北航《航空航天概论》第一章 课堂笔记(1)

北航《航空航天概论》第一章课堂笔记（1）

一、主要知识点掌握程度

了解航空航天发展概况．掌握航空器、航天器的分类，航空器、航天器发展过程中具有里程碑的重要事件，航空发动机及火箭发动机原理，飞行器升空原理、复合材料和飞机的仪表等内容。

二、知识点整理

（一）气球飞艇

1、载人气球的诞生

热气球在中国已有悠久的历史，称为天灯或孔明灯，知名学者李约瑟也指出，西元1241年蒙古人曾经在李格尼兹（Liegnitz）战役中使用热气球过龙形天灯传递信号。法国的孟格菲兄弟于1783年才向空中释放欧洲第一个内充热空气的气球。法国的罗伯特兄弟是最先乘充满氢气的气球飞上天空的。在世界很多不同的国家，气球也会用来作庆祝大日子来临时的点缀。很多地方的街道上都可以看到不同颜色的各种气球。在一些开幕的仪式中，人们会刺破气球，象征着那开幕的重要时刻，也能凝聚气氛。

2.发展历程

十八世纪，法国造纸商蒙戈菲尔兄弟因受碎纸屑在火炉中不断升起的启发，用纸袋聚热气作实验，使纸袋能够随着气流不断上升。1783年6月4日，蒙戈菲尔兄弟在里昂安诺内广场做公开表演，一个圆周为110英尺的模拟气球升起，这个气球用糊纸的布制成，布的接缝用扣子扣住。兄弟俩用稻草和木材在气球下面点火，气球慢慢升了起来，飘然飞行了1.5英里。乘坐蒙戈菲尔兄弟制造的气球的第一批乘客是一只公鸡、一只山羊还有一只丑小鸭。同年9月19日，在巴黎凡尔赛宫前，蒙戈菲尔兄弟为国王、王后、宫廷大臣及13万巴黎市民进行了热气球的升空表演。同年11月21日下午，蒙戈菲尔兄弟又在巴黎穆埃特堡进行了世界上第一次载人空中航行，热气球飞行了二十五分钟，在飞越半个巴黎之后降落在意大利广场附近。这次飞行比莱特兄弟的飞机飞行整整早了120年。二战以后，高新技术使球皮材料以及致热燃料得到普及，热气球成为不受地点约束、操作简单方便的公众体育项目。八十年代，热气球引入中国。1982年美国著名刊物《福布斯》杂志创始人福布斯先生驾驶热气球、摩托车旅游来到中国，自延安到北京，完成了驾驶热气球飞临世界每个国家的愿望。热气球作为一个体育项目正日趋普及，它曾创造了上升34668米高度的记录。1978年8月11日至17日，“双鹰Ⅲ号”成功飞越了大西洋，1981年“双鹰Ⅴ号”又成功跨越太平洋。现在全世界有20000多个的热气球在飞行。我国目前已有100多个球，成功地举办了第一届、第二届北京国际热气球邀请赛、泰山国际热气球邀请赛等大型比赛活动、99'

全国热气球锦标赛。

3、气球飞行及应用

从世界范围来说，人们对乘坐气球的兴趣迅速高涨起来。法国人不仅率先使用了气球，并且开发出了许多早期的飞行方式。法国工程师和科学家们也是首先认识到气球具备军事用途的人。第一次热气球飞行之后不到10年(由于惧怕法国革命，人们在这一时期备受煎熬)，法国军队开始利用气球从事侦察，第一个专为军事用途制造的气球被命名为创业号(L'Entrepremant)。1794年初，受法国公共安全委员会的委托，法国科学家查理·库迪尔(Charles Coutelle)设计了创业号。

创业号，以及其他三个气球——法国人接着又制造了三个气球，分别是蓝天号(Celeste)、赫丘利号(Hercule)、无畏号(Intrepide)——均为氢气球。它们高高地飘浮在战场附近的天空，利用粗绳子锚系在地面。与地面联系，则通过锚绳往地面送纸条，或者利用旗语联络。作为创业号第一次升空实验期间的乘员，库迪尔宣称，他可以看见近30公里开外的部队调动的情况。气球可做侦察装置，第一次展示就给法国公共安全委员会留下了极其深刻的印象。1794年3月，法国组建了世界上第一支空军部队，名称为空中勇士部队，亦称气球部队。

这支部队远未完成组建，便投入了实战。1794年6月，在比利时弗勒侣斯战役(Battle of Fleurus)中，人类首次在实际冲突中(这可不是实景演示)使用了气球。是役，法国人打败了入侵的奥地利人。这一次又是库迪尔操纵气球，与人们身处地面高度时目光所及看到的情况相比，他提前一小时即可准确地报告敌方部队的调动情况。这次胜利使后来的一些观察家断言，法国人的胜利，关键因素是侦察气球。此话不假，奥地利人在震惊之余，甚至倡议禁止使用气球，因为它破坏了交战双方的规则。有消息称，许多未受过教育的奥地利陆军士兵们甚至认为，他们的行动那么早就被对方看到，因此气球肯定是魔鬼的帮凶，而魔鬼帮了法国人的忙。

