力学与工程：一名优秀的工程师首先是力学家（二）

weixin

　　三、20世纪最伟大革新与力学

　　人类进入20世纪，新的发明不断浮现，这些新的发明形成新的工程领域。其中，最为伟大的新的工程，对人类的生活影响至关深远的领域有以下六个方面：核工程(包括原子弹，原子能发电，氢弹，和核聚变能源的研究)、半导体工程(包括后来的大规模集成电路)、计算机和新的信息产业(包括智能手机、数码相机、笔记本和放送技术等)、航空工程、航天工程、遗传基因工程。

　　以上这六个领域，无一例外，都是基础学科指导下产生的新工程。如核工程和半导体工程是物理学指导之下产生的新工程;计算机是在数学和电子学指导之下产生的新工程;而遗传工程则是在生物学指引下形成的工程;航空工程、航天工程则完全是在力学指导之下产生和发展的新工程。

　　值得关注的是，在航空、航天这两个领域之外的四个新工程领域，力学虽然不是关键学科，但这些新工程领域拥有许多关键技术问题需要力学介入，有些领域，力学问题还是具有十分重要和决定性的。例如，核工程要求提炼铀235到一定浓度，其关键技术不管是离心还是扩散法，都是和力学有关的技术。世界第一台计算机的研制，就是为解决弹道这种力学问题的计算大量重复性计算来服务的，计算机投入使用后，为适应最大量的计算，适应各种各样的计算力学问题的需求来不断改进的。

　　现在我们就航空和航天两个领域的发展和力学的关系来简要地进行回顾：


　　航空方面：
　　1903年12月17日，莱特兄弟第一次实现了人类飞行的梦想。开辟了航空时代。

　　人类对飞行的向往是源远流长的。一般通俗地介绍航空历史的书上，只提到飞机的发明是两个卖自行车的莱特兄弟完成的。这给人一个错觉，似乎飞机是他们心血来潮的幸运所得。其实航空的产生和发展是人类世代前赴后继奋斗和积累的结果，其中首先是力学家研究贡献，在莱特兄弟之前，至少应当提到三位科学家的力学研究。

　　第一位是19世纪初，英国人乔治·凯利 (George Cayley,1773-1857) 为了对空气的阻力与升力进行定量研究，1804年12月，凯利自己设计和制造了一架悬臂机，用于研究平板的升力和阻力。利用这个装置，凯利得到了最早关于升力和速度方面的数据。他初步的结果是，平板的升力与面积成正比、与迎风角成正比、与速度的平方成正比。他在悬臂机试验中还发现了流线型对减少阻力的重要性。他经过精心计算，给出了一架飞机的设计参数，并且说：“如果这块平板能在动力作用下高效率运动，空中航行就会实现。”大莱特曾说过：“我们设计的飞机，完全按照凯利爵士的非常精确的计算方法。”所以后来西方的航空专家都称凯利为航空之父。

　　第二位是美国的科学家兰利 (Samuel Pierpont Langley,1834-1906)，起先曾从事土木工程工作，后来靠自学成为著名的天文学家。他发展了测辐射热仪，对太阳光谱测量作出了重要贡献，1867年，任美国匹兹堡大学的物理与天文学教授。他从幼年便对鸟的飞翔产生了极大的兴趣。经常连续数小时观看鸟的飞行。1887年兰利移居华盛顿，出任当时美国学术权威机构斯密森学会的秘书。他建造了一座60英尺的悬臂机，该机靠煤气发动机驱动，外周速度可达每小时70海里。利用这座悬臂机，他进行了大量的空气动力实验，研究平板与鸟翼在空气中运动时的阻力与升力的规律，由此得到了许多定量的结果，并且纠正了前人的不少错误。兰利将他的研究结果写成一本书《空气动力学实验》，于1891年由华盛顿的斯密森学会出版。这本书是最早的比较系统的实验空气动力学著作，对后来的飞机研究者，包括莱特兄弟影响很大。

　　除了实验室研究外，兰利还动手做飞行试验。他先后从1891年开始试制了橡筋动力模型飞机、设计并制造了轻型蒸汽机、并且设计了空中旅行者0-6共7个型号的飞机模型、对其中的第5、6两号在1896年进行了成功的飞行、后来又在1903年进行了两次不成功的载人的飞行试验。后来因为财政拮据和新闻界的冷嘲热讽，以及兰利本人年事已高(接近70岁)的诸多原因，放弃了试验，兰利也于1906年逝世。后人总结他载人飞行的失败主要是由于结构上的不合理，当时他的发射架如果采用轮式起落架，试飞很可能是另一种结果。

