飞行器气动设计/空天力学系列教材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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李桦，田正雨，潘沙 著

图书标签:

• 飞行器设计
• 气动学
• 空天力学
• 空气动力学
• 飞行力学
• 气动外形
• 飞行器结构
• 计算流体力学
• 飞行控制
• 航空工程

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030507105

版次：1

商品编码：12058703

包装：平装

丛书名： 空天力学系列教材

开本：16开

出版时间：2017-03-01

用纸：胶版纸

页数：334

字数：500000

正文语种：中文

内容简介

　　《飞行器气动设计/空天力学系列教材》讲述飞行器基本气动特性、理论计算方法和气动布局设计。《飞行器气动设计/空天力学系列教材》分8章，第1章为气动设计与飞行器发展综述，第2章讨论飞行器涉及的气体与流动基本性质，第3～5章讨论翼型和机翼在低速、亚声速、跨声速和超声速流动中的主要气动理论及其气动特性，第6章主要介绍飞机气动布局与总体参数初步设计步骤，第7章详细介绍飞机部件的气动设计思路与方法，第8章介绍高超声速飞行器气动特性及其设计原理。
　　《飞行器气动设计/空天力学系列教材》可作为飞行器设计专业与力学专业的本科教材，也可供有关专业的研究生、教师、科研人员和工程技术人员参考。

内页插图

目录

前言
第1章 绪论
1．1 概述
1．1．1 飞机的构成
1．1．2 飞行器空气动力学与气动设计的任务
1．1．3 飞行器气动设计的地位和作用
1．1．4 飞行器气动设计的要求
1．1．5 气动设计的内容
1．2 飞行器发展历程简介
1．2．1 第一个时期——飞行探索时期
1．2．2 第二个时期——活塞时期
1．2．3 第三个时期——喷气式飞机时期
1．2．4 第四个时期——高超声速飞行时期
复习与思考

第2章 气体与流动的基本性质与描述
2．1 气体流动基本规律
2．1．1 空气的物理性质
2．1．2 气体与流动的基本模型
2．2 无黏流场的描述方法
2．2．1 速度位方程
2．2．2 线化位流方程
2．2．3 压力系数
2．2．4 几种带奇点的不可压位流
2．2．5 无黏不可压缩流求解——奇点法
2．2．6 儒科夫斯基升力定理
2．3 流动的可压缩性模型
2．3．1 简单处理模型
2．3．2 小扰动线化理论
2．4 黏性作用与流动分离
2．4．1 附着流型被破坏的主要原因——黏性的相互作用
2．4．2 三维流动分离
2．5 适用于飞机的流动
复习与思考

第3章 翼型低速空气动力特性
3．1 翼型概述
3．1．1 翼型的几何参数
3．1．2 翼型的发展与族系
3．2 气动参数
3．3 翼型低速流动的绕流图画
3．3．1 翼型低速流动的绕流图画介绍
3．3．2 翼型绕流的分离与失速
3．4 翼型气动特性
3．5 翼型低速流动的薄翼理论
3．5．1 薄翼理论的思路
3．5．2 薄翼理论的推导
3．5．3 薄翼理论的气动特性公式
复习与思考

第4章 机翼低速和亚声速空气动力特性
4．1 机翼及其低速气动模型
4．1．1 机翼的几何参数
4．1．2 机翼的低速绕流图画
4．1．3 气动模型
4．2 大展弦比直机翼的升力线理论
4．2．1 诱导速度、升力和诱导阻力
4．2．2 用于确定Г（z）的基本积分-微分方程
4．2．3 椭圆形环量分布无扭转机翼的气动特性
4．2．4 一般机翼环量沿展向的分布Г（z）
4．2．5 一般无扭转直机翼的气动特性
4．3 升力面理论
4．4 大展弦比后掠机翼的低速气动特性
4．5 小展弦比机翼的低速气动特性
4．5．1 三角翼流动分析
4．5．2 小展弦比机翼的流动分析
4．6 亚声速可压流中机翼的气动特性
4．6．1 普朗特一格劳特法则
4．6．2 翼型的亚声速空气动力特性
4．6．3 后掠翼的亚声速空气动力特性
复习与思考

