钱学森院士：力学对航空技术的决定性贡献
作者：钱学森（中国科学院院士）
说起航空技术，不得不说，它确实是一个技术科学对工程技术起作用的实例。
力学作为一门技术科学，它对航空技术的贡献是有决定性的，也是技术科学与工程技术相互作用的典型。
在古典的力学中有两个重要的分支：一个是流体力学，一个是固体力学。
流体力学是处理液体和气体的运动的，所以它也包括了气体动力学和空气动力学。
固体力学是处理固体在外力或加速度作用情况下所产生的应力应变，所以包括了弹性力学和塑性力学。
从飞机的设计来看，很显然，流体力学与飞行器的外形设计和推进问题有密切关系，而固体力学则与飞行器的结构设计有密切的关系。
也正因如此，我们认识到的流体力学必然是与许多其他工程技术有关系，像水利工程、蒸汽或燃气涡轮、船舶的设计等。固体力学也必然与所有工程技术中结构强度问题有关系。
飞机为啥会设计成现在这样？
在飞机设计中，一个基本问题是升力和阻力，升力是飞行所必需的，然而，有升力就必然产生阻力。怎么样才能在一定升力下减少阻力呢？什么是一定升力所产生的最小阻力呢？
流体力学的伟大科学家普朗特(Prandtl)在受到兰开斯特(Friedrioks Lanchester)意见的影响下，创造了著名的有限翼展机翼理论，给出了计算由升力所产生的阻力的方法，这就是所谓感生阻力公式。
普朗特的研究也指出了减少阻力的方法，他的公式说在一定升力系数下，感生阻力系数是与翼展比成反比例的。因此要减少感生阻力，就要加大翼展比，也就是把翼面作得狭而长。
感生阻力的问题解决了，接着下面的问题就是不由升力所产生的阻力了，也就是所谓寄生阻力。
这一部分阻力是由于空气的黏性而来的，虽然空气的黏性很小，但是它并不等于零。
怎么样来考虑小黏性所产生的作用呢？
这也是流体力学对航空技术的一个大贡献，流体力学中指出小黏性的作用是局限于附在表面一层气流中，也就是附面层中，附面层有时会因为沿着表面在流向压力增加，感到运动的阻碍，因而从表面分离出去。这样分离了的附面层就造成涡流，减少了升力，加大了阻力。
这些流体力学上研究的结果不但给设计飞机翼形和飞机舱形以原则性指导，而且指出，要减少寄生阻力，我们就必须减小附面层的面积，也就是减少表面面积。
由于这一结果，飞机的设计才由多翼面的、带支柱的外形，走向单冀面、完全流线型化了的外形。
早期的多翼飞机
力学技术决定组建飞机的材料
既然要制造完全流线型化的单翼飞机，就不能再用不够坚固的、旧的、钢架蒙布式的结构，而必须改用全金属的薄壳结构。
但是这是一种新型的结构，工程师们没有足够的经验，要能设计出有高效能的结构，这还是要请教弹性力学家们。他们首先给出计算薄壳结构的折曲负荷或临界负荷的方法，也就是解决弹性稳定问题。
虽然，早在十九世纪欧拉就研究过这个问题，给出细柱临界负荷的公式，但是飞机上用的结构要比这复杂得多，而且薄壳是有表面曲度的，古典的、所谓小扰度理论是不正确的，它给出了过高的临界负荷。
在另一方面，有些表面曲度小的结构，虽然折曲了，但是仍然能担起更大的负载。
所以，弹性力学家们也还研究了结构在超越临界负荷的情况，也就是解决了所谓“有效宽度”的问题。
当然，结构强度的问题终了是要牵连到材料破坏问题上去的，因为强度就是在破坏的时候的负载，而且对金属材料来说，在未破坏以前，也必先进入塑性变形阶段，因此也要牵连到塑性力学的问题。
直到现在，材料强度问题与塑性力学问题都在研究着，所以自然科学的已知规律显然还不能完全包括工程技术上的现象，但是力学工作者并不因此而放弃对结构强度问题的研究。
他们一面用弹性力学的理论，一面吸取工程实践上的经验和实验的结果，把这些成果综合起来，创造出有科学根据而又有实际意义的结构理论，这种在现实条件下争取有用的理论的精神，是技术科学工作者所不可缺的。
流体力学与固体力学的贡献
第二次世界大战之前，因为初步实验上发现物体阻力在声速附近急骤加大，在工程师中间也有人以为要飞机超过声速是不可能的，说存在着声速的墙。
就在这时候，气体动力学家们作出了翼面和机身在超声速气流中的运动理论，设计了超声速的风洞，做了许多超声速气流的实验，他们用理论和实验双方并进的方法证明超声速飞机的阻力系数实际上不会太大，所以并没有所谓声速的墙。
在另一方面，气体动力学家也参加了喷气推进机的创造和发展，大大地增高了飞行推进机的效能，因而减少它的质量。
力学家的这些贡献，促成了超声速飞行的实现。
这一关一打破，航空的发展更快了。
之后的流体力学家努力于高超声速气体动力学和稀薄气体动力学的研究，帮助超高空、超高速飞行的实现，因而促进了星际航行的诞生。
科幻作品中想象的星际航行
因为技术科学的研究对象是具有一般性的，它的研究成果也有广泛的应用，力学的工作，虽然是由于航空技术迫切的要求，但是，现在已经得到的流体力学和固体力学的研究结果，对其他工程技术部门来说也有很大的帮助。
例如，燃气轮机的创制成功是离不开气体动力学的，而掌握了高速气流动力学以后，我们也就很自然地看到把高速化学反应用到化学工业中去的可能性。
这些力学在航空技术以外的应用对将来的工程技术都是非常重要的。它也说明了，通过技术科学研究中的总结，一个技术部门的经验与成就就能超越它们的局限性，伸展到其他方面去，推进了另一些技术部门的发展。
技术科学家也能够利用这一可能性，来预见新技术，指出工程技术下一阶段的发展方向。
（内容来源于刘俊丽、刘曰武编，科学出版社2016年出版的《院士谈力学》一书，科学大院发布时略有删节和修改，转载请注明出处）
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