　　莱特兄弟首先从制造滑翔机开始，逐渐改进。他们研究前人的经验，其中包括达·芬奇、乔治·凯利、兰利教授、马克辛(机枪的发明者)、查纽特、帕森斯、托马斯·爱迪生、利林塔尔、阿代尔、等等的事迹与经验。其中特别是凯利和兰利关于飞行的理论资料。到1902年秋，已经积累了上千次滑翔经验，掌握了飞行的理论与技术。最后，他们决心制造装有发动机与螺旋桨的飞机。经过艰苦的研究，终于制成了4缸8马力的内燃发动机，并且用枞木制造了螺旋桨。1903年12月17日在北卡罗来纳州的刺鬼山海岸(Kill Devil Hills beach)，对他们制成的“飞行者”1号进行了试飞。经过4次试飞，最好的成绩是在空中飞行59秒，飞行距离259.7米的记录。那次试飞，他们发了50封邀请信，结果只来了5个人，报界对此反映冷淡。到1905年，美国著名的科学普及杂志《科学的美国人》说这次试验只不过是一个骗局。可是，就在这一年，莱特兄弟的第三个改型飞机在10月5日那天，一次飞行了38.6千米，在空中持续飞行38分又3秒钟。

　　1901年莱特兄弟为了实验和改进翅膀，建造了风洞，他们研究与比较了200种以上的机翼形状。这个风洞大概是美国第一座风洞。

　　除了莱特兄弟好学，向一切从前的和当时的人学习以外，还应当特别提到的是有一位著名的工程师直接指导莱特的力学知识。这就是法裔工程师恰纳特 (Octave Chanute，1832-1910)。他是一位著名的铁路工程师，主持设计过复杂的铁路桥梁，采用新的材料进行施工。他对飞行一直保持浓厚的业余兴趣，而且他关于飞行的力学知识在19世纪80年代一直处于前缘。他与莱特兄弟一直保持通信，指导他们，并且亲自去过莱特兄弟的试验场地。在1886年8月于布法勒 (Buffalo) 他在美国第一次组织召开了关于航空研究可能性的讨论会。这也就是美国科学促进协会 (American Association for the Advancement of Science (AAAS)) 的第一个系列会议。之后他与他知道的任何有志于航空研究的人通信。1889年在多伦多又召开了AAAS 的会议，会上他正式将航空计划作为一个工程问题。在1893年他趁芝加哥世界博览会之机，在芝加哥组织召开了一次国际航空会议。许多对航空有兴趣的著名人物出席了会议，其中有斯密森学院的秘书兰利、发明家爱迪生等。之后于1894年他出版了《飞行力学进展》，后来这本书成为这方面的一本经典著作。

　　恰纳特对莱特兄弟的指导是无私的，他不仅用通讯的方式回答他们的任何问题，还亲临指导。他们之间的来往的信件，就有200多封。所以美国人罗杰·劳纽斯 (Roger D. Launius) 说：“莱特兄弟教会了世界飞行，但是是谁教会了莱特兄弟去飞行的呢?从最广泛的意义上说是一位出生于法国，在芝加哥长大的工程师――恰纳特。”

　　莱特兄弟进行了世界上最早的飞行之后，飞机得到迅速发展，不论从飞机结构上、飞行控制和稳定性操作性上，还是从飞行速度以及航空发动机的改进上，它的改进和发展的每一步都是力学研究的突破。人们突破了音障和热障，后来又有直升机的发明。到现在飞行在天空有各种用途各种性能的飞机，民用航空已成为人民远距离旅行的主要的交通工具。


　　航天方面：
　　飞机是靠飞行物运动时空气动力把它举起来的。而要飞离地球，那里没有空气，能不能飞出去呢。这是航天首先要回答的力学问题。这个问题最早是由俄罗斯中学教师齐奥尔可夫斯基 (Констатин Элуардович Циолковский，1857-1935) 解决的。他出生于俄罗斯离莫斯科不远的梁赞省的伊热夫斯基村。大约在他十岁的时候因为疾病使他的耳朵几乎完全失去听力。由于生病，他经常缺课，在家由他母亲帮他补课。他14岁时才开始正式上学，16岁时，父亲送他到莫斯科求学。后来他靠顽强的自学精神，而于1878年秋成为一名中学教师，并且撰写了若干篇有关化学和物理的学术论文。

