飛行器氣動設計/空天力學係列教材 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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李樺，田正雨，潘沙 著

圖書標籤:

• 飛行器設計
• 氣動學
• 空天力學
• 空氣動力學
• 飛行力學
• 氣動外形
• 飛行器結構
• 計算流體力學
• 飛行控製
• 航空工程

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030507105

版次：1

商品編碼：12058703

包裝：平裝

叢書名： 空天力學係列教材

開本：16開

齣版時間：2017-03-01

用紙：膠版紙

頁數：334

字數：500000

正文語種：中文

內容簡介

　　《飛行器氣動設計/空天力學係列教材》講述飛行器基本氣動特性、理論計算方法和氣動布局設計。《飛行器氣動設計/空天力學係列教材》分8章，第1章為氣動設計與飛行器發展綜述，第2章討論飛行器涉及的氣體與流動基本性質，第3～5章討論翼型和機翼在低速、亞聲速、跨聲速和超聲速流動中的主要氣動理論及其氣動特性，第6章主要介紹飛機氣動布局與總體參數初步設計步驟，第7章詳細介紹飛機部件的氣動設計思路與方法，第8章介紹高超聲速飛行器氣動特性及其設計原理。
　　《飛行器氣動設計/空天力學係列教材》可作為飛行器設計專業與力學專業的本科教材，也可供有關專業的研究生、教師、科研人員和工程技術人員參考。

內頁插圖

目錄

前言
第1章 緒論
1．1 概述
1．1．1 飛機的構成
1．1．2 飛行器空氣動力學與氣動設計的任務
1．1．3 飛行器氣動設計的地位和作用
1．1．4 飛行器氣動設計的要求
1．1．5 氣動設計的內容
1．2 飛行器發展曆程簡介
1．2．1 第一個時期——飛行探索時期
1．2．2 第二個時期——活塞時期
1．2．3 第三個時期——噴氣式飛機時期
1．2．4 第四個時期——高超聲速飛行時期
復習與思考

第2章 氣體與流動的基本性質與描述
2．1 氣體流動基本規律
2．1．1 空氣的物理性質
2．1．2 氣體與流動的基本模型
2．2 無黏流場的描述方法
2．2．1 速度位方程
2．2．2 綫化位流方程
2．2．3 壓力係數
2．2．4 幾種帶奇點的不可壓位流
2．2．5 無黏不可壓縮流求解——奇點法
2．2．6 儒科夫斯基升力定理
2．3 流動的可壓縮性模型
2．3．1 簡單處理模型
2．3．2 小擾動綫化理論
2．4 黏性作用與流動分離
2．4．1 附著流型被破壞的主要原因——黏性的相互作用
2．4．2 三維流動分離
2．5 適用於飛機的流動
復習與思考

第3章 翼型低速空氣動力特性
3．1 翼型概述
3．1．1 翼型的幾何參數
3．1．2 翼型的發展與族係
3．2 氣動參數
3．3 翼型低速流動的繞流圖畫
3．3．1 翼型低速流動的繞流圖畫介紹
3．3．2 翼型繞流的分離與失速
3．4 翼型氣動特性
3．5 翼型低速流動的薄翼理論
3．5．1 薄翼理論的思路
3．5．2 薄翼理論的推導
3．5．3 薄翼理論的氣動特性公式
復習與思考

第4章 機翼低速和亞聲速空氣動力特性
4．1 機翼及其低速氣動模型
4．1．1 機翼的幾何參數
4．1．2 機翼的低速繞流圖畫
4．1．3 氣動模型
4．2 大展弦比直機翼的升力綫理論
4．2．1 誘導速度、升力和誘導阻力
4．2．2 用於確定Г（z）的基本積分-微分方程
4．2．3 橢圓形環量分布無扭轉機翼的氣動特性
4．2．4 一般機翼環量沿展嚮的分布Г（z）
4．2．5 一般無扭轉直機翼的氣動特性
4．3 升力麵理論
4．4 大展弦比後掠機翼的低速氣動特性
4．5 小展弦比機翼的低速氣動特性
4．5．1 三角翼流動分析
4．5．2 小展弦比機翼的流動分析
4．6 亞聲速可壓流中機翼的氣動特性
4．6．1 普朗特一格勞特法則
4．6．2 翼型的亞聲速空氣動力特性
4．6．3 後掠翼的亞聲速空氣動力特性
復習與思考

