空气动力学的新问题

本文探讨了空气动力学在近空间飞行器发展中的新问题,尤其是在40-70km高度范围内,空气是否仍可视为连续介质。传统理论与实际情况存在出入,特征长度的变化和温度的影响使得流态的确定变得复杂。当前,空气动力学面临的挑战主要包括气体分子运动论在空气动力学中的适用性问题和计算方法的不足。为解决这些问题,需要深入研究分子运动论和开发新的实验手段与计算方法。

空气动力学是力学的一个分支,是航空航天技术的基础。二者相辅相成,一方面航空航天已形成了一个庞大的产业;另一方面,空气动力学也发展成了力学的一个重要分支,且其相对重要性还在上升。我国在空气动力学的发展上,目前已达到很高的水平。这除了国家的重视和广大科技人员的努力外,和钱学森先生的作用是分不开的。钱学森先生在20世纪50年代回国时,对当时世界上空气动力学最前沿的情况有清楚的了解,他本身就是当时空气动力学的领军人物之一。因此,他回国后能对我国空气动力学的发展做出全面的规划建议。此后几十年,我国航空航天技术的发展,特别是航天技术的发展,与我国空气动力学在钱学森先生的前瞻性布局下的发展有密切的关系。一个学科的发展,需要大量的工作和长期的积累,没有前瞻性的布局,靠临时突击是不行的。

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但也不可否认,我国空气动力学的发展在相当长的一段时间里,除个别领域外,基本上是对国外最高水平的跟踪。近年来,在空气动力学的实验设备,如风洞的种类和规模上,已和国外最先进水平相当接近,但在实验技术上还有一定差距。主要表现在还缺乏针对需求而自己创新的方法和技术,在空气动力学的理论(包括计算)上,和国外最先进水平也相当接近。

同时,我们也应当看到在空气动力学的一些重要方面,我们和国外最先进水平仍有一定差距,例如在湍流计算和转捩预测上。这主要是我们的积累少,特别是实验数据的积累少。国外多年来不但重视理论研究,也积累了很多实验资料(包括飞行实验),而我国在这方面特别欠缺。这种和国外先进水平的差距,应该引起我们的重视并尽快赶上。

而目前空气动力学又面临一个新的问题,即如何应对由于近空间飞行器的发展而产生的新的空气动力学问题。近年来,近空间飞行器的发展越来越受到各大国的重视,但无论是国外还是我国,空气动力学界似乎还都没有人明确提出有哪些新的关键科学问题需要解决。本文的目的就是探讨什么是邻近空间飞行器发展中可能遇到的空气动力学新问题。

为什么会有新问题

自20世纪末起,我国开始了近空间飞行器的研制。实际上,美国在20世

对于希望提升空气动力学效率的设计者来说,有许多工具和方法可以帮助实现这一目标。以下是几种常见的途径和技术: 利用计算流体力学(CFD)软件 CFD 软件能够模拟流体(气体或液体)如何与物体表面相互作用。工程师可以通过这些程序创建虚拟环境来测试不同设计下的气动性能,从而找到最有效的形状和结构。 应用风洞实验 实际尺寸或者缩尺比例的物理模型可以在专门建造的设施——即风洞中接受高速气流冲击。这使得研究人员可以直接观察并测量阻力和其他关键参的变化情况,进而调整设计方案以达到更好的效果。 采用多学科优化(MDO) MDO 是一种综合考虑多种因素影响的整体性解决问题的方法,在航空器开发过程中尤为重要。它结合了空气动力学、结构力学等多个领域的知识,借助算法寻找最佳解决方案,确保各个子系统的协同工作最优。 实施轻量化材料及制造工艺 选用更轻但强度足够的新材料以及先进的成型技术有助于减轻重量而不牺牲安全性;同时也能改善整体空气动力表现因为较轻质物体会受到较小惯性力的影响而更容易保持稳定飞行姿态。 探索主动控制系统 一些现代飞机装备有可变几何翼面或其他形式的活动部件用来改变外形适应不同的飞行条件。此外还有诸如合成射流发生装置之类的高科技手段可用于实时调控边界层特性,进一步降低能耗提高效能。
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