“空气动力学”是研究什么的

徐华舫

空气动力学是一门研究空气流动规律和气流中物体所受到的气流作用力，或是物体以一定的速度在空气中运动时所受的力的科学。它的目的在于解决实际的飞行器设计问题和飞行问题。这门学问从它所包含的理论成分和实践成分来说，是介乎理学院和工学院之间的。它是理论和实际相结合而产生丰硕果实的一个良好的范例。在1882年莫查依斯基的第一架飞机成功之前，早在十八世纪就有了研究流体运动规律的流体力学(现在我们称为古典流体力学)，不过在很长的一段时间里，这种学问只是数学家的游戏，另一方面企图创造飞机的实践家则在几乎没有理论指导的情况下摸索、探寻。在十九世纪八十年代有一个实践家甚至声称“就飞行问题来说，一直到今天，数学对我们是完全没有用处的”。等到飞机成为现实之后，生产上迫切需要理论的指导，人们才发现看来纯数学的游戏原来是可以和飞行相结合的。当然这结合并不是把已有公式简单地搬过来用，而是在已有的基础上，结合飞机飞行的具体问题再向前发展。

自从结合之后，随着航空事业的飞跃发展，空气动力学在这几十年之间也有了辉煌丰硕的成果。飞机的速度从每小时三四十公里(比自行车不过快一倍)开始，经过短短的几十年间，今天已达到音速(在海面上每小时约1200公里)的两倍以上，这样的发展速度在机械工程历史上是空前的。在这样惊人的事业中，空气动力学所作的贡献至少不低于其他任何一方面的航空技术。看过“俄罗斯航空之父”那个电影的人都知道，在一千九百零几年的时候，世界上飞机已经造了不少了，可是对于飞机为什么会产生举力这一基本问题并没有了解，也不知道该用什么样的翼型，只有一点经验主义的根据，结果时常失事。儒可夫斯基在1905年提出了机翼的环流理论，决定翼型应该是圆头尖尾巴的。这样就解决了飞行的一个根本性的大问题。牛顿曾按固体力学的方法推导过气流流过一个物体时物体上所受到的力，别人用他的办法推算和气流斜成一定角度的平板(类似于摆成一定斜角的机翼)所受到的力，这个力完全得自流过平板下面的那部份气流的动量变化率。换句话说，在牛顿的概念里就是这部份冲到平板下表面去的气流被平板抑转了方向，因而给平板一个上托的反作用力。后来空气动力学的理论和实验都证明在低速飞行时这个概念是不对的。按儒可夫斯基的环流理论算下来，低速机翼的上下表面都产生举力的，而且在正常的冲角(即远方气流与机翼平面之间的斜角)下，上翼面所产生的举力远大于下翼面所产生的。到了不太高的超音速飞行时，上下翼面所产生的举力同等重要。只有到了很高很高的超音速飞行时举力才主要靠下翼面对气流的压缩而产生，这时上翼面的气流也还会经过膨胀，多少产生一些举力，但在总数里已不占重要地位。

关于机翼的举力理论现在可以说已经发展到了很不错的地步，无论亚音速的飞行还是超音速的飞行，数学公式都能相当精确地把流动描写出来，并给出举力的公式，使设计师直接就可以拿来进行设计。

这个托住飞机在空中的举力是一种空气动力，这个力只在飞机和空气有相对运动时才会存在，所以在静止空气里，普通形式的飞机是不可能停留在空中不动的。既要动，就有阻力。无论是较老式的推进器——螺旋桨，还是新式推进器——喷气发动机，在飞机要保持等速飞行时，其任务都是要产生一个向前的拉力或推力以抵消飞机在运动中的阻力。要想快飞，或是用一定的速度飞行要想少用些动力，减小阻力这个问题是一开始就为人所注意的。这方面的理论虽没有举力问题那么完善，可是和飞机刚出世的情况比起来，也是有了很大的发展，有了很实用的成果的。譬如通过理论的分析我们知道在低速运动中，一个物体的阻力可以分成压差阻力和表面摩擦两部份。一个很坏的物形(如圆柱体)它的总阻力中压差部份可以占到百分之九十几。一个好的物形(如圆头尖尾巴的翼型)可以几乎没有压差阻力。所以一根直径2公厘长10公分的铁丝横放在气流里的话，它的阻力和一个最大直径80公分长达30公分的圆头尖尾巴旋成体(横断面是圆的)的阻力相等。在低速飞行时对阻力说来，一个物体最重要的部份是尾巴，尾巴的横断尺寸要慢慢缩小才好。但作超音速飞行时，要紧的是前头部份的形状；因为超音速飞行时，物体前面不可避免的要发生冲激波，而冲激波是一种消耗能量很厉害的东西，用了尖头可以减轻冲激波的强度，从而减小阻力。

