航空航天的發(fā)展史世界

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1、航空、航天技術(shù)的發(fā)展,今天不可能的事明天將變?yōu)榭赡堋? ---康埃齊奧爾可夫斯基,一、早期人類對(duì)于飛行的探索 二、早期的飛機(jī) 三、航天技術(shù)的發(fā)展,20世紀(jì)是人類開(kāi)始的航空與航天的世紀(jì)。在人類開(kāi)創(chuàng)的種類繁多的技術(shù)領(lǐng)域中，這兩個(gè)領(lǐng)域是與力學(xué)學(xué)科關(guān)系最為密切、也最具有代表性的領(lǐng)域。由于力學(xué)的發(fā)展，才使航空和航天成為可能；也由于航空和航天的技術(shù)需要，刺激和推動(dòng)了新的力學(xué)問(wèn)題的研究，特別是應(yīng)用力學(xué)與工程力學(xué)的研究。,力學(xué)學(xué)科從它誕生起就是與社會(huì)生活緊密相連的，在精神生活的領(lǐng)域方面它為破除迷信沖破精神枷鎖開(kāi)路，在改變?nèi)祟惖奈镔|(zhì)生活方面，它是社會(huì)生產(chǎn)力最活躍的因素。 和人類文明進(jìn)程密切相關(guān)的工程技術(shù)領(lǐng)域很多

2、，如土木、機(jī)械、化工、電機(jī)、交通、造船、紡織、材料、能源等等，在每一個(gè)領(lǐng)域力學(xué)都發(fā)揮了舉足輕重的作用，我們不可能面面俱到地講清楚這所有的領(lǐng)域同力學(xué)的相互作用，只能選擇這些領(lǐng)域中最具有代表性的航空與航天兩個(gè)領(lǐng)域來(lái)介紹，必要的時(shí)候，也順帶涉及到相關(guān)的領(lǐng)域。,一、 早期人類對(duì)于飛行的探索,流體力學(xué)的理論發(fā)展，為航空工業(yè)的誕生準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)。在19世紀(jì)末，不少人進(jìn)行了飛行的探索。這些探索為20世紀(jì)初的實(shí)際飛行準(zhǔn)備了條件。最后終于迎來(lái)了一個(gè)新興的工業(yè)部門的誕生，這就是航空工業(yè)的產(chǎn)生與發(fā)展。,我國(guó)晉代有關(guān)于竹蜻蜓的記載，是一種借旋轉(zhuǎn)慣性以升空的玩具。,1、達(dá)芬奇的論鳥的飛行,我國(guó)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)代有了風(fēng)箏、三國(guó)時(shí)

3、代有了孔明燈、晉代有了竹蜻蜓、宋代有了火箭的發(fā)明。它們是人類早期對(duì)重物升空的嘗試。 在歐洲的文藝復(fù)興時(shí)代，在達(dá)芬奇的扎記中記載了他對(duì)滑翔升空的構(gòu)想。據(jù)說(shuō)他曾經(jīng)花了20多年觀察與研究鳥、蝙蝠、昆蟲的飛行，并且計(jì)劃將他的發(fā)現(xiàn)寫成一本著作。1505年，達(dá)芬奇寫成了研究手稿論鳥的飛行。達(dá)芬奇是大畫家，在這篇論文中，圖文并茂。他指出“由于大氣本身是具有可壓縮的性質(zhì)的物質(zhì)，當(dāng)有某種物體以比它的流動(dòng)更快的速度拍擊大氣時(shí)，它就要受到壓縮?！边€指出“除非翅膀拍擊空氣的運(yùn)動(dòng)比空氣壓縮時(shí)自身的運(yùn)動(dòng)速度快，否則翅膀下的空氣不會(huì)變得很密，因此鳥就不會(huì)在空中支承自己的重量。”達(dá)芬奇在這里已經(jīng)有了作用與反作用的思想，即鳥的

4、翅膀拍擊空氣，空氣給鳥的翅膀以升力。達(dá)芬奇還研究了鳥的羽毛的結(jié)構(gòu)，他的結(jié)論是：羽毛的排列特點(diǎn)是當(dāng)它向下扇動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)是密的壓縮空氣的效果顯著；而當(dāng)翅膀上揚(yáng)時(shí)，羽毛變的疏散以減少空氣阻力。,達(dá)芬奇Leonardo da Venci 1452-1519的自畫像和飛機(jī)的草圖,達(dá)芬奇還觀察到在山谷或一定條件下會(huì)產(chǎn)生向上的氣流，鳥經(jīng)常利用這種上升的氣流，高飛而又節(jié)省力氣。他進(jìn)一步注意到鳥一般都是逆風(fēng)而很少順風(fēng)飛行。他說(shuō)：“鳥逆風(fēng)飛行可以不必扇撲翅膀，這得益于下降時(shí)下面的氣流。利用放松運(yùn)動(dòng)使之處于氣流之上?！彼谶@里已經(jīng)有了空氣動(dòng)力產(chǎn)生升力的萌芽，這是極可寶貴的體驗(yàn)。 此外達(dá)芬奇還對(duì)鳥的起飛、降落、轉(zhuǎn)彎、滑

