航空航天概论.ppt
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1、第一章 航空航天发展概况,航空航天概论,1.1 航空航天的基本概念,1.1.1 航空航空是指载人或不载人的飞行器在地球大气层中的航行活动。航空应具备:空气、升力、推力。航空技术学科基础:空气动力学。航空:军用与民用。军用航空:用于军事目的的飞行活动。民用航空:为国民经济服务的非军事飞行活动,分商用和通用。,1.1.2 航天航天是指载人或不载人的航天器在地球大气层之外的航行活动,又称空间飞行或宇航飞行。 航天的实现:克服或摆脱地球引力。 人类飞行活动的三个阶段:航空、航天和航宇。 军用航天:军用卫星系统、反卫星系统、军事载人系统。 民用航天:空间物理探测、天文探测、卫星气象探测和海洋观测、卫星广
2、播通信、卫星导航、地外生命探索等。,1.1 航空航天的基本概念,1.1.3 航空航天的地位和作用航空航天是高度综合的现代科学技术。 航空航天发展与其军事应用密切相关:航空武器是空军武器的重要组成部分,是空军战斗力的物质基础。空中力量对战争结局具有重大影响。卫星已成为当今作战指挥和战略武器系统的重要组成部分。 航空航天取得的重大成就对国民经济产生了重大影响:航空发展改变了交通运输结构。航天技术与其他科学技术相结合开创了许多新兴的商业途径,产生了巨大的经济和社会效益。,1.1 航空航天的基本概念,航空航天为科学研究的发展做出了重要贡献:航天技术开启了从太空观测、研究地球和整个宇宙的新时代。推动了天
3、文学、空间物理学、高能物理学和生物学的发展形成了新的学科分支。空间实验室的特殊环境可用于开展地球上无法完成的物理、化学、生物、医药、新器材和新工艺等方面的综合研究工作。 航空航天是附加值很高的新技术产品:航空航天产业已经成为部分发达国家经济的重要组成部分。,1.1 航空航天的基本概念,1.2 飞行器的分类,飞行器:在地球大气层内、外飞行的器械。 飞行器按工作环境和方式分类:航空器、航天器、火箭和导弹。 航空器:在大气层内飞行的飞行器。 航天器:在大气层外空间飞行的飞行器,按照天体力学的规律在太空运行。世界上第一个航天器是苏联1957年10月 4日发射的“人造地球卫星1号”;第一个载人航天器是苏
4、联航天员加加林乘坐的东方号飞船;第一个把人送到月球上的航天器是美国“阿波罗11号”飞船;第一个兼有运载火箭、航天器和飞机特征的飞行器是美国“哥伦比亚号”航天飞机。 火箭:以火箭发动机为动力而升空,可在大气层内外飞行。 导弹:是带有战斗部、依靠制导系统控制飞行轨迹的飞行武器。,1.2.1 航空器升空条件:航空器能产生克服自身重力的升力。依据产生升力的基本原理不同,航空器可分为轻于同体积空气的航空器和重于同体积空气的航空器两类。,1.2 飞行器的分类,1)轻于空气的航空器 依靠空气静浮力升空,包括气球和飞艇,是最早出现的航空器。,热气球,1.2 飞行器的分类,1.2 飞行器的分类,2)重于空气的航
5、空器 依靠自身与空气相对运动产生的空气动力升空飞行。 包括固定翼、旋翼两类,扑翼机和倾转旋翼航空器。,1.2 飞行器的分类,(1)固定翼飞机 包括飞机和滑翔机。 飞机是在大气层内飞行,由动力装置产生前进推力,由固定翼产生升力。按发动机不同分为:喷气式飞机和螺旋桨飞机。 滑翔机是指没有动力装置的重于空气的固定翼航空。在无风情况下,可依靠自身重力分量获得动力做下滑飞行,称为滑翔;如遇到上升气流,可实现平飞或升高,称为翱翔。滑翔和翱翔是滑翔机的基本飞行方式。 滑翔机主要用于体育运动。一般由狭长的机翼、光滑细长的机身和尾翼组成。,1.2 飞行器的分类,(2)旋翼航空器 包括直升机与旋翼机。 直升机:以