　　齐奥尔可夫斯基对星际航行的兴趣是由凡尔纳的科学幻想小说引起的，他在1911年回忆说：“对我来说，第一颗太空飞行思想的种子是由著名的儒勒·凡尔纳的幻想小说播下的，它们使我在头脑里形成了确定的方向。我开始把它作为一种严肃的活动。”

　　齐奥尔可夫斯基在1898年完成了论文《利用喷气工具研究宇宙空间》，但是论文直到1903年才在莫斯科的《科学评论》杂志上发表。论文涉及航天飞行的各方面的问题。

　　他首先指出，利用气球、大炮炮弹、都不可能飞出地球，因之“我建议利用反作用机械研究高空大气。我所指的反作用机械就是火箭。”

　　论文开创了变质量力学，并且由此推导出火箭运动的基本公式，后人称之为齐奥尔可夫斯基公式。

　　论文导出了火箭要克服地球引力所要具有的最小速度，即第一宇宙速度为每秒8公里。并且给出了液体燃料是最理想的推进剂。

　　1919年齐奥尔可夫斯基发表了论文《太空火箭列车》。这是关于多极火箭的最早的研究。

　　齐奥尔可夫斯基还写作过不少通俗介绍火箭与太空飞行的读物。他一生写了580篇科学论文与科学幻想作品。不过，他的研究工作，首先是在美国与德国受到重视，外国的研究火箭热，反过来推动了苏联。到1924年，苏联重新出版了齐奥尔可夫斯基发表过的论文。

　　法国人埃斯诺-贝尔特利 (Robert Esnault-Peltrie,1881-1957) 早期从事飞机的设计与研究，后来转入火箭与星际航行的研究。他独立于齐奥尔可夫斯基的工作，在1912年发表了论文《关于无限减轻发动机重量的可能性的结果的思考》。论文得到了和齐奥尔可夫斯基相同的结论。他计算得到火箭逃出地球的速度为每秒11.28公里，即现今说的第二宇宙速度。他并且设计了到达月球、金星与火星的火箭以及飞行策略。

　　齐奥尔可夫斯基与埃斯诺-贝尔特利的研究工作奠定了航天技术的理论基础。

　　最早在实际上研究设计与制造液体火箭的是美国的戈达德 (H.Geddard, 1882-1945) 与罗马尼亚人奥伯特 (H.J.Oberth,1894-?)戈达德独立自费研究火箭推进，并且在1919年出版了研究的论著。在1926年3月16日，有四位助手配合，妻子担任记录，成功地发射了液体试验火箭。火箭在2.5秒时间内，升高12.5m，水平飞行56m。1923年他又出版了《深入星际太空的火箭》一书，这本书对后来德国的火箭研究起了很大作用。

　　奥伯特1922年得知美国的戈达德发表了《到达极大高度的方法》，写信索要并仔细研读。之后写了论文《飞往星际空间的火箭》。文中他设想了载人火箭的设计方案。之后他将论文扩展成为书，于1929年出版，书名为《通向宇宙之路》。在1928年奥伯特应聘为科学幻想电影《月球女郎》做载人飞船，随之进行了火箭试验。1939年第二次世界大战爆发后，奥伯特，被德国当局应征去研究军用火箭。

　　在世界上德国的星际航行发展得最早，在奥伯特的著作影响下，1927年6月5日在德国布莱斯劳成立了德国星际航行协会，并决定出版刊物《火箭》。协会在一年间，人数增加到500人。

　　布劳恩 (Wernher von Braun, 1912-1977) 1932年毕业于柏林工学院，1934年获柏林大学物理系博士学位。1932年在德国陆军军械部从事火箭研究。作为第一次大战的战败国，德国不允许发展常规武器，于是便在火箭上打主意。从20世纪20年代末德国军方就组织人员研究火箭。30年代希特勒上台后，更加紧了火箭的研究。从1933年开始设计火箭。1942年10月3日，成功地发射了第一枚液体燃料的军用导弹V-2。后来V-2又经过不断改进，最后它的状况为：