第5章 超聲速與跨聲速翼型和機翼的空氣動力特性
5．1 薄翼型的繞流流動分析
5．1．1 超聲速薄翼繞流受力分析
……
第6章 飛機氣動布局初步設計
第7章 飛機部件的氣動設計
第8章 高超聲速飛行器氣動設計
參考文獻
附錄

前言/序言

　　本書是為飛行器設計專業與力學專業本科生編寫的飛行器氣動設計教材。本書主要以飛機為對象，介紹飛行器設計所需的基本氣動理論，以及飛行器初步設計和部件設計時需要考慮的氣動問題。在飛行器涉及的氣體與流動基本性質的基礎上，針對翼型和各類機翼，分彆討論它們在低速、亞聲速、跨聲速和超聲速流動中的主要氣動理論及其氣動特性，介紹飛機氣動布局，討論總體參數初步設計步驟，並詳細介紹飛機部件的氣動設計原則、參數計算和選取方法，此外還對處於前沿的高超聲速飛行器氣動特性及其設計原理進行瞭介紹。意在提高學生綜閤運用基本氣動原理和理論解決實際飛行器設計問題的能力。
　　本書是國防科學技術大學新一輪教學改革課程建設工作的一部分，“飛行器氣動設計”作為一門綜閤性專業課程，強調流體力學、空氣動力學、飛行器部件空氣動力學及高超聲速空氣動力學等基本理論與概念在飛行器氣動設計中的實際應用。本書內容重點針對飛行器設計所需的氣動理論，同時又帶有相當部分的氣動相關的飛行器設計內容，目的在於使學生將氣動原理融入飛行器設計進行學習和理解。主要特點是：第一，介紹的空氣動力學知識均為理解飛行器流動所需，並未介紹最基本的流動原理，因此讀者需要有一定的空氣動力學或流體力學基礎知識；第二，設計部分重點在氣動相關的飛行器設計部分內容，不同於飛行器總體設計內容的大而全；第三，配以大量的圖片素材，同時製作瞭多個三維模型動畫或者流場動畫，以加深讀者對一些重要知識點的理解。
　　本書根據作者多年講授“飛行器氣動設計”課程的講稿編寫而成。國防科學技術大學早期使用的教材是屈西曼所著的《飛機空氣動力設計》，講授內容結閤實際教學反饋以及參考國內相關優秀教材，得以不斷修正和完善。教學中參考瞭國內著名的“飛機設計手冊”叢書，以及陸誌良編著的《空氣動力學》，錢翼稷編著的《空氣動力學》，徐華舫編著的《空氣動力學基礎》，黃誌澄編著的《高超聲速飛行器空氣動力學》，劉君編著的《飛行器部件空氣動力學》，楊蚱生編著的《飛行器部件空氣動力學》，顧誦芬編著的《飛機總體設計》，李為吉編著的《飛機總體設計》，方寶瑞編著的《飛機氣動布局設計》等，同時引用瞭《世界飛機大全》、百度百科、空翼網的部分飛機數據。這裏謹嚮各位作者緻以崇高的敬意和深深的感謝！
　　本書在編寫過程中，得到瞭北京航空航天大學CFD重點實驗室葉友達研究員和南京航空航天大學程剋明教授的寶貴意見和建議，在此嚮他們錶示衷心的感謝！
　　本書由李樺、田正雨、潘沙編寫，最後由李樺統編定稿。由於水平所限，不當之處在所難免，懇請讀者批評指正。

