Рубрика: Разное

АЭРОДИНАМИКА — это… Что такое АЭРОДИНАМИКА?

АЭРОДИНАМИКА | Энциклопедия Кругосвет

АЭРОДИНАМИКА, раздел механики сплошных сред, в котором изучаются закономерности движения воздуха и других газов, а также характеристики тел, движущихся в воздухе. К аэродинамическим характеристикам тел относятся подъемная сила и сила сопротивления и их распределения по поверхности, а также тепловые потоки к поверхности тела, вызванные его движением в воздухе. В аэродинамике рассматриваются такие тела, как самолеты, ракеты, воздушно-космические летательные аппараты и автомобили. В атмосферной аэродинамике изучаются процессы диффузии твердых частиц (например, дыма, смога, пыли) в атмосфере и аэродинамические силы, действующие на здания и другие сооружения. Ниже рассматриваются проблемы, связанные с движением летательных аппаратов, однако те же принципы можно применить к описанию других явлений, изучаемых в общей гидроаэромеханике (cм. ГИДРОАЭРОМЕХАНИКА). Здесь изложены физические законы, управляющие движениями воздуха, и концепции, необходимые для понимания механизмов возникновения подъемной силы и силы сопротивления при различных скоростях полета, включая течения с ударными волнами. На очень больших высотах (свыше 60 км) вследствие очень низкой плотности воздуха возникают некоторые изменения картины обтекания тела.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДУХА И ДРУГИХ ТЕКУЧИХ СРЕД

В аэродинамике принимаются во внимание такие свойства воздуха, как плотность, давление, температура и молекулярный состав.

Воздух состоит из молекул ряда химических элементов, в основном азота (78%) и кислорода (21%). Имеются также небольшие примеси аргона, углекислого газа, водорода и других газов. Число молекул в единице объема воздуха чрезвычайно велико: на уровне моря при температуре 15° С в 1 м³ содержится 2,7Ч10²⁵ молекул. Плотность определяется как масса воздуха, содержащегося в единице объема.

Давление представляет собой силу, действующую на единицу площади. Молекулы воздуха находятся в непрерывном движении; они соударяются с ограничивающей воздух поверхностью и отражаются от нее. Сумма всех импульсов, сообщаемых молекулами, падающими на единицу площади поверхности за единицу времени, равна давлению.

Температура воздуха (или какого-либо другого газа) служит мерой средней кинетической энергии молекул (равной половине произведения массы на квадрат скорости), отнесенной к единице массы.

Важной физической характеристикой газа, зависящей только от температуры, является скорость звука. Скорость звука a (м/с) в воздухе можно вычислить, зная абсолютную температуру T (K), по формуле .

Связь между давлением p, плотностью r и абсолютной температурой T дается формулой p = rRT, где R – газовая постоянная, равная 287,14 м²/с²ЧК для воздуха. Из этой формулы следует закон Бойля, согласно которому при постоянной температуре p/r = const, т.е. изменение плотности прямо пропорционально изменению давления.

Изменения давления и плотности воздуха по высоте согласуются с этими законами. Давление и плотность уменьшаются, по сравнению с их значениями на уровне моря, в 2 раза на высоте 6 км, в 5 раз на высоте 12 км и в 100 раз на высоте 30 км.

В нижних слоях атмосферы температура воздуха также снижается при увеличении высоты. Стандартная температура на уровне моря составляет 288 К. Она уменьшается до 256 К на высоте 5 км и до 217 К на высоте 12 км.

Важной характеристикой движущейся среды является ее вязкость. Вязкость проявляется через свойство прилипания текучей среды к поверхности, тогда как невязкая среда свободно скользит вдоль обтекаемой поверхности. Чтобы проиллюстрировать влияние вязкости, порождающей силу, замедляющую течение (силу сопротивления), рассмотрим две большие параллельные друг другу пластины A и B (рис. 1), одна из которых движется относительно другой. Вязкая среда прилипает к каждой из пластин. Случайные движения молекул создают эффект «перемешивания», стремящегося выровнять средние скорости течения, скорость которого на пластине B равна V, а на пластине A – нулю. Результирующее распределение скоростей также приведено на рис. 1, где длина стрелок пропорциональна величине скорости в данной точке течения по высоте между пластинами. Таким образом, на движущуюся пластину B действует сила, тормозящая ее движение. Чтобы обеспечить движение пластины B при наличии торможения, к ней должна быть приложена противодействующая сила. Такая же сила стремится привести в движение пластину A.

