航空领域

航空航天发展概况

1．1航空航天的基本概念

人类为了扩大社会生产，必然要开拓新的活动空间。从陆地到海洋，从海洋到大气层，再到宇宙空间就是这样一个人类逐渐扩展活动范围的过程。航空航天是人类拓展大气层和宇宙空间的产物。经过近百年来的快速发展，航空航天已经成为21世纪最活跃和最有影响的科学技术领域，该领域取得的重大成就标志着人类文明的高度发展，也表征着一个国家科学技术的先进水平。

1．1．1航空

航空是指载人或不载人的飞行器在地球大气层中的航行活动。航空必须具备空气介质和克服航空器自身重力的升力，大部分航空器还要有产生相对于空气运动所需的推力。

翱翔天空是人类很久以来的梦想，但直到18世纪后期热气球在欧洲成功升空，这一愿望才得以实现。20世纪初期飞机的出现，开创了现代航空的新篇章。空气动力学是航空技术的科学基础，航空技术的每一项成就都离不开空气动力学的进展。

航空按其使用方向有军用航空和民用航空之分。

军用航空泛指用于军事目的的一切航空活动，主要包括作战、侦察、运输、警戒、训练和联络救生等。在现代高技术战争中，夺取制空权是取得战争胜利的重要手段，也是军用航空的主要活动。军用航空活动主要由军用飞机来完成，军用飞机可分为作战飞机和作战支援飞机两大类。典型的作战飞机有战斗机(又称歼击机)、攻击机(又称强击机)、战斗轰炸机、反潜机、战术和战略轰炸机等。作战支援飞机包括军用运输机、预警指挥机、电子战飞机、空中加油机、侦察机、通讯联络机和军用教练机等。除固定翼飞机外，直升机在对地攻击、侦察、运输、通信联络、搜索救援以及反潜等方面也发挥着巨大的作用，已成为现代军队，特别是陆军的重要武器装备。

民用航空泛指利用各类航空器为国民经济服务的非军事性飞行活动。根据不同的飞行目的，民用航空分为商业航空和通用航空两大类。商业航空指在国内和国际航线上的商业性客、货(邮)运输；这类运输服务主要由国内和国际干线客机、货机或客货两用机以及国内支线运输机完成。通用航空指用于公务、工业、农林牧副渔业、地质勘探、遥感遥测、公安、气象、环保、救护、通勤、体育和观光游览等方面的飞行活动；通用飞机主要有公务机、农业机、林业机、轻型多用途飞机、巡逻救护机、体育运动机和私人飞机等。直升机在近海石油勘探、海陆紧急救援、短途交通运输和空中起吊作业中也发挥着独特的作用。

1．1．2航天

航天是指载人或不载人的航天器在地球大气层之外的航行活动，又称空间飞行或宇宙航行。航天的实现必须使航天器克服或摆脱地球的引力，如想飞出太阳系，还要摆脱太阳引力。从地球表面发射的飞行器，环绕地球，脱离地球和飞出太阳系所需要的最小速度，分别称为第一、第二和第三宇宙速度，是航天所需的三个特征速度。我国著名科学家钱学森认为人类飞行活动可以分为三个阶段，即航空、航天和航宇。他认为航空是在大气层中活动，航天是飞出地球大气层在太阳系内活动，而航宇则是飞出太阳系到广袤无垠的宇宙中去航行。

遨游宇宙是人类在征服自然的过程中产生的愿望。20世纪40年代初期，大型液体火箭的成功发射奠定了现代航天技术的基础。约二十年后，苏联航天员加加林乘“东方”1号飞船进入太空，人类终于实现了遨游太空的伟大理想。火箭推进技术是航天技术的核心。

航天实际上也有军用和民用之分，但世界各国在宣传自己的航天工业时都主要强调其商业或民用潜力。

占领和控制近地宇宙空间已经成为西方军事大国争夺军事优势的新焦点。在美国、俄罗斯等国已发射的航天器中，具有军事用途的超过70％。用于军事目的的航天器可分为三类：军用卫星系统、反卫星系统和军事载人航天系统。军用卫星主要分通讯卫星、气象卫星和侦察(间谍)卫星三种。反卫星系统包括反卫星卫星、定向能武器和动能武器。激光武器、粒子束武器和射频武器等属于定向能武器；动能导弹、电磁炮和电热弹等属于动能武器的范畴。军事载人航天系统分为空间站、飞船和航天飞机、空天飞机等，空间站可用作空间侦察与监视平台、空间武器试验基地、天基国家指挥所、未来天军作战基地等。20世纪80年代美国提出的所谓“星球大战”计划就是以永久性载人空间站为空间基地而部署的。