《高超聲速飛行器關鍵氣動熱力學問題研究》 引言 進入21世紀，隨著航空航天技術的飛速發展，人類對速度的追求從未停止。從最初的亞音速飛行，到跨音速、超音速，再到如今備受矚目和充滿挑戰的高超聲速飛行，每一次速度的跨越都意味著對物理規律和工程技術的深刻理解與突破。高超聲速飛行器，指飛行速度達到或超過馬赫數5（M≥5）的飛行器，因其獨特的動力學特性和巨大的應用潛力，成為瞭當前航空航天領域的研究熱點。它們能夠以極高的速度穿越大氣層，執行偵察、打擊、快速運輸等多種任務，甚至為未來深空探測和星際旅行奠定基礎。 然而，高超聲速飛行並非易事。當飛行器以如此驚人的速度在稀薄的大氣中穿行時，其麵臨的空氣動力學和熱力學挑戰是前所未有的。激波與邊界層的高度耦閤、空氣的化學反應、高強度的氣動加熱、以及復雜的流動分離等現象，都對飛行器的設計、材料選擇和控製策略提齣瞭極為嚴苛的要求。本專著《高超聲速飛行器關鍵氣動熱力學問題研究》正是聚焦於這些核心難題，旨在深入剖析高超聲速流動環境下的復雜物理現象，並為相關領域的研究者和工程師提供一套係統、前沿的理論框架和分析方法。 第一章：高超聲速流動概述與流動特性 本章將首先界定高超聲速飛行的概念，並詳細闡述其與亞音速、超音速等不同速度區間的流動特性的顯著區彆。我們將從宏觀角度介紹高超聲速流動的基本特徵，如激波的強關聯性、氣體的可壓縮性效應顯著、以及邊界層內的非平衡流動等。 速度區間劃分與定義： 明確馬赫數在不同飛行速度區間（亞音速、跨音速、超音速、高超聲速）的劃分標準，並重點突齣高超聲速（M≥5）的獨特性。 高超聲速流動的關鍵物理現象： 強激波與激波附著： 探討高馬赫數下産生的強大激波結構，以及激波與鈍體或尖銳幾何體錶麵相互作用時的附著與分離現象。 粘性效應與激波邊界層乾擾： 分析高超聲速流動中粘性效應的增強，以及激波與邊界層發生強烈的相互作用，可能導緻流動分離、壓力突增和氣動加熱加劇。 壓縮性效應與等熵流動假設的失效： 詳細闡述高馬赫數下氣體的壓縮性對流動特性的巨大影響，以及傳統低速流動的等熵流動假設在高超聲速條件下不再適用。 流場結構的演變： 觀察並分析不同迎角、攻角和飛行高度下高超聲速流場的典型結構，例如頭部激波錐、尾跡區、以及激波片等。 能量轉化與耗散： 探討在高超聲速流動中，動能嚮內能（熱能）的轉化是主要的能量耗散機製，這將直接導緻飛行器錶麵承受巨大的熱載荷。 第二章：高超聲速流動中的氣體化學反應 在超音速甚至更高速度的飛行中，空氣的化學反應成為一個不可忽視的關鍵因素。高能量的碰撞和極高的溫度會引起空氣分子（如氧氣、氮氣）的離解和電離，形成等離子體。這些化學反應會顯著改變氣體的熱力學和輸運性質，對飛行器的氣動性能和熱防護係統産生深遠影響。 空氣化學反應機理： 分子離解： 詳細介紹在高溫下，氮氣（N2）和氧氣（O2）分子鍵斷裂，轉化為原子（N, O）的過程。 原子復閤與進一步反應： 分析離解産物原子如何復閤，以及更復雜的反應，如NO的生成等。 電離過程： 在更高的溫度下，原子失去電子形成離子和自由電子，即等離子體的産生。 化學非平衡流動： 區分化學平衡流動和化學非平衡流動。在高超聲速流動中，由於反應速率與流動時間尺度的關係，化學反應往往不能達到平衡狀態，形成化學非平衡流。 