从零开始：航空航天概论入门指南
从零开始：航空航天概论入门指南
从古至今，人类一直梦想着能够像鸟儿一样在天空中自由翱翔。随着科技的进步，这个梦想终于变成了现实。今天，我们不仅能够制造出在大气层内飞行的飞机，还能够发射火箭、卫星，甚至将宇航员送上太空。这一切都离不开航空航天技术的发展。本文将带你走进航空航天的世界，了解其基本原理和发展历程。
航空航天基本概念
航空航天是人类开发大气层和宇宙空间时发生的活动的总称。其中，航空指的是载人或非载人的飞行器在大气层中的航行活动，而航天则指的是载人或非载人的航天器在大气层外的宇宙空间中进行的航行活动。虽然两者在细节上有所区别，但它们之间有着密切的联系。例如，航天器的发射和回收过程都必须经过大气层，这就使得航空与航天之间产生了必然的、密不可分的联系。
航空航天技术是一种高度综合的、跨学科的现代科学技术，其基础是力学、热力学和材料学。电子技术、自动化技术、计算机技术、喷气推进技术、制造工艺技术、医学、真空技术和低温技术也在其中发挥着重要的作用。上述学科在航空航天应用中相互交叉渗透，又产生了一些新的学科，航空和航天技术由此形成了完整的体系。
飞机飞行原理
飞机的每次飞行，不论飞什么课目，也不论飞多高、飞多久，总是以起飞开始以着陆结束。 起飞和着陆是每次飞行中的两个重要环节。所以，我们首先需要掌握好起飞和着陆的技术。
滑行
飞机不超过规定的速度，在地面所作的直线或曲线运动叫滑行。对滑行的基本要求是：飞机平稳地开始滑行，滑行中保持好速度和方向，并使飞机能停止在预定的位置。飞机从静止开始移动，拉力或推力必须大于最大静摩擦力， 故飞机开始滑行时应适 当加大油门。飞机开始移动后，摩擦力减小，则应酌量减小油门，以防加速太快，保持起滑平稳。滑行中，如果要增大滑行速度，应柔和加大油门，使拉力或推力大 于摩擦力，产生加速度，使速度增大，要减小滑行速度，则应收小油门，必要时，可使用刹车。
起飞
飞机从地面滑跑到离开地面，并升到一定高度的运动过程，叫做起飞。飞机起飞的操纵原理是飞机从地面滑跑到离地升空，是由于升力不断增大，直到大于飞机重力的结果。而只有当飞机速度增大到一定时，才可能产生足以支持飞机重力的升力。可见飞机的 起飞 是一个速度不断增加的加速过程。剩余拉力较小的活塞式螺旋桨飞机的起飞过程，一般可分为起飞滑跑、离地、小 角度上升（或一段平飞）、上升四个阶段。对有足够剩余拉力的螺旋桨飞机，或有足够剩余推力的喷气式飞机，因可使飞机加 速并上升，故起飞一般只分三个阶段，即起滑跑、离地和上升。
航空航天发展历程
航空航天的发展历程充满了人类的智慧和勇气。早在14世纪末期，明朝的官员万户就尝试将47个自制的火箭绑在椅子上，想利用火箭的推力飞上天空，虽然这次尝试以失败告终，但万户被誉为“世界航天第一人”。
20世纪初，美国的莱特兄弟成功制造并试飞了世界上第一架动力飞机，开启了航空时代的新篇章。随后，航空航天技术迅速发展，特别是在第二次世界大战期间，各国为了军事需要大力发展航空技术，推动了航空工业的快速发展。
新中国成立以来，我国在航空航天领域取得了举世瞩目的成就：
- 1954年7月3日，新中国生产的第一架飞机初教5在南昌首飞成功，这是中国航空工业从修理走向制造的里程碑。
- 1956年7月19日，中国试制的第一架喷气歼击机歼5在沈阳首飞成功。
- 1959年9月27日，中国自己装配的轰炸机轰6在哈尔滨首飞成功。
- 1965年6月4日，中国自行设计的首架喷气式对地攻击机强5首飞成功。
- 1969年7月5日，中国自行设计的第一架高空高速歼8飞机在沈阳首飞成功。
- 1970年4月24日，中国第一颗人造卫星“东方红1 号”成功升空。成为了中国航天发展史上第一个里程碑。东方红一号的成功发射标志着中国成为世界上第三个拥有自主发射卫星能力的国家。
- 1988年12月14日，中国第一代超声速歼击轰炸机“飞豹”在西安首飞成功。
- 1998年3月23日，中国自主独立研制的歼10飞机首飞成功，我国战斗机实现从第二代到第三代的历史性跨越。
- 2002年5月20日，中国自行研制的第一台具有完全自主知识产权、技术先进的航空发动机“昆仑”涡喷发动机通过国家定型鉴定。中国成为继美国、俄罗斯、英国、法国之后世界上第五个能够独立研制航空发动机的国家。
- 2003年10月15日，中国成功发射了神舟五号载人航天器，这是中国航天史上的重要里程碑。神舟五号的成功发射标志着中国成为继美国和前苏联之后，第三个能够独立进行载人航天的国家。
