文档介绍：空气动力学
崔尔杰*
(中国航天科技集团第 701 研究所)

本文简要回顾空气动力学发展的历史及其在航空航天飞行器研制中的作用,对现代空气
动力学新的发展趋势和新一代航天飞行器研制中可能遇到的关键气动力问题进行探讨和分
析,并对今后发展提出看法。

一、空气动力学与航空航天飞行器发展
空气动力学是研究空气和其他气体的运动规律以及运动物体与空气相互作用的科学,它
是航空航天最重要的科学技术基础之一。
1. 空气动力学推动 20 世纪航空航天事业的发展
1903 年莱特兄弟研制成功世界上第一架带动力飞机,实现了人类向往已久的飞行梦想。
为了研制这架飞机,他们进行过多次滑翔试验,还为此建造了一座试验段为的小型
风洞。正是这些努力,加上综合运用早期的空气动力学知识,最终获得了成功。
20 世纪初,建立在理想流体基础上的环量和升力理论以及普朗特提出的边界层理论奠
定了低速飞机设计基础,使重于空气的飞行器成为现实。40 年代中期至 50 年代,可压缩气
体动力学理论的迅速发展,以及对超声速流中激波性质的理论研究,特别是跨音速面积积律
的发现和后掠翼新概念的提出,帮助人们突破“音障”,实现了跨音速和超音速飞行。50 年
代中期,美、苏等国研制成功性能优越的第一代喷气战斗机,如美国的 F-86、F-100,苏联
的米格-15、米格-19 等。50 年代以后,进入超音速空气动力学发展的新时期,第二代性能
更为先进的战斗机陆续投入使用,如美国的的 F-4、F-104,苏联的米格-21、米格-23,法国
的幻影-3 等。
1957 年苏联发射第一颗地球人造卫星和 1961 年第一艘载人飞船“东方号”升空,被认
为是空间时代的开始。美、苏两国在战略导弹和航天器发展方面的激烈角逐,促使超音速和
高超音速空气动力学得到迅速发展。两个超级大国都投入巨大力量,致力于发展地面模拟设
备,开邻近高超出音速空气动力学和空气热力学的研究。航天方面的研究重点放在如何克服
由于高超音速飞行和再入大气层,严重气动加热所引起的“热障”问题上在钱学森先生倡导
下诞生了一门新的学科,即物理力学,为航天器重返大气层奠定了科学基础。航空方面的研
究重点则放在了发展高性能作战飞机、超音速客机、垂直短距起落飞机和变后掠翼飞机。这
一时期,空气动力研究方面的另一项重要成就是“超临界机殿”新概念的提出,它可以显著
提高机翼的临界马赫数。20 世纪 70 年代后,脱体涡流型和非线性涡升力的发现和利用,是
空气动力学的又一重要成果。它直接导致了第三代高机动性战斗机的产生,如美国的 F-15、
F-16,苏联苏-27、米格-29 和法国的“幻影 2000”。
20 世纪 80 年代以后,由于军事需求的强力推动,美、苏两国都开始加紧研制第四代战
斗机和高超音速飞行器以及跨大气层飞行器,其中最有代表性的是 1981 年美国发射的航天
飞机。由此形成了现代空气动力学发展的新时期。

2. 21 世纪航空航天事业事业发展的基础
1986 年美国宣布执行单级入轨的国家空气飞机计划(NASP),希望能在 20 世纪末研制
出马赫数为 25 的空天飞机,但由于作为动力的氢燃料超燃冲压发动机研制中遇到了难于克
服的困难,不得不于 1994 年宣布停止研制。随后又制订了以火箭发动机为动力、可重复使
用的空天运载器 X-33、X-34 和 X-37 的发展计划,后因 X-33 液氢储箱复合材料脆性断裂等
一系列技术问题和财政等其他方面的原因,上述研制计划于 2001 年 3 月终止。以后,美国
空军和 NASA 还分别实施了“高超技术”(Hytech)和“高超-X”(Hyper-X)计划,但进展
并不顺利,作为该计划的第一架 X-43A 首飞失败,2002 年进行的另一次飞行试验也因火箭
助推器出现故障而未能成功。美国人在总结这些研制教训时才认识到,一系列高超声速流的
基础研究储备不够和风洞等地面模拟设备能力的严重不足是导致失败的主要原因。
1996 年美国制订了 21 世纪空军装备发展的战略性文件,提出建立全球快速机动反应和
灵活作战保障能力,全方位占领空中优势的明确目标。航空方面以美国 F-22、联合攻击战
斗机(F-35)为代表的第四代战斗机,将高机动性、敏捷性、超音速巡航能力、高隐形能力、
更大的高度/速度范围等诸多优异性能集于一身,对空气动力学、动力推进、电子控制和材
料、工艺等技术提出了更高要求。

3. 我国的空气动力学研究
1949 年以前,我国空气动力学研究的基础非常薄弱。中华人民共和国成立后,党和国
家高度重视航空航天事业,空气