　　从1944年起，直到1945年德国法西斯覆灭，德国共向盟国各地区、特别是英国发射了V-2火箭3745枚。

　　德国法西斯覆灭后，美国俘获了包括布劳恩在内的100多名火箭专家、全部V-2火箭的设计资料和少量的V-2火箭及其零件，苏联则俘获了一批二流专家和一批V-2火箭及其零件。这样V-2火箭就成为后来苏、美两国进行军用火箭与空间飞行研究的基础。

　　布劳恩投降美军后，到美国陆军装备设计研究局工作，后任陆军弹道导弹发展处处长。1955年入美藉。先后领导研制成功红石、丘辟特、潘兴等火箭，并用火箭发射美国第一颗人造卫星成功。1960-1970任马歇尔航天中心主任，1961年任肯尼迪总统的空间事务科学顾问，分管阿波罗工程。美国将人送上月球，就是用的他主持设计的土星火箭。1970年任美国国家航空航天局主管计划的副局长，1972年辞职。可以说布劳恩的一生，是研制火箭成功的一生。

　　1957年10月4日，苏联在拜科努尔航天发射场发射成功第一颗重83.6公斤的人造卫星。它的轨道近地点215公里、远地点947公里、轨道倾角、周期是96.2分。它在天上运行了92天。这颗卫星进行了高空空气阻力的测量，完成了地面大气密度的测量等多方面的研究。应当提及的是，苏联宇航火箭总设计师科罗廖夫 (Сергій Павлович Корольов，1907-1966) 是毕业于基辅工学院的空气动力学专业。苏联宇航研究的著名力学家谢多夫 (Леонид Иванович Седов，1907-1999) 曾出任国际航天协会的主席。

　　在苏美两国相继发射卫星成功后，各国又发射各种不同应用的卫星，如通信卫星、气象卫星、遥感卫星、地球资源卫星、军用情报卫星等。共发射不同用处的卫星数千枚。

　　1970年4月24日，中国发射成功了“东方红1号”卫星，重173公斤。

　　1961年4月12日，苏联把宇航员加加林 (Yuri Alexeyevich Gagarin,1934-1968) 送入地球轨道，运行了108分钟，开辟了人类进入太空的纪元。

　　1969年7月16日美国的“阿波罗-11”将三位宇航员送上了月球轨道，其中两人送上了月球，于7月25日安全溅落在太平洋上。它不仅在组织管理的水平要求是空前的，在技术方面，还要解决诸如控制问题、通讯问题、材料问题、发动机技术问题、以及大量的力学问题(空气动力学、固体力学、飞行力学)。就以再入大气所遇到的力学问题来说，就要求解决：再入大气时的入角大小要合适，过大过小都不行;再入大气后的数分钟内，由于大气的电离层隔断无线电通讯，要解决飞行器精确自动控制的能力问题;再入大气后飞行器与空气摩擦产生的高温(1000℃以上)问题等。而在所有飞行的各个环节中，火箭的条件，包括加速度、温度都要控制得适合人的生存。

　　1964年8月19日，美国发射了第一枚地球同步静止轨道通信卫星。这种卫星的特点是：它的绕地球的周期与地球的自转一样都是24小时;它的轨道严格处于地球的赤道平面内，且为圆形。通过计算知道，这种卫星的轨道高度是35800公里。为此火箭在地面的初始速度必须达到每秒10.43公里。在发射时，要有十分精确的控制系统。此外，当卫星达到赤道平面内的椭圆轨道后，还要通过二次点火使轨道调整到预定的精确位置上。所以同步静止轨道通讯卫星是火箭与卫星技术的新水平。1984年4月8日，我国成功地发射了一颗地球同步静止通讯卫星，并于4月16日定点成功。

　　后来率先有美国发展起来的全球定位系统 (GPS) 用24颗卫星传送数据借以对地球上的目标准确定位。

　　2003年10月15日中国发射“神舟5号”载人飞船将航天员杨立伟送上太空。经过21小时的飞行安全降落在内蒙古草原。

　　2005年10月12日，中国又发射“神舟六号”载人飞船将航天员聂海胜和费俊龙送上太空，至10月17日在晨安全着陆。

　　航天飞行还在发展，前程无量。

　　四、结 语

　　力学在人类文明发展中真理战胜强权发挥了举足轻重的作用，是现代自然科学的领头学科和基础，是现代工程的基础支柱。

　　如果你打算做一名优秀的工程师，那么你应当首先把自己变成力学家。

　　来源：武际可科学网博客，作者：武际可 北京大学力学系。