- 2007年10月24日，中国成功发射了嫦娥一号卫星，这是中国航天史上的重要事件。嫦娥一号是中国首次月球探测任务，它的成功发射标志着中国航天事业向太空探测迈出了重要的一步。
- 2007年12月21日，中国首架自主知识产权的新支线喷气客机ARJ21-700总装下线。
- 2011年9月29日，中国成功发射了天宫一号空间实验室，这是中国航天史上的重要事件。天宫一号的成功发射标志着中国航天事业迈向了一个新的阶段，为后续的空间站建设奠定了基础。
- 2011年1月11日，我国自主研制的第四代隐身战机歼20成功首飞。
- 2013年1月26日，我国自主研制的多用途大型运输机运20成功首飞。
- 2013年12月2日，中国成功发射了嫦娥三号卫星，这是中国航天史上的重要事件。嫦娥三号是中国首次登月任务，它的成功发射标志着中国航天事业向登月探测迈出了重要的一步。
- 2017年5月5日，中国首款按照国际通行适航标准自行研制、具有自主知识产权的喷气式中程干线客机C919在上海浦东机场首飞成功。
- 2018年10月20日，我国自主研制的大型灭火/水上救援水陆两栖飞机AG600水上首飞圆满成功。
- 2020年7月23日，中国成功发射了天问一号探测器，这是中国航天史上的重要事件。天问一号是中国首次火星探测任务，它的成功发射标志着中国航天事业向火星探测迈出了重要的一步。
飞行器动力装置原理
飞行器的动力装置是其能够飞行的关键。以多旋翼无人机为例，其动力装置主要包括电机和螺旋桨。多旋翼无人机通过调节不同电机的转速来改变螺旋桨的转速，从而实现升力的变化，进而达到飞行姿态控制的目的。
以四旋翼飞行器为例，飞行原理如下图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应全被抵消。与传统的直升机相比，四旋翼飞行器的优势：各个旋翼对机身所产生的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。
一般情况下，多旋翼飞行器可以通过调节不同电机的转速来实现4个方向上的运动，分别为：垂直、俯仰、横滚和偏航。
- 垂直运动（升降控制）：当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。
- 俯仰运动（前后控制）：电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
- 横滚运动（左右控制）：与图（b）的原理相同，在图（c）中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，便可以使机身绕x轴方向旋转，从而实现飞行器横滚运动。
- 偏航运动（旋转控制）：四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图（d）中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，从而实现飞行器的偏航运动。
多旋翼无人机的飞行原理主要是基于动力学原理和电机控制技术。其核心是利用多个电机和旋翼的旋转产生升力，进而实现无人机的垂直起降、悬停、前进、后退、左右移动以及偏航等运动。
具体来说，多旋翼无人机通过电子调速器（电调）控制电机转动，电机带动旋翼旋转产生升力。当升力大于无人机的重力时，无人机就能垂直起飞；当升力等于无人机的重力时，无人机就能悬停；当升力小于无人机的重力时，无人机就会垂直降落。
多旋翼无人机的飞行原理主要依赖于电机控制技术以及各个旋翼的协调旋转产生的合力。不同型号和规格的多旋翼无人机可能会有不同的飞行原理和操作方式，但基本原理是一致的。
展望未来
航空航天技术是目前最活跃和最有影响力的科学技术领域之一，其产品有极高的附加价值，带动着其他高新科技发展，对国民经济和社会生活产生着巨大而深远的影响。它的发展反映出一个国家科学技术的先进水平，人类在该领域取得的重大成就体现着人类文明的高度发展。
随着科技的不断进步，航空航天技术将继续推动人类探索更远的宇宙空间。未来的航空航天技术将更加注重环保、安全和智能化，例如开发可重复使用的运载火箭、研制更高效的航空发动机、发展太空旅游等。同时，航空航天技术也将与其他前沿科技如人工智能、新材料等深度融合，为人类带来更多惊喜和便利。
让我们期待，在不久的将来，人类能够征服更遥远的星辰大海，实现更多看似不可能的梦想！