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浅谈在航空航天中力学的实践

2019-12-28 1588 上传者：管理员

摘要：力学作为研究物质机械运动规律的科学。在航空航天领域与材料科学和能源科学并列为三大基础学科，在航空航天领域发挥着不可替代的重要作用。本文将从计算机固体力学、磁流体力学两个角度，去探讨一下力学在航空航天中的运用。

关键词：
力学
磁流体力学
航空航天
计算机固体力学
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力学是以自然界天然存在的或人工制造的宏观事物作为对象，研究其机械运动规律的科学。在航空航天领域，力学、材料科学和能源科学是三大基础学科，而力学发挥着更为基础的作用。由于航空航天的核心是各个结构部分的机械运动，力学的研究保证了航空航天理论上的可行性，力学的发展也极大促进了航天工业的发展。力学具体可以分成三个类别：固体力学、流体力学和一般力学。本文将从计算机固体力学、磁流体力学两个角度探讨一下力学在航空航天中的运用。

1、计算机固体力学

计算固体力学是计算力学下的固体力学研究分支。通过数学的离散方法，将连续的状态分解成许多小段拼接而成的离散状态，并利用计算机数值求解，计算固体力学中的各种问题。其基本思想是：以现有连续状态下的物理模型为基础，保证精度要求的情况下，选择合适的数学离散方法，用有限的离散状态逼近待求的连续状态，将求解微分方程转化成求解代数方程。相较于微分方程只有有限几种情况存在解析解，并且求解都很复杂，代数方程可以通过计算机迅速而准确的求解，因而，计算机固体力学在航空航天领域有较为广泛的应用。

1.1 复杂工程力学问题

例如飞机在飞行过程中遇到的高速碰撞问题，如与鸟的撞击、坠地与地面撞击等问题；载人飞船与地面发生撞击的问题；弹射座椅、头盔及其他救生设备的设计问题等。这些问题都可以利用计算机的模拟来分析发生撞击时飞行状态或者材料状态所发生的变化。

1.2 数值实验

用计算机固体力学进行的数值实验来代替需要实物进行的部分常规。通过计算机数值模拟，画出图像来表示实物的真实结构及变化过程。如上文所提到的飞机撞击地面的问题，如果要通过实物进行实验的方法获得实验数据，由于实验不可能只进行一次，需要反复多次才能获得可靠的结论。所以利用实物进行撞击地面的实验，从物力和财力上都需要付出巨大的成本，而且所花费的时间也较长。因此，可以通过计算机数值仿真的方法来替代，在计算机上能够以较小的成本进行多次实验，并且最后的实验数据与真实情况差别很小。

1.3 逆问题（或反问题）

逆问题的一个典型事例就是航天飞机再入大气层的飞行轨迹的确定。首先在给定飞行轨迹的情况下，计算飞机结构在热保护层下的瞬时温度。如果热保护层下的飞机结构的瞬时温度低于一个阈值，则可以开始设计再进入大气的飞机飞行轨迹。在制造复合层材料的过程中，层板制造中的模具设计也是一个逆问题。当复合材料层合板开始冷却固化的过程中，材料会呈现一定程度的弯曲和变形，这会影响到材料最后的性能。因此，在模具设计中应该预先设计到这种多余的变形，使最后的产品形状与设计的完全一致。

2、磁流体力学

磁流体动力学是经典流体力学与电动力学相结合的学科。主要研究导电流体(等离子体、液态金属、电解质等)在磁场中的运动和相互作用。磁流体力学在航空航天领域也有着重要的应用。

2.1 大型高超声速磁流体加速风洞

由于受到热交换器材料的限制，在传统的高超音速风洞中，空气的温度无法达到2000K，即使通过加热的办法也无法超过3000K，同时也无法达到空气洁净的要求。因此，通过实物实验，难以达到航空航天试验推进的要求。而人工电离技术能够解决这个问题。非平衡电离技术的迅速发展，超音速气流可以在低温(低于2，500K)条件下实现非平衡电离。并且不用再添加其他额外的物质，保证了空气的洁净。这为建造满足推进实验要求的磁流体加速风洞提供了新的途径。

2.2 行器头部热流控制

当飞行器高速飞行时，将会与空气发生剧烈摩擦，导致头部区域由于摩擦而急剧升温，而头部区域周围的部分气体会发生电离，产生等离子体。如果采用磁流体热流控制技术，将热量重新分配，将头部的热量转移到其他地区，使头部降温，保护飞行器。

2.3 磁流体发电

从2010年起，已经有美国公司开展磁流体发电系统的研究，比如美国航太公司，致力于将发电系统小型化的研究，他们发现可以利用固体火箭发动机和永久磁铁进行磁流体发电，其中固体火箭发动机作为高温气源，永久磁铁提供磁场。多次实验数据表明，可以让飞行器的机头具备800kw的能量，这样机头表面的压力分布方式就可以发生改变，能够降低15%的阻力，推阻比显著提升。与此同时，俄罗斯的相关研究所也开展了磁流体发电的研究，他们表明当飞行器的高度达到30km，马赫数为7时，可以通过0.3T强度的磁场，提取30%的能量。上述一系列的研究表明，磁流体的发电应用，会给航空器带来一个广阔发展的空间。

3、结论

综上所述，本文从高中物理力学出发，从计算机固体力学、磁流体力学两个角度探讨一下力学在航空航天中的运用。力学和航空航天工业息息相关，随着科学家对力学研究的不断深入与发展，必将会推动航天航空的发展。

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