緒

論

0.0.1人類的飛天之夢

飛向天空，是人類亙古以來的幻想，是古往今來最經久不衰的話題。看到小鳥在天空中自由翱翔，人們都渴望像鳥兒一樣飛行。在世界各民族絢麗多彩的神話中，都能找出許多人與鳥比翼齊飛的傳說。嫦娥奔月，這個故事反映出人們想升空飛行的強烈愿望。

0.0.2第一次飛上天空的有動力的飛機和人

人類為了實現騰空飛行的夢想，從探索鳥類飛行的奧秘到駕駛飛機在空中飛行，經歷了一個漫長而又曲折的過程。1903年12月17日是一個值得永遠紀念的日子，美國萊特兄弟自己動手設計、由弟弟奧維爾?萊特駕駛的“飛行者1號”，在北卡羅來納州的基蒂霍克沙洲實現了人類歷史上第一次有動力、穩定、可操縱的持續(12s)飛行；當天由哥哥威爾伯?萊特駕駛的第四次飛行，在空中只停留了短短的59s，飛行距離也只有微不足道的260，但卻使人類渴望了幾千年飛向天空的夢想變為現實，開創了人類現代航空的新紀元。

如圖0-1所示，“飛行者1號”是一架普通的雙翼飛機。飛機長6.5m，翼展12.3m，機翼面積47.4m2，起飛重量340。它采用了鴨式布局，一副前翼和一副主機翼都是雙翼結構，前翼兼作升降舵，兩個方向舵裝在機身后面。一臺8.8kW的活塞式汽油發動機裝在下機翼中間偏右的部位，用鏈條帶動兩副推進式螺旋槳，螺旋槳直徑為2.59m，分別安裝在駕駛員位置的兩側。機身骨架和機翼用樅木和布制成，上下機翼之間用支撐柱加強。最初人是趴在下部機翼上駕駛的，1908年才改成坐式，1912年又將滑橇改成帶機輪的起落架。圖0-1“飛行者1號”和萊特兄弟

在萊特兄弟實現首次動力飛行后的第6年，即1909年9月21日，在美國加州奧克蘭市郊外的派德蒙特山附近，被孫中山先生稱為“不可多得之奇才”的旅美華人馮如，親自駕駛自己設計制造的有動力的飛機，成功地首次飛上藍天，被譽為中國第一個飛行家，如圖0-2所示。圖0-2馮如和馮如設計制造的飛機

0.0.3航空與航天的基本內涵

航空航天技術是20世紀人類在認識自然和改造自然的過程中最活躍、發展最迅速、對人類社會生活最有影響力的科學技術領域之一，也是代表一個國家科學技術先進性的重要標志。

航空是指在地球周圍稠密的大氣層內的航行活動。航天是指在大氣層之外的近地空間、行星際空間、行星附近以及恒星際空間的航行活動。但是，在地面發射航天飛行器或者當航天飛行器返回地面時，都要經過大氣層，特別是水平起降的航天飛機，雖然主要活動在大氣層之外的空間，但其起飛和降落過程與飛機極為相似，兼有航空和航天的特點。所以從科學技術上看，航空與航天不僅是緊密聯系的，有時甚至是難以區別的。航空航天一詞，既指進行航空航天活動所涉及的科學技術，又指研制航空航天飛行器所涉及的科學技術。

0.0.4飛行器的分類

在地球大氣層內或大氣層之外的空間(含環地球空間、行星和行星際空間)飛行的器械，通稱為飛行器。一般，飛行器可分為三大類：航空器、航天器、火箭和導彈。在大氣層內飛行的飛行器，稱為航空器；在大氣層之外的空間飛行的飛行器，稱為航天器；依靠制導系統控制其飛行軌跡的飛行武器，稱為導彈；靠火箭發動機提供推進力的飛行器，稱為火箭。