6、航空发动机驱动旋翼旋转提供升力和动力来源,能在大气中垂直起落及悬停,并能进行前飞、后飞、侧飞和定点回旋等可控飞行的重于空气的航空器。 直升机组成:机身、起落架、动力装置、旋翼系统、操纵系统和其他机载设备。 直升机按旋翼反作用扭矩平衡方式分类:单旋翼带尾桨直升机、双旋翼共轴直升机、双旋翼纵列直升机和双旋翼横列直升机,双旋翼交叉式直升机。,1.2 飞行器的分类,单旋翼带尾桨直升机:机身上部装有一副巨大的旋翼,机身后部有长长的尾梁,尾梁末端的垂尾一侧,装有一副小尾桨。尾桨旋转起来,产生的推力或拉力会形成与旋翼反作用扭矩方向相反的平衡力矩。优点:结构简单,易于操纵,适用范围较广。缺点:尾桨不产生升力,
7、在旋翼和机身尾涡的不良气动环境里工作,气动效率较低,暴露在外的尾桨不利于飞行安全,70年代出现有涵道尾桨。,米-26,AH-64“阿帕奇”,直-9,1.2 飞行器的分类,双旋翼共轴直升机:两副完全相同的旋翼,一上一下安装在同一根旋翼轴上,两旋翼间有一定间距。两副旋翼的旋转方向相反,反扭矩互相抵消。直升机的航向操纵靠上下两旋翼总距的差动变化来完成。优点:结构紧凑,外形尺寸小,飞行稳定性好,便于操纵,气动力对称,悬停效率较高。缺点:操纵机构复杂。,卡-26直升机,卡-50直升机,1.2 飞行器的分类,CH-47支奴干直升机(Chinook),双旋翼纵列直升机:具有两副沿机体纵向前后排列并相逆旋转的
8、旋翼的直升机。两副旋翼分别安装在前后两个塔座上,两副旋翼完全相同,旋转方向相反,反作用扭矩互相平衡。 优点:纵向重心范围大,可设计大机身。 缺点:结构复杂,机动性较差,前旋翼尾涡对后旋翼会造成气动干扰,为降低气动干扰通常把后旋翼装得高一些。,1.2 飞行器的分类,米-12直升机,双旋翼横列直升机:两副旋翼一左一右分别安装在机身两侧的两个支架上。两副旋翼完全相同,旋转方向相反,旋转时反作用扭矩相抵消。 优点:平衡性好。 缺点:与双旋翼纵列式直升机类似。,1.2 飞行器的分类,H-43爱斯基摩,双旋翼交叉式直升机:与其它双旋翼直升机一样装有两副完全一样,旋转方向相反的旋翼,但两旋翼轴不平行,分别向
9、外侧倾斜,横向轴距很小,两副旋翼在机体上方呈交叉状。设计中需要考虑两副旋翼的协调性。 优点:稳定性比较好,适宜执行起重、吊挂作业。 缺点:因双旋翼横向布置,气动阻力较大,但由于两旋翼轴间距较小,其气动阻力相对双旋翼横列式直升机小一些。 主要研究单位为:美国的卡曼公司。,K-MAX起重运输直升机,1.2 飞行器的分类,(3)扑翼机(ornithopter )扑翼机是指机翼能像鸟和昆虫翅膀那样上下扑动的重于空气的航空器,又称振翼机。扑动的机翼不仅产生升力,还产生向前的推动力。最早的扑翼机也许就是英国的修道士罗杰培根在1250年发表的工艺和自然的奥秘一文中所记述的:“供飞行用的机器,上坐一人,靠驱动
10、器械使人造翅膀上下扑打空气,尽可能地模仿鸟的动作飞行。”。15世纪初,意大利欧洲文艺复兴时期的文艺、科学巨擘达芬奇研究了鸟翅,利用物理和解剖知识设想的扑翼机为:人俯卧在扑翼机中部,脚蹬后顶板,手扳前部装有鸟羽的横杵,就像划桨一样扇动空气,推动飞行。,1.2 飞行器的分类,扑翼机产生升力和推力的机理非常复杂,目前动力规律还没有人们完全掌握,具有实用价值的扑翼机还处于研制阶段。扑翼机方案是微型航空器的一种可选布局形式。,1.2 飞行器的分类,(4)倾转旋翼机 倾转旋翼机是一种同时具有旋翼和固定翼,并在机翼两侧梢处各装有一套可在水平与垂直位置之间转动的旋翼倾斜系统组件的飞机。当旋翼倾转系统处于水平位
