崔爾杰

空氣動(dòng)力學(xué)是研究空氣和其他氣體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及運(yùn)動(dòng)物體與空氣相互作用的科學(xué)，它是航空航天最重要的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)之一。

一、空氣動(dòng)力學(xué)推動(dòng)20世紀(jì)航空航天事業(yè)的發(fā)展

1903年萊特兄弟研制成功世界上第一架帶動(dòng)力飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)了人類向往已久的飛行夢想。為了研制這架飛機(jī)，他們進(jìn)行過多次滑翔試驗(yàn)，還為此建造了一座試驗(yàn)段為0．Olm2的小型風(fēng)洞。正是這些努力，加上綜合運(yùn)用早期的空氣動(dòng)力學(xué)知識，最終獲得了成功。

20世紀(jì)初，建立在理想流體基礎(chǔ)上的環(huán)量和升力理論以及普朗特提出的邊界層理論奠定了低速飛機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，使重于空氣的飛行器成為現(xiàn)實(shí)。40年代中期至50年代，可壓縮氣體動(dòng)力學(xué)理論的迅速發(fā)展，以及對超聲速流中激波性質(zhì)的理論研究，特別是跨音速面積積律的發(fā)現(xiàn)和后掠翼新概念的提出，幫助人們突破“音障”，實(shí)現(xiàn)了跨音速和超音速飛行。50年代中期，美、蘇等國研制成功性能優(yōu)越的第一代噴氣戰(zhàn)斗機(jī)，如美國的F－86、F-100，蘇聯(lián)的米格-15、米格-19等。50年代以后，進(jìn)入超音速空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展的新時(shí)期，第：二代性能更為先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)陸續(xù)投入使用，如美國的F-4、F-104，蘇聯(lián)的米格-21、米格-23，法國的幻影—3等。

1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆地球人造衛(wèi)星和1961年第一艘載人飛船“東方號”升空，被認(rèn)為是空間時(shí)代的開始。美、蘇兩國在戰(zhàn)略導(dǎo)彈和航天器發(fā)展方面的激烈角逐，促使超音速和高超音速空氣動(dòng)力學(xué)得到迅速發(fā)展。兩個(gè)超級大國都投入巨大力量，致力于發(fā)展地面模擬設(shè)備，開鄰近高超出音速空氣動(dòng)力學(xué)和空氣熱力學(xué)的研究。航天方面的研究重點(diǎn)放在如何克服由于高超音速飛行和再入大氣層，嚴(yán)重氣動(dòng)加熱所引起的“熱障”問題上在錢學(xué)森先生倡導(dǎo)下誕生了一門新的學(xué)科，即物理力學(xué)，為航天器重返大氣層奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。航空方面的研究重點(diǎn)則放在了發(fā)展高性能作戰(zhàn)飛機(jī)、超音速客機(jī)、垂直短距起落飛機(jī)和變后掠翼飛機(jī)。這一時(shí)期，空氣動(dòng)力研究方面的另一項(xiàng)重要成就是“超臨界機(jī)殿”新概念的提出，它可以顯著提高機(jī)翼的臨界馬赫數(shù)。

20世紀(jì)70年代后，脫體渦流型和非線性渦升力的發(fā)現(xiàn)和利用，是空氣動(dòng)力學(xué)的又一重要成果。它直接導(dǎo)致了第三代高機(jī)動(dòng)性戰(zhàn)斗機(jī)的產(chǎn)生，如美國的F-15、F-16，蘇聯(lián)蘇-27、米格－29和法國的“幻影2000”。

20世紀(jì)80年代以后，由于軍事需求的強(qiáng)力推動(dòng)，美、蘇兩國都開始加緊研制第四代戰(zhàn)斗機(jī)和高超音速飛行器以及跨大氣層飛行器，其中最有代表性的是1981年美國發(fā)射的航天飛機(jī)。由此形成了現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展的新時(shí)期。

二、21世紀(jì)航空航天事業(yè)事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)

1986年美國宣布執(zhí)行單級入軌的國家空氣飛機(jī)計(jì)劃(NASP)，希望能在20世紀(jì)末研制出馬赫數(shù)為25的空天飛機(jī)，但由于作為動(dòng)力的氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研制中遇到了難于克服的困難，不得不于1994年宣布停止研制。隨后又制訂了以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力、可重復(fù)使用的空天運(yùn)載器X-33、X-34和X-37的發(fā)展計(jì)劃，后因X-33液氫儲箱復(fù)合材料脆性斷裂等一系列技術(shù)問題和財(cái)政等其他方面的原因，上述研制計(jì)劃于2001年3月終止。以后，美國空軍和NASA還分別實(shí)施了“高超技術(shù)”(Hytech)和“高超-X”(Hyper-X)計(jì)劃，但進(jìn)展并不順利，作為該計(jì)劃的第一架X-43A首飛失敗，2002年進(jìn)行的另一次飛行試驗(yàn)也因火箭助推器出現(xiàn)故障而未能成功。美國人在總結(jié)這些研制教訓(xùn)時(shí)才認(rèn)識到，一系列高超聲速流的基礎(chǔ)研究儲備不夠和風(fēng)洞等地面模擬設(shè)備能力的嚴(yán)重不足是導(dǎo)致失敗的主要原因。

