轨道空气动力学研究卫星 (SOAR) 是一项立方体卫星任务,预计于 2021 年发射,用于研究极低地球轨道 (VLEO) 上不同材料与大气流动状态之间的相互作用。提高对这些高度的气体-表面相互作用的了解以及识别可以最大限度减少阻力或改善空气动力学控制的新型材料,对于设计未来可以在低高度轨道运行的航天器非常重要。这类卫星可能更小、开发成本更低,或者可以提供改进的地球观测数据或通信链路预算和延迟。为了实现这些目标,SOAR 具有两种有效载荷:i) 一组可操纵的翼片,能够将不同的材料或表面处理暴露给具有不同入射角的迎面而来的气流,同时还提供可变的几何形状以研究空气稳定性和空气动力学控制;以及 ii) 具有飞行时间能力的离子和中性质谱仪,可以精确测量原位流动成分、密度和速度。利用精确的轨道和姿态确定信息以及测得的大气流动特性,可以研究卫星在轨道上受到的力和扭矩,并计算出气动系数的估计值。本文介绍了 SOAR 任务的科学概念和设计。描述了使用最小二乘轨道确定和自由参数拟合过程从测得的轨道、姿态和原位大气数据中恢复气动系数的方法,并估计了解析的气动系数的实验不确定度。结果表明,卫星设计和实验方法的结合能够清楚地说明阻力和升力系数随不同表面入射角的变化。阻力系数测量的最低不确定度位于约 300 公里处,而升力系数测量的不确定性随着轨道高度降低至 200 公里而提高。
是谁做出了这些重要的发现,从而形成了我们今天所知的现代空气动力学?首先,我们要感谢丹尼尔·伯努利 (1700-1782),他是艾萨克·牛顿的同时代人,也是伯努利的同事,莱昂哈德·欧拉 (1707-1783) 和乔治·凯莱爵士 (1773-1857) 被一些权威人士视为重于空气的飞行空气动力学之父。许多其他伟人也参与了空气动力学的发展,特别是在 20 世纪上半叶。这些名字可以归功于少数几个 - 比如阿道夫·布塞曼教授、尼古拉·尤可夫斯基、西奥多·冯·卡门、马丁·库塔、路德维希·普朗特、迪特里希·库赫曼博士和理查德·惠特科姆。这个名单并不完整,本书中还提到了其他几个名字;不过,我向那些没有被提及的人表示歉意,他们也为空气动力学做出了巨大贡献。这些早期研究大部分起源于欧洲大陆——瑞士、德国、俄罗斯和英国,其他国家也有少量研究。美国大型 NACA/NASA 研究中心始于 20 世纪,它们为空气动力学研究做出了巨大贡献,至今仍在做出贡献。
莱特兄弟在二十世纪的第一个十年发明了第一架实用飞机。与此同时,航空工程作为一门令人振奋的、新颖而独特的学科兴起。早在 1914 年,密歇根大学和麻省理工学院就开设了航空工程大学课程。密歇根大学是第一所于 1916 年建立航空系并授予四年制学位的大学;到 1926 年,已有一百多名学生毕业。航空工程各个领域对实质性教科书的需求变得至关重要。为了满足这一需求,麦格劳-希尔成为首批出版航空工程教科书的出版商之一,最早出版的是奥托里诺·波米利奥 (Ottorino Pomilio) 于 1919 年出版的《飞机设计和建造》以及爱德华·P·华纳 (Edward P. Warner) 于 1927 年出版的经典权威教科书《飞机设计:空气动力学》。华纳的教科书是航空工程教科书的分水岭。从那时起,麦格劳-希尔就成为了历史悠久的航空工程书籍出版商。随着二战后高速飞行的出现以及 1957 年的太空计划,航空航天工程达到了新的高度。然而,在 1970 年代航空航天工程经历转型时出现了一个中断,近十年内几乎没有人出版该领域的新书。麦格劳-希尔公司凭借其总工程编辑 BJ Clark 的远见打破了这一中断。Clark 推动了 John Anderson 的《飞行导论》的出版。《飞行导论》首次出版于 1978 年,现已出到第 8 版。Clark 的大胆决定让麦格劳-希尔公司抓住了航空航天工程领域新一轮学生和活动的浪潮,为该领域的新教科书的出版打开了闸门。1988 年,麦格劳-希尔公司正式推出航空航天工程系列丛书,汇集该领域现有的所有教材,并征集新的稿件。笔者很自豪能担任这一系列丛书的顾问编辑,并为其中部分书目作出了贡献。该系列丛书从 1988 年的 8 本开始,现在已包含 24 本,涵盖了该领域的广泛学科。由此,麦格劳-希尔继续延续其自 1919 年以来作为航空航天工程领域重要教科书首要出版商的传统。
