飞跃发展的航空科学

沈　元

虽然人类祖先很早以前就有学着鸟飞、翱翔天空的愿望，甚至还有飞到月亮、飞到星辰上去的幻想，但是人类真正的飞行历史主要是廿世纪的事情。在这六十年，特别是最近三十年的时期中，航空技术进展的速度是其他科学技术部门所少有的。从飞机速度提高的经过来看，廿世纪卅年代飞机最高速度才不过每小时四百公里左右；到了四十年代后期已经接近六百公里了。第二次大战中间出现了喷气式发动机，飞机速度从而跃进到每小时一千公里左右；到了六十年代前期则已经跨进了超音速飞行的时代。今天人们已在研究和试验三倍、四倍于声音速度以至更高速度的飞机。如果我们联想一下火车的最大速度和十级大风的速度都不过声音速度的十分之一左右，就不难想象超音速飞行的复杂情况。

在第二次大战末期还出现了作为武器使用的无人驾驶飞行器，这就是当时希特勒德国用来从欧洲大陆发射轰炸英国的V－1型飞弹和V－2型火箭。第二次大战后火箭技术有着比飞机的发展更快的进展，直到1957年苏联成功地发射了洲际弹道火箭并在其后接连着发射了三颗人造地球卫星和三支宇宙火箭，揭开了航空史新的一章，开辟了宇宙航行的新纪元。现在，根据苏联已经掌握的大推力火箭技术和人造卫星及宇宙火箭所探得的高空资料，人类飞到宇宙中去将不是很远的事情。为了挽救在宇宙飞行竞赛中的失败，美国除了准备在今年发射一些相形见拙的小型人造卫星和月球火箭外，还吹嘘要在1960年前，将一架带人的研究飞机，飞到地球大气层的边缘，作为研究宇宙飞行和重新进入大气层的尝试。但是连美国人自己也不能不承认要赶上苏联在航空技术方面的优势绝不是很短时间的事情。

航空科学技术在发展中不断扩大自己的领域。今天的航空动力已不限于从空气中吸取氧气的活塞式或各种喷气式发动机，还包括自带氧化剂的各种化学燃料火箭发动机和原子能发动机。虽然光子火箭目前还只是一个可能性，离子火箭则已经是实验室中的现实了。飞行器的种类也不只限于有人驾驶的在空气中飞行的各种飞机，还包括各种自动控制或远距离操纵的导弹以及星际航行的器械。因此今天航空的涵义不只限于“在空气中航行”的意义，而且还包含有“在太空中航行”的意义。

飞行器的速度、高度、航程和载重量的不断提高；从由人驾驶的飞机到半自动化的飞机以至完全自动化或遥控的导弹的转变；飞行范围从大气层内部扩展到宇宙空间；这一切航空技术上的新进展不断提出新的科学技术问题。这里我们可以就最近发展的趋势举几个例子。

随着飞行速度的增加，在研究飞行器的空气动力性能上，一般流体力学所能处理问题的范围已大受限制。考虑空气压缩性影响的高速气动力学近十几年有着很大的发展，在某些情况下甚至还要同时考虑空气粘性的影响。不仅如此，高超音速飞行时由于靠近飞行器表面的气体分子受热而离子化，这些带电粒子又在地球磁场中运动，这就又增加了电磁力的作用。磁性气动力学目前还是一门很年轻的学科，但是它的发展将对高速飞行起很大的作用。高速气流的气动加热作用在三、四倍声音速度时就可以达到摄氏300度以上。因此不但引起了材料强度性能的变化，同时由于飞行器表皮里外及各点温度不同还产生了热应力。这里不仅提出了飞机强度计算上的新问题，也提出了寻找新材料的问题，铝合金将要被钛合金、不锈钢这一类高强度合金所代替。在更高速度时还要寻找其他对付这些在表皮上产生的大量热量的办法。

在一般机械振动中只需要考虑惯性力和弹性力的交互作用，在飞机中还要加上空气动力的作用。机翼和尾翼的颤振就是这三种力交互作用的结果。在近音速的飞机上由于空气动力加大了，同时翼型变薄了，机身更细长了，颤振问题已经引起了很大的技术困难，而在更高的速度下除了上述三种力的作用外，还要考虑空气动力加热对材料性能和应力分布的影响。因此在高速飞行器的设计中还必须考虑这些属于空气热弹性力学(一门新兴学科)研究范围的现象。

高速飞机的动力装置，趋向于使用涡轮发动机和冲压发动机组合起来或火箭发动机和冲压发动机组合起来，甚至涡轮，火箭，冲压三种发动机组合起来的组合式发动机。在燃料里加上铝，镁，硼，铍等金属粉状悬浮物或金属氢化物，以增加含能量的研究工作已有很大成果。这里都包含着复杂的管道气流问题，燃烧问题和冷却问题。苏联洲际导弹，人造卫星及宇宙火箭上所用的火箭发动机估计有几百吨的推力。这样大发动机的燃烧问题，冷却问题以及燃烧系统的自动调节问题都有很多新的技术困难要解决。原子能动力在飞机或火箭上的应用将使绕地球的不着陆飞行以及带人的宇宙火箭成为现实。这种动力装置的屏蔽方法和重量问题目前正在大力解决。