5、翔等動(dòng)作，并且給了許多合理的解釋。,根據(jù)鳥的飛行原理，達(dá)芬奇設(shè)計(jì)了飛機(jī)、降落傘、直升機(jī)。他考慮最多的是撲翼機(jī)，他說(shuō)：“鳥是一架按數(shù)學(xué)定律工作的機(jī)器，人具有復(fù)制這架機(jī)器全部運(yùn)動(dòng)的能力。它的強(qiáng)度可能不會(huì)符合，因?yàn)槿鄙倬S持平衡的動(dòng)力。我們可以說(shuō)，人們建造這種機(jī)器不缺少任何東西，只有鳥的生命除外?！?后來(lái)的歷史發(fā)展證明，達(dá)芬奇的這個(gè)論斷是十分正確的。 1 艾瑪阿里斯特著，鄭福潔譯，萊奧納多達(dá)芬奇筆記，三聯(lián)書店，1998年，第102頁(yè),2、利用氣球飛行,1783年10月21日來(lái)自法國(guó)里昂附近蒙格菲兄弟在巴黎成功地進(jìn)行了載人的熱氣球試驗(yàn)。由于蒙格菲的成功，巴黎科學(xué)院撥出經(jīng)費(fèi)進(jìn)行氣球的研究，在同年12月

6、1日，在巴黎研究以氫氣作氣球的查禮成功地進(jìn)行了一次載人的氫氣球試驗(yàn)。,蒙格菲兄弟成功地載人熱氣球試驗(yàn),1851年法國(guó)的吉法爾決定在長(zhǎng)40米的氣球上安裝上50馬力的蒸汽機(jī)，蒸汽機(jī)帶動(dòng)螺旋槳推進(jìn)，這是最早的飛艇。時(shí)速可以達(dá)到每小時(shí)10公里。 1900年7月德國(guó)的齊伯林以鋁為構(gòu)件的硬式飛艇試驗(yàn)成功。時(shí)速達(dá)每小時(shí)30公里。齊伯林的飛艇幾經(jīng)改進(jìn)，到1911年的齊伯林七號(hào)，裝有420馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)，時(shí)速大約每小時(shí)58公里，并且被用于第一次世界大戰(zhàn)，去對(duì)法國(guó)作戰(zhàn)。,齊伯林 Ferdinand von Zeppelin18381917,齊伯林的氣球,,利用氫氣比重比空氣小的性質(zhì)進(jìn)行飛行，是基于流體靜力學(xué)原理，即

7、在古希臘由阿基米德所發(fā)現(xiàn)的浮力原理。雖然后來(lái)歷經(jīng)改進(jìn)，采用氦氣，采用金屬外殼，還安裝了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行飛行，但是由于它既笨重又不安全，所以后來(lái)慢慢被飛機(jī)淘汰了。,3、凱利的飛行研究,在達(dá)芬奇系統(tǒng)地研究鳥的飛行之后的數(shù)百年間，人們似乎忘掉了航空。特別是，在18世紀(jì)末，當(dāng)法國(guó)人乘氣球升空得到成功，并熱衷于研究靠氣球飛行、又逐步并取得進(jìn)展的時(shí)候，在法國(guó)沒(méi)有人再關(guān)心飛機(jī)飛行了。 到了19世紀(jì)初，英國(guó)人喬治凱利（George Cayley,17731858）才又提出這個(gè)問(wèn)題，而且比達(dá)芬奇更前進(jìn)了一步.,18091810年凱利分三次在英國(guó)的自然哲學(xué)、化學(xué)和技藝雜志上發(fā)表了題目為論空中航行的論文。這是世界上最早的

8、航空論文，也是世界上現(xiàn)代航空的標(biāo)志。所以凱利后來(lái)被人們稱為“航空之父”。在論文中，他明確說(shuō)：“全部問(wèn)題是給一塊平板提供動(dòng)力，使之在空氣中產(chǎn)生并支持一定的重量?！蔽闹兴?jīng)過(guò)精心計(jì)算，給出了一架飛機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，換為現(xiàn)在的單位：當(dāng)平板的面積為60平方米、迎風(fēng)角為6度、速度為每秒10米時(shí)，升力可以支承90千克的人機(jī)總重。他并且說(shuō)：“如果這塊平板能在動(dòng)力作用下高效率運(yùn)動(dòng)，空中航行就會(huì)實(shí)現(xiàn)。”,凱利像George Cayley1773-1858,后來(lái)凱利還研究了飛機(jī)的飛行穩(wěn)定性、操縱性和安全性，為了保證這些性能，他建議在飛機(jī)上在機(jī)翼上設(shè)置反角、在飛機(jī)身后加尾翼、在尾翼上裝置可轉(zhuǎn)動(dòng)的垂直尾翼等。這些建議都為

9、后來(lái)的飛行證實(shí)是有效的。 受時(shí)代的限制，凱利當(dāng)時(shí)還沒(méi)有合用的發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至連瓦特的蒸汽機(jī)也還沒(méi)有。所以他沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)他的設(shè)想。不過(guò)在18491853年間，他設(shè)計(jì)并且試制了供載人用的滑翔機(jī)。,后來(lái)，在凱利逝世后的半個(gè)世紀(jì)，美國(guó)的萊脫兄弟實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)飛行，大萊脫曾說(shuō)過(guò)：“我們?cè)O(shè)計(jì)的飛機(jī)，完全按照凱利爵士的非常精確的計(jì)算方法。”所以后來(lái)西方的航空專家都稱凱利為航空之父。,凱利設(shè)計(jì)的飛機(jī),4、世界各國(guó)的早期飛行探索,在19世紀(jì)的后期，在英國(guó)、俄國(guó)、德國(guó)、法國(guó)都有一些動(dòng)力飛行的探索者。 1842年英國(guó)的漢森申請(qǐng)了他的飛機(jī)設(shè)計(jì)專利，這是世界上第一個(gè)有關(guān)飛機(jī)的專利。他的飛機(jī)上裝置的動(dòng)力是蒸汽機(jī)，他將這種飛行器定