第5章 超声速与跨声速翼型和机翼的空气动力特性
5．1 薄翼型的绕流流动分析
5．1．1 超声速薄翼绕流受力分析
……
第6章 飞机气动布局初步设计
第7章 飞机部件的气动设计
第8章 高超声速飞行器气动设计
参考文献
附录

前言/序言

　　本书是为飞行器设计专业与力学专业本科生编写的飞行器气动设计教材。本书主要以飞机为对象，介绍飞行器设计所需的基本气动理论，以及飞行器初步设计和部件设计时需要考虑的气动问题。在飞行器涉及的气体与流动基本性质的基础上，针对翼型和各类机翼，分别讨论它们在低速、亚声速、跨声速和超声速流动中的主要气动理论及其气动特性，介绍飞机气动布局，讨论总体参数初步设计步骤，并详细介绍飞机部件的气动设计原则、参数计算和选取方法，此外还对处于前沿的高超声速飞行器气动特性及其设计原理进行了介绍。意在提高学生综合运用基本气动原理和理论解决实际飞行器设计问题的能力。
　　本书是国防科学技术大学新一轮教学改革课程建设工作的一部分，“飞行器气动设计”作为一门综合性专业课程，强调流体力学、空气动力学、飞行器部件空气动力学及高超声速空气动力学等基本理论与概念在飞行器气动设计中的实际应用。本书内容重点针对飞行器设计所需的气动理论，同时又带有相当部分的气动相关的飞行器设计内容，目的在于使学生将气动原理融入飞行器设计进行学习和理解。主要特点是：第一，介绍的空气动力学知识均为理解飞行器流动所需，并未介绍最基本的流动原理，因此读者需要有一定的空气动力学或流体力学基础知识；第二，设计部分重点在气动相关的飞行器设计部分内容，不同于飞行器总体设计内容的大而全；第三，配以大量的图片素材，同时制作了多个三维模型动画或者流场动画，以加深读者对一些重要知识点的理解。
　　本书根据作者多年讲授“飞行器气动设计”课程的讲稿编写而成。国防科学技术大学早期使用的教材是屈西曼所著的《飞机空气动力设计》，讲授内容结合实际教学反馈以及参考国内相关优秀教材，得以不断修正和完善。教学中参考了国内著名的“飞机设计手册”丛书，以及陆志良编著的《空气动力学》，钱翼稷编著的《空气动力学》，徐华舫编著的《空气动力学基础》，黄志澄编著的《高超声速飞行器空气动力学》，刘君编著的《飞行器部件空气动力学》，杨蚱生编著的《飞行器部件空气动力学》，顾诵芬编著的《飞机总体设计》，李为吉编著的《飞机总体设计》，方宝瑞编著的《飞机气动布局设计》等，同时引用了《世界飞机大全》、百度百科、空翼网的部分飞机数据。这里谨向各位作者致以崇高的敬意和深深的感谢！
　　本书在编写过程中，得到了北京航空航天大学CFD重点实验室叶友达研究员和南京航空航天大学程克明教授的宝贵意见和建议，在此向他们表示衷心的感谢！
　　本书由李桦、田正雨、潘沙编写，最后由李桦统编定稿。由于水平所限，不当之处在所难免，恳请读者批评指正。