11、置时,相当于固定翼螺旋桨飞机;而当旋翼倾转系统处于垂直位置时,倾转旋翼机相当于横列式直升机,可实现垂直起降。,美国贝尔公司研制的 V-22鱼鹰式倾转旋翼机,贝尔V-280将在2017年首飞,是美国陆军未来直升机计划的一部分,1.2 飞行器的分类,1.2.2 航天器 航天器是指在大气层以外的宇宙空间,基本按天体力学的规律运动的各类飞行器,又称空间飞行器。可在人的控制下改变运行轨道或回收。,1.2 飞行器的分类,1. 无人航天器 (1)人造地球卫星人造地球卫星指环绕地球飞行并在空间轨道运行一圈以上的无人航天器。简称人造卫星。人造卫星是发射数量最多,用途最广,发展最快的航天器。1957年10月4日苏
12、联发射了世界上第一颗人造卫星。之后,美国、法国、日本也相继发射了人造卫星。中国于1970年4月24日发射了东方红1号人造卫星。人造卫星一般由专用系统(有效载荷)和保障系统组成(服务系统)。专用系统:通信转发器,遥感器,导航设备,科学探测仪器,各种科学实验设备等。人造地球卫星轨道:低轨道、中高轨道、地球同步轨道、地球静止轨道、太阳同步轨道,大椭圆轨道和极轨道。,1.2 飞行器的分类,东方红一号人造地球卫星 中国第一颗人造地球卫星,人造卫星“斯普特尼克”号世界第一颗人造地球卫星,1.2 飞行器的分类,(2)空间探测器空间探测器又称深空探测器或宇宙探测器。对月球和月球以远的天体和空间进行探测的无人航
13、天器。空间探测器装载科学探测仪器,由运载火箭送入太空,飞近月球或行星进行近距离观测,做人造卫星进行长期观测,着陆进行实地考察,或采集样品进行研究分析。空间探测器按探测的对象划分为月球探测器、行星和行星际探测器、小天体探测器等。探测器飞向月球通常是靠地面测控网和空间探测器的轨道控制系统配合进行控制;而行星际飞行距离遥远,无线电信号传输时间长,地面不能进行实时遥控,所以行星和行星际探测器的轨道控制系统应有自主导航能力。,1.2 飞行器的分类,空间探测的主要目的是:研究月球和太阳系的起源和现状,通过对太阳系各大行星及其卫星的考察研究,进一步揭示地球环境的形成和演变情况;认识太阳系的演化,探寻生命的起
14、源和演变历史,利用宇宙空间的特殊环境进行各种科学实验,直接为国民经济服务。 空间探测的主要方式有:1)在近地空间轨道上进行远距离空间探测。2)从月球或行星近旁飞过,进行近距离探测。3)成为月球或行星的人造卫星,进行长期的反复观测。4)在月球或行星及其卫星表面硬着陆,利用着陆之前的短暂时间进行探测。5)在月球或行星及其卫星表面软着陆,进行实地考察,也可将获取的样品送回地球进行研究。6)在深空飞行,进行长期考察。,1.2 飞行器的分类,空间探测主要成果: 1958年1月31日美国发射成功第一颗卫星探险者1号,首次探测到地球周围存在一个高能电子、粒子聚集的辐射带,这就是著名的范艾伦辐射带; 1958
15、年末美国发射的先驱者3号探测器,在飞离地球10万千米的地方又发现了第二条辐射带;从1958年开始,人类用人造卫星、宇宙飞船、空间站和航天飞机等作为探测手段,对近地空间的环境,如地球辐射带、地球磁层、太阳辐射、极光、宇宙线等进行了探测。从1959年开始,人类已经跨过近地空间到月球以至月球以外的深空进行探测活动。各种空间探测器相继考察了月球,拜访了太阳系的水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星以及“哈雷”彗星等。回答了过去天文学家们争议不休的许多不解之谜。美国宇航局NASA于1977年9月5日发射的“旅行者” 1号(Voyager 1)无人太空探测器已经飞出了太阳系。“新视野”号探测器在飞行
