第1章 空天工程概述/1

1.1 什麼是工程/1

1.1.1 工程的概念/1

1.1.2 與工程相關的概念/3

1.1.3 工程思維的產生與演進/11

1.1.4 歷史上的偉大工程/13

1.2 什麼是空天工程/16

1.2.1 空天工程的概念/16

1.2.2 空天工程的演進/17

1.2.3 空天工程的主要產品/27

1.3 空天工程的特點與發展趨勢/28

1.3.1 空天工程的特點/28

1.3.2 空天工程的發展趨勢/42

第2章 空天工程的發展/45

2.1 空天工程的發展脈絡/45

2.1.1 航空工程的發展脈絡/45

2.1.2 航天工程的發展脈絡/48

2.2 歷史上的重大空天工程/53

2.2.1 重大航空工程/53

2.2.2 重大航天工程/94

第3章 空天工程的科學基礎/113

3.1 概 述/113

3.2 空天工程的科學基礎介紹/116

3.2.1 航空航天科學的範疇/117

3.2.2 空天飛行的自然環境/117

3.2.3 空天飛行的人造環境/122

3.3 航空航天的力學與數學基礎/126

3.3.1 牛頓三大運動定律/127

3.3.2 力學基本概念/130

3.3.3 熱力學定律/144

3.3.4 幾個重要的力學分支/146

3.3.5 數學在航空航天中的應用/149

3.4 航空的科學基礎/156

3.4.1 航空飛行三要素/156

3.4.2 浮 力/156

3.4.3 伯努利定理與升力的產生/157

3.4.4 發動機推力的產生/161

3.4.5 飛機的操縱原理/162

3.4.6 飛機的飛行穩定性/164

3.5 航天的科學基礎/165

3.5.1 開普勒三大定律與萬有引力定律/165

3.5.2 宇宙速度/171

3.5.3 火箭推進原理/177

第4章 空天工程技術/180

4.1 空天工程技術概述/180

4.1.1 什麼是工程技術/180

4.1.2 什麼是空天工程技術/184

4.1.3 關於空天工程技術體繫/185

4.2 飛行器設計/191

4.2.1 飛行器設計的任務與方法/191

4.2.2 飛行器設計的過程與內容/197

4.2.3 飛行器設計的專門性問題/210

4.3 飛行器制造/215

4.3.1 飛行器制造的特點/215

4.3.2 飛行器制造技術/217

4.3.3 航空航天制造模式/223

4.4 航空航天材料/225

4.4.1 航空航天材料分類/225

4.4.2 對航空航天材料的基本要求/226

4.4.3 航空航天材料的沿革/227

4.4.4 飛行器主要結構材料/228

4.4.5 主要功能材料/232

4.5 飛行器試驗/233

4.5.1 試驗的類別與設施/233

4.5.2 航空器試驗/235

4.5.3 航天器試驗/244

4.6 空天工程研發與管理/247

4.6.1 空天工程的產品研發/247

4.6.2 繫統工程與空天工程/250

4.6.3 空天工程項目管理/252

4.7 空天工程技術發展/255

4.7.1 航空工程技術的未來發展/255

4.7.2 航天工程技術的未來發展/261

4.7.3 空天科技前沿與顛覆性技術預判/264

第5章 空天工程產品與產業/272

5.1 空天工程產品/272

5.1.1 空天工程產品的分類/272

5.1.2 空天工程產品的發展/274

5.2 空天產業/281

5.2.1 空天產業的特點/282

5.2.2 空天產業的構成/284

5.3 空天產業的世界格局/286

35.3.1 美國空天產業格局/286

5.3.2 俄羅斯空天產業格局/292

5.3.3 歐洲空天產業格局/296

5.3.4 其他國家和地區空天產業格局/302

5.4 中國空天產業的發展與布局/309

5.4.1 中國航空產業的發展/309

5.4.2 中國航天產業的發展/311

5.4.3 中國空天產業的布局/313

第6章 空天工程教育/322

6.1 空天工程教育概述/322

6.1.1 什麼是空天工程教育/322

6.1.2 空天工程教育的發展歷程/323

