宇航科技發展
航空技術的發展
1.航空發展，動力先導
從20世紀初開始，飛機的軍用意義已廣泛引起各個國家的關注。在20～30年代，飛機從雙翼機到張臂式單翼機，從木結構到全金屬結構，從敞開式座艙到密閉式座艙，從固定式起落架到收放式起落架，飛機外形結構和氣動布局已經發生了革新性變化。二次世界大戰期間，參戰飛機數量猛增，性能迅速提高，軍用航空顯然已對戰爭局勢具有舉足輕重的影響。戰後，航空科學技術迅速地發展，特別表現在飛機空氣動力外形的改進上。所謂空氣動力外形，就是應用空氣動力學原理來設計飛機外形，使得它的升力高，阻力小，穩定性、操縱性好。比如，機身盡可能呈流線型，減少突起物，以此來減小阻力。機翼的形狀和配置也相當講究。低速飛機通常用長方形或梯形翼。當飛機飛行速度到達聲速附近或超過聲速以後，就要采用像燕子翅膀似的後掠機翼。超聲速戰鬥機或轟炸機的機翼可采用三角形的平麵形狀。飛機的飛行速度從低速到高速發展，與機翼從直機翼到後掠翼、三角翼、邊條翼這些飛機氣動構形的不斷地演變密切相關。可我們的力學家為了這些氣動外形的演進，不知付出了多少心血。世界各國的空氣動力學研究機構都投入相當大的人力、物力，致力於飛機機翼翼型的理論分析和風洞實驗研究。翼型指的是機翼橫切剖麵形狀。剖麵形狀是影響機翼升力的重要因素。在飛機誕生的初期，飛行的主要矛盾是如何克服飛機的重力，使飛機離地升空。實踐已經表明，采用大翼麵積、大彎度剖麵的機翼，克服重力而升空不成問題。當飛機速度不斷提高，特別是超聲速飛機出現後，推動飛機前進的力與空氣阻力的矛盾就更加突出了。因此，必須找到能進一步大大減小阻力的機翼形狀，才能滿足飛機提速後的需要。有人做過統計，經過各國力學家長期研究，可以應用於飛機設計的機翼翼型總數已經超過15，000個，簡直就是一個翼型“大倉庫”。仰仗翼型的這些空氣動力學研究成果，加上活塞式發動機、噴氣式發動機、渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、衝壓發動機這一些性能越來越先進的航空動力裝置的相繼出現，飛機設計師才有可能設計出飛得高、飛得快、飛得遠而且又靈活、機動一代又一代新型飛機。
二次大戰前，飛機的速度超不過聲速(每秒340米)。當時有人認為聲速不可逾越，就是說飛機速度要達到和超過聲速，似乎所需要的發動機的推力就得要大得不得了，而且飛機也難以駕駛。這就是所謂聲障。但是由於空氣動力學的發展，升力理論、阻力理論、穩定性操縱性理論、飛行力學理論的突破性進展，力學家根據這種飛行速度時空氣流動的特點，采用後掠翼和小展弦比機翼機身組合體等先進的空氣動力布局，1947年便出現首架超聲速飛機，“聲障”很快成為了一個曆史名詞。隨著空氣動力學、結構力學和材料科學的進展，飛機飛行突破聲障之後，飛行速度接著又達到聲速的2～3倍，進入了超聲速飛行時代。
所有通過大氣層的飛行器，都要利用理論計算和風洞實驗來確定它們的空氣動力外形和空氣動力特性。實驗家努力發展從亞跨聲速到高超聲速速度範圍配套的風洞實驗設備，並利用新的觀測、顯示、信息處理手段，揭示新的流動現象，為飛行器設計師更快的提供更多、更精確的氣動力數據。理論家根據空氣動力學的原理和各種理論，努力把實驗揭示出的流動現象就其最典型的簡化形態概括成數學模型。主要依靠數學分析的方法，研究流動現象中各種物理量之間的關係和變化以及這種關係和變化對飛行器性能的影響，盡可能獲得有利的流動，避開不利的流動。經過反反複複研究變化中的變化，關係中的關係，才能對流動的物理實質和主要矛盾作出合理的解釋和預測，以便把握新的流動規律，創造出飛行器新的設計思想、設計概念和設計方法。計算家則在已建立的數學模型指引下，利用當代最先進的電子計算機，致力於發展新的算法和軟件，模擬更複雜的飛行器外形和流動現象。這些複雜的流動現象，是航空航天工程應用必然遇到和必須解決的。亞聲速、跨聲速(指0.75～1.2倍聲速範圍)和超聲速(指1.2～5倍聲速範圍)空氣動力學的發展，才使得後掠翼、小展弦比細長翼和三角翼氣動布局在飛機設計中成功地應用，促使了第一代超聲速戰鬥機和旅客機的誕生。1954年問世的F102蜂腰形超聲速戰鬥機就是其中第一代戰鬥機的代表。
