空氣動(dòng)力學(xué):空氣動(dòng)力學(xué)原理所有通過(guò)大氣層的飛行器，都要利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算來(lái)確定它們的空氣動(dòng)力外形和空氣動(dòng)力特性。實(shí)驗(yàn)工作者努力發(fā)展從亞跨聲速到高超聲速范圍的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并利用新的觀測(cè)、顯示、信息處理手段，揭示空氣的流動(dòng)現(xiàn)象，為飛行器設(shè)計(jì)師提供更多、更精確的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)。理論工作者根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的原理和各種理論，努力把實(shí)驗(yàn)揭示出的空氣流動(dòng)形態(tài)概括成數(shù)學(xué)模型，依靠數(shù)學(xué)分析的方法，研究空氣流動(dòng)現(xiàn)象中各種物理量之間的關(guān)系和變化，及其對(duì)飛行器性能的影響，把握規(guī)律，趨利避害，創(chuàng)造出飛行器新的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)概念和設(shè)計(jì)方法。計(jì)算工作者則在已建立的數(shù)學(xué)模型指引下，利用當(dāng)代最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)，致力于發(fā)展新的算法和軟件，模擬更復(fù)雜的飛行器外形。正是亞聲速、跨聲速和超聲速空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，才使得后掠翼、小展弦比細(xì)長(zhǎng)翼和三角翼氣動(dòng)布局在飛機(jī)設(shè)計(jì)中成功地應(yīng)用，促使了第一代超聲速戰(zhàn)斗機(jī)和旅客機(jī)的誕生。1954年問(wèn)世的f102蜂腰形超聲速戰(zhàn)斗機(jī)就是其中第一代戰(zhàn)斗機(jī)的代表。隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，利用空氣動(dòng)力學(xué)經(jīng)典的歐拉方程和考慮到介質(zhì)的黏性建立起來(lái)的納維斯托克斯方程，可以進(jìn)行飛行器比較復(fù)雜流動(dòng)的計(jì)算?，F(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入對(duì)整個(gè)機(jī)身的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行整體計(jì)算的階段。在近代力學(xué)奠基人普朗特、卡門(mén)等著名學(xué)者的帶動(dòng)下，空氣動(dòng)力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)日臻完善，于是誕生了對(duì)航空工程發(fā)展起到先導(dǎo)作用的許多新的設(shè)計(jì)思想，如非線性升力技術(shù)、邊條翼布局，將機(jī)翼與機(jī)身作為一個(gè)整體設(shè)計(jì)的翼身融合技術(shù)，以及飛機(jī)與推進(jìn)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)概念等，加上在氣動(dòng)布局上精細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)分析，使得具有高升力特性和良好操縱性、穩(wěn)定性的第三代戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。著名的美國(guó)f－15、f-16和蘇聯(lián)的蘇－27、米-29，就是其中的代表。1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中多國(guó)部隊(duì)運(yùn)用的“空、地一體戰(zhàn)”體系的核心是空中優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明發(fā)展飛機(jī)技術(shù)對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝敗至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)近20年來(lái)在超聲速巡航、過(guò)失速機(jī)動(dòng)、隱身外形（即采用技術(shù)措施有效地減小雷達(dá)的反射和紅外輻射，使飛機(jī)不易被敵方發(fā)現(xiàn)）的氣動(dòng)布局等綜合研究的基礎(chǔ)上，美國(guó)又率先推出21世紀(jì)的戰(zhàn)斗機(jī)f-22。同時(shí)，國(guó)際民航事業(yè)一直在持續(xù)并高速發(fā)展著。從20世紀(jì)50年代噴氣客機(jī)問(wèn)世以來(lái)，全世界民航客運(yùn)年平均增長(zhǎng)12％左右，約為同期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的2倍。目前正在進(jìn)行的民用飛機(jī)的層流控制技術(shù)和細(xì)長(zhǎng)體布局研究，將為新一代亞聲速干線飛機(jī)、第二代超聲速旅客機(jī)提供可選用外形。