化學反應對氣動性能的影響： 比熱容變化： 化學反應導緻氣體的比熱容發生變化，影響流動的絕熱指數，從而影響激波強度和推力。 密度變化： 離解和電離通常會導緻氣體密度降低，影響氣動載荷。 能量轉換： 化學反應的放熱或吸熱過程會影響氣體的溫度分布和能量平衡。 化學反應對熱載荷的影響： 化學反應，特彆是放熱反應，會嚮飛行器錶麵釋放能量，顯著增加氣動加熱。 第三章：高超聲速氣動加熱與熱防護 高超聲速飛行器麵臨的最嚴峻挑戰之一是巨大的氣動加熱。由於空氣的壓縮和化學反應，飛行器錶麵溫度可能急劇升高，遠超材料的耐受極限。因此，有效控製和管理氣動加熱是高超聲速飛行器設計的重中之重。 氣動加熱機理： 粘性耗散加熱： 邊界層內粘性應力産生的摩擦熱是主要的熱源之一。 壓縮加熱： 氣體壓縮過程中，動能轉化為內能，導緻溫度升高。 化學反應放熱： 如前所述，空氣的化學反應是重要的熱源。 輻射加熱： 在極高速度下，高溫氣體也會産生熱輻射，對飛行器錶麵産生加熱作用。 氣動加熱的計算方法： 經驗公式與半經驗方法： 介紹一些基於實驗數據的經驗公式，適用於初步估算。 數值模擬方法（CFD）： 詳細闡述基於 Navier-Stokes 方程（包含化學反應和能量傳遞）的計算流體力學（CFD）方法，是精確預測氣動加熱的關鍵。 熱流密度分布： 分析飛行器錶麵不同部位的熱流密度分布特徵，如頭部、前緣、側緣等。 高超聲速熱防護技術： 燒蝕材料： 介紹具有高熔點、低導熱性和易於燒蝕特性的材料，通過燒蝕帶走熱量。 絕熱材料： 應用低導熱係數的材料，減緩熱量嚮內部傳遞。 再生冷卻： 通過在飛行器內部循環冷卻劑（如燃料）來吸收熱量，並利用加熱後的冷卻劑參與燃燒或噴射。 熱障塗層（TBCs）： 應用具有高熱阻和耐高溫性能的陶瓷塗層，保護結構材料。 主動冷卻技術： 例如，通過在錶麵微孔注入冷卻氣體或液體，形成絕熱層或蒸發冷卻。 外形設計優化： 通過優化飛行器外形，例如鈍化前緣，減少局部熱流密度。 第四章：高超聲速飛行器的氣動載荷與外形設計 高超聲速飛行器的氣動載荷與亞音速、超音速飛行器存在顯著差異。激波的強關聯性、粘性效應以及流動分離等因素，都會導緻氣動載荷的分布和總量發生巨大變化。因此，閤理的氣動外形設計對於實現高效、穩定的高超聲速飛行至關重要。 高超聲速氣動力的計算： 壓強分布： 分析激波對飛行器錶麵壓強的影響，以及頭部、肩部、翼麵等區域的典型壓強分布。 摩擦阻力： 探討在高馬赫數下，邊界層摩擦阻力占比的變化。 激波阻力： 分析激波強度對阻力的貢獻。 氣動彈性效應： 提及在高超聲速飛行中，氣動載荷與結構變形相互耦閤，可能影響飛行穩定性。 高超聲速外形設計的原則與策略： 鈍體與尖銳體： 討論不同頭部形狀（如球頭、圓錐頭）對激波形成、分離和氣動加熱的影響。 翼身融閤與乘波體： 介紹乘波體等先進外形設計理念，利用激波減小阻力和提高升阻比。 控製麵的布置與優化： 分析舵麵、襟翼等控製麵在高超聲速流動下的氣動特性，以及如何優化其尺寸和位置以實現有效的控製。 流動分離的抑製與控製： 探討流動分離對氣動性能的負麵影響，以及通過外形設計、吹吸氣等手段進行抑製。 多學科耦閤設計： 強調高超聲速飛行器設計是氣動、結構、熱防護、推進等多個學科高度耦閤的過程，需要綜閤考慮。 第五章：高超聲速流動的數值模擬技術 高超聲速流動過程的復雜性使得其難以完全依賴實驗手段進行研究。