空气动力学发展概述

空气动力学是研究物体与空气之间有相对运动时，即物体在空气中运动或物体不动空气绕过物体时，空气的运动及作用力的规律。传统的空气动力学是指飞行器的空气动力学，尤其是普通飞机的空气动力学。空气对运动飞机的作用力一部分体现为升力，使飞机“托住”在空气里的作用力。另一部分，体现为阻力，对飞机的飞行起阻力作用。

人们在研究空气动力学问题时，常依据相对飞行原理，将飞行器穿过空气的运动等效为飞行器不动空气绕过飞行器的运动。相对飞行原理是指，当飞行器以某一速度在静止空气中做均速直线运动时，飞行器与空气的相对运动规律和相互作用力，与飞行器固定不动而让空气以同样大小和相反方向的速度流过飞行器的情况是等效的，如图1所示。

相对飞行原理，为空气动力学的研究提供了便利，相对飞行原理是空气动力学实验的基本原理。人们在实验研究时，可以将飞行器模型固定不动，人工制造直匀气流流过模型，以便观察流动现象，测量模型受到的空气动力，进行试验空气动力学研究，而且在风洞试验中让空气流动要比让物体移动更容易实现（如图2所示）。

早在意大利文艺复兴时期，意大利全才科学家达·芬奇（1452～1519年，如图3所示）就对鸟的飞行原理进行了研究，给出一些定性的概念。后来英国凯利、美国兰利和德国李林达尔等著名科学家进一步更深入的研究。英国乔治·凯利（George Kelly ，1773～1857年，如图4所示）被称为经典空气动力学之父，对鸟类飞行原理进行了大量的研究，通过对鸟翼面积、鸟的体重和飞行速度的观察，估算出速度、翼面积和升力之间的关系，提出人造飞行器应该将推进动力和升力面分开考虑。美国兰利（Langley , Samuel Pierpont，1834～1906年，如图5所示）提出了机翼升力计算公式。德国工程师和滑翔飞行家李林达尔（Otto Lilienthal，1848～1896年，如图6所示）开始制造滑翔机，他是制造与实践固定翼滑翔机的航空先驱者之一，并在柏林附近试飞2000多次，积累了丰富的资料，为日后美国莱特兄弟实现动力飞行提供了宝贵的经验。

进入二十世纪人类创建了空气动力学较完整的科学体系，并得到了蓬勃的发展。美国莱特兄弟（威尔伯·莱特，Wilbur Wright，1867～1912年；奥维尔·莱特，Orville Wright，1871～1948年，如图7所示）是两个既有实践经验又有理论知识，且富有想象力和远见的工程师，1903年12月27日，奥维尔·莱特驾驶他们设计制造“飞行者一号”首次试飞成功，这是人类历史上第一架有动力、载人、持续、稳定、可操纵的飞行器。从此开创了动力飞行的新纪元。其后，飞机的发展推动了空气动力学的迅速发展。1906年，儒可夫斯基（Joukowski，1847年～1921年，如图8所示）发表了著名的升力公式，奠定了二维机翼理论的基础，并提出以他名字命名的翼型。1904-1921年，普朗特（Ludwig Prandtl，1875～1953年，如图9所示）提出边界层理论、薄翼理论和大展弦比机翼的升力线理论等。二十世纪二十年到三十年代，空气动力学的理论和实验得到迅速发展，所建造的许多低速风洞，对各种飞行器研制进行了大量的实验，从而很大程度上改进了飞机的气动外形，实现了飞机动力增加不大的情况下，使飞机的飞行速度从50m/s增大到170m/s。1925年阿克莱特（Ackeret）导出翼型的超声速线化理论，1939年戈泰特提出了亚声速三维机翼的相似法则，于此同时普朗特和葛劳渥提出亚声速压缩性修正法则。1944年冯·卡门（Theodore von Kármán，1881年～1963年，如10所示）和钱学森（1911～2009年，如图11所示）采用速度图法，提出了比普朗特-葛劳渥（Glauert）法则更为精确的亚声速压缩性修正律，1946年钱学森首先提出高超声速相似率。二十世纪三十年至四十年代，人类建造了一批超声速风洞，使飞机在二十世纪四十年代末突破了“声障”，二十世纪五十年代随后突破了“热障”，实现了超声速飞行和人造卫星。

二十世纪五十年代以后，随着计算机的出现和发展，使计算空气动力学得到迅速的发展，理论、实验、计算成为飞行器设计必不可少的途径。飞行器空气动力学按照所研究的流动问题速度的大小又可划分为几类。处理低速问题的称为低速空气动力学，处理高速问题的称为高速空气动力学。高速范围内根据声速这一重要的参考量又分为几个部分：研究飞行速度低于声速的称为亚声速空气动力学，超过声速的称为超声速空气动力学，而研究声速左右的飞行速度的问题则称为跨声速空气动力学。洲际导弹和宇宙飞船重返大气时，起初短时间内速度将在声速的十倍以上，这类飞行称为高超声速飞行。一般规定飞行速度大于五倍声速的叫高超声速飞行，处理这方面问题的称为高超声速空气动力学。此外还有研究外层大气中的稀薄气体力学，研究在外层大气中离子化的空气磁流体动力学等等。