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航空航天工程

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航空航天工程是以航空器和航天器发展为主的工程领域。[1] 它有两个主要且重叠的分支:航空工程和航天工程。航空电子工程与之类似，但主要涉及到航空航天工程电子方面的内容。

航空工程是该领域最初的术语。随着飞行技术的进步，包括在外层空间运行的飞行器(航天学)，更广泛的术语“航空航天工程”被普遍使用。[2]航空航天工程学，特别是航天学这门分支学科，通常被称为“火箭科学”。[3]

1 概述编辑

飞行器承受大气压力和温度变化等苛刻条件的影响，结构载荷作用在飞行器部件上。因此，它们通常是各种技术和工程学科结合的产品，包括空气动力学、推进技术、航空电子、材料科学、结构分析和制造。这些技术之间的相互作用被称为航空航天工程。由于所涉及学科的复杂性和数量，航空航天工程是由工程师团队进行的，每个工程师团队都有自己的专攻的领域。[4]

2 历史编辑

奥维尔和维尔伯·莱特于1903年在北卡罗来纳州的基蒂霍克驾驶莱特飞行器。

航空航天工程的起源可以追溯到19世纪末20世纪初的航空先驱，尽管乔治·凯莱爵士的工作可以追溯到18世纪最后十年到19世纪中期。凯莱是航空史上最重要的人物之一，[5]他是航空工程的先驱，[6] 被认为是第一个分离升力和阻力的人，该方法对任何飞行器都有效。[7]

航空工程的早期知识主要是经验性的，有些概念和技巧是从工程学的其他分支引进的。[8] 在18世纪，科学家们理解了航空航天工程的一些关键要素，如流体动力学。莱特兄弟成功飞行多年后， 20世纪10年代，可以在第一次世界大战军用飞机的设计过程中看到航空工程的发展。在第一次和第二次世界大战之间，航空工程取得了巨大的飞跃。主流民用航空的出现大大加快了这一进程。这个时代著名的飞机包括柯蒂斯JN 4、法尔曼F.60戈利亚和福克三驾马车。这一时期著名的军用飞机分别是来自日本、英国和德国的三菱A6M Zero、Supermarine Spitfire和Messerschmitt Bf 109。航空航天工程的一个重大发展伴随着第一架可操作的喷气发动机驱动飞机梅塞尔施米特Me 262，于1944年第二次世界大战末期投入使用。

航空航天工程的第一个定义出现在1958年2月。[2] 该定义将地球大气层和外层空间视为单一领域，因此在一个新造的词“航空航天”下既包括航空器(航空)也包括航天器(空间)。作为对苏联于1957年10月4日发射第一颗卫星人造卫星的回应，美国航天工程师于1958年1月31日发射了第一颗美国卫星。作为冷战的回应，美国于1958年成立国家航空航天局。1969年，阿波罗11号首次载人登月。它见证三名宇航员进入环绕月球的轨道，其中两名宇航员，尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥德林，登陆月球表面。第三名宇航员迈克尔·柯林斯留在轨道上在阿姆斯特朗和奥尔德林登陆月球表面后与他们会合。 [9]

3 要素编辑

韦纳·冯·布劳恩， 在美国太空和火箭中心的土星五号F-1发动机旁

联盟TMA-14M航天器设计为通过降落伞下降

航空航天工程的一些要素见：[10][11]

正在测试的喷气式战斗机发动机。发动机后面的隧道允许噪音和废气逸出。

  • 雷达散射截面——对雷达遥感明显的车辆特征的研究。
  • 流体力学——对物体周围流体流动的研究。特别是空气动力学，涉及空气在机翼等物体上或风洞等物体上的流动。
  • 天体动力学——轨道力学的研究，包括选择少数变量时轨道元素的预测。虽然美国很少有学校在本科阶段教授这一课程，但有几所学校有涵盖这一主题的研究生课程(通常与上述学院或大学的物理系合作)。
  • 静力学和动力学(工程力学)——研究机械系统中的运动、力和力矩。
  • 数学——特别是微积分、微分方程和线性代数。
  • 电工技术——工程中的电子学研究。
  • 推进技术——通过空气(或在外层空间)移动载具的能量由内燃机、喷气发动机和涡轮机或火箭提供(另见螺旋桨和航天器推进)。这个模块最近增加了电力推进和离子推进。
  • 控制工程——对系统动态行为的数学建模和设计的研究，通常使用反馈信号，以便它们的动态行为是理想的(稳定、无大偏移、误差最小)。这适用于飞行器飞机、航天器、推进系统和航空航天器上子系统的动态行为。
  • 飞机结构——设计飞机的物理结构以承受飞行中遇到的力。航空航天工程旨在保持结构重量轻、成本低，同时保持结构完整性。[12]
  • 材料科学——与结构相关，航空航天工程也研究用于建造航空航天结构的材料。发明了具有非常特殊性能的新材料，或者对现有材料进行改进以提高其性能。
  • 固体力学——与材料科学密切相关的是固体力学，它涉及载具部件的应力和应变分析。现在有几个有限元软件，如MSC Patran/Nastran，可以帮助工程师进行分析过程。
  • 气动力弹性学——气动力和结构柔性的相互作用，可能导致振动、发散等。
  • 航空电子学——航空器或航天器上计算机系统的设计和编程以及系统仿真。
  • 软件——航天应用计算机软件的规范、设计、开发、测试和实施，包括飞行软件、地面控制软件、测试和评估软件等。
  • 风险和可靠性——研究风险和可靠性评估技术以及定量方法中涉及的数学。
  • 噪声控制——对声音传递机制的研究。
  • 航空声学——通过湍流流体运动与表面相互作用的空气动力产生噪音的研究。
  • 飞行测试——设计和执行飞行测试程序，以收集和分析性能和处理质量数据，从而确定飞机是否满足其设计和性能目标以及认证要求。