10、名為“空中蒸汽車”。后來(lái)他自己進(jìn)行了模型試驗(yàn)，在頭幾次試驗(yàn)失敗后，他的財(cái)力已經(jīng)耗盡，無(wú)力繼續(xù)而停止了。 1857年，法國(guó)的布里斯制造了一架大型滑翔機(jī)，他的起飛方式是將滑翔機(jī)固定在馬車上，然后驅(qū)車沿大路奔跑，當(dāng)馬車達(dá)到一定速度時(shí)，把滑翔機(jī)放出去。在第二從試飛時(shí)，不幸遇到了下降的氣流，滑翔機(jī)摔壞，他本人也摔斷了大腿。過(guò)了10年，他又東山再起，繼續(xù)繼續(xù)滑翔機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)又遭失敗，從此他退出了航空。,德國(guó)的利林塔爾，1889年發(fā)表了一本鳥類飛行的藝術(shù)，這本書對(duì)后來(lái)的飛行影響很大。他還制造了具有蝙蝠形狀機(jī)翼的滑翔機(jī)，為了改進(jìn)他制造的滑翔機(jī)，他進(jìn)行了2000次以上的飛行試驗(yàn)。他對(duì)滑翔機(jī)不斷改進(jìn)，最長(zhǎng)的一次飛

11、行是從15米高的山頭上起飛，滑翔了300米遠(yuǎn)。他在滑翔機(jī)上增加了舵，并且準(zhǔn)備裝上動(dòng)力，可惜在1896年8月的一天，在試飛時(shí)，因?yàn)闄C(jī)翼折斷而犧牲。他離開(kāi)人世時(shí)最后的遺言是：“如果沒(méi)有犧牲，任何事都不會(huì)成功?！?這些只是動(dòng)力飛行的早期探索者中的少數(shù)例子。是這些勇敢的冒險(xiǎn)家的前仆后繼的探求，人們又不斷從中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才有后來(lái)的飛行世紀(jì)。誠(chéng)然，像后來(lái)最早飛行成功的萊特兄弟，那樣的勝利者的業(yè)績(jī)值得慶賀，而像利林塔爾，這樣的失敗者的業(yè)績(jī)也是可歌可泣的。,利林塔爾Otto Lilienthal1848 1896,,利林塔爾飛行圖,二、早期的飛機(jī),1、 蘭利的飛機(jī)研究與實(shí)驗(yàn),蘭利（Samuel Pierpont

12、 Langley,18341906）是美國(guó)的職業(yè)科學(xué)家，起先曾從事土木工程工作，后來(lái)靠自學(xué)成為著名的天文學(xué)家。他發(fā)展了測(cè)輻射熱儀，對(duì)太陽(yáng)光譜測(cè)量作出了重要貢獻(xiàn)，1867年，任美國(guó)匹茲堡大學(xué)的物理與天文學(xué)教授。他從幼年便對(duì)鳥的飛翔產(chǎn)生了極大的興趣。經(jīng)常連續(xù)數(shù)小時(shí)觀看鳥的飛行。,1887年蘭利移居華盛頓，出任當(dāng)時(shí)美國(guó)學(xué)術(shù)權(quán)威機(jī)構(gòu)斯密森學(xué)會(huì)的秘書。他建造了一座60英尺的懸臂機(jī)，該機(jī)靠煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，外周速度可達(dá)每小時(shí)70海里。利用這座懸臂機(jī)，他進(jìn)行了大量的空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，研究平板與鳥翼在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力與升力的規(guī)律，由此得到了許多定量的結(jié)果，并且糾正了前人的不少錯(cuò)誤。他得出了有一攻角的平板升力為

13、 其中A為平板面積、V為飛行速度、 為空氣的密度、 為平板的攻角。蘭利將他的研究結(jié)果寫成一本書空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，于1891年由華盛頓的斯密森學(xué)會(huì)出版。這本書是最早的比較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)著作，對(duì)后來(lái)的飛機(jī)研究者，包括萊特兄弟影響很大。,,,,除了實(shí)驗(yàn)室研究外，蘭利還動(dòng)手做飛行試驗(yàn)。他先后從1891年開(kāi)始試制了橡筋動(dòng)力模型飛機(jī)、設(shè)計(jì)并制造了輕型蒸汽機(jī)、并且設(shè)計(jì)了空中旅行者06共7個(gè)型號(hào)的飛機(jī)模型、對(duì)其中的第5、6兩號(hào)在1896年進(jìn)行了成功的飛行、后來(lái)又在1903年進(jìn)行了兩次不成功的載人的飛行試驗(yàn)。后來(lái)因?yàn)樨?cái)政拮據(jù)和新聞界的冷嘲熱諷，以及蘭利本人年事已高（接近70歲）的諸多原因，放棄了試驗(yàn)，