航天的民用潜力也是非常巨大的。空间物理探测、空间天文探测、卫星气象观测、卫星海洋观测、卫星广播通讯、卫星导航、遥感考古、太空旅游和地外生命探索等都是航天的重要应用领域；微重力环境下完成的各种化学、物理和生物实验成果是航天为人类文明与进步所做的直接贡献。

1．1．3航空与航天的联系

航天不同于航空，航天器是在极高的真空宇宙空间以类似于自然天体的运动规律飞行。但航天器的发射和回收都要经过大气层，这就使航空航天之间产生了必然的联系。尤其是水平降落的航天飞机和研究中的水平起降的空天飞机，它们的起飞和着陆过程和飞机非常相似，兼有航空与航天的特点。航空航天一词，既蕴藏了进行航空航天活动必需的科学，又包含了研制航空航天飞行器所涉及的各种技术。从科学技术的角度看，航空与航天之间是紧密联系的。

航空航天技术是高度综合的现代科学技术。力学、热力学和材料学是航空航天的科学基础；电子技术、自动控制技术、计算机技术、喷气推进技术和制造工艺技术对航空航天的进步发挥了重要作用；医学、真空技术和低温技术的发展促进了航天的发展。上述科学技术在航空和航天的应用中相互交叉和渗透，产生了一些新的学科，使航空和航天科学技术形成了完整的体系。

航空航天的发展都与其军事应用密切相关，人类在该领域取得的巨大进展也对国民经济和社会生活都产生了重大影响，甚至改变了世界的面貌。航空航天科学技术已成为牵动其他高新技术发展的动力之一，航空航天工业仍然是国民经济建设和发展中的阳光产业，航空航天产品是附加值很高的高新技术产品。

1．2飞行器的分类、构成与功用

在地球大气层内、外飞行的器械称为飞行器。按照飞行器的飞行环境和工作方式的不同，可以把飞行器分为三类：航空器、航天器、火箭和导弹。在大气层内飞行的飞行器称为航空器，航空器靠空气的静浮力或靠与空气相对运动产生的空气动力升空飞行。主要在大气层外空间飞行的飞行器称为航天器，航天器在运载火箭的推动下获得必要的速度进入大气层外空间，然后在引力作用下完成类似于天体的轨道运动。火箭是以火箭发动机为动力而升空，可以在大气层内或大气层外飞行的飞行器；导弹是一种飞行武器，弹体带有战斗部，依靠制导系统控制其飞行轨迹。从动力装置和飞行范围看，火箭和大部分导弹更接近于航天器，所以本章后面的部分内容把火箭和导弹归属于航天的范畴。

1．2．1航空器

任何航空器要升到空中，都必须产生一个能克服自身重力的向上的力，这个力叫做升力。航空器要在空中长时间自由的飞行还必须具备动力装置产生推力或拉力来克服前进的阻力。根据产生升力的基本原理不同，航空器分为轻于同体积空气的航空器和重于同体积空气的航空器两大类。前者靠空气的静浮力升空，又称浮空器；后者靠与空气相对运动产生升力升空。按照不同的构造特点，航空器还可进一步细分，如图1—1所示。

1．轻于空气的航空器

轻于空气的航空器包括气球和飞艇，它们是早期出现的航空器。

气球一般无推进装置，主体为气囊，气囊下面通常有吊篮或吊舱。按照气囊内所充气体的种类．气球可分为热气球、氢气球和氦气球等，如图1—2所示为用于进行科学考察的热气球。按气球升空后有无系留装置可分为自由气球和系留气球两类。气囊——般用浸胶织物或塑料薄膜等柔性材料制造而成．必须具有足够的强度和气密性。气囊的功用是充装密度比空气小的气体，使气球在空气中产：生浮力而升空。气囊下面的吊篮或吊舱一般由轻质材料制成．用于放置仪器设备或乘坐人员。气球可用于气象、空间和地面探测、通讯中继、体育或休闲运动等领域，也可用于军事侦察和监视。

