中国航天事业创建50年来，我国研制了各种不同的导弹、火箭、卫星，实现了载人航天飞行，从克服“音障”“热障”，部分克服“黑障”和正在致力克服的“高超声障”，作为“先行官”的空气动力学和由此而衍生的气动热力学起到了并还将继续起到巨大的作用。同时，在航天技术走向国民经济主战场的进程中，空气动力学已经在气动除尘、风工程、气垫船等广泛的民用空气动力学领域中取得了诸多成绩。

空气动力学研究依靠理论分析、数学计算和风洞试验三大手段。什么是风洞？它有什么作用？航天空气动力学工作者在这里演绎了哪些故事？奉献在读者面前的这本书就是一张入场券，它诚邀你到这个神秘的“空气动力世界”去漫游，这里别有洞天。

本书以我国航天空气动力基地的发展为主线，全面展示了我国航天空气动力学技术50多年的发展历程。书中不仅详细介绍了空气动力学在我国导弹、火箭、卫星和载人航天飞行器的研究工作中攻克“音障”“热障”以及“黑障”等技术难关、发挥的先行官重要作用；而且还讲述了空气动力学在气动除尘、风工程、气垫船等广泛的民用空气动力学领域中取得的累累硕果。本书披露了航天空气动力基地建设发展中许多鲜为人知的故事，彰显了一大批航天人为我国航天空气动力技术的发展而艰苦奋斗、不屈不挠、敢打敢拼、无私奉献的感人事迹，从一个侧面再现了我国航天事业从无到有、从弱到强、艰难曲折的发展历程。书中还有大量的航天知识和有趣的空气动力学知识。

本书可作为航天从业人员的基本读物，也可作为对中国航天发展历史和航天科技感兴趣的人士的科普读物。

第一章 破译空气动力密码的701秘密基地

 神秘的701与神奇的风洞

 钱学森绘制中国风洞建设蓝图

 从低速到高超声速

第二章 空气动力学——打开天门的钥匙

 从一日千里说起

 飞机为什么能飞上天

 航空航天力学先导

 神奇的速度

 非凡的本领

 扶摇直上重霄九

 打造金钥匙

第三章 弹头闯过“火焰山”

 钱学森倡导“淮海战役”

 试验组联合攻关

 意外的收获

 端头热结构大考过关

 窗口烧蚀试验喜结硕果

 为“淮海战役”的胜利作出贡献

第四章 攻破“黑障”，巧用隐身

 什么是“黑障”

 压缩“黑障”的艰难探索

 利用“黑障”迷惑敌人

第五章 卫星防热首立奇功

 为卫星防热设计提供依据

 冰冻三尺非一日之寒

 研究成果通过实践检验

第六章 飞天路上的空气动力

 飞天之路

 万无一失

 逃逸飞行器

 为飞船防热

 小发动机代替大机翼

 奇特的伞舱盖

第七章 战术导弹的空气动力问题

 导弹为什么长得不一样

 导弹的大攻角气动特性

 战术导弹试验技术的研究

第八章 气动光学擦亮导弹的“眼睛”

 导弹怎样发现目标

 美国同行重视给导弹擦“眼睛”

 我国科研结出累累硕果

第九章 飞得更稳，打得更准

 抓住飞行失稳事故的祸首

 飞行器有哪些飞行稳定性问题

 飞行器动态特性研究的内容

 不露山水尽显英雄本色

第十章 从里海怪物说起

 里海怪物和地面效应原理

 艰难而曲折的发展道路

 空气动力学的重大贡献

 中国的“天鹰一号”

 碧海蓝天任翱翔

第十一章 异军突起的气垫船

 “黄金水道”出奇兵

 特异功能吸引军方眼球

 气垫船“围裙”里的秘密

 航天人大显身手

 发展还未有穷期

第十二章 神通广大的无人机

 无人机的关键技术

 晴空翱翔映彩虹

 掌心里的“蝴蝶”

 牵手未来之约

第十三章 清气高旋——吹绿美丽家园

 AFGD气动脱硫技术——让我们呼吸新鲜的空气

 等离子垃圾处理技术——让我们喝上干净的水

 等离子点火/稳燃技术——节约我们的能源

第十四章 天外来客——吉林陨石雨

 客从天外来

 奇异的声光现象和外貌

 激波和严酷的气动力、热环境

 气印披露出陨石轨道

 地上的坑与地震效应

第十五章 风与我们的生活

 塔科马大桥吹毁之谜

 活跃的风工程实践

 建造香港天坛大佛

 环境污染与质量迁移

 高楼大厦间的“穿堂风”