1．航空器

任何航空器都需要產生升力來克服自身的重力，然后才能升空飛行。按照產生升力的基本原理，可將航空器分為兩大類：一是靠空氣靜浮力升空飛行的航空器(習慣上稱為輕于空氣的航空器)，二是靠航空器與空氣相對運動而產生空氣動力升空飛行的航空器(習慣上稱為重于空氣的航空器)。航空器的分類如圖0-3所示。圖0-3航空器的分類

(1)輕于空氣的航空器。輕于空氣的航空器包括氣球和飛艇，其主體是一個氣囊，其中充以密度小于外界空氣密度的氣體(如熱空氣、氫或氦)，由于氣球所排開的空氣重量大于氣球本身的重量，所以通過靜浮力使氣球升空。氣球沒有動力裝置，升空后只能隨風飄動或被系留在固定位置上。飛艇裝有發動機、螺旋槳、安定面、操縱面以及裝載人或物的吊艙，飛行路線可以控制。

(2)重于空氣的航空器。重于空氣的航空器是靠自身與空氣相對運動而產生的升力升空飛行的。這種航空器主要有固定翼航空器和旋翼航空器兩類。固定翼航空器包括飛機和滑翔機，旋翼航空器包括直升機和旋翼機。滑翔機在飛行原理與構造形式上與飛機基本相同，只是它沒有動力裝置和推進裝置，一般由彈射或拖曳升空，然后靠有利的氣流(如上升氣流)或降低高度(位能轉變為動能)繼續飛行。旋翼機與直升機的區別是，旋翼機的旋翼沒有動力直接驅動，是靠自身前進時(前進的動力由動力裝置提供)的相對氣流吹動旋翼轉動而產生升力的。

2．航天器

航天器是在稠密大氣層之外環繞地球飛行，或在行星際空間、恒星際空間，基本上按照天體力學規律運行的各種飛行器，又稱空間飛行器。與自然天體不同的是，航天器可以按照人的意志，改變其運行軌道。如圖0-4所示，航天器可以分為無人航天器和載人航天器。無人航天器可以按照是否環繞地球運行分為人造地球衛星和空間探測器；載人航天器又可分為載人飛船、航天站(又稱空間站)和航天飛機。圖0-4航天器的分類

(1)無人航天器。無人航天器包括人造地球衛星和空間探測器。

①人造地球衛星，簡稱人造衛星，是由運載火箭發射到一定高度，獲得必要的速度，沿一定軌道環繞地球，基本上按天體力學規律運行的一種航天器。人造地球衛星按其用途又可分為用于科學研究的科學衛星，直接為國民經濟和軍事服務的應用衛星，以及進行航天技術試驗的技術試驗衛星等。

②空間探測器，又稱為深空探測器，是對月球、行星和行星際空間進行探測的航天器，目前，已發展到了探測太陽系之外的宇宙空間的探測器。

(2)載人航天器。按照飛行和工作情況，載人航天器可分為載人飛船、航天站(空間站)和航天飛機。

①載人飛船包括衛星式載人飛船和登月載人飛船。它們提供航天員在外層空間生活和工作的條件，并能使航天員安全返回地面。載人飛船可以獨立進行航天活動，也可以作為往返于地面和航天站(或月球)之間的“渡船”。

②航天站是可供多名航天員長期生活的航天器。它的運行原理與環繞地球的衛星式載人飛船類似，主要區別是，衛星式載人飛船運行的時間很短，一般僅能一次使用后返回地面。

③航天飛機是可以重復使用，往返于地面和近地軌道之間運送有效載荷或在軌道上完成規定活動的航天器。航天飛機一般可以設計成飛機形式，由運載火箭送入軌道，返回地面時可像飛機那樣著陸。目前，正在探索像飛機那樣水平起飛、水平著陸的航天飛機(又稱空天飛機)。