飞艇安装有推进装置，可控制飞行，根据结构形式的不同。飞艇可分为软式、硬式和半硬式三种。

飞艇一般由艇体、尾面、吊舱和推进装置等部分组成。艇体的外形呈流线型以减小航行时的阻力，内部充以密度比空气小的氢气或氦气，以产生浮力使飞艇升空。软式和半硬式飞艇的艇体形状靠气囊内的气体压力维持。飞艇的尾面包括安定面和操纵面，用来控制和保持飞艇的航向、俯仰和稳定。吊舱位于艇体的下方，通常采用骨架蒙皮式结构。用于人员乘坐、装载货物或压舱物、安装仪表设备和发动机等。飞艇的推进装置一般由发动机、减速器和螺旋桨构成。通过改变艇体内的气体量、抛掉压舱物、利用艇体和尾面的升力，或者改变推力或拉力的方向均可控制飞艇上升和下降。飞艇曾经广泛用于海上巡逻、反潜、远程轰炸和兵力空运。随着飞机的出现，飞艇的功用转变为商业运输。在现代广告业发挥着重要作用。如图1—3所示为我国“浮空四号”充氦飞艇。

2．重于空气的航空器

重于空气的航空器靠自身与空气相对运动产生的空气动力升空飞行。常见的这类航空器主要包括固定翼和旋转翼两类，另外还有像鸟飞行一样的扑翼航空器和新近出现的倾转旋翼航空器。

(1)固定翼航空器

固定翼航空器包括飞机和滑翔机。

飞机是指由动力装置产生前进推力或拉力，由固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。飞机由机体结构和功能系统组成。按飞机的发动机不同，又有喷气飞机和螺旋桨飞机之分。

飞机机体结构通常包括机翼、机身、尾翼和起落架，如果发动机不安装在机身内，那么发动机短舱也属于机体结构的一部分。如图1—4所示为螺旋桨飞机的主要部件。机翼是飞机产生升力的部件，机翼后缘有可操纵的活动面，外面的叫做副翼，用于控制飞机的横向运动；靠近机身的称为襟翼，用于增加起飞着陆时的升力。机翼内部通常装有油箱，机翼下面可外挂副油箱或各种武器，部分飞机的起落架和发动机也安装在机翼下。机身用来装载人员、货物、设备、燃料和武器等，也是飞机其他结构部件的安装基础。尾翼是平衡、安定和操纵飞机飞行姿态的部件，通常包括垂直尾翼和水平尾翼两部分，方向舵位于垂直尾翼后部，用于控制飞机的航向运动；升降舵位于水平尾翼后部或全动式水平尾翼，用于控制飞机的俯仰运动。起落架由支柱、缓冲器、刹车装置、机轮和收放机构组成，用于飞机停放、滑行、起飞和着陆滑跑。

飞机的功能系统一般包括动力装置、燃油系统、操纵系统、液压冷气系统、人机环境工程系统、电气系统、通讯导航与敌我识别系统、军械和火力控制系统等。飞机动力装置的核心是发动机，用于产生飞机前进的动力，以此克服飞机与空气相对运动时产生的阻力，现代飞机一般采用喷气发动机或活塞发动机。

滑翔机是指没有动力装置的重于空气的固定翼航空器。滑翔机可由飞机拖曳起飞，也可用汽车等其他装置牵引起飞。动力滑翔机装有小型辅助发动机，不需外力牵引就可以自行起飞，但滑翔时必须关闭动力装置。无风情况下，滑翔机在下滑飞行中依靠自身重力的分量获得前进动力，这种损失高度的无动力下滑飞行称为滑翔；如存在上升气流，滑翔机就可以实现平飞或升高，称为翱翔，滑翔和翱翔是滑翔机的基本飞行方式。现代滑翔机主要用于体育运动。滑翔机一般由狭长的机翼、光滑细长的机身及尾翼组成。

(2)旋翼航空器

旋翼航空器包括直升机与旋翼机。

直升机是指以航空发动机驱动旋翼旋转作为升力和推进力来源，能在大气中垂直起落及悬停并能进行前飞、后飞、侧飞和定点回旋等可控飞行的重于空气的航空器。直升机由机身、起落架、动力装置、旋翼系统、操纵系统和其他机载设备组成。机身与飞机机身类似，用于装载人员、货物、武器和设备等。轻型直升机一般采用滑橇式起落架，多数直升机采用轮式起落架。