Величина силы, необходимой для поддержания движения пластины B со скоростью 1 м/с (или удержания на месте неподвижной пластины A), при условии, что расстояние между пластинами равно 1 м, а площадь каждой из них – 1 м², называется коэффициентом вязкости m. Для воздуха при температуре 0° С и давлении 1 атм m = 1,73Ч10^–5 HЧc/м². Эксперименты показывают, что коэффициент вязкости воздуха изменяется в зависимости от температуры пропорционально T^0,76.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ

Аэродинамика описывается фундаментальными физическими законами механики сплошных сред. Эти законы называются «законами сохранения», так как они выражают свойство сохранения массы, энергии и импульса для каждого элементарного объема движущейся среды.

При использовании законов сохранения важную роль играет принцип относительности движения, сформулированный Галилео Галилеем (1564–1642), согласно которому сила, действующая на тело в воздушном потоке, зависит только от относительной скорости движений тела и воздуха и не зависит от того, движется ли тело в покоящемся воздухе или же воздух движется относительно неподвижного тела.

Применим законы сохранения не к отдельным молекулам, а к некоторому движущемуся элементарному объему среды, содержащему большое число молекул. Этот упрощенный подход представляется неизбежным, если вспомнить, что молекулы, помимо своего перемещения вместе с течением, совершают случайные движения, и законы, описывающие эти движения, должны учитывать столкновения между различными молекулами, в которых изменяются их направления движения, скорости и т.д. Рассмотрим, например, элементарный объем в форме кубика со стороной 0,01 мм, объем которого равен 10^–6 мм³. В этом малом объеме все еще содержится 2,7Ч10¹⁰ молекул, и каждая из них движется случайно. Однако вследствие того, что объем содержит большое число молекул, он будет перемещаться со средней скоростью вдоль линий тока течения, изображенных на рис. 2.

Согласно другому условию, этот элементарный объем должен быть настолько мал, чтобы средние скорости в каждой его точке можно было считать приблизительно одинаковыми. Например, если рассматривается обтекание сферы диаметром 10 мм, то элементарный кубик со стороной 0,01 мм будет достаточно малым для того, чтобы он рассматривался как одно целое, перемещающееся вдоль линии тока.

Таким образом, мы рассматриваем элементарный объем среды, который достаточно велик для того, чтобы в нем содержалось большое число молекул, и достаточно мал по сравнению с «характерным масштабом» течения. На очень больших высотах, где плотность воздуха мала, понятие частицы среды теряет смысл, и приходится рассматривать движения отдельных молекул. Линии тока течения определяются как траектории частиц текущей среды. Линии тока могут быть визуализированы с помощью струек дыма, вдуваемого в воздушный поток.

В применении к рассматриваемым частицам текущей среды закон сохранения массы означает, что массовый поток воздуха, проходящего между линиями тока A и B на рис. 2, один и тот же, в каком бы месте он ни измерялся. Следовательно, поток воздуха через линию A₁B₁ такой же, как поток воздуха через линию A₂B₂. Этот закон называется еще уравнением неразрывности, и течение, удовлетворяющее этому условию, называется непрерывным течением.

Закон сохранения импульса является выражением второго закона Ньютона в применении к частицам текущей среды. Он может быть записан в следующей форме:

Сила = Изменение импульса за секунду.

Следствием этого закона является связь между давлением p, плотностью r и скоростью v. Если скорость течения достаточно мала (так что плотность можно считать постоянной всюду в поле течения), то выполняется следующее простое соотношение:

p + ¹/₂rv² = const.

Эта формула, известная как закон Бернулли, была получена швейцарским математиком и инженером Даниилом Бернулли (1700–1782).

Течение, которое удовлетворяет этому уравнению, называется несжимаемым, поскольку оно применимо как к жидкостям, которые практически несжимаемы, так и к газам, если скорости их движения малы по сравнению со скоростью звука. Если скорость в какой-либо точке потока больше половины скорости звука, то расчеты по этой формуле будут содержать значительные погрешности. Такие течения называются сжимаемыми.