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1911 年至 1919 年期间,海军在海军航空领域做出了开创性贡献。1911 年,海军采购了第一架飞机 Curtiss A-1,开始对航空产生浓厚兴趣。这架飞机在技术上与莱特兄弟的第一架飞机相似,但动力更强,可以利用其大型中央浮筒从水中起飞。当时,美国没有大学提供航空工程学位,甚至没有航空工程课程,也没有任何政府航空实验室。航空工程实践在很大程度上是一个反复试验的过程。虽然这种方法对于 A-1 等小型飞机很成功,但它对开发更大、性能更强大的飞机构成了重大障碍。在海军少将 David W. Taylor 的领导下,海军的“实验风洞”在华盛顿海军船厂的海军实验模型盆地旁边设计和建造,以推动航空工程的发展。海军的新风洞是世界上最大的风洞,也是海军空气动力学实验室的核心。该实验室和在泰勒领导下在那里工作的海军建造者开发并改进了测试完整飞机和飞机部件比例模型的方法。这些实验提供了有效设计大型飞机所需的数据,并促成了海军 NC 飞艇的成功。1919 年,NC 成为第一架飞越亚特兰大的飞机
下压力可用于增加车辆转弯时轮胎的侧向力极限和车辆减速时的制动力极限。空气阻力是决定车辆加速性能的重要因素。前后下压力平衡也有助于车辆稳定性。空气动力学开发的目的是考虑这三个要素之间的平衡,最大化下压力或升阻比。在开发过程中,使用 50% 比例模型在风洞试验中优化车辆形状,然后使用全尺寸风洞试验验证效果。使用 CFD 和粒子图像测速 (PIV) 同时分析气动现象有助于模型比例风洞的开发以有效的方式向前推进。在一定程度上,使用 CFD 定量评估气动载荷也成为可能,使其成为能够支持部分优化过程的工具。作为风洞试验和赛道上实际行驶的车辆之间的桥梁,CFD 的重要性也在日益增加。例如,使用CFD再现轮胎因侧向力而变形时的气流,而这在风洞中用实车是无法再现的,因此对在赛道上行驶的车辆周围的气流有了新的认识。其中一部分认识已在风洞试验中得到验证。
下压力可用于增加车辆转弯时轮胎的侧向力极限和车辆减速时的制动力极限。空气阻力是决定车辆加速性能的重要因素。前后下压力平衡也有助于车辆稳定性。空气动力学开发的目的是考虑这三个要素之间的平衡,最大化下压力或升阻比。在开发过程中,使用 50% 比例模型在风洞试验中优化车辆形状,然后使用全尺寸风洞试验验证效果。使用 CFD 和粒子图像测速 (PIV) 同时分析气动现象有助于模型比例风洞的开发以有效的方式向前推进。在一定程度上,使用 CFD 定量评估气动载荷也成为可能,使其成为能够支持部分优化过程的工具。作为风洞试验和赛道上实际行驶的车辆之间的桥梁,CFD 的重要性也在日益增加。例如,使用CFD再现轮胎因侧向力而变形时的气流,而这在风洞中用实车是无法再现的,因此对在赛道上行驶的车辆周围的气流有了新的认识。其中一部分认识已在风洞试验中得到验证。
下压力可用于增加车辆转弯时轮胎的侧向力极限和车辆减速时的制动力极限。空气阻力是决定车辆加速性能的重要因素。前后下压力平衡也有助于车辆稳定性。空气动力学开发的目的是考虑这三个要素之间的平衡,最大化下压力或升阻比。在开发过程中,使用 50% 比例模型在风洞试验中优化车辆形状,然后使用全尺寸风洞试验验证效果。使用 CFD 和粒子图像测速 (PIV) 同时分析气动现象有助于模型比例风洞的开发以有效的方式向前推进。在一定程度上,使用 CFD 定量评估气动载荷也成为可能,使其成为能够支持部分优化过程的工具。作为风洞试验和赛道上实际行驶的车辆之间的桥梁,CFD 的重要性也在日益增加。例如,使用CFD再现轮胎因侧向力而变形时的气流,而这在风洞中用实车是无法再现的,因此对在赛道上行驶的车辆周围的气流有了新的认识。其中一部分认识已在风洞试验中得到验证。
下压力可用于增加车辆转弯时轮胎的侧向力极限和车辆减速时的制动力极限。空气阻力是决定车辆加速性能的重要因素。前后下压力平衡也有助于车辆稳定性。空气动力学开发的目的是考虑这三个要素之间的平衡,最大化下压力或升阻比。在开发过程中,使用 50% 比例模型在风洞试验中优化车辆形状,然后使用全尺寸风洞试验验证效果。使用 CFD 和粒子图像测速 (PIV) 同时分析气动现象有助于模型比例风洞的开发以有效的方式向前推进。在一定程度上,使用 CFD 定量评估气动载荷也成为可能,使其成为能够支持部分优化过程的工具。作为风洞试验和赛道上实际行驶的车辆之间的桥梁,CFD 的重要性也在日益增加。例如,使用CFD再现轮胎因侧向力而变形时的气流,而这在风洞中用实车是无法再现的,因此对在赛道上行驶的车辆周围的气流有了新的认识。其中一部分认识已在风洞试验中得到验证。