直升机动力装置一般采用涡轮轴发动机或活塞发动机，用于驱动旋翼旋转，以产生升力与控制直升机飞行姿态的分力。按照旋翼反作用扭矩的平衡方式，直升机可分为四种形式：单旋翼带尾桨式直升机、双旋翼共轴式直升机、双旋翼纵列式直升机和双旋翼横列式直升机。图1—6为我国制造的单旋翼带尾桨式直升机——直9。直升机的应用几乎已经遍及军用和民用各个领域，武装直升机已经成为现代战场上的“坦克杀手”。但与飞机比较，直升机速度慢、航程短、使用成本高。

旋翼机是一种利用前飞时的相对气流吹动旋翼自转以产生升力的旋翼航空器，全称自转旋翼机。旋翼机和直升机在外形上有些相似，但它的旋翼不是由动力装置驱动，而是前进时在空气动力作用下像风车那样白行旋转，产生升力。旋翼机无须安装尾桨，如图1—?所示。旋翼机的前进动力由动力装置直接提供，它不能垂直上升，也不能悬停，必须像飞机一样滑跑加速才能起飞。旋翼机结构较简单，一般用于风景区游览或体育活动。

(3)扑翼机

扑翼机是指机翼能像鸟和昆虫翅膀那样上下扑动的重于空气的航空器，又称振翼机。扑动的机翼既产生升力，又产生向前的推进力。但是扑翼产生升力和推进力的机理十分复杂，其空气动力规律至今尚未被人们完全掌握。到现在为止．有实用价值的扑翼机还处于研制阶段。在已有的扑翼机设计方案中，有的形如蝙蝠，具有薄膜似的扑动翼面；有的装有带缝隙和活门的扑动翼，类似于鸟的翅膀。扑翼机方案是微型航空器的一种可选布局形式。

(4)倾转旋翼机

倾转旋翼机是一种同时具有旋翼和固定翼，并在机翼两侧翼梢处各装有一套可在水平与垂直位置之间转动的旋翼倾转系统组件的飞机。旋翼倾转系统处于垂直位置时，倾转旋翼机相当于横列式直升机，可垂直起降，并能完成直升机的其他飞行动作；旋翼倾转系统处于水平位置时，则相当于固定翼螺旋桨飞机。所以有人把这种飞机称为“直升飞机”。现在世界上唯一有实用价值的倾转旋翼机为美国贝尔公司研制的V—22，如图1—8所示。倾转旋翼机不需要跑道就可以起飞，已经受到广泛的关注，相信它将成为一种重要的军民用运输工具。

1．2．2航天器

航天器是指在地球大气层以外的宇宙空间，基本按照天体力学的规律运动的各类飞行器，又称空间飞行器。与自然天体不同的是，航天器可以在人的控制下改变其运行轨道或回收。航天器为了完成航天任务，还必须具备发射场、运载器、航天测控和数据采集系统、用户台站以及回收设施的配合。航天器分为无人航天器和载人航天器。根据是否环绕地球运行，无人航天器分为人造地球卫星和空间探测器。按照各自的用途和结构形式，航天器还可进一步细分。

1．无人航天器

无人航天器包括人造地球卫星和空间探测器。

(1)人造地球卫星

人造地球卫星是数量最多的航天器。人造地球卫星一般由有效载荷和平台组成，有效载荷是指卫星上用于直接实现卫星的应用目的或科研任务的仪器设备，平台则是为保证有效载荷正常工作而为其服务的所有保障系统。卫星的有效载荷可以根据卫星的任务变化加以更换，平台一般保持不变。

按照卫星的用途，可分为科学卫星、应用卫星和技术试验卫星。科学卫星用于科学探测和研究，主要包括空间物理探测卫星和天文卫星等。直接为国民经济、军事和文化教育服务的人造地球卫星称为应用卫星，主要有通信及广播卫星、气象卫星，测地卫星、地球资源卫星、导航卫星和侦察卫星等，还有专门军事用途的截击卫星，部分卫星还具有多种功能。技术试验卫星是对航天领域中的各种新原理、新技术、新系统、新设备以及新材料等进行在轨试验的卫星。多数情况下，科学卫星也兼有技术试验功能，如我国于1981年9月20日用一箭三星技术发射成功的“实践”2号甲卫星，就是一颗空间物理探测兼新技术试验卫星。