《高超声速飞行器关键气动热力学问题研究》 引言 进入21世纪，随着航空航天技术的飞速发展，人类对速度的追求从未停止。从最初的亚音速飞行，到跨音速、超音速，再到如今备受瞩目和充满挑战的高超声速飞行，每一次速度的跨越都意味着对物理规律和工程技术的深刻理解与突破。高超声速飞行器，指飞行速度达到或超过马赫数5（M≥5）的飞行器，因其独特的动力学特性和巨大的应用潜力，成为了当前航空航天领域的研究热点。它们能够以极高的速度穿越大气层，执行侦察、打击、快速运输等多种任务，甚至为未来深空探测和星际旅行奠定基础。 然而，高超声速飞行并非易事。当飞行器以如此惊人的速度在稀薄的大气中穿行时，其面临的空气动力学和热力学挑战是前所未有的。激波与边界层的高度耦合、空气的化学反应、高强度的气动加热、以及复杂的流动分离等现象，都对飞行器的设计、材料选择和控制策略提出了极为严苛的要求。本专著《高超声速飞行器关键气动热力学问题研究》正是聚焦于这些核心难题，旨在深入剖析高超声速流动环境下的复杂物理现象，并为相关领域的研究者和工程师提供一套系统、前沿的理论框架和分析方法。 第一章：高超声速流动概述与流动特性 本章将首先界定高超声速飞行的概念，并详细阐述其与亚音速、超音速等不同速度区间的流动特性的显著区别。我们将从宏观角度介绍高超声速流动的基本特征，如激波的强关联性、气体的可压缩性效应显著、以及边界层内的非平衡流动等。 速度区间划分与定义： 明确马赫数在不同飞行速度区间（亚音速、跨音速、超音速、高超声速）的划分标准，并重点突出高超声速（M≥5）的独特性。 高超声速流动的关键物理现象： 强激波与激波附着： 探讨高马赫数下产生的强大激波结构，以及激波与钝体或尖锐几何体表面相互作用时的附着与分离现象。 粘性效应与激波边界层干扰： 分析高超声速流动中粘性效应的增强，以及激波与边界层发生强烈的相互作用，可能导致流动分离、压力突增和气动加热加剧。 压缩性效应与等熵流动假设的失效： 详细阐述高马赫数下气体的压缩性对流动特性的巨大影响，以及传统低速流动的等熵流动假设在高超声速条件下不再适用。 流场结构的演变： 观察并分析不同迎角、攻角和飞行高度下高超声速流场的典型结构，例如头部激波锥、尾迹区、以及激波片等。 能量转化与耗散： 探讨在高超声速流动中，动能向内能（热能）的转化是主要的能量耗散机制，这将直接导致飞行器表面承受巨大的热载荷。 第二章：高超声速流动中的气体化学反应 在超音速甚至更高速度的飞行中，空气的化学反应成为一个不可忽视的关键因素。高能量的碰撞和极高的温度会引起空气分子（如氧气、氮气）的离解和电离，形成等离子体。这些化学反应会显著改变气体的热力学和输运性质，对飞行器的气动性能和热防护系统产生深远影响。 空气化学反应机理： 分子离解： 详细介绍在高温下，氮气（N2）和氧气（O2）分子键断裂，转化为原子（N, O）的过程。 原子复合与进一步反应： 分析离解产物原子如何复合，以及更复杂的反应，如NO的生成等。 电离过程： 在更高的温度下，原子失去电子形成离子和自由电子，即等离子体的产生。 化学非平衡流动： 区分化学平衡流动和化学非平衡流动。在高超声速流动中，由于反应速率与流动时间尺度的关系，化学反应往往不能达到平衡状态，形成化学非平衡流。 