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航空航天工程与力学

摘要：自20世纪初以来的100多年的飞跃式发展，

航空航天已成为各国竞争最激烈的领域之一，而力学又为

其做了不可磨灭的贡献，所以就有必要通过它的发展和现

状来看一下力学今后的前景。

关键词：空气动力学发展现状前景

一、引言

遥望浩瀚的星空，人类充满无限的憧憬和向往，与世

界其他民族一样，中华民族对飞天的向往由来已久，在中

国广为流传的牛郎织女和嫦娥奔月的美丽传说反映了中国

古人对银河系的蒙胧认识以及进行星际航行的强烈渴望。

到了12世纪，中国人发明了依赖自身喷气推进的火箭，

14世纪末，中国明朝的官员万户坐在装有47个火箭椅

子上，双手各持一个大风筝，试图借助火箭的推力和风筝

的升力实现飞行的梦想，这是人类利用火箭飞行的第一次

尝试，国际天文联合会因而以万户的名字命名了月球上最

大的一座环形山来纪念这位飞天勇士。千百年来中华民族

从未停止过探索。

20世纪初，世界上第一架飞机出现以后，飞机和其他

各种飞行器得到迅速发展。20世纪50年代开始的航天飞

行，使人类的活动范围扩展到其他星球和银河系。航空航

天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科——空气动力

学和气体动力。飞机的出现极大地促进了空气动力学的发

展。航空事业的发展，期望能够揭示飞行器周围的压力分

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布、飞行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体力

学在实验和理论分析方面的发展。20世纪初，以儒科夫斯

基、恰普雷金、普朗克等为代表的科学家，开创了以无粘

不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼

怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托上天空。机

翼理论的正确性，使人们重新认识无粘流体的理论，肯定

了它指导工程设计的重大意义。空气动力学的发展，就没

有今天如此成熟的航空航天技术。打个比方，如果说数学

是科学这个王冠上的明珠，那么力学同样是航空航天技术

王冠上那颗最明的珠子。

二、简述空气动力学的发展简史

对于空气动力学，人类很早就开始研究了。上可追溯

到远古时代人类对鸟在飞行时的受力和力的作用方式就进

行了种种的猜测。文艺复兴后，物理学家惠更斯首先估算

出物体在空气中运动的阻力；之后的17世纪初，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征面积以及空

气的密度。这可以看作是空气动力学经典理论的开端，也

是人类新纪元的起点。

牛顿之后，数学家欧拉得出了描述无粘性流体运动的

微分方程，即欧拉方程。这些微分形式的动力学方程在特

定条件下可以积分，得出很有实用价值的结果。19世纪上

半叶，法国的纳维和英国的斯托克斯提出了描述粘性不可

压缩流体动量守恒的运动方程，后称为纳维-斯托克斯方

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程，这些对初期的空气动力学的发展都起到了巨大的推动

作用。到19世纪末，经典流体力学的基础已经形成。20

世纪以来，随着航空事业的迅速发展，空气动力学便从流

体力学中发展出来并形成力学的一个新的分支。航空要解

决的首要问题是如何获得飞行器所需要的举力、减小飞行

器的阻力和提高它的飞行速度。这就要从理论和实践上研

究飞行器与空气相对运动时作用力的产生及其规律。1894