計算流體力學（CFD）在高超聲速研究中扮演著至關重要的角色，它能夠模擬極端條件下的流動行為，預測關鍵參數，並指導外形設計和實驗驗證。 數值方法的選擇與挑戰： Navier-Stokes 方程組： 介紹求解高超聲速流動的基本方程組，需要考慮粘性、傳熱、化學反應等。 數值格式的穩定性與精度： 討論在高馬赫數、強激波、化學反應等復雜條件下，對數值格式的要求，如高分辨率格式、隱式/顯式求解器等。 湍流模型： 介紹在高超聲速邊界層中，需要考慮湍流模型，如 Spalart-Allmaras、k-ω SST 等，以及其在高超聲速條件下的適用性。 化學反應模型的耦閤： 討論如何將化學反應動力學模型集成到 CFD 求解器中。 高性能計算（HPC）的應用： 網格生成與處理： 探討在高超聲速流動中，需要精細的網格來捕捉激波和邊界層，以及 HPC 在此方麵的作用。 並行計算技術： 解釋如何利用大規模並行計算資源來加速高超聲速流動的數值模擬。 CFD 模擬的驗證與不確定性分析： 與實驗數據的比對： 強調 CFD 模擬結果必須通過與風洞實驗、飛行試驗等數據進行驗證。 不確定性量化： 討論 CFD 模擬結果的不確定性來源（如模型誤差、數值誤差），以及如何進行量化分析。 第六章：高超聲速飛行器的風洞實驗技術 盡管 CFD 在高超聲速研究中作用巨大，但風洞實驗仍然是獲取真實物理信息、驗證理論模型和 CFD 結果不可或缺的手段。高超聲速風洞的設計和操作具有其獨特性和挑戰性。 高超聲速風洞的類型： 連續式風洞： 如激波風洞、驅動風洞等，適用於研究穩態流場。 脈衝式風洞： 如激波管、槍管式風洞等，適用於研究瞬態流動現象。 高超聲速風洞的挑戰： 模擬高馬赫數： 需要特殊的噴管設計和高壓差。 模擬高焓值： 飛行器在高超聲速飛行時，氣體的焓值很高，風洞需要模擬這種高焓值狀態。 模擬化學反應： 在某些風洞中，需要模擬空氣在高焓值下的化學反應。 模型尺寸限製： 模型尺寸受限於風洞尺寸，可能導緻雷諾數差異。 高超聲速風洞的測量技術： 壓力測量： 測量飛行器錶麵的 static pressure 和 dynamic pressure。 溫度測量： 測量模型錶麵的溫度和流場溫度。 流場可視化技術： 如 schlieren 技術、shadow 技術等，用於觀察激波和流場結構。 力學測量： 測量飛行器模型受到的力和力矩。 熱流密度測量： 測量模型錶麵的熱流密度。 實驗與 CFD 的協同： 強調風洞實驗和 CFD 模擬之間緊密的配閤關係，相互促進，共同推動高超聲速技術的發展。 結論 《高超聲速飛行器關鍵氣動熱力學問題研究》旨在為讀者構建一個關於高超聲速飛行器氣動熱力學領域的知識體係。從基礎的高超聲速流動特性，到復雜的化學反應、極端的氣動加熱，再到外形設計、數值模擬和實驗技術，本書力求全麵而深入地探討這一前沿領域所麵臨的關鍵科學問題和工程挑戰。本書的編寫，不僅是對現有研究成果的梳理與總結，更是對未來研究方嚮的探索與展望。我們期望本書能夠成為相關領域的研究人員、工程師以及對高超聲速飛行器感興趣的學生們，在學習、研究和實踐道路上的一本寶貴參考。隨著技術的不斷進步，高超聲速飛行器必將在國傢安全、空間探索和商業航天等領域發揮越來越重要的作用。 參考文獻 （此處將列齣本書引用的相關學術文獻、研究報告和經典著作。）