 巧用空气动力使车辆增速省油

 从排球的飘球谈起

附录 航天空气动力学的若干发展

后记

神秘的701与神奇的风洞

“701”是一个神秘单位的名字。就像电视连续剧《暗算》里的701所是一个严格保密的研究所一样，航天701所也是一个密级很高的专业研究所，只不过它的研究内容不是破译敌人密码，而是破译空气动力对航空航天飞行器的神秘作用。1956年12月，这个秘密基地诞生在北京西南郊的西山脚下、■牛河畔，它标志着中国航天空气动力学研究的开端。

我们生活在地球上，空气无所不在。我们尽情地享受着大气层无偿的“恩惠”，以至于我们几乎感觉不到空气动力的存在与价值。直到我们想飞出地面，到蓝天、到太空自由翱翔时，我们才开始领悟，有关空气动力的知识对航空航天飞行器的研制和发展，具有多么重要的作用。为什么飞机有翅膀？为什么战斗机和民航机的翅膀不一样？为什么导弹是锥柱体？为什么同是载人航天飞行的宇宙飞船和航天飞机会有截然不同的模样？为什么我国神舟飞船返回时能精确地落在预定范围……航天701所就是破译这些“为什么”的专业机构，不过，已经度过50岁生日的701所，如今有了一个更加响亮的名称——中国航天空气动力技术研究院，她已是一个向国际开放的世界著名的空气动力研究试验基地了。随着时间的推移，她逐渐揭开了神秘的面纱，向世人讲述自己那些鲜为人知的故事。

空气动力学在航空航天事业发展中起着举足轻重的“先行官”作用。因此，世界各发达国家几乎都成立了国家级的空气动力试验研究基地，而这种研究基地都离不开一个重要的基础设施，那就是风洞。

“风洞”这个名词对很多人来说是陌生的，它到底是什么？它在飞行器的研制中起着什么样的作用？

风洞并不是建在大山里、灌有“穿堂风”的山洞。顾名思义，它是用密封材料建成的一个隧道状的卧式大“长桶”，桶的一端用强力“吹风机”吹出各种温度和速度的风，另一端强力排出这些风，中间放置被吹风的试验件。“长桶”的直径有大有小，风速有高有低，这股人造风可以试验各种物体在空气中的飞行能力和承载能力，技术人员则可以依靠这些数据来指导飞行器或其他与空气有相对运动的各种物体(如汽车、火车、风力发电机叶片……)的设计。下图为人造风的发展历史。

我们知道，飞行器在空中能自由飞行，可以做各种特技飞行动作；在太空中可以自由遨游，而后又能安全准确地返回地面。这都是由于受到了空气动力的作用之故。凡是空气与物体有相对运动时，空气在物体上都会产生空气动力。在天空中，飞行器是运动的，它在相对静止的大气中飞行，而风洞就是通过人工制造出各种速度的气流来模拟和再现飞行器在空中的运动现象和测量空气动力的试验设备。只不过试验时，飞行器模型在风洞中是静止的，由风洞产生的气流流过模型来模拟飞行的环境。这里人们利用了相对运动的原理。

风洞试验在发现新现象、解释某些现象、研制新系统以及为研发各种各样不断改进的飞行器提供早期性能评定等方面起到了极其重要的作用。

世界上第一个风洞是由英国人弗·惠哈姆在1871年设计成功的，但真正能用于飞机试验的风洞是1901年由美国莱特兄弟设计和制成的低速风洞。他们用了很长的时间在风洞中对200多种机翼翼型做了气动力试验，在取得大量第一手气动力数据后，他们设计出了人类历史上第一架有人驾驶的动力飞机，并于1903年飞上了蓝天。从那以后，随着飞机速度和性能的不断提高，风洞试验的小时数也随之迅速增加。据统计，1940年前后，老式螺旋桨飞机只需要进行几百小时的风洞试验，而上世纪70年代的协和式超声速巨型客机要进行4万～5万小时的风洞试验。1981年试飞成功的航天飞机在各类风洞中进行了6万～10万个小时的风洞试验，相当于一个风洞10年的工作量，所用的风洞试验费用约2亿美元。

通常，一架新飞机的诞生要在十几座不同类型、不同速度范围的风洞中进行十多项试验。如飞机选型试验、操纵性和稳定性试验、发动机与进气道的匹配试验等。每架飞机试验以前必须具有上述风洞试验的合格证明才能予以放飞。