16、了9年、跋涉近50亿公里后,已经于北京时间2015年7月14日19时49分飞掠冥王星。,1.2 飞行器的分类,21世纪的火星探测器: 2001年4月7日,美国发射”2001火星奥德赛号”探测器,于2001年10月23日到达火星轨道。发现火星表面可能有丰富的冰冻水。 美国勇气号于2003年6月10日发射升空,于2004年1月3日在火星表面成功着陆,3个月后失去联络。机遇号于2003年7月7日发射升空,于2004年1月25日成功着陆火星。大幅超出原本设计3个月的任务时间并工作至今。 2007年8月4日,美国成功发射凤凰号火星探测器,凤凰号探测器于2008年5月25日在火星北极成功着陆。 2011年
17、11月,俄罗斯发射福布斯土壤号火星探测器,因主动推进装置未能点火而变轨失败。搭载的中国第一个火星探测器”萤火一号“也宣告失败。 2011年11月26日,美国好奇号火星探测器成功发射,并于2012年8月6日成功登陆火星,2015年火星陨石样本中发现大量甲烷,增加了火星上生命存在的可能性。 2013年11月5日,印度发射印度首颗火星探测器“曼加里安号火星探测器”号。2014年9月24日,印度“曼加里安”号成功进入火星轨道。 2013年11月18日,美国“火星大气与挥发演化探测器“发射升空,于2014年9月22日成功进入火星轨道。,1.2 飞行器的分类,“好奇号”火星探测器(2011),“勇气号”火
18、星探测器(2003),“月球”16探测器(1970),采集的月球岩石样本(1970),1.2 飞行器的分类,2. 载人航天 载人航天是人类驾驶和乘坐载人航天器在太空中从事各种探测、研究、试验、生产和军事应用的往返飞行活动。 目的:突破地球大气的屏障和克服地球引力,将人类活动范围延生到整个宇宙。利用太空和载人航天器的特殊环境进行各种研究和试验活动,开发太空极其丰富的资源。 载人航天必须突破三大技术难题: 1)大推力的运载火箭技术; 2)卫星安全返回技术; 3)良好的环境控制和生命保障系统技术。 载人航天器可分为载人飞船、空间站与航天飞机三类。,1.2 飞行器的分类,(1)载人飞船载人飞船是 能保
19、障航天员在外层空间生活和工作以执行航天任务并返回地面的航天器,又称宇宙飞船。可进行独立航天活动,也可作为地面和空间站之间的“渡船”或与其他航天器对接后进行联合飞行。载人飞船容积较小,受到所载消耗性物质数量的限制,不具备再补给的能力,而且不能重复使用。,“东方”号飞船,“阿波罗”飞船,“神州”5号飞船,1.2 飞行器的分类,(2)空间站空间站又称航天站、太空站、轨道站。是一种在近地轨道长时间运行,可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。空间站分为: 单一式:小型,一次发射完成。 组合式:较大型,分批发射组件,在太空中组装成为整体。 前苏联是首先发射载人空间站的国家。国际空间站结构复杂,规
20、模大,由航天员居住舱、实验舱、服务舱,对接过渡舱、桁架、太阳电池等部分组成,试用期一般为510年。,“礼炮”6号空间站,“和平”号空间站,国际空间站,1.2 飞行器的分类,(3)航天飞机航天飞机(Space Shuttle)是可重复使用的、往返于太空、宇宙和地面之间的航天器或轨道器,结合了飞机与航天器的性质。航天飞机是一种有人驾驶可重复使用的航天器。美国研制过5种型号的航天飞机:哥伦比亚号航天飞机、挑战者号航天飞机、发现号航天飞机、亚特兰蒂斯号航天飞机和奋进号航天飞机。苏联研制过“暴风雪”号航天飞机,后因解体中断。,发射升空,着陆,与国际空间站对接,1.2 飞行器的分类,1.2 飞行器的分类,