評分☆☆☆☆☆

翻開這本《飛行器氣動設計/空天力學係列教材》，撲麵而來的是一股嚴謹而深邃的學術氣息。書的開篇便對空氣動力學發展曆程進行瞭簡要迴顧，為後續內容的展開奠定瞭曆史和理論基礎。隨後的章節，聚焦於不同飛行器構型的氣動特性，從傳統的固定翼飛機，到鏇轉翼航空器，再到前沿的無人機和高超聲速飛行器，都有涉及。我特彆被書中關於“跨音速氣動彈性效應”的章節所打動，它詳細闡述瞭馬赫數效應如何影響飛行器的結構剛度和氣動性能，並引入瞭相關控製理論的初步概念，這對於我理解現代高性能飛行器的設計挑戰非常有幫助。作者在講解過程中，始終保持著科學的客觀性和嚴謹性，避免瞭主觀臆斷和模糊不清的錶述。字裏行間流露齣的，是作者在相關領域深厚的學術造詣和多年教學經驗的結晶。這本書不僅僅是學習知識的工具，更是一種思維方式的啓發。

評分☆☆☆☆☆

這本《飛行器氣動設計/空天力學係列教材》給我的感覺，就像是一位經驗豐富的老教授，循循善誘地引導我探索飛行器設計的奧秘。書中的內容覆蓋麵廣，從空氣動力學的基礎知識，比如伯努利原理、能量守恒等，到更高級的課題，如氣動噪聲、結冰效應等，都進行瞭詳盡的介紹。讓我印象深刻的是，書中並沒有簡單地羅列公式和定理，而是通過大量的工程實例，將理論與實際應用緊密結閤。比如，在講解尾翼設計時，作者列舉瞭不同機型尾翼形狀對穩定性和操縱性的影響，並分析瞭這些影響背後的空氣動力學原理。這種“知其然，更知其所以然”的講解方式，極大地提升瞭我的學習興趣和理解深度。對於想要深入理解飛行器氣動設計，並具備獨立分析和解決問題能力的讀者來說，這本書提供瞭一個堅實的理論框架和豐富的實踐指導。

評分☆☆☆☆☆

《飛行器氣動設計/空天力學係列教材》無疑是一本凝聚瞭作者心血的著作。書中的內容，從經典的氣動力學原理，到現代空天飛行器的氣動控製，都進行瞭係統而全麵的介紹。讓我倍感驚喜的是，書中還專門開闢瞭章節來探討“復雜流動下的氣動載荷估算”和“電磁流體力學在空天飛行器中的應用”等前沿課題，這極大地拓展瞭我對未來飛行器設計的視野。作者在撰寫過程中，始終保持著對學科前沿的敏銳洞察，並將其融入到教材之中。書中大量的插圖和錶格，不僅豐富瞭視覺體驗，更有效地傳達瞭復雜的科學信息。對於有誌於在航空航天領域深造或者從事相關研發工作的讀者而言，這本書提供瞭一個紮實而全麵的知識儲備，同時也為他們指明瞭未來的研究方嚮。

評分☆☆☆☆☆

在閱讀《飛行器氣動設計/空天力學係列教材》的過程中，我深刻體會到作者在知識傳授上的獨到之處。書中的內容邏輯清晰，層層遞進，從最基本的概念入手，逐步深入到復雜的理論和技術。我尤其喜歡書中關於“動量理論”和“能量理論”在葉片設計中的應用部分，作者巧妙地運用這些理論來解釋螺鏇槳和渦輪葉片的效率，並給齣瞭詳細的計算方法。此外，書中還穿插瞭許多關於材料力學和結構動力學在氣動設計中的考慮，這對於理解整體飛行器設計至關重要。我特彆欣賞書中在講解復雜概念時，總是會提供多種角度的解釋，有時是數學模型，有時是物理圖示，有時是工程類比，讓不同背景的讀者都能找到適閤自己的理解路徑。這本書對於我構建完整的航空航天知識體係，提供瞭堅實的基礎和方嚮。

評分☆☆☆☆☆

初次拿到這本《飛行器氣動設計/空天力學係列教材》，就被它紮實的理論功底和嚴謹的邏輯結構所吸引。書中的內容，從基礎的流體力學原理，到復雜的翼型設計方法，再到高超音速飛行器的氣動特性分析，都進行瞭深入淺齣的闡述。特彆是在處理非定常流動和激波現象時，作者運用瞭大量圖錶和實例，讓抽象的概念變得直觀易懂。我尤其欣賞書中關於計算流體力學（CFD）應用的章節，它不僅介紹瞭數值方法的原理，還給齣瞭許多實用的編程技巧和案例分析，對於我這樣希望將理論知識轉化為實踐的讀者來說，簡直是寶藏。書中的公式推導清晰，步驟完整，配閤詳實的參考文獻，能夠幫助讀者建立起完整的知識體係。對於航空航天工程領域的學生和從業人員而言，這本書無疑是一本不可多得的案頭必備。它提供的不僅是知識，更是一種解決問題的思路和方法。