气球技术很快走出了国门，法国人随之丧失了战略优势。拿破仑的智囊们力主在1798年征服埃及的战役中使用气球部队，但这支部队未能进入实战，因为英国人偷袭了法国人的营地。在具有决定性的尼罗河口阿布吉尔湾海战(Battle of Aboukir)之前，英国人将所有的气球和与气球有关的设备摧毁殆尽。返回法国之后，幡然醒悟的拿破仑解散了气球部队。这一事件的影响极其深远，乘坐气球的航空活动至少被延误了两代人之久。另外，从短期来说，这也使法国军队里一小撮狂徒的梦想彻底破灭了，他们曾经花费数年时间作了一个规划，试图以气球部队做开路先锋，入侵不列颠英国。

50年后，人们再次将气球应用于军事领域。那时候，狂热的追捧者们已经使气球航空技术取得了令人瞠目的改观，而他们的目的不外乎运动和休闲。在星空观测、天气试验、大气研究诸方

面，科学家们也在充分利用气球。19世纪60年代，由于远离欧洲的一场冲突(美国内战)，气球技术已经成熟到掀起了一次复兴运动。

飞艇在后勤保障和空中通信中的作用可以预见的。可以设想，不久的将来，一批载重500余吨、不加油航行2万千米，续航力30天的新式飞艇将加入军队。它们可搭载电子传感设备，遂行预警、侦察、监视、通信等任务，也能执行巡逻、运输等任务，甚至可能成为空空导弹，空地导弹和巡航导弹的发射平台或是空中流动加油、医疗平台。

（二）飞机研制的前仆后继

1、飞机的诞生

二十世纪最重大的发明之一，是飞机的诞生。人类自古以来就梦想着能像鸟一样在太空中飞翔。而2000多年前中国人发明的风筝，虽然不能把人带上太空，但它确实可以称为飞机的鼻祖。本世纪初在美国有一对兄弟他们在世界的飞机发展史上做出了重大的贡献，他们就是莱特兄弟。在当时大多数人认为飞机依靠自身动力的飞行完全不可能，而莱特兄弟确不相信这种结论，从1900年至1902年他们兄弟进行1000多次滑翔试飞，终于在1903年制造出了第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者”1号，并且获得试飞成功。他们因此于1909年获得美国国会荣誉奖。同年，他们创办了“莱特飞机公司”。这是人类在飞机发展的历史上取得的巨大成功。1903年12月17日莱特兄弟驾驶他们制造的飞行器员进行首次持续的、有动力的、可操纵的飞行。

2.固定翼飞机

所谓固定翼飞机是指飞机的机翼位置、后掠角角等参数固定不变的飞机；相对现代一些超音速飞机，在以低速飞行时，为了得到较大的升力，机翼伸展较大（后掠角较小），在飞行中随飞机速度增大，后掠角可以改变加大，这就不再是固定翼飞机了，典型的是直升机，它也叫旋翼机，没有固定的机翼；舰载飞机为了减少停放时占地面积，将机翼折叠；但飞行中机翼不能出现折叠动作的，或改变角度的，仍属于固定翼飞机。目前民航客机都属于固定翼飞机。国内外市场上的固定翼飞机模型多为单翼、双翼飞机。

3.动力飞行的尝试

几千年来，人类一直梦想着像鸟儿一样在白云之上自由飞翔，去探访神仙在高山和天上居住的地方，并进行了大量的探索。1783年在巴黎，法国人在人类历史上第一次乘坐轻于空气的热气球飞上天空，人类离开了地面。但是，这类飞行器持纵困难，行动缓慢，它满足不了人们在交通中自由快速运动的愿望。人类又继续探索了120年，才造出了飞机，飞机满足了人类的这个愿望。

飞机凭借着它对空气运动的速度产生了向上的升力，因而从本质上飞机就必然是一种向更高更快的方向发展的一种运输工具。飞的更快也会要求飞的更远，这决定由飞机开创的航空运输业就要必然要追求更快、更高、更远的目标。

飞的更高，从空中开展的行动，改变了人们一直在地球表面活动的方式，使人类从平面上的二维活动方式变为包括着向上的方向的三维活动方式，改变了人们飞上天空后地面滑向下方，天际的地平线不再是直线，变成了弧线，亲眼看到了我们居住的家园原来是浮游在宇宙中的球体，向上则是广阔无垠的宇宙，一下子把对天空中的神仙的敬仰和神秘之情一扫而空。人类改变了观念、思想解脱了禁锢，为以后的宇宙探索指明了道路。