智斗阻力如果在地面用火箭發(fā)射人造衛(wèi)星，考慮到空氣阻力及其它因素，火箭的末速度一定要大于7.9千米／秒才行。之所以說(shuō)難于一步登天，就是說(shuō)要達(dá)到這個(gè)速度可不容易。人類(lèi)為了達(dá)到宇宙速度，經(jīng)歷了一段漫長(zhǎng)的道路。張弓射箭，自古便有，但箭速一般只能達(dá)到107米／秒。一次大戰(zhàn)期間，德國(guó)制造的“巴黎大炮”，創(chuàng)造了10倍弓箭速度，即1070米／秒的炮彈出口速度記錄。二次大戰(zhàn)中，德國(guó)的v-2導(dǎo)彈雖然達(dá)到1525米／秒的速度，但這一速度僅僅是宇宙速度的20％。有人也許會(huì)因此而想到現(xiàn)代飛機(jī)。飛得最快的飛機(jī)，速度可達(dá)到每小時(shí)3500多千米，大約只有第一宇宙速度的1／8。而且，飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒必須要從大氣中獲得氧氣。能支持飛機(jī)飛行的大氣層高度只能到30多千米，因?yàn)樵俑?，空氣?huì)更加稀薄。30千米高空，大氣密度只有海平面的1.5％，而到100千米高空，則只有海平面的百萬(wàn)分之一了。要想靠飛機(jī)飛出地球，只好望空興嘆了?；鸺碚摰南闰?qū)、俄國(guó)著名科學(xué)家齊奧爾科夫斯基，最先把火箭理論和宇宙航行的思想建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上。在不考慮空氣動(dòng)力和地球引力的前提下，他推導(dǎo)出了著名的齊氏公式，根據(jù)這個(gè)公式，要提高火箭最后達(dá)到的推進(jìn)速度，有兩個(gè)途徑：一是提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獾膰姵鏊俣?，二是火箭攜帶的推進(jìn)劑耗盡之后，火箭本身的結(jié)構(gòu)質(zhì)量要特別的輕。前者同推進(jìn)劑的效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有關(guān)，后者則要受到結(jié)構(gòu)材料和工藝技術(shù)水平的限制。但無(wú)論如何，迄今為止，一枚單級(jí)火箭最大限度只能加速到4千米～7千米／秒，達(dá)不到宇宙速度。這是因?yàn)榛鸺_(dá)到?；瘘c(diǎn)速度之前，一直靠發(fā)動(dòng)機(jī)工作來(lái)加速，發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的能量，既要使火箭加速，又要消耗一部分能量用于火箭背著的那部分推進(jìn)劑。齊奧爾科夫斯基非常巧妙地利用多級(jí)火箭的辦法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，多級(jí)火箭像賽跑“接力”一樣一級(jí)一級(jí)加速。目前的運(yùn)載火箭一般是三級(jí)，起飛時(shí)，先將第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，其推力使火箭產(chǎn)生一個(gè)加速度，徐徐升空。到了一定高度，第一級(jí)火箭燃料燒完后自動(dòng)脫落，緊接著第二級(jí)立即起動(dòng)，火箭繼續(xù)加速。依此類(lèi)推，每一級(jí)火箭都不斷地提高速度和高度，使得末級(jí)火箭的飛行速度達(dá)到宇宙速度和預(yù)定高度，將衛(wèi)星或飛船送入太空軌道。當(dāng)然，經(jīng)過(guò)多級(jí)火箭加速得到的火箭推進(jìn)速度還不是火箭實(shí)際飛行的速度，因?yàn)檫€沒(méi)有考慮到運(yùn)載火箭在飛行中由于地球引力和空氣阻力所造成的速度損失。事實(shí)上，運(yùn)載火箭在飛行中一部分推力與沿推力反方向的地球引力分量互相抵消，對(duì)加速?zèng)]有什么貢獻(xiàn)，這就是所謂速度的重力損失。另一方面，運(yùn)載火箭上升段要穿越稠密的大氣層，才能把衛(wèi)星送入二三百千米以上的高空軌道。在空氣密度比較稠密的近地空間，隨著速度的加大，所受到的空氣阻力也急劇增加。但飛行高度越高，由于空氣變得越稀薄，空氣對(duì)火箭造成的阻力也會(huì)迅速下降。所以，火箭設(shè)計(jì)師根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，讓運(yùn)載火箭慢慢地垂直爬升，以較低的速度穿越稠密大氣的下層，以較快的速度飛出大氣的上層，讓大約占總速度2／3的速度在大氣層以外的高空由火箭加速產(chǎn)生。一般而言，三級(jí)火箭的第一級(jí)都在60千米以上高空關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后脫落，讓第二級(jí)火箭在極稀薄的大氣層飛行。第三級(jí)飛行高度更接近于真空帶，目的是把空氣阻力引起的速度損失減少到最低程度。愛(ài)你真不易火箭從發(fā)射到發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉這一段飛行全靠火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力來(lái)加速，這一段叫做火箭飛行的上升段。論速度，火箭從待發(fā)狀態(tài)的零速起飛，越飛越快，飛越了亞聲速、跨聲速、超聲速到高超聲速。不同的速度和環(huán)境，空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題不盡相同。對(duì)于空氣，要說(shuō)愛(ài)你真不易――這些問(wèn)題如不逐一解決，火箭就不可能沖到九霄云外。