Третий закон сохранения, используемый для описания деталей поля течения, выражает условие сохранения энергии. Применительно к течениям можно рассматривать два рода кинетической энергии: энергию, связанную с основным (упорядоченным) течением, и энергию, соответствующую случайным движениям молекул. Энергию, связанную со структурой отдельных молекул и атомов, мы рассматривать не будем, так как ее влияние становится заметным лишь при очень высоких температурах.

В расчете на единицу объема кинетическая энергия упорядоченного движения записывается как ¹/₂rv², тогда как кинетическая энергия случайных (неупорядоченных) движений равна rc_pT, где c_p – удельная теплоемкость при постоянном давлении и T – абсолютная температура воздуха. Согласно закону сохранения энергии для установившихся течений, сумма отнесенных к единице объема энергиий упорядоченного и случайного движений сохраняет постоянное значение:

с_рT + ¹/₂v² = const.

Из этого уравнения энергии видно, что если скорость течения v увеличивается, то его температура T уменьшается.

Параметры течения и движущегося тела.

Силу, действующую на движущееся тело, можно выразить с помощью некоторого безразмерного параметра. Этот параметр получается, если силу отнести к некоторой комбинации существенных характеристик среды и течения, также имеющей размерность силы. По второму закону Ньютона сила F равна произведению массы на ускорение и имеет размерность ml/t ², где m – масса, выраженная в кг, l – длина и t – время (с). Величиной, имеющей размерность силы, является произведение плотности r, квадрата скорости движения тела в среде v² и площади S. Искомый безразмерный параметр, который называется коэффициентом силы, определяется следующим соотношением:

Множитель 1/2 вводится из соображений удобства, так как такой же множитель содержится в уравнении Бернулли, приведенном выше. Сила как векторная величина, характеризуется своими компонентами, имеющими различные направления. Соответственно этому различают три коэффициента сил: коэффициент подъемной силы (нормальной к скорости набегающего потока), коэффициент силы сопротивления (направленной вдоль скорости набегающего потока) и коэффициент боковой силы (ортогональной двум предыдущим).

Сам коэффициент силы зависит от других безразмерных параметров. Одним из них является число Рейнольдса Re, введенное английским инженером Осборном Рейнольдсом (1842–1912). Этот критерий определяется формулой

Здесь m – коэффициент вязкости, имеющий размерность m/lt.

Длина l, входящая в определение критерия Рейнольдса, является характерным масштабом течения. Для течения около сферы в качестве l можно взять диаметр сферы, для самолета это хорда крыла, а для трубы – ее диаметр. Это означает, что можно сравнивать числа Рейнольдса для течений различных сред (с различными значениями r и m) около двух сфер или двух геометрически подобных самолетов. Однако не имеет смысла сравнивать числа Рейнольдса течений около сферы и около самолета, так как эти тела не являются геометрически подобными и нельзя определить один масштаб длины, устанавливающий соответствие между этими двумя видами течений. Сопоставление чисел Рейнольдса для течений около двух сфер может служить указанием об относительном влиянии вязкости среды на характер течения.

Вторым определяющим критерием является число Маха M,

M = v/a,

введенное австрийским физиком Эрнстом Махом (1838–1916). Число Маха может служить мерой влияния сжимаемости на аэродинамические характеристики тел.

Излагаемые здесь сведения касаются главным образом влияния чисел Рейнольдса и Маха на аэродинамические характеристики, т.е. на подъемную силу и сопротивление крыльев и других элементов самолета. Ниже будет показано, что каждое из этих чисел определяет некоторые особенности обтекания, соответствующие высоким или низким значениям размера тела, скорости или высоты полета.

НЕСЖИМАЕМЫЕ ТЕЧЕНИЯ

Подъемная сила.