大多数这些要素的基础是理论物理，如空气动力学的流体动力学和飞行动力学的运动方程。这其中还包含了很大的经验成分。在过去的历史中，经验成分来源于风洞或自由大气中的比例模型和原型机的测试。最近，计算技术的进步使得计算流体动力学能够模拟流体的行为，减少了风洞试验的时间和费用。流体力学或流体声学的研究人员通常具有航空航天工程学位的背景。

此外，航空航天工程还涉及构成航空航天飞行器的所有组件的集成（子系统包括电力，航空轴承，通信，热控制，生命维持等子系统）及其生命周期（设计，温度，压力，辐射，速度，寿命）的集成。

4 学位课程编辑

航空航天工程可以在许多大学的航空航天工程系和其他大学的机械工程系获得高级文凭、学士、硕士和博士学位。一些系提供以太空为中心的宇航工程学位。一些机构区分航空和航天工程。为航空航天业提供高级或专业领域的研究生学位。

化学、物理、计算机科学和数学背景对攻读航空航天工程学位的学生很重要。[13]

5 在流行文化中编辑

有时一个非常聪明的人会被称为“火箭科学家”，因为火箭科学被认为是一种需要很强智力的实践，特别是在技术和数学上。具有讽刺意味的是，这个术语在“这不是火箭科学”的表达中用来表示任务很简单。[14] 严格地说，在“火箭科学”中使用“科学”是用词不当的，因为科学是关于理解宇宙的起源、性质和行为的；而工程是运用科学和工程原理来解决问题和开发新技术。[3][15]然而，“科学”和“工程”经常被误用为同义词。[3][15][16]

参考文献

  • [1]

    ^Encyclopedia of Aerospace Engineering. John Wiley & Sons, 2010. ISBN 978-0-470-75440-5..

  • [2]

    ^Stanzione, Kaydon Al (1989). "Engineering". Encyclopædia Britannica. 18 (15 ed.). Chicago. pp. 563–563..

  • [3]

    ^NASA (2008). Steven J. Dick, ed. Remembering the Space Age: Proceedings of the 50th Anniversary Conference (PDF). p. 92. The term “rocket scientist” is a misnomer used by the media and in popular culture and applied to a majority of engineers and technicians who worked on the development of rockets with von Braun. It reflects a cultural evaluation of the immense accomplishments of the team but is nevertheless incorrect. ....

  • [4]

    ^"Career: Aerospace Engineer". Career Profiles. The Princeton Review. Archived from the original on 2006-05-09. Retrieved 2006-10-08. Due to the complexity of the final product, an intricate and rigid organizational structure for production has to be maintained, severely curtailing any single engineer's ability to understand his role as it relates to the final project..

  • [5]

    ^"Sir George Cayley". ?. Retrieved 2009-07-26. Sir George Cayley is one of the most important people in the history of aeronautics. Many consider him the first true scientific aerial investigator and the first person to understand the underlying principles and forces of flight..

  • [6]

    ^"Sir George Cayley (British Inventor and Scientist)". Britannica. n.d. Retrieved 2009-07-26. English pioneer of aerial navigation and aeronautical engineering and designer of the first successful glider to carry a human being aloft..

  • [7]

    ^"Sir George Cayley". U.S. Centennial of Flight Commission. Retrieved 31 January 2016. A wealthy landowner, Cayley is considered the father of aerial navigation and a pioneer in the science of aerodynamics. He established the scientific principles for heavier-than-air flight and used glider models for his research. He was the first to identify the four forces of flight--thrust, lift, drag, and weight—and to describe the relationship each had with the other..

  • [8]

    ^Kermit Van Every (1988). "Aeronautical engineering". Encyclopedia Americana. 1. Grolier Incorporated..

  • [9]

    ^"A Brief History of NASA". NASA. Retrieved 2012-03-20..

  • [10]

    ^"Science: Engineering: Aerospace". Open Site. Retrieved 2006-10-08..

  • [11]

    ^Gruntman, Mike (September 19, 2007). "The Time for Academic Departments in Astronautical Engineering". AIAA SPACE 2007 Conference & Exposition Agenda. AIAA SPACE 2007 Conference & Exposition. AIAA. Archived from the original on October 18, 2007..

  • [12]

    ^"Aircraft Structures in Aerospace Engineering". Aerospace Engineering, Aviation News, Salary, Jobs and Museums. Archived from the original on 2015-11-09. Retrieved 2015-11-06..

  • [13]

    ^"Entry education, Aerospace Engineers". myfuture.com. Retrieved 2015-06-22..

  • [14]

    ^Bailey, Charlotte (7 November 2008). "Oxford compiles list of top ten irritating phrases". The Daily Telegraph. Retrieved 2008-11-18. 10 - It's not rocket science.

  • [15]

    ^Petroski, Henry (23 November 2010). "Engineering Is Not Science". IEEE Spectrum. Retrieved 21 June 2015. Science is about understanding the origins, nature, and behavior of the universe and all it contains; engineering is about solving problems by rearranging the stuff of the world to make new things..

  • [16]

    ^Neufeld, Michael. Von Braun: Dreamer of Space, Engineer of War (First ed.). Vintage Books. pp. xv. There has been a deep-rooted failure in the English-speaking media and popular culture to grapple with the distinction between science and engineering..

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