第一章 大气飞行器

Samuel Langley
• 他是为数不多的作为职业科学家研究航空 问题的人之一 • 他是少数在理论和实践结合的基础上研制 飞行器的人之一 • 他是在莱特兄弟之前最接近发明成功动力 飞机的人 • 但是，由于1903年两次没有结果的飞行试 验为他本人的巨大贡献蒙上了一层阴影。 他在航空史上的应有地位被大大忽视了。
看，这一时期的探索工作没有多少价值，但与过去那些 纯粹的飞行冒险来比，这些努力仍然是重大的进步。
• 扑翼机的设计开端于达·芬奇，后来有许多类似 的设计者。
乔治·凯利 航空之父 -- 乔治 凯利
• G.Cayley（1773~1857）为重于空气的航空器 创立了必要的飞行原理 • 论文《论空中航行》(1809)被认为是现代航空 学诞生的标志 • 论文阐述了飞机基本原理，分析了稳定性、安 全性和操纵性的重要性，提出许多重要概念。 • 他的研究成果远远超出了时代，在他之后近百 年间，也没人超过他的水平或认识到他的发现 的重大意义。
扑翼机探索和设计阶段
• 17世纪~18世纪，欧洲航空发展处在一个特殊的 扑翼机探索和设计阶段。 • 在这个阶段里，没有出现航空学理论研究的事 件和成果。而且由于胡克和波莱里论断的影响，模仿
鸟类进行冒险飞行的人明显减少。
• 在热气球飞行成功之前，扑翼机设计成了这个 时期的主题。虽然从技术发展角度和对后世的影响来
重于空气的航空器 （靠相对运动产 生的空气动力）
飞行器的分类
无人航天器 航天器 载人航天器
人造地球卫星（运载火箭发射） 人造地球卫星（运载火箭发射） 空间探测器 载人飞船 航天站 航天飞机
火箭和导弹
• 火箭
以火箭发动机为动力，可在大气层内或 大气层外飞行
• 导弹
带战斗部，由制导控制系统控制飞行， 可以装备火箭发动机、涡轮喷气发动机或 冲压发动机等
First Flight
The beginning of the first flight December 17, 1903
航空大事记
• 1782年，法国Joseph Montgolfier制造出热气球 • 1783年6月4日， Montgolfier兄弟的热气球首次 公开飞行（没有载人） • 1891年，Otto Lilienthal的滑翔机第一次飞行 • 1896年8月9日，Otto Lilienthal在一次飞行中坠 落身亡 • 1900年，Graf von Zeppelin的飞艇成功飞越博 登湖(Bodensee) • 1903年，莱特兄弟驾驶他们的飞机完成第一次 成功的动力飞行
Otto Lilienthal
• After more than 2500 flights, He was killed in 1896 by a gust-induced stall too near the ground.
兰利（ 兰利（1834~1906） ）
• “aerodrome” included a steam-powered engine. • Major contributions : attempts at adding a power plant to a glider.
可惜由于历史原因（不被当时理解， 多种论文、手稿没有发表），达·芬奇 对航空发展没有产生任何影响。
达·芬奇
扑翼机
• 他设计的扑翼机从科学意义上来讲意义不大， 但从机械学角度上看，这些设计是很天才的
达芬奇的扑翼机模型
达·芬奇
降落伞
• 在他的手稿中还有降落伞的草图
达·芬奇
直升机
• 达·芬奇还被许多人看作直升机的发明者， 并认为这是他对航空学的真正贡献。
航空大事记（ ） 航空大事记（续3）
• 1970年，随着Boeing 747, Douglas DC-10, Lockheed L-1011的推出，客机走入宽体 时代 • 1974年，Airbus A300投入运营 • 1976年，超音速客机“协和(Concorde)” 开始运营 • ……
飞行器的分类
在地球大气层内或大气层外空间飞行的器械，统称飞行器
• 航空器: 大气层内飞行 轻于空气 重于空气 • 航天器： 大气层外空间飞行 无人航天器 载人航天器 • 火箭和导弹 • 其它（可重复使用空间飞行器等 ）
飞行器的分类
气球 轻于空气的航空器 （靠空气静浮力） 航空器 飞艇 各种飞机：有动力装置 各种飞机： 滑翔机： 固定翼航空器 滑翔机：没有动力装置 直升机 ：旋翼有动力驱动 旋翼机： 旋翼航空器 旋翼机：旋翼没有动力驱动 扑翼机
《飞行器空气动力学》 飞行器空气动力学》
上海交通大学 航空航天学院
模仿鸟类的尝试
•将羽毛或轻质木材粘 贴在手臂上，尝试飞行 •结果常常是灾难性的
(Picture from a woodcut of 1493)
• Icarus and his father Daedalus and their escape from King Minos' prison on Crete. • Legend has it that they had difficulty with structural materials rather than aerodynamics.