21、1.2 飞行器的分类,1.2 飞行器的分类,1.2.3 火箭与导弹火箭和导弹是一类特殊飞行器,它们在大气层和大气层外均可飞行,但一般都只能使用一次。 (1)火箭 火箭靠火箭发动机提供推进力的飞行器。火箭发动机自身携带全部推进剂,不依赖空气或其他工作介质产生推力。根据能源不同,可分为化学火箭、核火箭和电火箭。 化学火箭:固体火箭、液体火箭和混合推进火箭。 火箭按用途可分为无控火箭弹、探空火箭和运载火箭。 火箭基本组成:推进系统、箭体机构和有效载荷。 有效载荷为要运送的物质,军用火箭有效载荷为战斗部、科学研究火箭有效载荷为科学仪器、运载火箭有效载荷为各种航天器。,1.2 飞行器的分类,(2)导弹导
22、弹(Missile)是一种携带战斗部,依靠自身动力装置推进,由制导系统导引控制飞行航迹的飞行器。有翼导弹作为一个整体直接攻击目标,弹道导弹飞行到预定高度和位置后弹体与弹头分离,由弹头执行攻击目标的任务。导弹摧毁目标的有效载荷是战斗部(或弹头),可为核装药、常规装药、化学战剂、生物战剂,或者使用电磁脉冲。其中装普通炸药的称为常规导弹,装核弹的称核导弹。 导弹的作用分类:战略导弹和战术导弹。 洲际导弹:射程超过8000千米的导弹。 弹道特征分:弹道导弹和巡航导弹。 发射的载具的特性:空射,面射,潜射等。 攻击的目标性质:对空,对面,对潜。 把这两项原则合并在一起就是目前最常见的各类导弹的分类系统。
23、,1.2 飞行器的分类,“长征”2号运载火箭,“土星”5号运载火箭,战斧式巡航导弹,爱国者导弹,S-400萨姆导弹,AIM-120空空导弹,1.2 飞行器的分类,1.3 飞行器发展概况,18世纪的产业革命推动了科学技术的发展,为人类实现飞行奠定了基础。20世纪初期开始,航空航天得到飞速发展并取得了辉煌的成就。 1.3.1 航空器发展概况 1)风筝、气球和飞艇中国的风筝是飞机的雏形,风筝又称纸鸢(yuan),在中国有2000多年年历史。它的飞行原理成为飞机空气动力学方面最优价值的机理之一。五代时期出现的孔明灯,又称松脂灯,被看成是热气球的雏形。东晋时代发明的“竹蜻蜓”玩具,其飞行原理和直升机类似
24、。在国外,中世纪有人企图用羽毛制成翅膀模拟鸟儿飞行,并持续至17世纪。文艺复兴时期达芬奇科学研究了飞行问题,写成了论鸟的飞行一书,被公认为航空科学先知。17世纪后期意大利另一位科学家研究了人类肌肉与飞行的关系。为人类的最终实现飞行积累了宝贵经验。,1783年6月5日,法国蒙哥尔费兄弟用麻布制成热气球完成了飞行表演。1783年11月21日,蒙哥尔费兄气球搭载2名法国人在1000米高空,飞行12公里,实现人类首次乘坐航空器飞行。 1852年法国人吉法尔在气球上安装了一台蒸汽机用来带动一个三叶螺旋桨成为一个可操纵的气球,即最早的飞艇。同年,他驾驶这架飞艇从巴黎飞到特拉普斯,航程28公里,完成飞艇的首
25、次载人飞行。 1899年,德国人齐柏林设计了第一颗硬式飞艇,飞艇采用以汽油为燃料的内燃机作为动力,带动螺旋桨推动飞艇前进,提高了飞行速度,艇身内充氢气,飞艇可乘坐5人。齐柏林飞艇很快成为具有实用价值的航空器,在民用运输以及轰炸、巡逻和侦查等军事方面发挥作用。 1899年,华侨谢缵泰在香港设计完成“中国号”电动飞艇的详细图纸,为中国最早飞艇设计。,1.3 飞行器发展概况,2)飞机 飞机成功飞行必须解决升力、动力和操纵问题。 19世纪,英国人凯利首先提出用固定翼产生升力和利用不同翼面控制并推动飞机的设计概念。1849年他制造了第一架滑翔机,并进行了试飞。 1883年,美国人兰利设计了以内燃机为动力
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