钱学森院士:力学对航空技术的决定性贡献

作者: 钱学森

来源: 科学大院

发布日期: 2017-04-17

本文讨论了力学在航空技术中的决定性贡献,特别是流体力学和固体力学在飞机设计中的应用。文章详细介绍了力学在解决飞机升力和阻力问题、结构强度问题以及超音速飞行中的作用,并强调了技术科学研究成果的广泛应用性。

说起航空技术,不得不说,它确实是一个技术科学对工程技术起作用的实例。力学作为一门技术科学,它对航空技术的贡献是有决定性的,也是技术科学与工程技术相互作用的典型。在古典的力学中有两个重要的分支:一个是流体力学,一个是固体力学。流体力学是处理液体和气体的运动的,所以它也包括了气体动力学和空气动力学。固体力学是处理固体在外力或加速度作用情况下所产生的应力应变,所以包括了弹性力学和塑性力学。

从飞机的设计来看,很显然,流体力学与飞行器的外形设计和推进问题有密切关系,而固体力学则与飞行器的结构设计有密切的关系。也正因如此,我们认识到的流体力学必然是与许多其他工程技术有关系,像水利工程、蒸汽或燃气涡轮、船舶的设计等。固体力学也必然与所有工程技术中结构强度问题有关系。

在飞机设计中,一个基本问题是升力和阻力,升力是飞行所必需的,然而,有升力就必然产生阻力。怎么样才能在一定升力下减少阻力呢?

什么是一定升力所产生的最小阻力呢?流体力学的伟大科学家普朗特(Prandtl)在受到兰开斯特(Friedrioks Lanchester)意见的影响下,创造了著名的有限翼展机翼理论,给出了计算由升力所产生的阻力的方法,这就是所谓感生阻力公式。普朗特的研究也指出了减少阻力的方法,他的公式说在一定升力系数下,感生阻力系数是与翼展比成反比例的。因此要减少感生阻力,就要加大翼展比,也就是把翼面作得狭而长。

既然要制造完全流线型化的单翼飞机,就不能再用不够坚固的、旧的、钢架蒙布式的结构,而必须改用全金属的薄壳结构。但是这是一种新型的结构,工程师们没有足够的经验,要能设计出有高效能的结构,这还是要请教弹性力学家们。他们首先给出计算薄壳结构的折曲负荷或临界负荷的方法,也就是解决弹性稳定问题。

直到现在,材料强度问题与塑性力学问题都在研究着,所以自然科学的已知规律显然还不能完全包括工程技术上的现象,但是力学工作者并不因此而放弃对结构强度问题的研究。他们一面用弹性力学的理论,一面吸取工程实践上的经验和实验的结果,把这些成果综合起来,创造出有科学根据而又有实际意义的结构理论,这种在现实条件下争取有用的理论的精神,是技术科学工作者所不可缺的。

第二次世界大战之前,因为初步实验上发现物体阻力在声速附近急骤加大,在工程师中间也有人以为要飞机超过声速是不可能的,说存在着声速的墙。就在这时候,气体动力学家们作出了翼面和机身在超声速气流中的运动理论,设计了超声速的风洞,做了许多超声速气流的实验,他们用理论和实验双方并进的方法证明超声速飞机的阻力系数实际上不会太大,所以并没有所谓声速的墙。

之后的流体力学家努力于高超声速气体动力学和稀薄气体动力学的研究,帮助超高空、超高速飞行的实现,因而促进了星际航行的诞生。因为技术科学的研究对象是具有一般性的,它的研究成果也有广泛的应用,力学的工作,虽然是由于航空技术迫切的要求,但是,现在已经得到的流体力学和固体力学的研究结果,对其他工程技术部门来说也有很大的帮助。

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