化学反应对气动性能的影响： 比热容变化： 化学反应导致气体的比热容发生变化，影响流动的绝热指数，从而影响激波强度和推力。 密度变化： 离解和电离通常会导致气体密度降低，影响气动载荷。 能量转换： 化学反应的放热或吸热过程会影响气体的温度分布和能量平衡。 化学反应对热载荷的影响： 化学反应，特别是放热反应，会向飞行器表面释放能量，显著增加气动加热。 第三章：高超声速气动加热与热防护 高超声速飞行器面临的最严峻挑战之一是巨大的气动加热。由于空气的压缩和化学反应，飞行器表面温度可能急剧升高，远超材料的耐受极限。因此，有效控制和管理气动加热是高超声速飞行器设计的重中之重。 气动加热机理： 粘性耗散加热： 边界层内粘性应力产生的摩擦热是主要的热源之一。 压缩加热： 气体压缩过程中，动能转化为内能，导致温度升高。 化学反应放热： 如前所述，空气的化学反应是重要的热源。 辐射加热： 在极高速度下，高温气体也会产生热辐射，对飞行器表面产生加热作用。 气动加热的计算方法： 经验公式与半经验方法： 介绍一些基于实验数据的经验公式，适用于初步估算。 数值模拟方法（CFD）： 详细阐述基于 Navier-Stokes 方程（包含化学反应和能量传递）的计算流体力学（CFD）方法，是精确预测气动加热的关键。 热流密度分布： 分析飞行器表面不同部位的热流密度分布特征，如头部、前缘、侧缘等。 高超声速热防护技术： 烧蚀材料： 介绍具有高熔点、低导热性和易于烧蚀特性的材料，通过烧蚀带走热量。 绝热材料： 应用低导热系数的材料，减缓热量向内部传递。 再生冷却： 通过在飞行器内部循环冷却剂（如燃料）来吸收热量，并利用加热后的冷却剂参与燃烧或喷射。 热障涂层（TBCs）： 应用具有高热阻和耐高温性能的陶瓷涂层，保护结构材料。 主动冷却技术： 例如，通过在表面微孔注入冷却气体或液体，形成绝热层或蒸发冷却。 外形设计优化： 通过优化飞行器外形，例如钝化前缘，减少局部热流密度。 第四章：高超声速飞行器的气动载荷与外形设计 高超声速飞行器的气动载荷与亚音速、超音速飞行器存在显著差异。激波的强关联性、粘性效应以及流动分离等因素，都会导致气动载荷的分布和总量发生巨大变化。因此，合理的气动外形设计对于实现高效、稳定的高超声速飞行至关重要。 高超声速气动力的计算： 压强分布： 分析激波对飞行器表面压强的影响，以及头部、肩部、翼面等区域的典型压强分布。 摩擦阻力： 探讨在高马赫数下，边界层摩擦阻力占比的变化。 激波阻力： 分析激波强度对阻力的贡献。 气动弹性效应： 提及在高超声速飞行中，气动载荷与结构变形相互耦合，可能影响飞行稳定性。 高超声速外形设计的原则与策略： 钝体与尖锐体： 讨论不同头部形状（如球头、圆锥头）对激波形成、分离和气动加热的影响。 翼身融合与乘波体： 介绍乘波体等先进外形设计理念，利用激波减小阻力和提高升阻比。 控制面的布置与优化： 分析舵面、襟翼等控制面在高超声速流动下的气动特性，以及如何优化其尺寸和位置以实现有效的控制。 流动分离的抑制与控制： 探讨流动分离对气动性能的负面影响，以及通过外形设计、吹吸气等手段进行抑制。 多学科耦合设计： 强调高超声速飞行器设计是气动、结构、热防护、推进等多个学科高度耦合的过程，需要综合考虑。 第五章：高超声速流动的数值模拟技术 高超声速流动过程的复杂性使得其难以完全依赖实验手段进行研究。