浅谈飞机制造中空气动力学原理应用

任思齐

摘要空气动力学主要研究物体在同等气流相对运动情况下的受力特征，以及气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。空气动力学是随着我国航空工业技术发展应运而生的一种科学，是力学的一个重要分支。其发展对于我国航天器的发展也有着重大的意义。本文将浅述飞机制造的发展历程及动力学原理在飞机制造中的应用及其发展趋势。

关键词飞机制造；空气动力学；航空航天；战斗机

随着国际化形势的变化，航空发展更加迅猛，信息化程度不断提高，航空技术也面临着更多新的挑战，这也对航空技术提出了更高的要求，作为航空技术的重要基础学科之一的空气动力学，同样也面临着诸多全新的挑战和机遇。同时空气动力学是航空航天最为基础的科学技术之一，对国家安全、经济发展、社会稳定都有着不可替代的作用。本文将讲述飞机发展历程中空气动力学的具体原理应用。

1空气动力学研究历程

空气动力学是航空领域中不可缺少的一门科学，其发现到应用可以分为以下几个阶段。

1）1726年，牛顿应用力学原理和科学演绎法得出：在空气中物体中受到的力，与物体的速度和物体的面积及空气密度成正比例。

2）19世纪末，流体力学基础基本形成。

3）20世纪以来，在航空事业的蓬勃发展下，空气动力学从流体力学中也逐渐发展壮大，并独立出来形成了一个新的分支，从此以后空气动力学走上了高速发展的道路。

2飞机制造中空气动力学的应用

1）第一次世界大战后，空气动力学研究成果开始应用于飞机设计。这提高了飞机的运行速度和安全指数，慢慢地更多的研究者致力于优化飞机的升力、阻力等问题，空气动力研究结果对机翼设计提出更多要求，采用大展弦比的机翼，比如：采用双凸或者上凸下平的机翼，目的是令其产生更好的流线型。

流线型机翼可以减少摩擦阻力。同时将分析和旋涡现象出现的概率降到最低，大大减少了尾流阻力，使得飞机功率大大提高，这些性能的优化改进，保障飞机的升力值大幅度提高。

2）第二次世界大战后，飞机进入喷气技术与超音速时代。20世纪30年代以后，飞机主要应用不可压缩空气动力学原理。由于此时的飞机运行速度不高，忽略了空气的可压缩性，在30年代末期，飞机俯冲时已经接近音速，但此时波阻问题的出现导致了很多机毁人亡的事件，研究人员开始向着高速甚至超音速发展。

波阻是影响飞行的重要因素，据统计，飞机在接近音速飞行时，阻力系数会加剧到原来的好几倍，最大可消耗发动机全部功率的3/4，因此，在跨音速段的空氣动力学问题是相当棘手的。经过一番研究，随后动力学家布斯曼提出了对飞机外形的进一步改良，提出后掠翼的设计理念，这将在很大程度上提高飞机运行速度，此项设计使德国获得了“跨音速飞机”的专利。而此前，超音速飞战斗机机，也已经完成了第四代。代表机型如美国的“F-100”，英国的“猎人式”“幻影”F1等。

3）喷气式客机在20世纪60时年代开始投入使用，先后出现的有英国的“彗星”，法国的“快帆”等，后继出现的波音“737”、波音“747”等机型，其在气动设计上进行了进一步的优化，选择采取低阻力亚音速翼型，同时减小机翼后掠角，增大机翼相对厚度，改善部件干扰流场，提高了机翼展弦比，大大提高了气动效率，降低了耗油量，并且更加节能环保。

3航空技术发展趋势

1）更高的速度。在全球经济发展中，中国、美国、英国、印度等国家纷纷提出了属于自己的超高音速天空战机的计划。即使大都以维护和平为理由，但其真正的军事价值是不言而喻的。而在众多国家中当属美国的发展占领鳌头，虽然它的验证机型X-37B已经进行过多次试验，但是同时也积累了多次失败的经验，从失败中吸取教训后的机型改良升级，使得美国的战机离实战又近了一步。另外，美国创造的25倍音速的速度，也使其“一小时打遍全球”的计划不再是不可能。