14、蘭利也于1906年逝世。后人總結(jié)他載人飛行的失敗主要是由于結(jié)構(gòu)上的不合理，當(dāng)時(shí)他的發(fā)射架如果采用輪式起落架，試飛很可能是另一種結(jié)果。,蘭利像Samuel Pierpont Langley 1834-1906,蘭利的飛機(jī)（1901）,2、 萊特兄弟的飛機(jī),飛機(jī)的發(fā)明與發(fā)展是力學(xué)漸漸滲入技術(shù)的結(jié)果，是從盲目走向自覺(jué)的過(guò)程。19世紀(jì)末不少人都想制造飛機(jī)，當(dāng)時(shí)滑翔機(jī)已有相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步，凡是致力于改進(jìn)滑翔機(jī)的人，很自然的想法是在滑翔機(jī)上安裝上動(dòng)力。但是那時(shí)只有蒸汽機(jī)這種過(guò)重的發(fā)動(dòng)機(jī)。 于是有一些人從事研究?jī)?nèi)燃機(jī)，如德國(guó)的利林塔爾與皮爾徹在1896年與1899年，先后在滑翔機(jī)上安裝上內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。不幸他們

15、二人先后都因?yàn)槭鹿识鵂奚Ｍ瑫r(shí)美國(guó)也有人進(jìn)行類似的試驗(yàn)，結(jié)果也以失敗而告終。,美國(guó)在俄亥俄州開(kāi)自行車修理店的萊特兄弟為德國(guó)的利林塔爾的犧牲精神所鼓舞，決心試制飛機(jī)。他們首先從制造滑翔機(jī)開(kāi)始，從1899年開(kāi)始，逐漸改進(jìn)。1899年，他們寫信給斯密森研究院索取有關(guān)航空資料，他們研究前人的經(jīng)驗(yàn)，其中包括達(dá)芬奇、喬治凱利、蘭利教授、馬克辛（機(jī)槍的發(fā)明者）、查紐特、帕森斯、托馬斯愛(ài)迪生、利林塔爾、阿代爾、等等的事跡與經(jīng)驗(yàn)。1901年萊特兄弟（哥哥 Wilbur Wright，18671912,弟弟Orville Wright，18711948）為了實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)翅膀，建造了風(fēng)洞，他們研究與比較了200種以上

16、的機(jī)翼形狀。到1902年秋，已經(jīng)積累了上千次滑翔經(jīng)驗(yàn)，掌握了飛行的理論與技術(shù)。,萊特兄弟哥哥(左) Wilbur Wright18671912弟弟Orville Wright18711948,最后，他們決心制造裝有發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳的飛機(jī)。經(jīng)過(guò)艱苦的研究，終于制成了4缸8馬力的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，并且用樅木制造了螺旋槳。1903年12月17日在北卡羅來(lái)納州的刺鬼山海岸（Kill Devil Hills beach），對(duì)他們制成的“飛行者”1號(hào)進(jìn)行了試飛。經(jīng)過(guò)4次試飛，最好的成績(jī)是在空中飛行59秒，飛行距離259.7米的記錄。那次試飛，他們發(fā)了50封邀請(qǐng)信，結(jié)果只來(lái)了5個(gè)人，報(bào)界對(duì)此反映冷淡。到1905年，

17、美國(guó)著名的科學(xué)普及雜志科學(xué)的美國(guó)人說(shuō)這次試驗(yàn)只不過(guò)是一個(gè)騙局。,之后萊特兄弟以及世界上不少國(guó)家與個(gè)人進(jìn)行了改進(jìn)試驗(yàn)。1904年進(jìn)行了“飛行者”2號(hào)試飛，總共飛行了105次，最長(zhǎng)飛行記錄是飛行了5分鐘，距離為4.4公理。后來(lái)他們對(duì)飛機(jī)的操縱性能做了改進(jìn)，1905年6月，制成了“飛行者”3號(hào)。經(jīng)過(guò)50次試飛，在10月5日達(dá)到了持續(xù)飛行38分3秒、飛行距離38.6公理的記錄。經(jīng)過(guò)各種姿態(tài)的飛行試驗(yàn)，說(shuō)明這架飛機(jī)已經(jīng)具備實(shí)用性。,萊特發(fā)明的飛機(jī)雖然已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用階段，但是要得到社會(huì)的承認(rèn)與支持還經(jīng)過(guò)了一段艱苦的努力。 萊特兄弟首先向美國(guó)陸軍談判，希望獲得支持，但是陸軍反應(yīng)冷淡，說(shuō)是要等到他們?cè)斐龀{駛

18、員外能攜帶一名人員的條件下能夠平飛時(shí)，才會(huì)考慮定購(gòu)。后來(lái)他們又同英國(guó)人談判也未有任何進(jìn)展。在1906、1907這兩年中，他們沒(méi)有試驗(yàn)，而是轉(zhuǎn)而改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳。到1907年春，他們又制造了一架新飛機(jī)，由萊特兄長(zhǎng)帶到歐洲，商談申報(bào)專利與生產(chǎn)問(wèn)題，也沒(méi)有得到什么結(jié)果。整個(gè)世界對(duì)他們數(shù)年的成功試飛沒(méi)有什么反應(yīng)。,1907年12月23日，美國(guó)政府愿意提供25000美元的資金，招標(biāo)制造一架能載兩人、飛行速度每小時(shí)64.4公里、飛行距離125公里的飛機(jī)。為了說(shuō)服美國(guó)官方，1908年2月萊特兄弟進(jìn)行了一次飛行表演，美國(guó)戰(zhàn)爭(zhēng)部同意到場(chǎng)觀看。同年3月萊特與戰(zhàn)爭(zhēng)部簽訂制造飛機(jī)的協(xié)議。 1908年8月萊特弟弟在法