Когда крыло обтекает поток, движущийся с числом Маха, значительно меньшим единицы (т.е. скорость течения значительно меньше скорости звука), то распределения давлений по его верхней и нижней поверхностям имеют вид, показанный на рис. 3. Приведенные там же линии тока характеризуют траектории элементарных частиц текущей среды, скорости которых связаны с давлением уравнением Бернулли. Возникновение областей пониженного и повышенного давления означает, что скорость течения на верхней поверхности больше, чем на нижней. Так как давление на нижней поверхности соответственно больше, то на крыло действует сила, направленная вверх, или подъемная сила. При постоянном значении числа Рейнольдса подъемная сила Y пропорциональна плотности воздуха r, квадрату скорости полета v², площади крыла S и углу атаки a между хордой крыла и направлением движения. Эта зависимость записывается в виде

Y = ¹/₂rv²Ska,

где k – коэффициент пропорциональности.

Разделив обе стороны этого соотношения на ¹/₂rv²S, получим выражение для безразмерного коэффициента подъемной силы

т.е. C_Y пропорционален углу атаки.

Коэффициент пропорциональности k принимает различные значения для крыльев различной формы в плане (рис. 4), и его величина зависит также от удлинения крыла l, определяемого соотношением l = b²/S, т.е. от отношения квадрата размаха крыла b² к площади его поверхности S. Согласно теории, разработанной немецким ученым Людвигом Прандтлем (1875–1953),

При углах атаки, меньших чем 12°, истинное значение k приблизительно на 10% меньше значения, определяемого по этой формуле.

Влияние удлинения на величину коэффициента k и, следовательно, на подъемную силу крыла называется концевым эффектом. На рис. 5 приведен вид крыла сзади. Вследствие разности давлений происходит перетекание воздуха с нижней поверхности на верхнюю около конца крыла. Это круговое движение воздуха сохраняется позади крыла, и оно порождает концевые вихри, показанные на рис. 5,б.

Эти концевые вихри вызывают некоторое уменьшение эффективности крыла как несущей поверхности. Снижение эффективности, отражаемое уменьшением коэффициента k в соответствии с приведенным выше выражением, тем больше, чем меньше удлинение крыла.

На образование концевых вихрей расходуется некоторая часть мощности, необходимой для осуществления полета, и, следовательно, должна появляться сила сопротивления, обусловленная подъемной силой, которая называется индуктивным сопротивлением X_i. Согласно теории крыла Прандтля,

или

Наличие в знаменателе формулы для X_i величины b² имеет важное значение при проектировании самолета: при заданных весе и скорости полета самолета индуктивное сопротивление в установившемся полете (когда вес уравновешивается подъемной силой) существенно уменьшается при увеличении размаха крыла.

Эти соотношения выполняются строго только для крыла эллиптической формы в плане (рис. 4), однако они пригодны для приближенной оценки аэродинамических характеристик прямоугольных крыльев с удлинениями свыше трех. Прежде чем обсуждать другие ограничения, касающиеся применимости этих формул, необходимо понять происхождение вязкого сопротивления и влияния вязкости на подъемную силу крыла.

Влияние вязкости.

Выше был определен коэффициент вязкости и отмечалось, что вязкая среда характеризуется свойством прилипания к твердой поверхности. Вследствие этого на поверхности тела, движущегося в вязкой среде, образуется пограничный слой, в котором скорость изменяется от скорости движения поверхности тела до скорости свободного течения на внешней границе пограничного слоя. Пограничный слой схематически изображен на рис. 6. В настоящее время исследования пограничного слоя базируются на результатах основополагающих работ Прандтля и Теодора фон Кармана (1881–1963).

Рис. 6 показывает, что течение в пограничном слое слоистое (ламинарное) вблизи точки его зарождения (около передней кромки тела), но постепенно завихряется (становится турбулентным) ниже по течению. Одной из важных проблем аэродинамики является определение положения точки перехода от ламинарного течения к турбулентному. Турбулентный пограничный слой намного толще ламинарного, и их толщины зависят от числа Рейнольдса Re, определяемого как произведение величины rv/m на расстояние от передней кромки x. Толщина пограничного слоя d дается следующими соотношениями:

Так, на расстоянии x = 1 м от передней кромки при v = 10 м/с, r = 1,23 кг/м³, m = 1,73Ч10^–5 кг/мЧс толщина ламинарного пограничного слоя составляет 0,62Ч10^–2 м, а толщина турбулентного пограничного слоя – 2,5Ч10^–2 м. Таким образом, турбулентный пограничный слой в четыре раза толще ламинарного; тем не менее в обоих случаях эти толщины относительно малы.