2）新的动力技术。当下最新的技术，当属超然冲压发动机了，这是一种能在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机，在采用氢燃料时，超燃冲压发动机的飞行M数大约在8以下，而当改用氢燃料时，其飞行M值翻了3倍，可达到25的水平。目前，美国的X-43试验机已经达到在大气层内部9.6倍音速的记录。

3）无人趋势。近年来，中国的无人机的发展也十分迅猛，无人航空母舰战斗机，无人机的发展趋势日益明显，我国已经发展出无人直升机，到无人侦察机等多种无人机的机型，图1为我国无人机试飞机型。

无人机的优势和用途是显而易见的，主要分为以下3个方面：

（1）减少不必要的伤亡。无论是试飞还是真正投入使用，无人机在替代人类完成一些危险的飞行任务上面的作用是其他类型的飞机不可比拟的。

（2）外形更优美，轻巧并且承载力大。无人机的设计外形不需要考虑人的问题，因此可对其外观进行更优质的改良同时能运载更多的武器装备。

（3）在飞机性能维护上，无人机设计原理比较简单，因此其造价低，操作人只需在地面就可以操作，减少了不必要的人力，提高了飞机安全性能。

4）过去的飞机在设计时，其燃料、发动机、操纵、控制等方面都是分开设计改造的。随着航空技术的快速发展，人们慢慢意识到这种独立的设计理念。虽然各要素组成部件的功能都发挥了最大的作用，但是飞机的整体性能仍然有待考证。因此，必须进行全部优势的综合化才能将飞机性能提升一个高度，简单来说就是将各部分的优势综合运用到一架飞机上，使其具有高性能、高质量等特性，协调飞机的气动性和隐身特性的关系，将空气阻力降到最低，减轻飞机自重。由此看出，在未来飞机的设计中，需要朝着综合的设计方向迈进。

4空气动力学的发展趋势

1）航空动力学主要是推动军事政治形势的需要，让空气动力学从低速到超高速再到超高速，甚至把飞机送入外层空间中。由此看来，未来的空气动力学正朝着高速高空发展。

2）高速运动下，必然会涉及磁场和热学的概念理论，因此，未来的空气动力学将是一门多个学科交叉的科学，并且可能需要大型风能与性能完美结合的计算机来处理庞大的基础数据。

3）随着日后航空航天的研究进一步深入，空气动力学细化是必然的发展趋势，例如将理论研究与实际应用相结合，并且在新的研发技术应用前必须进行大量的试验，这些实验结论都作为空气动力学原理应用的有力保证。

4）空气动力与军工国防紧密相连。空气动力学与航空航天的发展是相辅相成的，这个理论的建立与实施会带动航空业的发展，而同样航空航天也会反作用于空气动力学，使更多更深奥具体的理论出现。从21世纪后，航空航天发展中陆续出现超高音速飞行器、平流层无人机等，分别应用柔性空气动力学、升力浮力一体化等理论，这些机型主要应用于我国国防建设，为国防做出了巨大的贡献。

5结论

随着航空航天发展的需要，空气动力学逐步成为航空航天技术发展的基础科学，从莱特兄弟发明飞机开始，到F-22邀游在广袤的天空之后，我们可以看到全球的飞机研究制造都和空气动力学研究挂钩，同时空气动力学与航空工业的关系是密不可分的。即使空气动力学面临着很多的挑战，但与此同时它也被人们所需要，相信未来的航空工业在空气动力学的指导下会取得更大的进步，航空工业也会为整个社会的经济建设和国家安全做出更大的贡献，让整个世界的天空变得更加多姿多彩，也让我们的生活充满活力。endprint