同样，导弹、卫星、飞船等的研制过程也必须进行大量的风洞试验，如美国研制的“民兵”导弹就曾使用了17座风洞等试验设备，试验时数达到37000小时以上。不少火箭、导弹在初次发射过程中会暴露出不少新问题，也得靠风洞试验来找原因。例如，在美国阿波罗登月工程中无人试验飞船再人大气层返回地面时，实际着陆点和设计着陆点竟相差380千米。原因何在？通过更进一步的风洞试验才发现，原来风洞试验模型的防热层和飞行器实际防热层在几何形状上有微小的差异，使操纵面平衡角差2.5°，因而偏离了着陆点。同样，我国的运载火箭、人造卫星、战略战术导弹和载人飞船的研制，都经过了大量的吹风试验。例如，我国远程弹道导弹的研制就经历了被钱学森称为“淮海战役”的气动力和气动热技术的攻关历程，动用了国内各种风洞试验设备；又如，在神舟飞船的研制中，针对当时庄逢甘院士提出的十大关键气动技术，进行了多年的研究，其中风洞试验做出了不可磨灭的贡献。

可见，现代每种新的飞行器都必须在风洞这个摇篮中慢慢孕育成长，才能最终飞上蓝天，登上月球，飞向宇宙。由于风洞试验在飞行器研制工作中的重要地位，人们也就很容易理解为什么工业发达国家和发展中国家都十分重视空气动力试验基地的建设，先后建立起了强大的国家级空气动力试验研究机构，配置了速度范围跨度广、口径大的各类风洞。飞机也好，导弹也好，都是从静止状态慢慢加速，当达到一定的速度时就腾空而起了。一般螺旋桨飞机的飞行速度都是在每小时几百千米的亚声速范围内飞行；像波音747E、A-380等巨型客机的飞行速度约为每小时1000千米左右的跨声速范围；而超声速歼击机的飞行速度可达声速的2～3倍；远程导弹、返回式卫星、神舟飞船等再人大气层时的飞行速度可高达10倍声速以上，已进入高超声速范围。为了模拟从低速到高超声速的气流速度，人们先后研制成功了低速风洞、跨声速风洞、超声速风洞和高超声速风洞、电弧风洞等空气动力试验设备。空气动力学中，常用马赫数Ma来表示飞行速度的大小，它表示当地飞行速度与当地声速之比。例如Ma=10，就表示飞行速度已经达到10倍的当地声速了。

美国在20世纪初就开始建立国家级的空气动力试验研究中心；在十月革命胜利后的1919年，苏联领袖列宁亲自批准了中央空气动力研究院的建设计划。从那时起，美、苏的航空航天技术便长期处于世界领先地位。

我国的第一座风洞是1934年清华大学自行设计的1.52米低速风洞。该风洞于1936年建成，后因日本攻占北京被毁。此后，在钱学森的老师冯·卡门的建议下，我国又在南昌筹建了一座4.57米的低速风洞，1937年年底基本完工，可是1938年遭日机轰炸，风洞被炸毁。直到解放前夕，只有清华大学航空系和浙江大学航空系各有一座1米量级的低速风洞。那时中国的空气动力试验设备——风洞，数量少水平低，十分落后。进人20世纪中叶，苏、美两个超级大国在航空航天领域大搞竞赛，美国利用台湾的军事设施，凭借海空优势，经常派高空侦察机侵袭大陆沿海区域，甚至深入内陆上空，进行寻衅骚扰。党和国家领导人万分焦急，为应对国际和周边形势，我国急需发展导弹技术，而发展导弹技术又离不开空气动力学的研究。在这关键时刻，谁来担负这个重任，创建国家级航天空气动力试验研究基地呢？P2-5

人们不会忘记，上世纪初莱特兄弟驾驶着自制的飞机飞上了天空，实现了人类飞上蓝天的梦想。人们也记忆犹新，上世纪60年代初，苏联航天员加加林乘坐“东方一号”宇宙飞船首次完成了绕地球轨道的飞行，划时代地开辟了载人航天的新纪元。“飞上蓝天，冲出地球，遨游太空”也是中华民族的梦想。保卫祖国的领土，维护天疆的安全，更是每个中国公民的神圣职责。当上世纪80年代中期，我国凭借自力更生、坚韧不拔的精神，自行研制的远程弹道导弹完成全程飞行试验，溅落在太平洋上；当2003年10月，神舟五号载人飞船飞向太空，航天员杨利伟成为浩瀚太空的第一位中国访客，中国人民的自豪之情油然而生。这一切成功，都凝聚着中国航天人的无穷创造力和奉献精神。中国航天走过了辉煌的50年历程，中国航天的骄人成绩令世人瞩目，中国航天科技在世界上具有了不争的一席之地。