隨著電子計算機的迅速發展，利用空氣動力學經典的歐拉方程和考慮到介質的粘性建立起來的納維斯托克斯方程，可以進行飛行器比較複雜流動的計算。現在已經進入對整個機身的空氣動力特性進行整體計算的階段。誕生了對航空工程發展起到先導作用的許多新的設計思想，加上在氣動布局上精細的設計計算和風洞實驗分析，使得具有高升力特性和良好操縱性、穩定性的第三代戰鬥機群應運而生。著名的美國F-15、F-16和前蘇聯的蘇-27、米格29，就是其中的代表。這些戰鬥機的主要特點是：升限可至18～19公裏，最大速度低空時為1350～1450公裏/時；高空時為2300～2500公裏/時，機動性(指轉彎、加速、減速和爬升性能)也極好，保證能有效地進行近距空戰和截擊高空高速目標時能進入有利的攻擊位置。
1991年海灣戰爭中多國部隊運用的“空、地一體戰”體係的核心是空中優勢，說明發展飛機技術對未來戰爭的勝敗至關重要。經過近20年來在超聲速巡航、過失速機動、隱身外形(即采用技術措施有效地減小雷達的反射和紅外輻射，使飛機不易被敵方發現)的氣動布局等綜合研究的基礎上，美國又率先推出21世紀使用的先進戰鬥機F-22。
同時，國際民航事業一直在持續並高速發展著。從50年代噴氣客機問世以來，全世界民客運年平均增長12%左右，約為同期經濟增長的2倍。據專家預測，到2005年，民航市場的空運量將比90年代初翻一番。目前正在進行的民用飛機的層流控製技術和細長體布局研究，將為新一代亞聲速幹線飛機、第二代超聲速旅客機提供可選用的外形。
2.空氣動力學支持航空技術的發展
航空與航天是20世紀人類認識和改造自然進程中最活躍、最有影響的科學技術領域。人類從陸地到大氣層，從大氣層到宇宙空間，每一次活動範圍的飛躍，都集中了航空航天技術的眾多新成就。空氣動力學在航空航天的進步和發展中扮演了非常重要的角色。
沒有接觸過空氣動力學的人們感到“空氣動力”看不到、摸不著、很抽象、難理解。因此自然會聯想到空氣動力學這門科學深奧、難懂。實則不然，凡是有空氣(原指流體)流動的地方，都有空氣動力學的問題。因此，空氣動力學應該成為現代社會必須普及的知識。
空氣動力學既是基礎科學，也是技術科學。它是在數學和理論物理的基礎上發展起來的一門學科。它的研究領域十分廣泛，與國民經濟、國防建設有著直接的密切的關係。飛機、導彈、衛星、宇宙飛船、航天飛機等的研究與發展離不開它；汽車、火車、輪船等交通工具的發展離不開它；就是農林、環保、風工程也離不開空氣動力學。人們已逐漸認識到了空氣與物體隻要有相對運動，在物體上就會有空氣動力的作用。所以空氣動力學是一門研究空氣與物體有相對運動時空氣的流動情況及空氣在物體上產生空氣動力的科學。
自從1903年美國萊特(Wright)兄弟試製成功人類曆史上第一架低速飛機起，在低速飛機不斷完善、發展的過程中，人們用古老的流體力學理論，對飛機在空氣中運動時產生的力、力矩深入進行了研究，逐步掌握其規律。隨著飛行速度的提高，為了要使飛行速度超過聲速，人們克服了重重困難，終於突破了“聲障”，於是就產生了超聲速空氣動力學。今天，人造衛星滿天飛，載人飛船已多次把人送上月宮，星際探測器已飛出太陽係，到茫茫的太空去遨遊。由於火箭、導彈的飛行速度高達十幾倍聲速，於是遇到了“熱障”。人們發展了氣動加熱及熱防護的理論和方法，保證導彈再入大氣層，準確地擊中地麵目標，以及衛星安全返回地麵。總之，隨著航空航天技術的不斷發展，使空氣動力學這門基礎科學，得到了飛速的發展，使它的內容更加豐富，應用的領域更加廣闊。
3.風洞：飛行器的搖籃
飛行器空氣動力學問題的研究有三大手段，即理論分析、地麵模擬和飛行試驗。隨著航空航天科學技術的發展，空氣動力地麵模擬實驗的方法也在不斷發展。從物體的自由落體觀察到空氣動力車、旋臂、水洞，一直發展到風洞、縮尺模型飛行試驗、彈道靶實驗等。應用最廣泛，試驗數據可靠、重複性好、精度高的實驗設備是風洞。
自從風洞問世以來，由於它具有重演物體在空氣(泛指流體)中運動時所產生的複雜物理現象的本領，所以立即受到航空、航天及國民經濟其他領域的科技人員的重視與關注。風洞不但是航空航天領域最重要、應用最廣泛的實驗設備之一，而且在國民經濟的許多領域也得到了廣泛應用。
