Аеродинаміка, як наука

ТЕМА 2. ОСНОВИ АЕРОДИНАМІКИ ТА ДИНАМІКИ ПОЛЬОТУ

Слово “аеродинаміка” походить від двох грецьких слів: “аеро” — повітря і “динамис” — сила. Аеродинаміка — це наука, що вивчає закони руху повітря (газів) і що досліджує взаємодію повітряного потоку з тілом, яке він обтікає. При обтіканні повітряним потоком різних тіл (частин літальних апаратів) виникають сили і моменти, які залежать від форми літальних апаратів і впливають на їх льотно-технічні характеристики. Аеродинаміка вивчає умови виникнення аеродинамічних сил, тобто повітряних сил, що діють на тіла при їх русі відносно повітряного середовища. Таким чином, аеродинаміка складає теоретичну основу авіації.

Аеродинаміка є розділом аерогідродинаміки - більш ширшої науки, яка вивчає рух рідин та газів. Рідини та гази за своєю фізичною структурою мають багато спільного, тому закони течії рідин та газів часто виявляються приблизно одними і тими ж. Основна відмінність газу від рідини є в тому, що газ здатний значно змінювати свій об’єм, а отже і густину під дією тиску і температури, тобто газ володіє стисливістю. Рідина змінює свій об’єм не суттєво тільки під дією дуже великих тисків та температур і практично вважається нестисливою. Коли швидкості течії газу не великі порівняно зі швидкістю розповсюдження звуку, вважають, що газ нестисливий, і при різних аеродинамічних розрахунках не враховують зміну густини і температури газу в середині потоку.

При великих швидкостях газового потоку (близьких до швидкості розповсюдження звуку) явищем стисливості газу знехтувати не можна, тому що значні зміни густини і температури в самому потоці приводять до необхідності розгляду теплових процесів і пов’язаних з ними механічних явищ.

Розділ аеродинаміки, який вивчає рух тіл при швидкостях, близьких до швидкості розповсюдження звуку, називається аеродинамікою великих швидкостей, або газовою динамікою. Таким чином, залежно від швидкості течії газового потоку аеродинаміка як наука підрозділяється на два розділи: аеродинаміку малих швидкостей і аеродинаміку великих швидкостей.

Принциповою відмінністю цих розділів є те, що розділ аеродинаміки малих швидкостей не враховує явища стисливості газів, а розділ аеродинаміки великих швидкостей враховує зміну густини і температури в середині потоку. Рівняння руху газів з великими швидкостями є загальними, ніж рівняння руху газів з малими швидкостями, і останні можуть бути отримані з перших як окремий випадок, якщо приймати густину і температуру за постійні величини.

В процесі розвитку аеродинаміки (як малих, так і великих швидкостей) склалися два методи досліджень: теоретичний і експерементальний.

Теоретична аеродинаміка базується на теоретичній механіці і вивчає рух повітря та дію його на тіла, які він обтікає, чисто математичним шляхом. Теоретичні основи аеродинаміки були закладені всередині XVIII сторіччя працями академіків Російської Академії наук Данііла Бернуллі (1700—1782) і Леонарда Эйлера (1707—1783). Виведені ними рівняння течії рідин лягли в основу не тільки гідравліки, але і аеродинаміки. Особливий внесок в розвиток теоретичної аеродинаміки вніс великий російський вчений, професор Микола Єгорович Жуковський. М. Є. Жуковський розробив теорію утворювання піднімальної сили крила, вихрову теорію повітряних гвинтів, якою користуються при розрахунку повітряних гвинтів у всьому світі й в даний час. Учень і соратник М. Є. Жуковського професор Сергій Олексійович Чаплигін розвинув теорію профілю крила. Його робота “Про газові струмені” стала основою сучасної аеродинаміки великих швидкостей. Багато зробили для розвитку теоретичної аеродинаміки радянські вчені С.А. Христіанович, Б. М. Юр’єв, В. П. Ветчинкін, М. В. Келдиш, М. А. Лаврент’єв та ін. Теоретична аеродинаміка через складність процесів, що відбуваються підчас обтікання тіл потоком повітря, особливо при великих швидкостях, не завжди може дати повні відповіді на ті чи інші явища. Крім того, теоретична аеродинаміка змушена робити деякі спрощення, відходити від реальних умов. Наприклад, підчас обтікання тіл потоком повітря з малими швидкостями вважають, що повітря нестисливе, хоча стисливість буде мати місце підчас будь-яких швидкостях течії. Тому всі теоретичні висновки потребують експериментальної перевірки.

Експериментальна аеродинаміка для проведення аеродинамічних досліджень в даний час використовує два шляхи: випробування в аеродинамічних трубах і льотні випробування, що проводяться безпосередньо на літальному апараті при польоті в атмосфері. Льотні випробування дозволяють отримати найбільш достовірні результати. Проте, враховуючи складність і небезпеку льотних випробувань, їх, як правило, проводять для перевірки остаточних результатів, тобто вже після випробувань в аеродинамічних трубах. В даний час існують аеродинамічні труби прямої дії і замкнуті. На рис. 2.1 показана аеродинамічна труба прямої дії із закритою робочою частиною.

Рис. 2.1. Аеродинамічна труба прямої дії.

В цій трубі електродвигун 4 приводить в обертання вентилятор 3. Вентилятор втягує повітря в трубу і проганяє його через робочу частину 6,де встановлюється випробовувана модель5. Перед робочою частиною встановлюються грати 7,для випрямлення повітряного потоку, що обтікає випробувальне тіло. Випробувальна модель кріпиться в робочій частині й на аеродинамічних вагах за допомогою підвіски. Аеродинамічні ваги заміряють аеродинамічні сили і моменти, що виникають при обтіканні моделі повітряним потоком. В трубі визначаються також оптимальні форми ЛА, досліджуються їх стійкість і керованість. Сопло 1, що звужується,призначено для отримання потоку повітря із заданими по перетину швидкістю, густиною і температурою. Дифузор 2, що розширюється, зменшує швидкість і відповідно підвищує тиск струменя, унаслідок чого економиться енергія, що витрачається на привід вентилятора. Якщо сопло 1, що звужується, з'єднати трубою з дифузором 2, що розширюється, (замкнути їх), а замість вентилятора 3 на валу електродвигуна 4розмістити компресор, то вийде замкнута аеродинамічна труба постійної дії. У такій трубі, змінюючи продуктивність компресора, можна отримати надзвуковий повітряний потік.