3．火箭和導彈

在許多文獻中，“火箭”一詞既指火箭發動機又指以火箭發動機為動力的飛行器。如指火箭發動機，可按能源分為化學火箭、核火箭、電火箭；如指以火箭發動機為動力的飛行器，可按用途分為無控火箭彈、探空火箭、運載火箭等。

導彈是由制導系統控制其飛行軌跡的飛行武器，特點是帶有戰斗部。按導彈飛行特點可分為彈道式導彈、巡航導彈和可作高機動飛行的導彈(如地空導彈、空空導彈等)三大類。導彈的動力裝置可以是火箭發動機，也可以是渦輪噴氣發動機或沖壓發動機。每一類導彈，還可以按用途或射程大小再予以細分。

0.0.5航空航天發展簡史

碧空萬里，浩瀚無垠，神秘莫測，令人神往。自古以來，人類就懷有飛行的愿望，但是在社會生產力水平低下的年代，這種愿望是難以實現的。不過，許多先驅人物的勇敢探索，卻為人類實現飛行提供了有益的經驗和教訓。特別是18世紀的產業革命，推動了科學技術的發展，為人類實現飛行的愿望提供了條件。

1．航空發展簡史

1)輕于空氣的航空器

利用空氣靜浮力升空，在技術上是比較容易實現的。中國在10世紀初期，就有了類似于熱氣球的“孔明燈”，將其升入空中作為戰爭中的聯絡信號。

氣球的出現激起了人們對乘氣球飛行的熱情，有人開始致力于飛艇的研究。經過多年的探索和試驗，人類制成了帶動力、可操縱的飛艇，并升空飛行。1900年，德國的齊柏林制成了長128m，容積為11300m3的硬式飛艇，巡航速度為60km/h，并于1910年開辟了載客的定期航線。圖0-5是齊柏林制造的世界上第一個實用的飛艇。圖0-5世界上第一個實用的LZ-1飛艇

2)重于空氣的航空器

人類關于飛行的許多探索和試驗都是從模仿鳥類的飛行開始的，中外歷史文獻中都記載著用羽毛制成翅膀嘗試飛行的記錄，但這些嘗試都沒有獲得成功。他的重要著作《關于空中的航行》，為后來航空器的研制提供了重要的理論基礎和經驗。圖0-6是G.凱利于1847年設計制作的一架載人滑翔機，可以說G.凱利是世界上成功地使載人滑翔機飛上藍天的第一人。圖0-6G.凱利于1847年設計制作的載人滑翔機

為了使飛機能夠成功地飛行，必須解決升力、動力、穩定飛行和操縱的問題。有些人將蒸汽機作為動力裝置，并對此進行了探索。1896年，美國科學家蘭利制造了一個用蒸汽機作動力的飛機模型，如圖0-7所示，飛行高度達到20m，飛行距離達760m。1893年，汽油內燃機(活塞發動機)問世，20世紀初，美國科學家蘭利又制造了安裝活塞發動機的飛機，但1903年的兩次試飛均未成功，主要原因是未能解決飛機穩定飛行和操縱的問題。圖0-7美國科學家蘭利的蒸汽機飛機模型

20世紀初，歐洲也有人從事飛機的研究工作。法國的桑托?杜蒙于1906年，法國的布萊里奧于1909年，都成功地飛行了他們自己設計的飛機。布萊里奧駕駛“布萊里奧Ⅺ號”單翼機于1909年首次飛越了英吉利海峽，全程40km，飛行時間37min。