1996年美國制訂了21世紀(jì)空軍裝備發(fā)展的戰(zhàn)略性文件，提出建立全球快速機(jī)動(dòng)反應(yīng)和靈活作戰(zhàn)保障能力，全方位占領(lǐng)空中優(yōu)勢的明確目標(biāo)。航空方面以美國F-22、聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)(F-35)為代表的第四代戰(zhàn)斗機(jī)，將高機(jī)動(dòng)性、敏捷性、超音速巡航能力、高隱形能力、更大的高度／速度范圍等諸多優(yōu)異性能集于——身，對空氣動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力推進(jìn)、電子控制和材料、工藝等技術(shù)提出了更高要求。

三、我國的空氣動(dòng)力學(xué)研究

1949年以前，我國空氣動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)非常薄弱。中華人民共和國成立后，黨和國家高度重視航空航天事業(yè)，空氣動(dòng)力學(xué)因而獲得蓬勃發(fā)展。1956年，北京空氣動(dòng)力研究所成立，這是我國第一個(gè)綜合性的空氣動(dòng)力研究試驗(yàn)基地。1958年，為適應(yīng)航空發(fā)展的需要，建立了沈陽空氣動(dòng)力研究院。1976年，在四川綿陽成立國家級的中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，至今已建成各類中大型地面模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括試驗(yàn)段尺寸為6m,Sm的低速風(fēng)洞、2m激波風(fēng)洞、2．4m跨超音速風(fēng)洞、200m彈道靶等共30余座。經(jīng)過50多年的努力，我國的空氣動(dòng)力學(xué)取得了很大進(jìn)展，基本能滿足現(xiàn)在型號選型和部分定型試驗(yàn)要求。在發(fā)展理論與數(shù)值計(jì)算、地面模擬試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)以及在解決型號氣動(dòng)問題方面取得了大批研究成果，使得對飛行器氣動(dòng)特性的預(yù)測能力和設(shè)計(jì)水平有了很大的提高，為我國飛機(jī)、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星和其他型航天器研制做出重要貢獻(xiàn)。

在近期召開的我國首屆近代空氣動(dòng)力學(xué)與氣動(dòng)熱學(xué)會(huì)議上，來自國內(nèi)外的200余位空氣動(dòng)力學(xué)者圍繞前瞻性技術(shù)研究展開熱烈討論，中科院院士莊逢甘對未來空間飛行器推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展做出展望：

激光推進(jìn)，即遠(yuǎn)距離發(fā)射出的高能激光，在航天器的拋物面反向鏡聚焦后加熱氣體，使氣體熱膨脹產(chǎn)生推力?？茖W(xué)家預(yù)測，這種運(yùn)載工具有效載荷可提高到15％以上。目前美、俄等國已經(jīng)提出制造激光飛船的計(jì)劃，到2015年將可推進(jìn)數(shù)百公斤的小型飛船并送到太空。

核能推進(jìn)，利用核反應(yīng)產(chǎn)生的能量加熱工質(zhì)或產(chǎn)生等離子體高速噴射產(chǎn)生推力。這相當(dāng)于在飛行器上搞一個(gè)小的核反應(yīng)堆。這項(xiàng)技術(shù)只有解決污染問題才可得到應(yīng)用，目前尚在論證當(dāng)中。

光壓推進(jìn)，利用這種技術(shù)的飛行器就像一艘帆船，把太陽光或其他粒子流照射到帆板上，根據(jù)光帆兩面的壓差產(chǎn)生推力。國外不久前發(fā)射的光帆飛船，裝有8個(gè)太陽帆板，能從不同方向反射太陽光，乘光前進(jìn)。雖然發(fā)射沒有最終成功，但已經(jīng)邁出了可喜的一步。

反物質(zhì)推進(jìn)，現(xiàn)今推進(jìn)技術(shù)最高推進(jìn)速度約為每秒20公里，無法實(shí)現(xiàn)恒星際飛行。反物質(zhì)推進(jìn)的飛行器將有可能達(dá)到光速。其原理是，帶電粒子在強(qiáng)電場作用下，噴射速度接近光速。利用其產(chǎn)生的推力推進(jìn)，科學(xué)家們初步估算，一艘質(zhì)量為1000千克的飛船加速到0．1倍光速，需9千克的反物質(zhì)“燃料”?，F(xiàn)在科學(xué)家們正在研究反物質(zhì)如何生產(chǎn)和儲存。這種技術(shù)難度很高，然而一旦成功將是一次革命。