这些理论现在已经成了飞机或飞行器设计的重要基础了。如果说早期创造飞机的人在设计飞机时主要凭常识判断的话，现在作飞机或飞行器设计那是已经有了可靠的理论指导了的。不仅是原则上的指导，而且结合起实验来，还提供了数量上的关系。换句话说现在设计一架飞机或是一种飞行器，在绘制初步蓝图的阶段已经可以作出相当可靠的计算来了。能飞多快，能爬多高，航程多少，这些性能可以算得和实际飞行相当符合。

一架飞机或一个飞行器要能在空中保持一定时间的飞行，单单有力的平衡还不够，还有个稳定问题要解决。一架飞行中的飞机或飞行器它的稳定问题分析起来，虽然算式要复杂得多，但问题的本质和一支铅笔放在桌子上稳不稳是一样的。什么叫稳什么叫不稳？那就是要看一个处于某个平衡位置的物体，稍稍受到一点外界的扰动，使它稍稍偏离平衡位置之后，有没有恢复原位的能力。一支六棱的铅笔平放在桌子上就有稳定性。一支圆的铅笔却会随外界的微小扰动而滚到新的平衡位置，而没有回复原位的能力。如果把铅笔竖立起来，尖头向下，那么我们凭经验知道，要给它找个平衡位置是不容易的；即使找到了平衡位置也很不稳定，稍稍有一点扰动，立刻就会跌倒。这就是由于尖头向下的竖立铅笔是没有稳定性的缘故。一架飞机或一个飞行器在空中飞行时，外界的扰动是不可避免的(大气就不是完全静止的)，如果没有稳定性的话，那就会像竖立铅笔一样，平衡的位置一刻也保不住的，它会在空中乱翻跟斗，也就根本无法飞行了。赋予普通飞机以稳定性的是它的水平尾翼、垂直尾翼和两翼的上反角。

全部的飞行还包括起落，转弯等操纵，这方面就是所谓的操纵性问题。研究稳定性和操纵性的另有一分支，称为飞机力学。

此外，飞机或他种飞行器所用的推进器(螺桨也好，喷气发动机也好)它所生的推进力都是一种气动力。这些推进器的研究也是空气动力学的任务。如果说从前活塞发动机的设计师可以根本不管空气动力学的话，那么现在喷气发动机的设计师可不能不管空气动力学了。事实上喷气发动机在原理的问题上至少有一半是空气动力学的问题。涡轮喷气发动机之所以能迅速地发展，达到今天这样大的威力，空气动力学原来已有的较成熟的基础以及后来结合发动机的发展都有很大功绩的。

今天的空气动力学对于低速飞行，亚音速飞行和一般超音速飞行的基本问题可说都已经解决了。当然这并不是说以后就没有发展了。事实上每设计一架具体的飞机都会有许多新的具体问题等待空气动力学工程师去解决的。而且生产也是不断发展提高的，会不断地有新的方面提出来。过去当飞行速度向音速接近或超过音速时，空气动力学中就发展出了一支专门研究高速流动的科学称为气体动力学。今后飞行速度更提高之后，物体表面附近的气体温度会高到使气体离子化，因而又出现了一种新的力——电磁力，研究具有这种力作用在内的活动的科学称为电磁流体力学，这一支学问目前正在形成中。此外在很高的高空中飞行，空气十分稀薄，那时普通的空气动力学(以连续介质为前提的)可能完全没有用处，而需发展另一支称为稀薄空气动力学的科学。

空气动力学是直接为飞机或发动机设计服务的，是为了解决飞行问题的。在解决实际问题的时候一般地说是需要用理论和实验两条腿走路的，二者相辅相成，不可偏废。说到实验规模，自从儒可夫斯基于1891年在莫斯科大学建立第一具直径0.6公尺使用动力不过一二十匹马力的风洞以来，几十年中发展也是非常迅速的，今天最大的超音速风洞功率已经用到了一二十万匹马力，在速度方面等于音速十几倍的高超音速风洞都已经在使用了。风洞实验室中现代化的自动控制仪器和电子计算机等设备也在一天天增多起来。总之一个现代化的风洞实验室规模是很大的，全体工作人员可以有几百人甚至上千人。

祖国的航空事业在解放以来的十年间已经打下了牢固的基础，今后在党的英明领导下，随着社会主义建设的进展，必将大大发展，空气动力学这一门科学也会像其他科学一样将大放光彩，为共产主义建设作出贡献。