6.1.3 空天工程教育的專業設置/327

6.2 空天工程教育的現狀與未來/329

6.2.1 國內外空天工程教育資源/329

6.2.2 空天工程教育的現狀/331

6.2.3 空天工程教育的未來/333

6.3 空天工程從業者的使命與素養/335

6.3.1 我國空天事業發展進入新的歷史階段/335

6.3.2 空天工程從業者的職業準備/341

6.3.3 做合格的航空航天工程師/347

附錄 國內外空天教育資源/349

參考文獻/358

後 記/361

序 言 一

學以致用,以學明志。在人類文明幾千年的歷史長河裡,在人 類改造世界的長期實踐活動中,偉大的工程為人類社會的發展豎 立起一座座輝煌壯麗的裡程碑,工程師們用智慧和汗水為社會生產力的發展和推動社會文明進步創造出一個個永不磨滅的奇跡。 航空航天工程是迄今人類創造的所有工程中對社會發展影響極為 深刻和廣泛,同時盈溢幻想、富有朝氣、具有巨大挑戰性的工程門 類之一,業已成為當今世界富國、強國的重要標志。《空天工程通識》一書,深入淺出,以豐富的成果展現、素描了航空航天的歷史軌跡;簡明扼要,以清晰的原理闡釋,勾勒出科技工程的發展脈絡;循序引導,以寬闊的視野詮釋工程理念,教導工程思維

格物致知,道心惟微。張聚恩先生擁有50多年航空航天科技 工作的經驗,由他領銜主編的《空天工程通識》,在介紹航空航天發 展的邏輯與規律的同時,為讀者正確認識工程內涵、客觀看待工程師職業、理性認識專業方向,提供了一條新的途徑指引。通過學習此書,作為學者,有助於擺脫單一專業的束縛,而從繫統工程的角度去認識空天工程;作為學生,可以知曉各種專業在一項宏大工程裡所起的作用,明晰個人在其中應擔當的使命,從而更好地把握進一步學習和研究的方向,並為之終生不懈努力。

掩卷浮想,似在入夢,似覺醒夢,似於追夢。作為從業航空幾十年的工程師,還是次讀到這樣新穎而富有感觸的專業通識,豁然自覺獻身事業之無悔,更以所從事的工程師職業而自豪。想者經過研讀此書,也一定會激發空天熱情,樹立空天情結,啟迪工程智慧。我願向大家推薦此書。

唐長紅(中國工程院院士,殲轟7A殲擊轟炸機、 運2大型運輸機總設計師)

序 言 二

我很高興地閱讀了《空天工程通識》書稿,這是一本具有探索意義、也很有價值的教材。我願向廣大讀者推薦此書。

該書是北航新開課程“航空航天科技與工程通識”的配套教材,是為適應“新工科”教育改革,為航空航天大類招生、大類培養而開發的通識讀本。編寫者們付出了艱辛的勞動,力求從工程視角,介紹航空航天工程的內涵及其科學基礎與技術體繫,以幫助航空航天專業的學生們盡早知曉“工程”概念,建構航空航天知識體繫的認知,初步確立科學邏輯和技術思維,為成為一名優秀航空航天工程師打好基礎。這個立意很好,很值得稱道。

世界航空航天領域正進入創新發展的新階段,空天一體、奔向更高遠的空間是人類在新世紀的共同使命。改革開放以來,我國航空航天事業取得了偉大的歷史進步,正處在從航天大國邁向航天強國的豪邁進軍中。熱望更多的學子樹立遠大理想,刻苦學習,掌握本領,投身祖國的航天事業,也在為人類航天事業奉獻更多中國智慧和中國能量的努力中做出自己的貢獻。

吳偉仁(中國工程院院士,中國探月工程總設計師)

序 言 三

《空天工程通識》是北航施行大類招生、大類培養後,為航空航天大類學生量身定制的本通識課程配套教材。該書從工程視角,繫統全面地描述各類學科在航空航天工程中所扮演的角色,幫助同學們認識專業、合理選擇。讀者通過學習這本書,可以更加深入地了解並掌握各個專業解決問題的核心思維方式;當面對實際工程問題時,不會被自身專業所限制,能夠站在工程整體的角度看待與分析之,並創新性地予以解決。這也是大類培養、通識教育的核心目標所在。

北航學院在該課程的建設和教材編寫中,積極與航空工業集團公司等航空航天企業合作,邀請長期工作於我國航空航天科研 生產管理一線的專家張聚恩等加入。他們對航空航天工程技術的發展和航空航天人纔培養具有豐富的閱歷和深入的理解,對課程教學和教材的高質量編寫起到了重要作用。這是一次很好的校企合作開展工科教育、探索人纔培養之路的模式創新。

我願意向讀者們,特別是航空航天大類各專業的青年學子以及關心航空航天事業發展的讀者們推薦這本書。

房建成(中國科學院院士,北京航空航天大學常務副校長)