在这一庞大的科学技术体系中，有一门令局外人多少感到有一点神秘的学科——空气动力学及其相关技术，它在我国航天科技发展中扮演了一个十分重要的角色。

空气动力学是流体力学的一个分支。有这样一句名言：凡有空气流动的地方就有空气动力学的问题。空气，无所不在，它与人们息息相关，有关它的知识实实在在地影响着航空航天飞行器的发展。乘坐飞机的人们经常听到一个声音“请乘客们注意，现在遇到大气湍流，机身颠簸，请大家系好安全带”。殊不知，这个“湍流”，至今仍是空气动力学研究工作者孜孜以求攻克的难题。当你看到民航飞机和军用飞机具有不同的机翼，当你得知导弹有的有翅膀，有的却没有；当你发现载人航天飞行的飞船和航天飞机是截然不同的形状时，你可曾想过，为什么是这样？空气动力学将给你答案，这就是空气动力的魅力！

中国航天事业创建50年来，我国研制了各种不同的导弹、火箭、卫星，实现了载人航天飞行，从克服“音障”“热障”，部分克服“黑障”和正在致力克服的“高超声障”，作为“先行官”的空气动力学和由此而衍生的气动热力学起到了并还将继续起到巨大的作用。同时，在航天技术走向国民经济主战场的进程中，空气动力学已经在气动除尘、风工程、气垫船等广泛的民用空气动力学领域中取得了诸多成绩。

空气动力学研究依靠理论分析、数学计算和风洞试验三大手段。什么是风洞？它有什么作用？航天空气动力学工作者在这里演绎了哪些故事？奉献在读者面前的这本书就是一张入场券，它诚邀你到这个神秘的“空气动力世界”去漫游，这里别有洞天。

中国科学院院士 庄逢甘

2007年11月

我国航天空气动力技术发展走过了50多年的历程，为我国航天飞行器和武器的发展起到了重要的作用，作出了不可磨灭的贡献。然而，发展正未有穷期，面对未来激烈的太空竞争，同时，也为了我国海、陆、空、天更加安全，我国航天事业将迎来一个蓬勃发展的新时期。空气动力学这一古老而又现代的科学技术仍将面临着巨大的挑战，也将必然会更加焕发青春。

我国载人飞船太空飞行要实现航天员出舱活动，探测月球的嫦娥工程正在紧锣密鼓地进行；以火箭发动机为动力和以超声速燃烧的吸气式发动机为动力的高超声速飞行器的发展也如火如荼；20千米～100千米的近空间是一片正待人们开发的处女地；海、陆、空、天一体化的立体空间需要我们有雄厚的实力去保卫；我们要为人类赖以生存的地球还一片蓝天白云，其中可再生能源的开发和利用，人居环境的改善……这一切都将对空气动力学提出更为严峻的挑战和苛刻的要求。

空气动力学家们正在孜孜不倦地努力，因为有如庞加勒猜想和哥德巴赫猜想的空气动力学难题——湍流问题正待人们去攻克；攻克空气动力学难题，是实现两三个小时内全球到达的飞行器的头等重要之大事；像在大风中划火柴一样的超声速燃烧对空气动力学提出了挑战；即使是民航飞机，哪怕减小百分之一的阻力也意味着能源的巨大节约，而这也是需要由空气动力学给出答案……

空气动力学，任重道远；空气动力学，发展未有穷期。

本书是集体劳动的成果。为本书撰稿、统编和提供文字素材的有：崔尔杰、姜贵庆、李素循、韩光维、张嘉祥、李廷林、武家胸、田文炳、许能喜、李潜、陈则霖、贾区跃、马汉东、贾永清、郭东明、孙静、石文、沈宏鑫、张晶莹、朱孝业、毛国良等，口头提供素材的有傅光明等。提供图片资料的有张卫民、欧忠明、张新哲、田兵等。航天科技集团公司原政工部部长王春河不仅为文稿进行修改，而且参与了部分章节的编写工作。对以上所有同志付出的辛勤努力以及其他在编写过程中给予各种帮助和支持的同志表示衷心的感谢。此外，亦将李锋、毛国良为庆祝中国航天空气动力事业创建50周年撰写的《航天空气动力学的若干发展》一文作为附录纳入本书。

由于编者水平有限，且收集材料不够全面，文中难免有不当之处或反映不够准确之处，谨表歉意。

——编者