一般飞机上所用的陀螺仪由于摩擦力矩或不平衡所引起的飘移可以允许每小时大到5°的进转。现代导弹中所依靠着来定向定位的陀螺仪则必须有小于每小时0.05°的飘移角速度才能满足要求。为了追求更高精确度的超远程惯性导航系统，目前各国正在研究好几年中才飘移一转的高精密度浮子陀螺以及采用其他原理的新型陀螺。高速飞行器接近地面目标或彼此互相接近的速度可达每秒一公里以上，因此，能从同一回答讯号中探得更多对象情况的远程雷达和重量小的快速电子计算机以及其他电子设备在飞机和导弹上都已被或将被广泛采用。现代重型飞行器上所用电子管多至数千个，无线电电子设备重达数吨。因此在半导体技术基础上的元件超小型化和装配紧凑化是航空无线电技术不断努力的方向。在空空导弹或地空导弹等近程导弹上这些要求更为突出，因为这里不但要求重量轻而且要求容积小。空气动力加热的结果对电子设备电气系统和液压系统等也都提出了苛刻的要求。目前耐500℃以上的各种元件和线路已在研究中。

飞机和导弹性能的提高总是带来了材料和工艺上的新问题。这不仅意味着寻找具有更好性能的材料，而且意味着对材料规格和加工精确度要有更加严格的控制以便在设计中能充分利用材料的强度而不增加重量。焊接装配将更多地代替了铆接装配。蜂窠结构(将机翼内部作成蜂窠形)和化学铣切(将机翼内部不要的部分浸蚀掉)将更适合于高速的薄型机翼。

由上述这些例子，我们不难看出航空利学技术的复杂性。这些新的技术发展都有军事上的重要意义。因此航空科学向来是综合利用了各门科学的最新成就，而且带动了很多新的科学部门的发展。目前在各先进国家中航空科学研究机构组织最为庞大，涉及的专业范围也最广。在这些机构中同时进行着飞机和火箭导弹的研究，并由政府给以人力和物力上的巨大支持。

航空科学不但内容复杂、范围广、方面多，而且各个方面关系密切，互相影响。十多年以前飞机和发动机的设计还可以彼此互相独立地进行，今天则必须彼此密切联系配合。目前为了设计一种新飞机而专门设计新的发动机几乎是一般的规律，并且发动机进气道，出气口以及附件的安排要和飞机的构造一并考虑。不但飞机和发动机的关系如此密切，飞机和仪表设备的关系以及各种设备之间的关系也是很密切的。飞机速度的增加引起了飞行操纵和炮火控制的自动化。目前在高速歼击机或轰炸机中已把领航装置，自动驾驶仪，射击或轰炸瞄准雷达和电子计算机联合运用，使飞机从进入战斗到退出都不需要飞行员的动作。反过来自动化的发展又影响了飞行器的战术技术要求和飞行器的具体设计及部位安排。这些总体和部件以及部件和部件之间的互相联系配合在火箭和导弹的设计中更为突出。

材料及加工工艺和产品设计之间的相互关系在航空上也显得特别密切。叶片涡轮材料所允许的工作温度如果再能提高便可以从发动机得到更高的热效率。高速飞机由于采用薄型机翼引起了新的加工方法。特别是近来航空技术的发展越来越快，为了不断更新、保持技术上的优势，对于飞机和导弹的生产绝不会象第二次大战以前那样大批制造，而是产量低、批数多、设计不断更改，同时又要求周期短、成本低。因此就要求设计人员熟悉设计对象的加工工艺，工艺人员了解加工对象的设计要求和构造，连生产组织者也要了解航空产品的设计要求和生产特点以便各方面能很好配合起来达到最高的效果。

根据以上特点可见航空工业部门需要很多种门类的技术干部，这些干部的培养要求最好是既具备专门知识又了解航空要求；既掌握主要专业对象的最新技术成就，也了解邻近专业对象的发展情况；设计干部要具备一定的工艺基础，工艺干部也要具备一定的设计知识。无疑地培养这样干部的最有效方法就是把主要有关专业集中在一个航空高等工业学校里。因为(1)有关航空的主要专业既然都集中在一处，彼此辅助的各门专业课程的教学就不但能保持较高的科学水平而且都能结合其在航空技术中的最新成就和应用。毕业设计也可以在各方面得到较高水平的辅导。(2)由于集中了各方面的专业师资，在开展科学研究时就可以得到很好的联系和配合。这种联系和配合的全面性和密切程度就是在航空的专门科学研究机构里也不容易达到的。特别在贯彻党的教育方针实行教学、科研、生产三结合的情况下学校可以围绕若干科学研究或生产的中心任务按专业分工，分别结合教学来进行。这样进行科学研究收效大、质量高、结合又密切，是提高教学质量和科学水平的极为有效的方式。当然这种培养方法不是唯一的，但是无疑是最有效的，特别是当我们对所培养的干部不是着重要求数量而是着重要求质量的时候。