计算流体力学（CFD）在高超声速研究中扮演着至关重要的角色，它能够模拟极端条件下的流动行为，预测关键参数，并指导外形设计和实验验证。 数值方法的选择与挑战： Navier-Stokes 方程组： 介绍求解高超声速流动的基本方程组，需要考虑粘性、传热、化学反应等。 数值格式的稳定性与精度： 讨论在高马赫数、强激波、化学反应等复杂条件下，对数值格式的要求，如高分辨率格式、隐式/显式求解器等。 湍流模型： 介绍在高超声速边界层中，需要考虑湍流模型，如 Spalart-Allmaras、k-ω SST 等，以及其在高超声速条件下的适用性。 化学反应模型的耦合： 讨论如何将化学反应动力学模型集成到 CFD 求解器中。 高性能计算（HPC）的应用： 网格生成与处理： 探讨在高超声速流动中，需要精细的网格来捕捉激波和边界层，以及 HPC 在此方面的作用。 并行计算技术： 解释如何利用大规模并行计算资源来加速高超声速流动的数值模拟。 CFD 模拟的验证与不确定性分析： 与实验数据的比对： 强调 CFD 模拟结果必须通过与风洞实验、飞行试验等数据进行验证。 不确定性量化： 讨论 CFD 模拟结果的不确定性来源（如模型误差、数值误差），以及如何进行量化分析。 第六章：高超声速飞行器的风洞实验技术 尽管 CFD 在高超声速研究中作用巨大，但风洞实验仍然是获取真实物理信息、验证理论模型和 CFD 结果不可或缺的手段。高超声速风洞的设计和操作具有其独特性和挑战性。 高超声速风洞的类型： 连续式风洞： 如激波风洞、驱动风洞等，适用于研究稳态流场。 脉冲式风洞： 如激波管、枪管式风洞等，适用于研究瞬态流动现象。 高超声速风洞的挑战： 模拟高马赫数： 需要特殊的喷管设计和高压差。 模拟高焓值： 飞行器在高超声速飞行时，气体的焓值很高，风洞需要模拟这种高焓值状态。 模拟化学反应： 在某些风洞中，需要模拟空气在高焓值下的化学反应。 模型尺寸限制： 模型尺寸受限于风洞尺寸，可能导致雷诺数差异。 高超声速风洞的测量技术： 压力测量： 测量飞行器表面的 static pressure 和 dynamic pressure。 温度测量： 测量模型表面的温度和流场温度。 流场可视化技术： 如 schlieren 技术、shadow 技术等，用于观察激波和流场结构。 力学测量： 测量飞行器模型受到的力和力矩。 热流密度测量： 测量模型表面的热流密度。 实验与 CFD 的协同： 强调风洞实验和 CFD 模拟之间紧密的配合关系，相互促进，共同推动高超声速技术的发展。 结论 《高超声速飞行器关键气动热力学问题研究》旨在为读者构建一个关于高超声速飞行器气动热力学领域的知识体系。从基础的高超声速流动特性，到复杂的化学反应、极端的气动加热，再到外形设计、数值模拟和实验技术，本书力求全面而深入地探讨这一前沿领域所面临的关键科学问题和工程挑战。本书的编写，不仅是对现有研究成果的梳理与总结，更是对未来研究方向的探索与展望。我们期望本书能够成为相关领域的研究人员、工程师以及对高超声速飞行器感兴趣的学生们，在学习、研究和实践道路上的一本宝贵参考。随着技术的不断进步，高超声速飞行器必将在国家安全、空间探索和商业航天等领域发挥越来越重要的作用。 参考文献 （此处将列出本书引用的相关学术文献、研究报告和经典著作。）