Чтобы ускорить воздух в пограничном слое, к нему нужно приложить некоторую силу, и реакция на эту силу является силой сопротивления, которая называется сопротивлением трения. Коэффициенты сопротивления трения для ламинарного и турбулентного пограничных слоев даются формулами

Если при условиях, указанных выше, вычислить силу трения, действующую на единицу площади, то окажется, что турбулентное трение в 25 раз больше ламинарного. Следовательно, для уменьшения силы сопротивления трения, действующей на самолет, необходимо сохранять ламинарный режим течения в пограничном слое.

Кроме сопротивления трения, существует еще сопротивление формы, действующее на тело, помещенное в поток. Возникновение силы сопротивления этого типа разъясняется на рис. 7, который показывает, что среднее давление на фронтальной части поверхности летательного аппарата выше, чем в набегающем потоке, а на теневой части поверхности оно меньше давления в набегающем потоке. Суммируя все силы давления, получим сопротивление формы, которое для плохо обтекаемого тела, такого, как показанный на рис. 7 цилиндр, в сотни раз превышает сопротивление трения. Напротив, для хорошо обтекаемого тела, такого, как крыло при малых углах атаки, сопротивление формы меньше, чем сопротивление трения.

Когда угол атаки крыла превышает некоторое критическое значение (заключенное в диапазоне от 12 до 15°), поток отрывается от верхней поверхности; происходит срыв потока с крыла. Он сопровождается резким падением подъемной силы и ростом сопротивления крыла. На рис. 8,а,б показаны картины линий тока около крыла до и после срыва потока. При малых углах атаки с увеличением этого угла коэффициент подъемной силы возрастает, а затем, вследствие срыва потока, проходит через максимум и резко уменьшается.

Самолет совершает посадку при большом угле атаки, при котором коэффициент подъемной силы близок к максимальному значению. Чем больше этот максимум, тем меньше посадочная скорость, и по этой причине на самолете используются различные специальные устройства для увеличения максимальной подъемной силы (средства механизации крыла). Чтобы «затянуть» срыв на более высокие углы атаки и, следовательно, увеличить максимальную подъемную силу, используют предкрылки, закрылки и отсос воздуха из пограничного слоя через поверхность (рис. 9).

СЖИМАЕМЫЕ ТЕЧЕНИЯ

Если скорость движения тела (или воздуха относительно неподвижного тела) становится сравнимой со скоростью звука, то плотность воздуха в течении изменяется, и в коэффициентах аэродинамических сил проявляется влияние сжимаемости. Это влияние можно охарактеризовать с помощью числа Маха.

Рассмотрим сначала тонкое тело с заостренным носком, такое, как игла или лезвие бритвы, при нулевом угле атаки. Создаваемые носком такого тела возмущения давления малы, и эти возмущения распространяются во все стороны от носка со скоростью звука a, равной 340 м/с при стандартной температуре 288 К (15° С). Рассмотрим два режима полета и две волновые диаграммы, иллюстрирующие распространение возмущений (волн) давления. Диаграмма рис. 10,а соответствует дозвуковому полету (с M б – сверхзвуковому полету (с M > 1). Тело, движущееся со скоростью v, проходит расстояние AB за время t, так что AB = vt. За это же время волна проходит расстояние at и уходит вперед относительно тела в случае дозвукового полета. При сверхзвуковом полете волна отстает от тела, и ее фронт, касательный к окружностям распространения возмущений, образует угол b с направлением движения тела. Так как угол ACB прямой, то

Можно видеть, что все возмущения давления образуют волновой фронт, наклоненный под углом b, который тем меньше, чем больше число Маха. Волны, генерируемые заостренными тонкими телами, называются волнами Маха, в отличие от ударных волн, рассматриваемых ниже, и угол b называется углом Маха.

Существуют волны давления двух типов: волны сжатия и волны разрежения. При переходе через волну сжатия происходит сжатие воздуха, и, следовательно, его плотность и давление увеличиваются. Обратная картина наблюдается в волне разрежения, при прохождении через которую имеет место разрежение воздуха, приводящее к уменьшению плотности и давления.