19、國(guó)、1908年9月萊特兄長(zhǎng)在美國(guó)進(jìn)行了飛行表演。都相繼取得了成功，這些成功的表演新聞界廣為報(bào)導(dǎo)，這才使他們成為全世界注目的英雄。,3、 航空事業(yè)的發(fā)展,法國(guó)的桑托斯杜門一直致力于飛行，在1905年以前，他從事于飛艇的研制。從1906年開(kāi)始研制飛機(jī)，他先造了一架直升機(jī)，可惜因?yàn)樾硖](méi)有成功。在同年他又造了兩架飛機(jī)，結(jié)果都不理想。但是不管如何，它畢竟是歐洲的最早的飛機(jī)。幾經(jīng)改進(jìn)，到1909年杜門制造的“蜻蜓”飛機(jī)，是單翼機(jī)、輪式起落架、結(jié)構(gòu)緊湊，他自己駕駛，速度競(jìng)達(dá)到每小時(shí)97公里。,1908年英國(guó)的每日郵報(bào)設(shè)1000英鎊的獎(jiǎng)金，以獎(jiǎng)勵(lì)第一個(gè)飛越法英兩國(guó)之間的英吉利海峽的人。1909年7月25

20、日凌晨法國(guó)的布雷里奧用了大約36分鐘完成了飛越英吉利海峽，飛行41.9公里。一時(shí)成為轟動(dòng)歐洲的大事。 后來(lái)歐洲人經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，并且舉行各種航空表演與航空展覽，以推動(dòng)航空事業(yè)。到第一次世界大戰(zhàn)之前，歐洲的航空達(dá)到世界領(lǐng)先的地位。,馮如（18831912）廣東恩平人，12歲赴美當(dāng)童工，后在一家工廠當(dāng)工人。經(jīng)過(guò)數(shù)年的自學(xué)研究，積累了不少機(jī)械制造方面的知識(shí)。1906年，馮如在舊金山與當(dāng)?shù)厝A僑和親友集資創(chuàng)辦飛機(jī)制造公司。1907年，廣東機(jī)器制造廠在美國(guó)奧克蘭市成立，從事研制飛機(jī)。經(jīng)歷了6次失敗后，在1911年初，于奧克蘭市成功地進(jìn)行了多次航空表演，而且創(chuàng)造了時(shí)速105公里的新記錄。當(dāng)時(shí)孫中山先生也在美國(guó)

21、，觀看了他的飛行表演，在觀看后發(fā)表講話時(shí)對(duì)馮如的成功大加稱贊，鼓勵(lì)他回國(guó)為祖國(guó)服務(wù)。1911年3月馮如回國(guó)，不幸在1912年8月25日的一次飛行表演中因飛機(jī)失事而犧牲。,馮如18831912,由于空氣動(dòng)力學(xué)方面的研究成果，飛機(jī)的空氣動(dòng)力性能不斷改善，也由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷改進(jìn)，飛行的新記錄不斷產(chǎn)生。 1913年，英國(guó)的每日郵報(bào)懸賞10000英鎊，給第一個(gè)飛越北大西洋的人。1919年6月14日，英國(guó)的阿爾科克和布朗二人完成了這項(xiàng)飛行而獲獎(jiǎng)，航程3032公里。 1920年美國(guó)的企業(yè)家?jiàn)W太格懸賞25000美金，給第一個(gè)從紐約到巴黎的飛行者。1927年5月21日，美國(guó)人林白（Charles Augus

22、tus Lindbergh,19021974）領(lǐng)走了這筆獎(jiǎng)金，航程5810公里，歷時(shí)33.5小時(shí)。林白后來(lái)多年任泛美航空公司的高級(jí)技術(shù)顧問(wèn)，他也是第一批改進(jìn)機(jī)械心臟泵的發(fā)明者之一。,林白Charles Augustus Lindbergh,19021974,1927，5，21的一幅漫畫,人們終于迎來(lái)了20世紀(jì)這個(gè)航空的新世紀(jì)。從1916年開(kāi)始，在英國(guó)、荷蘭、比利時(shí)、德國(guó)、法國(guó)、蘇聯(lián)、美國(guó)等國(guó)先后成立了國(guó)內(nèi)與國(guó)際的航空公司，辦理客貨運(yùn)。到19501970年間，在歐美各國(guó)的長(zhǎng)途客運(yùn)幾乎都讓位給航空了，而鐵路長(zhǎng)途客運(yùn)倒閉。在二次世界大戰(zhàn)之后，又出現(xiàn)了噴氣式超音速飛機(jī)。所有這些都得益于力學(xué)的發(fā)展。,三