评分☆☆☆☆☆

初次拿到这本《飞行器气动设计/空天力学系列教材》，就被它扎实的理论功底和严谨的逻辑结构所吸引。书中的内容，从基础的流体力学原理，到复杂的翼型设计方法，再到高超音速飞行器的气动特性分析，都进行了深入浅出的阐述。特别是在处理非定常流动和激波现象时，作者运用了大量图表和实例，让抽象的概念变得直观易懂。我尤其欣赏书中关于计算流体力学（CFD）应用的章节，它不仅介绍了数值方法的原理，还给出了许多实用的编程技巧和案例分析，对于我这样希望将理论知识转化为实践的读者来说，简直是宝藏。书中的公式推导清晰，步骤完整，配合详实的参考文献，能够帮助读者建立起完整的知识体系。对于航空航天工程领域的学生和从业人员而言，这本书无疑是一本不可多得的案头必备。它提供的不仅是知识，更是一种解决问题的思路和方法。

评分☆☆☆☆☆

《飞行器气动设计/空天力学系列教材》无疑是一本凝聚了作者心血的著作。书中的内容，从经典的气动力学原理，到现代空天飞行器的气动控制，都进行了系统而全面的介绍。让我倍感惊喜的是，书中还专门开辟了章节来探讨“复杂流动下的气动载荷估算”和“电磁流体力学在空天飞行器中的应用”等前沿课题，这极大地拓展了我对未来飞行器设计的视野。作者在撰写过程中，始终保持着对学科前沿的敏锐洞察，并将其融入到教材之中。书中大量的插图和表格，不仅丰富了视觉体验，更有效地传达了复杂的科学信息。对于有志于在航空航天领域深造或者从事相关研发工作的读者而言，这本书提供了一个扎实而全面的知识储备，同时也为他们指明了未来的研究方向。

评分☆☆☆☆☆

翻开这本《飞行器气动设计/空天力学系列教材》，扑面而来的是一股严谨而深邃的学术气息。书的开篇便对空气动力学发展历程进行了简要回顾，为后续内容的展开奠定了历史和理论基础。随后的章节，聚焦于不同飞行器构型的气动特性，从传统的固定翼飞机，到旋转翼航空器，再到前沿的无人机和高超声速飞行器，都有涉及。我特别被书中关于“跨音速气动弹性效应”的章节所打动，它详细阐述了马赫数效应如何影响飞行器的结构刚度和气动性能，并引入了相关控制理论的初步概念，这对于我理解现代高性能飞行器的设计挑战非常有帮助。作者在讲解过程中，始终保持着科学的客观性和严谨性，避免了主观臆断和模糊不清的表述。字里行间流露出的，是作者在相关领域深厚的学术造诣和多年教学经验的结晶。这本书不仅仅是学习知识的工具，更是一种思维方式的启发。

评分☆☆☆☆☆

这本《飞行器气动设计/空天力学系列教材》给我的感觉，就像是一位经验丰富的老教授，循循善诱地引导我探索飞行器设计的奥秘。书中的内容覆盖面广，从空气动力学的基础知识，比如伯努利原理、能量守恒等，到更高级的课题，如气动噪声、结冰效应等，都进行了详尽的介绍。让我印象深刻的是，书中并没有简单地罗列公式和定理，而是通过大量的工程实例，将理论与实际应用紧密结合。比如，在讲解尾翼设计时，作者列举了不同机型尾翼形状对稳定性和操纵性的影响，并分析了这些影响背后的空气动力学原理。这种“知其然，更知其所以然”的讲解方式，极大地提升了我的学习兴趣和理解深度。对于想要深入理解飞行器气动设计，并具备独立分析和解决问题能力的读者来说，这本书提供了一个坚实的理论框架和丰富的实践指导。

评分☆☆☆☆☆

在阅读《飞行器气动设计/空天力学系列教材》的过程中，我深刻体会到作者在知识传授上的独到之处。书中的内容逻辑清晰，层层递进，从最基本的概念入手，逐步深入到复杂的理论和技术。我尤其喜欢书中关于“动量理论”和“能量理论”在叶片设计中的应用部分，作者巧妙地运用这些理论来解释螺旋桨和涡轮叶片的效率，并给出了详细的计算方法。此外，书中还穿插了许多关于材料力学和结构动力学在气动设计中的考虑，这对于理解整体飞行器设计至关重要。我特别欣赏书中在讲解复杂概念时，总是会提供多种角度的解释，有时是数学模型，有时是物理图示，有时是工程类比，让不同背景的读者都能找到适合自己的理解路径。这本书对于我构建完整的航空航天知识体系，提供了坚实的基础和方向。