Математический анализ уравнений течения показывает, что если образуется некоторая совокупность следующих друг за другом волн сжатия, то происходит усиление головной волны, так как последующие волны догоняют ее и сливаются с ней. Образующаяся при этом интенсивная волна называется ударной, и ее свойства отличаются от свойств более слабых волн Маха. Так, последовательность волн разрежения не улавливается головной волной, и, следовательно, ударная волна всегда является волной сжатия. Напомним, что до сих пор рассматривалось тонкое заостренное тело; затупленное тело большой толщины при сверхзвуковой скорости движения порождает сильные возмущения, т.е. ударные волны, а не волны Маха.

Ударная волна движется со скоростью, превышающей скорость звука, и чем больше интенсивность волны (т.е. чем больше изменения плотности и давления в ней), тем быстрее она движется. (Например, ударная волна, возникающая при взрыве атомной бомбы, в начале своего пути перемещается со скоростью, составляющей несколько миллионов километров в час.) Угол между фронтом ударной волны и направлением течения больше угла Маха, так как скорость перемещения этой волны больше скорости звука a. Следующий пример дает количественное представление об образовании ударных волн и волн Маха. При M = 2 волна, генерируемая телом клиновидной формы (рис. 11), имеет характеристики, сходные с характеристиками волн Маха, если угол при вершине клина меньше 8°. Если этот угол больше 8°, то образуется ударная волна. На рис. 11 также приведено распределение давления на поверхности клина. При переходе через ударную волну в вершине клина давление скачкообразно увеличивается и остается постоянным до встречи с веером волн разрежения, порождаемым обтеканием угла B. Затем оно снова принимает постоянное значение, сохраняющееся до тех пор, пока не достигается ударная волна, исходящая из точки C. Линия тока abcdef состоит из прямолинейных участков, концы которых соответствуют пересечениям с волнами, генерируемыми изломами поверхности тела. Форма этой линии тока сильно отличается от формы соответствующей линии в дозвуковом течении (рис. 8), в котором линии тока начинают искривляться еще перед телом и остаются гладкими при изменении своей формы, вызванном присутствием тела.

Система волн, изображенная на рис. 11, кардинально изменяется, если угол при вершине клина превышает критическое значение, величина которого возрастает с числом Маха. При этом ударная волна, генерируемая носком тела, искривляется и отходит от тела вперед. Возникает отсоединенная ударная волна. Например, если при M = 2 угол клина больше 23°, то ударная волна будет отсоединенной. При угле клина, равном 23°, образуется присоединенная ударная волна, если M > 2, и отсоединенная, если M °. Аналогичные явления имеют место при обтекании тел с коническими носовыми частями, однако для конуса критический угол при фиксированном числе Маха больше, чем для клина. Например, при M = 2 критический угол конуса составляет 40°, тогда как для клина он равен 23°. На рис. 12 приведен фотоснимок, иллюстрирующий сверхзвуковое течение с отсоединенной ударной волной около затупленного тела и присоединенной – около тонкого конуса.

Непосредственно за передней частью отсоединенной ударной волны всегда возникает область дозвукового течения. Здесь сверхзвуковой поток встречается с прямым скачком уплотнения, при переходе через который он преобразуется в дозвуковое течение. Если скачок уплотнения наклонен относительно направления течения, то при прохождении через косой скачок течение остается сверхзвуковым, однако число Маха за скачком уменьшается. Прямые скачки уплотнения часто возникают в сверхзвуковых течениях в трубах или при истечении сверхзвуковой струи в атмосферу.

Течения в трубах.

Сверхзвуковое течение в трубе можно создать только в том случае, если в трубе имеется поджатие или горловина (рис. 13). Если отношение давлений p₀/p_в достаточно велико, то в горловине с площадью поперечного сечения A_кр достигается скорость звука, а в последующей части трубы скорость течения становится сверхзвуковой. Число Маха течения на выходе М_в определяется отношением площадей А_в/А_кр. Приведенная ниже таблица иллюстрирует эту зависимость.

Если относительное давление р₀/р_в меньше значения, приведенного в таблице, то в расширяющейся части трубы возникает прямой скачок уплотнения, за которым течение снова становится дозвуковым.

Влияние сжимаемости.