1939年，第一架裝有渦輪噴氣發動機的飛機試飛成功，這便是德國人亨克爾設計的He-178飛機，如圖0-8所示。

圖0-8世界上第一架渦輪噴氣式飛機He-178

2．火箭、導彈發展簡史

火箭是中國發明的。在10世紀，中國的文獻中已有火藥用于火箭的記載，12世紀已出現了以火藥為能源利用反作用力推進的火箭雛形。

3．航天發展簡史

19世紀末到20世紀初，涌現出了許多富有探索精神的航天先驅者。蘇聯的齊奧爾科夫斯基，從理論上證明了利用多級火箭可以克服地球引力而進入太空。他建立了火箭運動的基本數學方程，并肯定了液體火箭發動機是航天器最適宜的動力裝置。美國的戈達德提出了火箭飛行的原理，并導出了脫離地球引力所需的7.9的第一宇宙速度。他以很大的精力研制液體火箭發動機，并于1926年作了首次飛行試驗。德國的奧伯特研究了火箭飛行的數學理論，提出了許多關于火箭的構造和飛行的新概念。這些先驅者的工作，為航天技術的發展奠定了基礎。

中國空間技術研究院成立于20世紀60年代末，在“東方紅一號”之后，中國空間技術研究院先后自主研制并成功發射了80多顆人造地球衛星、11艘“神舟”飛船和中國第一個月球探測器“嫦娥一號”，在人造衛星、載人航天和深空探測三個航天技術領域實現了新跨越，多項技術跨入世界先進行列。“天宮一號”是中國于2011年9月29日發射的第一個目標飛行器，飛行器全長10.4，最大直徑3.35，由實驗艙和資源艙構成。2011年11月3日，“天宮一號”順利實現了與“神舟八號”飛船的對接任務，如圖0-9所示。圖0-9“天宮一號”飛行器與“神舟八號”飛船順利完成了對接任務

0.0.6飛行環境

1．大氣飛行環境

包圍地球的空氣層(大氣)是航空器唯一的飛行活動環境，也是導彈和航天器的飛行活動環境。大氣層沒有明顯的上限，它的各種特性在垂直方向上的差異非常顯著，例如空氣密度和壓強都隨高度增加而減小。在10km高度，空氣密度只相當于海平面空氣密度的1/3，壓強約為海平面壓強的1/4；在100km高空，空氣密度只是地面密度的％(百萬分之零點四)，壓強只是地面的％(百萬分之零點三)。

以大氣中溫度隨高度的分布為主要依據，可將大氣層劃分為對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層等5個層次，而航空器的飛行環境是對流層和平流層。

(1)對流層。大氣中最低的一層為對流層，氣溫隨高度增加而降低，空氣對流運動極為明顯。對流層的厚度隨緯度和季節的變化而變化，低緯度地區平均為16～18km，中緯度地區平均為10～12km，高緯度地區平均為8～9km。對流層集中了大約全部大氣質量的3/4和幾乎全部的水汽，是天氣變化最復雜的層次，飛行中所遇到的各種重要天氣變化幾乎都出現在這一層中。

(2)平流層。平流層位于對流層之上，頂界擴展到50～55km。在平流層內，隨著高度的增加，起初氣溫保持不變(為190)或者略有升高；到20～30km，氣溫升高很快；到了平流層頂，氣溫升至270～290K。平流層的這種氣溫分布特征，同它受地面影響較小和存在大量臭氧有關。過去常稱這一層為“同溫層”，實際上指的是平流層的下部。平流層中的空氣沿垂直方向的運動較弱，因而氣流比較平穩，能見度較好。

(3)中間層。中間層從50～55km伸展到80～85km的高度。這一層的特點是，隨著高度的增加，氣溫下降，空氣有相當強烈的沿垂直方向的運動。這一層頂部的氣溫可低至160～190K。

(4)熱層。熱層從中間層頂延伸到800高空，這一層的空氣密度極小，聲波已難以傳播。熱層的一個特征是氣溫隨高度的增加而上升，另一個特征是空氣處于高度的電離狀態。

(5)散逸層。散逸層又稱外大氣層，位于熱層之上，是地球大氣的最外層。該層的空氣極其稀薄，又遠離地面，受地球引力較小，因而大氣分子不斷地向星際空間逃逸。

2．空間飛行環境

空間飛行環境包括自然環境和誘導環境。自然環境包括真空、電磁輻射、高能粒子輻射、等離子體、微流星體等；誘導環境是指