衛(wèi)星或其他航天器，部安裝在運(yùn)載火箭的頭部?；鸺┰匠砻艽髿鈱訒r(shí)，由于迎面氣流的猛烈沖擊和劇烈摩擦，不僅阻力增大而且使火箭頭部溫度急劇升高。為了減小阻力，保護(hù)衛(wèi)星設(shè)備，就要為火箭的頭部包上一個(gè)流線型、耐高溫、抗燒蝕的外罩，叫做整流罩。在大約120千米的高空，空氣已非常稀薄，整流罩的作用已經(jīng)完成，又得把它拋掉，以便減輕火箭的質(zhì)量。為了有利于加速，火箭必須及時(shí)扔掉已經(jīng)工作完畢的火箭級(jí)，減輕負(fù)重?；鸺龔陌l(fā)射到上升這個(gè)階段，比較突出的難題是分離的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，如整流罩的分離、火箭頭體的分離、各級(jí)火箭燃料燃盡后的級(jí)間分離等。繼續(xù)飛行級(jí)火箭和脫落拋棄的火箭在一定的飛行姿態(tài)角度下受到發(fā)動(dòng)機(jī)推力、慣性力、外界氣動(dòng)力、分離力和重力等因素的作用而產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，級(jí)與級(jí)之間的重心又會(huì)發(fā)生變化。這部需要理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合，預(yù)先模擬顯示各級(jí)火箭所受的力和力矩、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)噴流和繞過(guò)火箭的空氣流的相互作用、火箭級(jí)與級(jí)之間的相互干擾、火箭的穩(wěn)定性、每級(jí)火箭在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火點(diǎn)的速度與剩余質(zhì)量?？臻g飛行的特點(diǎn)是速度高、路途遠(yuǎn)，哪怕出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)的疏忽和紕漏，都將會(huì)造成失之毫厘、謬以千里的后果。多級(jí)火箭一般是由頭部、柱段、裙部、倒裙部和穩(wěn)定翼等氣動(dòng)部件構(gòu)成復(fù)雜的組合體。各段的外形和尺寸必須經(jīng)過(guò)最佳的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，保證火箭有足夠大的升力和穩(wěn)定性。運(yùn)載火箭形式多樣，級(jí)數(shù)各別。為增加推力，它可采用并聯(lián)式發(fā)動(dòng)機(jī)，像我國(guó)長(zhǎng)征二號(hào)e運(yùn)載火箭，就沿主發(fā)動(dòng)機(jī)四周等間隔捆綁了4個(gè)助推器?；鸺谏仙物w行速度變化很大，從亞、跨聲速到超聲速、高超聲速，越飛得高空氣越稀薄。在不同的飛行速度范圍，空氣與火箭相互作用情況也不盡相同，如在跨聲速、低超聲速時(shí)，可能出現(xiàn)壓力脈動(dòng)和結(jié)構(gòu)振蕩（即所謂跨聲速抖振），壓力脈動(dòng)會(huì)形成氣動(dòng)噪聲環(huán)境，直接影響火箭結(jié)構(gòu)疲勞壽命和艙內(nèi)儀器的正常工作。這部是火箭設(shè)計(jì)師必須認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題。火箭設(shè)計(jì)師要認(rèn)真對(duì)待的另外一個(gè)問(wèn)題是地面風(fēng)作用于火箭上的風(fēng)載荷對(duì)火箭飛行的影響?；鸺诎l(fā)射前豎立在發(fā)射架上，承受著地面風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)的作用，而風(fēng)向、風(fēng)速又總是在變化的。由于組成火箭的柱段、裙段粗細(xì)不一，段間常有拐點(diǎn)，外形也不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，如局部安裝天線、電纜管和穩(wěn)定翼等，加上火箭比較細(xì)長(zhǎng)，在風(fēng)載荷作用下，火箭可能發(fā)生變形和風(fēng)激振動(dòng)。運(yùn)載火箭氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題很多，技術(shù)比較復(fù)雜，難度也比較大。不把運(yùn)載火箭的各種空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題從理論上和實(shí)驗(yàn)上研究清楚，火箭就上不了天。像法國(guó)的“阿里亞娜”火箭，光是實(shí)驗(yàn)研究，就選了10多種火箭外形，在12座風(fēng)洞中進(jìn)行，歷時(shí)4年之久。載人航天飛行器的設(shè)計(jì)更離不開(kāi)空氣動(dòng)力學(xué)這個(gè)先行官。人們常見(jiàn)到的載人航天飛行器有兩種不同的外形，那就是航天飛機(jī)與飛船。它們都是飛行軌道具有穿越大氣層的上升段、在大氣層外飛行的軌道飛行段以及再入大氣層的再人、返回段的飛行器。航天飛機(jī)的外形像飛機(jī)，由機(jī)身、機(jī)翼、尾翼和一些控制舵面，如副翼、襟翼、水平舵、垂直舵和控制姿態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)組構(gòu)成。飛船是無(wú)翼的大鈍頭旋成體，雖然也有局部的不對(duì)稱凸起物，但總的氣動(dòng)外形比較簡(jiǎn)單。在飛離地球的上升段，飛船被整流罩包裹住