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浅谈工程力学在航空航天方面的应用

前言物理世界万千变化，,从学巨人牛顿到我国著名科学家钱学森,力学家们在人类文明和

国家家强盛中做出了世纪性的贡献,铭刻于工业革命、“两弹一呈”等人类进步、国之利器之中。

如今,面对方兴未艾的科技革命和建设创新型国家的需求,力学焕发出新的光辉和使命。

20世纪初的时候,人们研制出了飞机,空气动力学因此被人们所逐渐重视起来,由此空气

动力学得到长足的进步。人们也逐渐发现很多问题并且逐一解决,人们开始研究飞行器四周

的受力情况和飞行器周围的空气流动情况,这就大大促进了流体力学的发展。20世纪初,儒科

夫斯基、恰普雷金普朗特等研究人员,开创了最早的机翼理论,解释了为何机翼会受到举力,

飞机是如何被举上天空。人们通过机翼理论对无粘流体的理论有了新的认识,认为它对于指

导工程设计存在着的重大作用。

湍流是流体力学中最困难的问题之一,曾经吸引了众多人从事研究。例如普朗特,柯莫戈

罗夫,兰道(Landau)等人。经过一代代人们的研究,人类对于湍流现象已经有了一定的了解。

也逐渐探索到了一些解决的方法。湍流是流体的一种流动状态。当流速很小的时候,流体分

层流动,互不混合,称为层疏,也称为稳流或片流;逐渐增加流速,流体的流线开始出现波浪状的

摆动,摆动的频率及振幅随流速的增加而增加,此种流况称为过渡流;当流速增加到很大时,流

线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,层流被破坏,相邻流层间不但有动滑,还有混合。这时

的流体作不规则运动,有垂直于流管轴线方向的分速度产生,这种运动称为湍流,又称为乱流、

扰流或紊流。

1引言

所谓的流体力学,是一门研究流体力学运动规律并且使它能够得以运用的学科。主要研

究的是流体在不同的力的作用下,流体本身的状态变化。1738年,伯努利出版了《水动力学》。

人们又在1880年左右提出了空气动力学这一概念最终人们结合这两个方面,开创了流体力

学。

2机翼理论的发展

机翼理论的建立和发展使流体力学有了更大的发展,它很好的结合了无粘流体理论同粘

性流体的边界层理论。由于汽轮机的完善和飞机飞行速度提高到每秒50米以上,又迅速扩展

了从19世纪就开始的,对空气密度变化效应的实验和理论研究,为高速飞行提供了理论指

导.20世纪40年代以后,因为应用了喷气推进和火箭技术,飞行速度超过声速,因此航天飞行

得以实现,气体高速流动的研究也因此得到的飞快的发展,形成了气体动力学、物理化学流体

动力学等分支学科。流体力学中的这种边界层现象,也对其他领域的发展起了很大的作用。

由于其中有着更加深奥的内容,应用数学也由此进一步的发展

3湍流对航空航天的发展的影响

航天飞行器在大气层内飞行的时候,经常会碰到湍流的问题,湍流已经是现在的飞行问

题之一,而且因为现在的飞行器对精细化的要求越来越高,大大加深了湍流的问题,设计问题

也因此受到了很大的影响。而且这种影响,例如:影响热防护系统的设计,影响有效载荷的设计,

影响飞行器气动布局的设计。

4航空空气动力学

先说空气,空气是人类平时生活中一直能接触到的,如果没有空气,人类和地球上的很多

生物都无法生存,而对于空气动力学这一门科学研究,人们对它并不是十分了解。空气动力学,

是众多科学领域的一个分支,正是由于它的存在极大的促进了航天航空事业的发展。

1903年。世界上第一架飞机由莱特兄弟制造出。人类实现了长久以来的飞天梦想。他们建

立了一个小型风洞,经过长时间的研究和尝试,终于在空气动力学基础理论的帮助下成功制

造了这一架飞机。

随着技术的提升,人类逐渐可以研制重于空气的飞行器。40年代中期到50年代,可压缩

空气动力学得到极大的发展,同时人们发现了跨音速面积积律,最终实现对“音障”的突破,超音

速飞行得以实现。由苏联和美国等国家研制出的喷气式飞机,例如美国的F-86,苏联的米格

15等。50年代后,人类更是大力研究关于超音速的问题。由此第二代性能更加先进的飞行器

被研制了出来,例如美国的飞行器F-4,苏联的飞行器米格-2,法国的幻影-3等。

传统的飞行器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,

风洞试验是主要的设计工具。计算机技术的快速发展大大提升了空气动力学的发展速度。如

今大力发展的计算流体力学会重点尝试提高对黏流流场物理现象的模拟能力,特别是精确预

测流动分离点以及湍流流动。

4结论

由此可以看出,力学与航天航空工程密不可分。航天航空工程的发展过程中处处都有力

学的影子。随着航天