23、、航天技術(shù)的發(fā)展,在力學(xué)發(fā)展的早期，是和天文學(xué)緊密相連的，人類的力學(xué)知識(shí)可以說(shuō)最早是從研究天上的星宿得到的。在20世紀(jì)，當(dāng)從牛頓時(shí)代精確化的力學(xué)知識(shí)發(fā)展了200多年后，可以說(shuō)力學(xué)又回到了天上。人造衛(wèi)星、人造天體的出現(xiàn)就是這一回復(fù)的明證。,1 、早期星際航行的研究,,齊奧爾可夫斯基（ ，18571935）出生于俄羅斯離莫斯科不遠(yuǎn)的梁贊省的伊熱夫斯基村。大約在他十歲的時(shí)候因?yàn)榧膊∈顾亩鋷缀跬耆ヂ?tīng)力。由于生病，他經(jīng)常缺課，在家由他母親幫他補(bǔ)課。他14歲時(shí)才開(kāi)始正式上學(xué)，16歲時(shí)，父親送他到莫斯科求學(xué)。后來(lái)他靠頑強(qiáng)的自學(xué)精神，而于1878年秋成為一名中學(xué)教師，并且撰寫了若干篇有關(guān)化學(xué)和物理的學(xué)

24、術(shù)論文。,齊奧爾可夫斯基對(duì)星際航行的興趣是由凡爾納的科學(xué)幻想小說(shuō)引起的，他在1911年回憶說(shuō)：“對(duì)我來(lái)說(shuō)，第一顆太空飛行思想的種子是由著名的儒勒凡爾納的幻想小說(shuō)播下的，它們使我在頭腦里形成了確定的方向。我開(kāi)始把它作為一種嚴(yán)肅的活動(dòng)?！?齊奧爾可夫斯基在1898年完成了論文利用噴氣工具研究宇宙空間，但是論文直到1903年才在莫斯科的科學(xué)評(píng)論雜志上發(fā)表。論文涉及航天飛行的各方面的問(wèn)題。,他首先指出，利用氣球、大炮炮彈、都不可能飛出地球，因之“我建議利用反作用機(jī)械研究高空大氣。我所指的反作用機(jī)械就是火箭?！?論文開(kāi)創(chuàng)了變質(zhì)量力學(xué)，并且由此推導(dǎo)出火箭運(yùn)動(dòng)的基本公式，后人稱之為齊奧爾可夫斯基公式，即在不

25、考慮空氣阻力與地心引力的條件下，火箭在在耗盡燃料時(shí)的速度為 ，其中 分別為火箭總重與火箭結(jié)構(gòu)重，為常數(shù)。,,,,論文導(dǎo)出了火箭要克服地球引力所要具有的最小速度，即第一宇宙速度為每秒8公里。并且給出了液體燃料是最理想的推進(jìn)劑。 1919年齊奧爾可夫斯基發(fā)表了論文太空火箭列車。這是關(guān)于多極火箭的最早的研究。 齊奧爾可夫斯基還寫作過(guò)不少通俗介紹火箭與太空飛行的讀物。他一生寫了580篇科學(xué)論文與科學(xué)幻想作品。不過(guò)，他的研究工作，首先是在美國(guó)與德國(guó)受到重視，外國(guó)的研究火箭熱，反過(guò)來(lái)推動(dòng)了蘇聯(lián)。到1924年，蘇聯(lián)重新出版了齊奧爾可夫斯基發(fā)表過(guò)的論文。,法國(guó)人埃斯諾貝爾特利（Robert Esnau

26、lt-Peltrie,18811957）早期從事飛機(jī)的設(shè)計(jì)與研究，后來(lái)轉(zhuǎn)入火箭與星際航行的研究。他獨(dú)立于齊奧爾可夫斯基的工作，在1912年發(fā)表了論文關(guān)于無(wú)限減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量的可能性的結(jié)果的思考。論文得到了和齊奧爾可夫斯基相同的結(jié)論。他計(jì)算得到火箭逃出地球的速度為每秒11.28公里，即現(xiàn)今說(shuō)的第二宇宙速度。他并且設(shè)計(jì)了到達(dá)月球、金星與火星的火箭以及飛行策略。 齊奧爾可夫斯基與埃斯諾貝爾特利的研究工作奠定了航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)。,2 、火箭的改進(jìn)與V2火箭,最早在實(shí)際上研究設(shè)計(jì)與制造液體火箭的是美國(guó)的戈達(dá)德（H.Geddard, 18821945）與羅馬尼亞人奧伯特（H.J.Oberth,189419

27、89） 戈達(dá)德獨(dú)立自費(fèi)研究火箭推進(jìn)，并且在1919年出版了研究的論著。在1926年3月16日，有四位助手配合，妻子擔(dān)任記錄，成功地發(fā)射了液體試驗(yàn)火箭?；鸺?.5秒時(shí)間內(nèi)，升高12.5m，水平飛行56m。1923年他又出版了深入星際太空的火箭一書，這本書對(duì)后來(lái)德國(guó)的火箭研究起了很大作用。,戈達(dá)德H.Geddard 18821945,戈達(dá)德的液體火箭,,奧伯特1922年得知美國(guó)的戈達(dá)德發(fā)表了到達(dá)極大高度的方法，寫信索要并仔細(xì)研讀。之后寫了論文飛往星際空間的火箭。文中他設(shè)想了載人火箭的設(shè)計(jì)方案。之后他將論文擴(kuò)展成為書，于1929年出版，書名為通向宇宙之路。在1928年奧伯特應(yīng)聘為科學(xué)幻想電影月球女

