空气动力学在航空上的重要地位

徐华舫

大家都知道飞机是比空气重得多的东西，一架歼击机可以上十吨，像图－114那种大型旅客机重达一百多吨，这样重的机器能够腾空，全靠它和空气的相对运动，这运动使空气对飞机产生了巨大的作用力，其中有一个分力是竖直向上抵消飞机的重力的。这个力叫举力，它大致是和速度平方成正比的(飞行速度很高之后，譬如接近音速或进入超音飞行之后，实际情况和这一规律就较大的出入了)，作用力里面还有一个与飞行方向相反的分力称为阻力。关于这个阻力我们在日常生活中就有这种感性知识。刮大风时，我们逆风走时比顺风走吃力得多。这个力大致也是和速度的平方成正比的(接近音速时会大大增加，进入超音速飞行时另有规律)，所以逆风愈大，阻力愈显著。没有这种阻力的话，也许你都能超过世界百米记录。这也就是为什么跑百米的正式记录必须风速小于一定的值才被承认的缘故。我们要的是空气给飞机以足够的竖向力以托着全机的重量，同时阻力愈小愈好。高速飞机和火箭导弹之类的飞行器，尽量减小阻力就是它的主要课题。空气动力学正是研究飞行器和空气的相对运动的一门科学。它研究的是空气的流动规律，这规律在具体问题上又各有它的特殊性。上述的两大问题——举力和阻力，在每个具体的飞行器上需要作不同的具体的解决。自从莫查依斯基的第一架飞机出世以来，空气动力学就从一般的力学里分了出来，而且迅速的发展起来。在短短的五六十年之间飞机从每小时几十公里的速度很快地发展到了今天的每小时两三千公里以上的速度，没有空气动力学方面的相应发展那是不可想像的。空气动力学和飞行器的飞行是一种理论指导实践，实践丰富理论的关系。过去的确有过理论落在实践后面的事情，今后肯定还会有。莫查依斯基的空气动力学知识大概还不及现在我们中学里的航模小组的同学知道得多。他凭一些对气流的感性知识经刻苦的摸索与试验终于把第一架飞机造出来了，使飞机上了天。但以后如果始终停留在摸索和经验主义阶段，那不用说今天不会有超音速飞机，恐怕连“北京一号”也不会有。早期的飞机虽然碰上好运气也能飞得不错，可是弄不好就要摔下来，粉身碎骨。连空中安全飞行都没有保障，进一步提高速度那是谈不上的。是什么原因呢？原来感性知识似乎告诉人们几十公里的速度已经很高了，机翼前缘似乎应该用尖头的，你看快船不都用尖头吗？俄罗斯航空之父儒可夫斯基从理论上指出，当时的飞机机翼应该具有圆头尖尾的形状。圆头可以解决失事的问题。尖尾的作用后来弄清楚不仅是产生举力所需要的，而且可以大大减少阻力。有了儒可夫斯基的机翼理论，飞机才成为可靠的一种航空器。以后在生产的需要下，不断提高发动机的马力，改善飞机的外形，以减小阻力，这样飞机才迅速发展起来。后来研究到了超音速的理论才知道飞机真正到了高速，高到超过音速时，机翼确实应该用尖前缘。当初错在不懂所谓低速高速应该和一种什么速度去对比。现在清楚了，应该和音速去比。

也有很多实践走在理论后面的例子。例如直升机的想法并不比普通形式的定翼机晚多少，但由于许多问题(振动，稳定性等)没有解决，以至真正能用的直升机晚了三十多年才造成。又如用轴流式压气机的燃气涡轮，要不是因为当初空气动力学的基础知识不够的话，也会早四五十年出世的。

目前的情况超音速的歼击机已经在使用，超音速的客机也在设计试制了。苏联的三颗人造卫星上了天，人造行星正在遨游太空。这些飞行器的空气动力学问题，只能说在基本上已经有了理论的解答，细节上没有解决得很彻底的问题还有的是。在这个阶段上可以说又是实践走到了理论的前面。我们可以断言，理论会很快的跟上去，并把飞行器的发展向前推进一步。

新型的航空器出世之后，往往会提出一种完全新的学问来，至少要在一种很不相同的具体条件下应用并发展已有的理论。人造卫星要到很高的稀薄大气层中去飞行，因此提出了高超音速稀薄空气动力学的问题。在那种大气层中可能气体已成离子状态，因而会出现电磁力，或者由于飞行器运动得太快，靠近物体表面的气体温度过高，使气体离子化，因而出现电磁力，处理这种流动就得考虑到电磁力，这是普通飞行高度和速度之下所没有的问题，这样就要求发展一支称为电磁流体力学的科学。像直升机的问题属于第二种情况，虽然不需要发展出一门完全新的科学来，但直升机的旋翼的工作情况却与普通飞机的固定翼大不相同，有好些新的具体问题要解决的。

一门科学，和其他一切事物一样，发展是无止境的。绝不会因超音速飞机已经有了，人造卫星和行星已经上了天就没事可干了。恰恰相反，今天空气动力学上待做的工作比以前任何一个时期还要多。

除了上面说到的飞机本身的空气动力学问题之外，飞行器上的喷气发动机和火箭发动机里也有许多空气动力学问题在内。除了燃料之外，要提高这种喷气式发动机的推力，第二个重要关键就是空气动力学问题得到更完善地解决。

此外，一般工业上凡是用到气流的地方都有空气动力学问题，像通风机，蒸汽涡轮机，燃气涡轮机等，用到大量气流工作的机器，现在都要用空气动力学的原理来更好地解决问题，以提高效率，为国民经济创造更多的财富。连火车现在也有许多问题要从空气动力学的角度上去解决了，因为火车的速度要想超过每小时100公里的话，不从空气动力学上去考虑问题是不行的了。

自从人们认识到空气动力学对航空发展的重要性之后，各国相继建立空气动力学方面的研究机关和实验室。苏联在革命之后就由列宁倡议在儒可夫斯基的领导下建立了中央空气流体动力学研究所(ЦАГИ)。这个研究所为苏联的航空事业做出了辉煌的成绩。许多现代研究所，工作人员都在千名以上。

我国在解放前，自己的航空事业是谈不上的，当然也谈不上空气动力学的研究工作和人材的培养。解放后，各方面的建设都展开了，我们有了自己的航空事业，有了制造飞机的工厂，也有了培养航空工业方面的人材的学校。科学院有了专门从事于流体力学(范围较空气动力学广些，可以包括空气动力学在内)研究的组织。57年作科学规划之后，许多大学和学院成立了流体动力学专业或空气动力学专业。大跃进以来又有许多大学和学院成立了这方面的专业。此外还建立了一些研究机关。这完全是个从无到有的过程。在解放前，全国数起来不过三四个小尺寸低速风洞，只能做教学用。解放后，不仅成立了培养人材的专业，建立了研究所，而且在许多大学和学院以及研究机关里都建立起进行研究所必需的风洞。有适于做生产实验的大口径低速风洞，洞身最大直径达十几米，看来有三四层楼房高。有相当大口径的高音速风洞，能做生产实验和基本科学研究。教学用的小尺寸低速和高风洞那是各校都普遍添造的。

当然这还只是一个开头，随着祖国经济建设的展开，航空事业会不断的发展和壮大，这方面的人材可能不止以千数计，设备也会不断地添造更多的更新的更完善的风洞。祖国的一切事业都像初升的太阳，空气动力学事业的未来也是一样的光辉灿烂！