气球
飞艇
Cargo Lifter CL-160
CL 160 - Der Überblick Technik:halbstarres Kiel-Luftschiff für Schwerlast-Transporte Abmessungen:65 Meter Durchmesser 260 Meter Länge 82 Meter Höhe insgesamt Hüllenvolumen:550.000 Kubikmeter Traggas:Helium Leergewicht:ca. 260 Tonnen Ladevolumen:50 Meter x 8 Meter x 8 Meter Nutzlast:maximal 160 Tonnen Transportgeschwindigkeit:durchschnittlich 90 Stundenkilometer Haupt-Einsatzreichweite:Vor- und Nachlauf, kontinentale Mid Range bis zu 3.000 Kilometer Long Rangebis zu 10.000 Kilometer
达·芬奇 芬奇
• 达·芬奇（ Leonardo da Vinci 1452~1519）是 世界文化史上最伟大的人物之一。 • 美国著名科学史学家乔治·萨顿（G.Saton）曾 指出：“写一部有关他的天才作品的完整研 究著作，也就意味着写一部15世纪科学技术 的真正百科全书”。
达·芬奇
观察
达·芬奇对鸟的飞行进行了长时间的观察和解剖研 究，对飞行问题得出了一些重要的认识，当然， 有些是古老观点的进一步深化和理论化 • 另一个重大贡献是，他认为研究飞行问题除了 研究飞鸟以外，还应当研究鸟的飞行环境，同 时又说明空气动力学知识可以通过水动力学研 究间接获得。 • 他指出：“为了得到鸟类在空气中运动的真正 科学，必须首先给出风的科学，而这一点可以 通过水运动装置建立。这门科学能够在一定程 度上反映有翼生物在空气中和在风中的知识。”
Maxim’s aeroplane
• built in 1894 by Sir Hiram Maxim
• weighed 3,200 kg ， spanned over 30 m
李林塔尔
• 1848~1896 ，German engineer • He was the first person to design a glider that could fly a person and was able to fly long distances.
达·芬奇
《论鸟的飞行》 论鸟的飞行》
手稿《论鸟的飞行》于1505在佛罗伦 萨完成。论述了鸟飞行的一些原理： • 鸟的持续飞行原理（或者说空气的 升力原理） • 鸟有效利用气流飞行的技术 • 鸟如何采取各种省力措施
达·芬奇
航空学研究
达·芬奇的航空学研究可以分成 三大部分： • 关于飞行的理论和原理 • 飞行的稳定性和控制 • 飞行器设计
凯利的滑翔机
• The first successes came with gliders. • Sir George Cayley made the first successful glider in 1804 • and a fu百度文库l-size version five years later • For over 50 years, George Cayley made improvements to his gliders.
航空大事记（ ） 航空大事记（续1）
• 1915年，容克（ Junker ）开始制造全金属飞机 • 1919年，第一次横穿太平洋的飞行 • 1927年，Charles Lindburg完成第一次纽约至巴 黎的不停顿飞行 • 1929年， Graf Zeppelin号飞艇22天环球飞行 • 1932年，第一位女飞行员Amelia Earhart横穿太 平洋 • 1936年，Hindenburg号飞艇开始旅客运营 • 1937年，“Hindenburg”在纽泽西意外起火烧毁， 死亡36人
航空大事记（ ） 航空大事记（续2）
• 1947年，美国的Bell-X-1首次突破音障 • 1952年，第一架喷气飞机投入运营，喷气时代 来临了 • 1954年，由于三次飞机空中爆炸，喷气飞机又 被禁止运营 • 1958年，Pan American公司开设了纽约至欧洲 的喷气机航班 • 1961年，第一次劫机事件。一名男子在美国劫 持了Miami飞往Key West航线上的一架飞机， 并迫使它降在古巴
第一次飞行——莱特兄弟 莱特兄弟 第一次飞行
• 1903-12-17早晨，奥维尔·莱特进行 了人类历史上第一次有动力、持续 的、可操纵的飞行。这次具有历史 意义的飞行进行了12秒，飞行距离 12 约120英尺(36.58米) •同一天，接着又飞了3次，其中一次飞了852英 尺(260米)，持续了59秒。
罗吉尔·培根 罗吉尔 培根 R.Bacon
• 欧洲文艺复兴的前夜，曾出现一位认真思考飞行 器的人，英国学者罗吉尔·培根（ R.Bacon，约 1220~1292）。 • 在大约1250年成书、1542年才出版的著作《工艺 和自然的奥秘》中，培根提出了动力飞行的概念。 虽然他的设想还相当简单粗糙，但人们把他看作 历史上第一个提出类似20世纪飞机概念的人。 • 培根终生不得志，生前曾将手稿送给一些宗教领 袖，但没有得到重视，加之其著作大都在他死后 几百年才出版或译成通用文字，因此培根的飞行 器思想没有对后世产生什么影响。
Zeppelin NT
Abmessungen Länge 75 m Max. Breite 19.5 m Höhe1 7.4 m Hüllenvolumen 8.225 m³ Ballonet- Volumen 2.200 m³ Gondel Sitzplätze 2 + 12 Kabinenvolumen 26 m³ Kabinenlänge 10.7 m Masse Max. Startgewicht 10.690 kg Zuladung** 1.900 kg Flugleistung Max. Geschwindigkeit 125 km/h Reichweite 900 km Max. Flughöhe*** 2.600 m Max. Flugdauer ca. 24 h
航空器
• 轻于空气航空器 • 重于空气航空器
航天器
• 无人航天器
人造地球卫星 空间探测器
• 载人航天器
载人飞船 航天站 航天飞机
轻于空气的航空器
• 气球 • 飞艇
气球
ULDB - Ultra Long Duration Balloon
Duration: up to 100 days. Load: 6,000 pounds Height: ~110,000 feet constructed of thin, 0.02-millimeter polyethylene film, filled with helium