28、郎做載人飛船，隨之進(jìn)行了火箭試驗(yàn)。1939年第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，奧伯特，被德國(guó)當(dāng)局應(yīng)征去研究軍用火箭。,奧伯特作液體火箭試驗(yàn)（右立者）,,在世界上德國(guó)的星際航行發(fā)展得最早，在奧伯特的著作影響下，1927年6月5日在德國(guó)布萊斯勞成立了德國(guó)星際航行協(xié)會(huì)，并決定出版刊物火箭。協(xié)會(huì)在一年間，人數(shù)增加到500人。,布勞恩（W. von Braun, 19121977）1932年畢業(yè)于柏林工學(xué)院，1934年獲柏林大學(xué)物理系博士學(xué)位。1932年在德國(guó)陸軍軍械部從事火箭研究。作為第一次大戰(zhàn)的戰(zhàn)敗國(guó)，德國(guó)不允許發(fā)展常規(guī)武器，于是便在火箭上打主意。從20年代末德國(guó)軍方就組織人員研究火箭。30年代希特勒上臺(tái)后，更

29、加緊了火箭的研究。從1933年開(kāi)始設(shè)計(jì)火箭。1937年希特勒撥款3億馬克建立導(dǎo)彈研究基地。在馮布勞恩的主持下，通過(guò)對(duì)A1（一枚，失?。?、A2（兩枚，均成功）、A3（三枚，均失敗）、A5（25枚左右，均成功）型號(hào)火箭的研究和試驗(yàn)，取得了大量空氣動(dòng)力學(xué)方面的成果，并且在制導(dǎo)、控制、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、彈道設(shè)計(jì)等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，1942年10月3日，成功地發(fā)射了第一枚液體燃料的軍用導(dǎo)彈V2。,后來(lái)V2又經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，最后它的狀況為： V2火箭長(zhǎng)14m，結(jié)構(gòu)重量3.99t，彈頭1t，燃料8.96t，射程300公里，最大速度每秒1.5公里。它的主要特點(diǎn)有：（1）垂直起飛，沒(méi)有起飛滑軌，以免結(jié)構(gòu)與

30、軌道撞擊；（2）采用處于燃?xì)鈿饬髦醒b在尾翼上的四個(gè)葉片的燃?xì)舛婵刂?，燃?xì)舛嬗质苎b在導(dǎo)彈前部的兩個(gè)陀螺儀控制；（3）使用渦輪泵將推進(jìn)劑注入燃燒室。 從1944年起，直到1945年德國(guó)法西斯覆滅，德國(guó)共向盟國(guó)各地區(qū)、特別是英國(guó)發(fā)射了V2火箭3745枚。,布勞恩W. von Braun19121977,V2火箭,德國(guó)法西斯覆滅后，美國(guó)俘獲了包括布勞恩在內(nèi)的100多名火箭專家、全部V2火箭的設(shè)計(jì)資料和少量的V2火箭及其零件，蘇聯(lián)則俘獲了一批二流專家和一批V2火箭及其零件。這樣V2火箭就成為后來(lái)蘇、美兩國(guó)進(jìn)行軍用火箭與空間飛行研究的基礎(chǔ)。 布勞恩投降美軍后，到美國(guó)陸軍裝備設(shè)計(jì)研究局工作，后任陸軍彈道導(dǎo)彈

31、發(fā)展處處長(zhǎng)。1955年入美藉。先后領(lǐng)導(dǎo)研制成功紅石、丘辟特、潘興等火箭，并用火箭發(fā)射美國(guó)第一顆人造衛(wèi)星成功。19601970任馬歇爾航天中心主任，1961年任肯尼迪總統(tǒng)的空間事務(wù)科學(xué)顧問(wèn)，分管阿波羅工程。美國(guó)將人送上月球，就是用的他主持設(shè)計(jì)的土星火箭。1970年任美國(guó)國(guó)家航空航天局主管計(jì)劃的副局長(zhǎng)，1972年辭職?？梢哉f(shuō)布勞恩的一生，是研制火箭成功的一生。,Wernher von Brauns teams with the Army and NASA developed many of the rockets that launched America into the space race.

32、 Clockwise from upper left: the Redstone (first U.S. Army ballistic missle), Juno-1 (carried Explorer 1, the first U.S. satellite), Mercury-Redstone (launched Allan Shepard, the first American in space), and the Saturn-1 (booster rocket for the Apollo missions). (Photographs courtesy MSFC Image Exch

33、ange),美國(guó)阿波羅11的發(fā)射指揮隊(duì)伍,3、人造衛(wèi)星、星際航行的發(fā)展及其技術(shù)應(yīng)用,1947年，蘇聯(lián)發(fā)射成功了類似V2的導(dǎo)彈火箭。1952、1953年間，蘇聯(lián)的導(dǎo)彈射程已經(jīng)可以達(dá)到1800公里。1955年蘇聯(lián)成立了人造地球衛(wèi)星委員會(huì)，開(kāi)始研制人造衛(wèi)星與運(yùn)載火箭。 美國(guó)在戰(zhàn)后首先進(jìn)行了探空火箭的研制，改進(jìn)了V2火箭，在1947年達(dá)到了393公里的高空。但是由于當(dāng)時(shí)美國(guó)著意于核武器的研制，放松了對(duì)導(dǎo)彈的投資。美國(guó)的火箭研究在50年代初明顯落后于蘇聯(lián)。直到50年代中期才重視起來(lái)。,1957年10月4日，蘇聯(lián)在拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射成功第一顆重83.6公斤的人造衛(wèi)星。它的軌道近地點(diǎn)215公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)9