飞的更快更远扩大了人类活动范围。在人类用步行或借助畜力活动的年代，活动的范围只有几十千米。那时人们的日常生活仅局限相邻的村镇或一个城市及其周边地区。有了现代化的汽车、火车等陆上交通工具，人类活动的半径扩大到几百千米。但对于高山险阻和汪洋大海仍是无能为力。飞机克服了这种障碍，把全球连在一起，使人类观察问题的视角从局部地区扩展到全球。应该说，航空运输为后来的政治、经济的全球化打下了基础。

（三）莱特兄弟发明飞机

1.之前的教训

技术条件不完全成熟（特别是发动机）、理论研究尚不够升入（升力、稳定理论）、先驱者急于求成，没有持之以恒、飞机的研制道路不科学（不注重稳定与控制）、没有把飞机看成一个系统整体对待。

2.莱特兄弟取得成功的原因

（1）自小喜欢航空；

（2）动手能力很强；

（3）广泛搜集资料；

（4）研究循序渐进；

（5）开展大量实验；

（6）解决关键问题；

（7）整体对待飞机。

（四）两次大战——需求激励发展迅速

第一次世界大战初期，飞机开始出现在战场上，空战时代到来了。

903年12月17日，美国人莱特兄弟首次驾驶自己设计制造的飞机在空中飞行成功。1909年，

美国陆军首先购买和装备了第一架军用飞机，准备用它来参与战场侦察。这架飞机上装有一台30马力的发动机，最大速度可达68千米/小时。同年又制成了1架双座莱特A型飞机，用来训练飞行员。

最先认识到航空武器的重要的是飞行员。有的飞行人员将步枪、机枪带到飞机上，与敌机遭遇时向敌机射击。1914年9月8日，俄国的飞行员聂斯切洛夫驾驶飞机在空中与一架奥地利侦察机相遇。俄国飞行员拔出手枪向奥地利飞行员打了两枪。有一枪打在侦察机的机身上，但不影响飞机的操纵。俄国飞行员还想射击，手枪却卡了壳。他驾机朝奥地利飞行员冲了过去，机轮撞在了奥地利侦察机的螺旋桨上。奥地利侦察机顿时朝地面坠落下去。不久，一名法国飞行员在自己的飞机上安装了一挺火力很强的霍奇斯基机枪。机枪固定在座舱前的机身上，沿飞行方向射击。他用这挺机枪击落两架德国军机。后来，这位法国人的飞机被德国的防空火力击伤，德国人从迫降的飞机上拆下了机枪装置，着手仿制。在飞机上安装武器最大的难题是如何让子弹避开旋转的螺旋桨叶片。3名工程师为飞机制造了一种机枪射速协调装置，它依靠螺旋桨来控制机枪的射击，当桨叶与枪管成一线，桨叶片挡住枪管时，机枪便停止射击。1915年6月，德国人把这种武器安装在福克飞机公司生产的每小时可飞130千米、最高可达3000米的单翼机上。这种装有机枪射速协调装置的“福克”飞机，在空战中击落了多架法国和英国飞机。飞机开始真正进入了空战的时代。

1916年，法国首先在飞机上安装了37毫米的航炮，取代了早期那些随意加装在飞机上的各种机枪。这些航炮在第一次世界大战中，成为对地实施扫射和空中格斗的主要武器。1918年8月，英国在索姆河反攻中，首次大规模使用强击机对地面部队进行火力支援。但这些飞机的速度较慢，有的1小时只能飞几十千米，最快的也只有200千米左右。尽管如此，在第一次世界大战中，用于空战的歼击机、用于突击地面目标的轰炸机和用于支援部队作战的强击机，以及用于侦察的飞机都出现了。

（五）动力革命——新的时代新的征程

1.二战时期的重要进步

（1）应力蒙皮技术，飞机载重更大、速度更快；

（2）变距螺旋桨，使飞机的适应性更高；

（3）增升装置开始使用，提高了飞机的起降型能；

（4）发动机增压技术，提高了功率和高空性能；

（5）可收放起落架，使飞机阻力更小；

（6）单翼全金属结构，使飞机更快、更强；

（7）飞机设计理论、实验技术大大发展；

（8）航空企业减少、规模增大，标准化程度更高。

2.喷气发动机

喷气发动机（Jet engine）是一种通过加速和排出的高速流体做功的热机或电机，使燃料燃烧时产生的气体高速喷射而产生动力。大部分喷气发动机都是依靠牛顿第三定律工作的内燃机。

涡轮喷气发动机(Turbojet)（简称涡喷发动机）是一种涡轮发动机。特点是完全依赖燃气流产生推力。通常用作高速飞机的动力。油耗比涡轮扇发动机高。涡喷发动机分为离心式与轴流式两种，离心式由英国人弗兰克·惠特尔爵士于1930年取得发明专利，但是直到1941年装有这种发动机的飞机才第一次上天，没有参加第二次世界大战，轴流式诞生在德国，并且作为第一种实用的喷气式战斗机Me-262的动力参加了1944年末的战斗。相比起离心式涡喷发动机，轴流式具有横截面小，压缩比高的优点，但是需要较高品质的材料——这在1945年左右是不存在的。当今的涡喷发动机均为轴流式。