，使更多更深奧具體的理論出現。從21世紀后，航空航天發展中陸續出現超高音速飛行器、平流層無人機等，分別應用柔性空氣動力學、升力浮力一體化等理論，這些機型主要應用于我國國防建設，為國防做出了巨大的貢獻。

5結論

隨著航空航天發展的需要，空氣動力學逐步成為航空航天技術發展的基礎科學，從萊特兄弟發明飛機開始，到F-22邀游在廣袤的天空之后，我們可以看到全球的飛機研究制造都和空氣動力學研究掛鉤，同時空氣動力學與航空工業的關系是密不可分的。即使空氣動力學面臨著很多的挑戰，但與此同時它也被人們所需要，相信未來的航空工業在空氣動力學的指導下會取得更大的進步，航空工業也會為整個社會的經濟建設和國家安全做出更大的貢獻，讓整個世界的天空變得更加多姿多彩，也讓我們的生活充滿活力。endprint