前 言

經過艱辛而高效的編寫工作,《空天工程通識》一書終於問世了。

本書的編寫起因於2017年北京航空航天大學(簡稱北航)以 “大類招生、大類培養、書院管理”為核心的人纔培養模式“供給側 改革”。這輪被稱為北航建校65年來的人纔培養模式改革, 以學生為中心,致力於擴大學生自主選擇權,一年級不分專業,一 年後學生根據意願進行專業選擇,促進個性化發展;推行和加強通識教育,實行寬口徑、大平臺的專業設置與教學,強調通識與專業並重,提升跨學科交叉創新能力和全方位綜合素質。

航空航天大類包含北航10個專業學院的近30個專業和專業類,幾乎包含了北航所有的空天相關優勢工科專業。在大類培養課程體繫中,迫切需要補充建設航空航天專業通識課程,以幫助大類培養的一年級學生初步了解大類專業的工程專業背景,即航空航天工程的概念、發展歷程、科學基礎、工程技術及能力素質要求等;使學生熟悉並理解大類各專業在航空航天繫統工程中所處的位置,以及各個專業解決問題的核心思維方式。這些是原有細分專業的課程體繫中所缺乏的。

空天工程也稱航空航天工程,是迄今人類創造的所有工程類別中,對社會發展影響極為深刻、廣泛,同時又非常富有朝氣、具有挑戰性的門類之一。立志學習航空航天專業的學生,應盡早知曉工程概念,樹立工程思維,建構起合理的知識體繫,既不甘平庸,又務實精進,為將來成為浩大空天工程項目中的合格一員,成為一名優秀的航空航天工程師做好準備。因此,北京航空航天大學馮如書院,特別邀請我們研討建設這樣一門專業通識課,並編寫《空天工程通識》一書作為課程配套教材。

編寫組成員有:張聚恩、萬志強、高靜、王亞男、武瑾媛、梁偉濤、王耀坤。具體分工如下:張聚恩、萬志強擔任主編,確定全書結

構,並對全書統稿;高靜擔任副主編。王亞男和張聚恩負責第1章的編寫,王耀坤和萬志強負責第2章的編寫,萬志強負責第3章的編寫,張聚恩負責第4章的編寫,武瑾媛和張聚恩負責第5章的編寫,梁偉濤和高靜負責第6章的編寫。編寫組歷時近一年,數易其稿,終於完成了編寫工作。本書的出版得到了北京航空航天大學雙一流建設通識課程專項經費的資助與支持。

本書以“工程”為導引和框架,詮釋工程理念,培育工程思維,幫助同學們學科學、學技術、學知識、學方法,提高學養和能力;促使同學們懂全局、懂集成、懂優化、懂權衡,增強工程素養。全書共分6章。第1章空天工程概述,從探討工程和與工程密切關聯的科學、技術、產品、產業等概念及其相互關繫出發,導出空天工程的含義、演進、特點和發展趨勢,並力求以工程和空天工程的偉大實踐來說明,以幫助讀者理解和建立工程思維。第2章空天工程的發展,綜述空天工程的發展歷程,評析歷史上的重大空天工程,介紹當代空天工程,用圖文結合的方式,梳理出空天工程的發展脈絡,並通過對具有裡程碑意義的偉大工程的介紹,進一步揭示空天工程的特點及其引起的科學技術進步。第3章空天工程的科學基礎,對空天工程所涉及的科學進行簡明介紹,探究空天工程恢宏巨建的科學基石,主要包括航空航天共用性力學與數學基礎、航空的科學基礎、航天的科學基礎等。第4章空天工程技術,從工程技術的概念出發,對空天工程技術及其體繫進行詮釋,概要介紹設計、制造、材料、試驗及繫統工程等技術,並對空天工程技術的未來發展做出前瞻。第5章空天工程產品與產業,從空天工程的產品及其發展趨勢入手,闡釋空天產業的概念、構成與特點,介紹世界航空航天強國的產業狀況,以及詳析中國空天產業的布局。第6 章空天工程教育,從空天工程教育的基本含義與責任出發,回顧其發展歷程,對國內外著名相關高等學府的專業設置情況和專業培養水平進行簡要介紹,對航空航天從業者的素質要求和時代使命進行闡述,並從專業和職業關繫的角度,對當代航空航天類高等院校學生的專業選擇和職業規劃提出建議。

本書的編寫是大類培養方案中航空航天專業工程通識課程及其教材的首次嘗試。航空航天大類專業的學生使用本書,有助於建立空天工程理念,堅定空天報國志向,啟迪和培養工程思維能力,增強對空天工程及其相關科技門類的認知,正確理解專業與職業的關繫,理性選擇專業。非航空航天專業的學生和感興趣的讀者,也可以通過本書,了解中國及世界航空航天工程發展的歷史、現狀及未來。本書可以作為大學“航空航天概論”課程和教材的有益補充。

編寫組

2019年8月