隨著飛機速度和性能的提高，風洞實驗的小時數也隨之迅速增加。據統計，1940年前後，老式螺旋槳飛機隻需要進行幾百個小時的風洞實驗，而70年代的協和式超聲速巨型客機要進行4～5萬個小時的風洞實驗。1981年試飛成功的航天飛機要進行6～10萬個小時的風洞實驗，相當於一個風洞十年的工作量。所用的風洞實驗費用約2億美元。
一架新飛機的誕生要在十幾座不同類型不同速度範圍的風洞中進行十多項實驗。如飛機選型實驗、操縱性和穩定性實驗、發動機與進氣道的匹配實驗、飛機表麵的防熱實驗等。每架新飛機試飛以前必須具有上述風洞實驗的合格證明才能予以放飛。
同樣，導彈、衛星、飛船等的研製過程也必須進行大量的風洞實驗，如研製美國“民兵導彈”就曾使用了17座風洞等實驗設備，實驗時數達37，000小時以上。不少飛行器在初次發射過程中會暴露出不少新問題，這也得靠風洞實驗來找原因。例如，無人駕駛的阿波羅飛船再入大氣層時，發現實際著陸點和預算著陸點竟相差380公裏!原因何在?通過更進一步的風洞實驗才發現，原來風洞實驗模型的模擬防熱層和飛行器實際防熱層在幾何形狀上有微小的差異，使操縱麵平衡角差2.5°，於是在飛行重心一定時升阻比(升力與阻力之比)損失20%，因而著陸點相差了380公裏。
新的統計資料表明，一個典型飛行器型號的研製周期大約是10年左右，其中有3～4年要花在研究實驗工作上，這當中空氣動力問題約占一半。由此可見，一種新的飛行器的誕生、試飛及改型都得靠在風洞裏做大量的氣動力實驗。因此飛行器設計師們都深有感觸地說：“風洞是誕生飛行器的搖籃”。風洞實驗既能在飛行器的新型號研製工作中提供新的構思，開辟新的技術途徑，又能保證新的飛行器及時地、經濟地、可靠地飛上天。這個道理很簡單，因為修改圖紙比修改實物容易得多，節省得多。有人做過如下的測算：飛行器在方案設計和初步設計階段若修改飛行器外形所付的成本為1的話，那麼把它製造出來進行首次飛行後再要進行外形修正，則所需付的代價是30，000。由此讀者就很容易理解為什麼工業發達的國家和發展中國家都十分重視空氣動力實驗基地的建設，先後建立起了強大的國家級空氣動力實驗研究中心。
4.喬治·凱利：空氣動力學的奠基人
倫敦科學博物館內收藏著一件1799年製作的小銀盤。盤子的一麵，刻著對作用在機翼上的力的說明；另一麵刻著一架滑翔機草圖。飛行員坐在固定機翼下的船式機身內，操縱著一副槳式“撲動翼”，以產生推動力。尾部有組合式升降舵和水平安定麵，以及組合式垂直安定麵和方向舵，其安裝呈十字形。如果用螺旋槳代替撲翼，那麼，圖上這架帶動力的滑翔機和現代飛機就更加相似了。
當年製作這個小銀盤的，便是航空史上被稱為“空氣動力學之父”的英國人喬治·凱利爵士。
凱利生於1773年12月27日，早期受過很好的教育，並同著名數學家喬治華克的女兒莎娜結為伉儷，倆人長相廝守達63年之久。凱利雖然從1792年便繼承父誌，開始經營龐大的產業，可是在他的內心裏，卻充滿著征服天空的願望和追求。
凱利10歲那年，親眼見到了法國人作第一次載人氣球飛行。那雀躍歡騰的熱烈場麵，驚心動魄的緊張時刻，以及凱旋的天之驕子，都使他激動不已，這一切在他那幼小的心靈中播下了飛天的種子。他想，輕於空氣的氣球能升天，那比空氣重的鳥兒為什麼會在天空中翱翔呢?於是他開始構思重於空氣的航空器。
1792年他開始用一種玩具作一連串的試驗。這種玩具是從中國傳入歐洲的“竹蜻蜓”。
白雲萬裏，日麗風輕。綠草如茵的田野裏，小小的竹蜻蜓一會兒翩翩飛起，一會兒飄然落下，這真叫凱利百思不解……
整整苦苦思索了12個春秋，直到1804年，他終於通過試驗、觀察、分析、研究，寫下了第一篇有關人類飛行原理的論文，並於1809年，以“論空中航行”為題在自然哲學雜誌上發表。這篇文章後來在整個西方世界被翻印轉載了足足一百年。論文一再強調製造固定翼飛機的重要性，詳盡地勾勒出現代飛機的輪廓，對空氣動力學理論的產生和形成作出了重要貢獻。他描繪出了固定翼、機尾、機身以及升降舵等的操縱麵，解釋了機翼的作用，並指出：適當的安定性，要從設計翼麵一點點角度而獲得——這簡直就是現代飛機機翼講求的“上反角”；接著又提到他的飛行器必須迎風而起，必須有垂直的和水平的舵麵——這完全是現代機尾的描述。凱利的論文還闡述了速度對升力的關係，翼負荷，張力，重力的減輕，甚至內燃引擎的原理，以及流線型對飛行器的設計的重要性等等。