34、47公里、軌道傾角為、周期是96.2分。它在天上運(yùn)行了92天。這顆衛(wèi)星進(jìn)行了高空空氣阻力的測(cè)量，完成了地面大氣密度的測(cè)量等多方面的研究。 1958年1月31日美國(guó)將探險(xiǎn)者1號(hào)衛(wèi)星送入6002537公里的軌道。 在蘇美兩國(guó)相繼發(fā)射衛(wèi)星成功后，各國(guó)又發(fā)射各種不同應(yīng)用的衛(wèi)星，如通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、軍用情報(bào)衛(wèi)星等。共發(fā)射不同用處的衛(wèi)星數(shù)千枚。,蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星,1970年4月24日，中國(guó)發(fā)射成功了“東方紅1號(hào)”衛(wèi)星，重173公斤。 1961年4月12日，蘇聯(lián)把宇航員加加林（Yuri Alexeyevich Gagarin,19341968）送入地球軌道，運(yùn)行了108分鐘，開(kāi)辟

35、了人類進(jìn)入太空的紀(jì)元。 1969年7月16日美國(guó)的“阿波羅11”將三位宇航員送上了月球軌道，其中兩人送上了月球，于7月25日安全濺落在太平洋上。它不僅在組織管理的水平要求是空前的，在技術(shù)方面，還要解決諸如控制問(wèn)題、通訊問(wèn)題、材料問(wèn)題、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)問(wèn)題、以及大量的力學(xué)問(wèn)題（空氣動(dòng)力學(xué)、固體力學(xué)、飛行力學(xué)）。,第一個(gè)宇航員加加林Y.A.Gagalin1934-1968,就以再入大氣所遇到的力學(xué)問(wèn)題來(lái)說(shuō)，就要求解決：再入大氣時(shí)的入角大小要合適，過(guò)大過(guò)小都不行；再入大氣后的數(shù)分鐘內(nèi)，由于大氣的電離層隔斷無(wú)線電通訊，要解決飛行器精確自動(dòng)控制的能力問(wèn)題；再入大氣后飛行器與空氣摩擦產(chǎn)生的高溫（1000以上）

36、問(wèn)題等。而在所有飛行的各個(gè)環(huán)節(jié)中，火箭的條件，包括加速度、溫度都要控制得適合人的生存。,1964年8月19日，美國(guó)發(fā)射了第一枚地球同步靜止軌道通信衛(wèi)星。這種衛(wèi)星的特點(diǎn)是：它的繞地球的周期與地球的自轉(zhuǎn)一樣都是24小時(shí)；它的軌道嚴(yán)格處于地球的赤道平面內(nèi)，且為圓形。通過(guò)計(jì)算知道，這種衛(wèi)星的軌道高度是35800公里。為此火箭在地面的初始速度必須達(dá)到每秒10.43公里。在發(fā)射時(shí)，要有十分精確的控制系統(tǒng)。此外，當(dāng)衛(wèi)星達(dá)到赤道平面內(nèi)的橢圓軌道后，還要通過(guò)二次點(diǎn)火使軌道調(diào)整到預(yù)定的精確位置上。所以同步靜止軌道通訊衛(wèi)星是火箭與衛(wèi)星技術(shù)的新水平。1984年4月8日，我國(guó)成功地發(fā)射了一顆地球同步靜止通訊衛(wèi)星，并于4

37、月16日定點(diǎn)成功。,之后美國(guó)與蘇聯(lián)都發(fā)射成功了各種空間實(shí)驗(yàn)站、科學(xué)衛(wèi)星和空間探測(cè)器。先后有探測(cè)水星、土星、木星、火星的探測(cè)器。取得了大量的研究資料。 1981年4月12日美國(guó)又成功地進(jìn)行了載有兩名宇航員的航天飛機(jī)“哥倫比亞”號(hào)的飛行。至今航天飛機(jī)已進(jìn)行過(guò)多次成功飛行，可以進(jìn)行摘取衛(wèi)星、修復(fù)航天望遠(yuǎn)鏡、修理空間實(shí)驗(yàn)室等任務(wù)。 航天飛行還在發(fā)展，前程無(wú)量。,之后美國(guó)與蘇聯(lián)都發(fā)射成功了各種空間實(shí)驗(yàn)站、科學(xué)衛(wèi)星和空間探測(cè)器。先后有探測(cè)水星、土星、木星、火星的探測(cè)器。取得了大量的研究資料。 1981年4月12日美國(guó)又成功地進(jìn)行了載有兩名宇航員的航天飛機(jī)“哥倫比亞”號(hào)的飛行。至今航天飛機(jī)已進(jìn)行過(guò)多次成功飛行，可以進(jìn)行摘取衛(wèi)星、修復(fù)航天望遠(yuǎn)鏡、修理空間實(shí)驗(yàn)室等任務(wù)。 航天飛行還在發(fā)展，前程無(wú)量。,