Теперь можно приступить к рассмотрению аэродинамических характеристик крыльев и других тел во всем используемом на практике диапазоне скоростей и высот полета, в котором необходимо учитывать влияние сжимаемости. Весь интервал скоростей полета самолета можно разбить на следующие диапазоны: дозвуковой, трансзвуковой, сверхзвуковой и гиперзвуковой. Это деление нельзя однозначно определить в терминах числа Маха безотносительно к форме тела и углу атаки. Тем не менее в каждом диапазоне течение обладает специфическими особенностями, которые отличают данный диапазон от остальных.

Аэродинамическое сопротивление, обусловленное влиянием сжимаемости, называется волновым. Ударные волны, образующиеся при движении тела, сообщают течению некоторую энергию. Эта энергия препятствует перемещению тела. Другими словами, когда образуется ударная волна, возникает волновое сопротивление, и требуется дополнительная сила для его преодоления. Следовательно, полная сила сопротивления, действующая на тело в сверхзвуковом течении, складывается из вязкого сопротивления (состоящего из сопротивления трения и сопротивления формы), индуктивного, рассмотренного выше, и волнового сопротивлений.

Диапазон несжимаемых течений, рассмотренных выше, соответствует М

В диапазоне дозвуковых скоростей, которому соответствуют числа Маха от 0,4 до 0,7, впервые начинает проявляться влияние сжимаемости. Это влияние сказывается главным образом на величине коэффициента пропорциональности k между коэффициентом подъемной силы C_Y и углом атаки крыла a. В случае крыла большого удлинения в потоке с 0,4 Ј M Ј 0,7 этот эффект описывается соотношением

где k₁ – значение параметра k для несжимаемого течения. Например, при M = 0,6 коэффициент пропорциональности на 25% больше, чем в несжимаемом течении. В этом диапазоне чисел Маха волновое сопротивление отсутствует, так как течение всюду дозвуковое и скачки уплотнения не образуются.

Диапазон трансзвуковых скоростей, который иногда называется диапазоном «смешанного течения», начинается с числа Маха, при котором в некоторой точке на поверхности скорость течения становится звуковой, и распространяется до значения числа Маха, при котором течение становится сверхзвуковым повсюду. Ряд картин течения из трансзвукового диапазона приведен на рис. 14. Отличительной особенностью таких течений является наличие дозвуковых и сверхзвуковых областей потока, т.е. если скорость набегающего потока лишь немного меньше дозвуковой, то около тела появляются области течения со сверхзвуковыми скоростями, а если набегающий поток слегка сверхзвуковой, то существуют области течения с дозвуковыми скоростями. Такой «смешанный» характер течения создает существенные трудности для их теоретического исследования и систематизации данных об аэродинамических характеристиках тел в этом диапазоне скоростей. Ударные волны, показанные на рис. 14, создают относительно большое волновое сопротивление. Вследствие этого, а также из-за того, что при трансзвуковых скоростях часто возникают опасные колебания некоторых элементов самолета, летчики предпочитают летать либо при дозвуковой, либо при сверхзвуковой скорости. Трансзвуковой рост сопротивления крыла иллюстрирует кривая, приведенная на рис. 15. Экспериментальные исследования в трансзвуковом диапазоне осложняются тем, что в этом диапазоне скоростей относительно небольшие изменения чисел Рейнольдса и Маха оказывают значительное влияние на аэродинамические характеристики.

В сверхзвуковом диапазоне течение на всей поверхности тела, за исключением небольших участков вблизи передней кромки, является сверхзвуковым; рассчитать аэродинамические характеристики в этом диапазоне намного проще, чем в любом другом диапазоне скоростей. Приближенные формулы для вычисления коэффициентов подъемной силы и силы сопротивления тонкого крыла здесь имеют вид

В последней формуле величина t/c есть отношение толщины t к хорде крыла c. Эта формула показывает, что крыло сверхзвукового самолета должно быть тонким, а из соображений прочности следует, что оно должно иметь относительно небольшой размах. Это одна из важнейших причин, по которой на сверхзвуковых самолетах используют крылья малого удлинения.

Гиперзвуковое течение отличается от сверхзвукового в двух аспектах, каждый из которых проявляется постепенно по мере увеличения числа Маха. Во-первых, при числах Маха свыше 8 возмущения, генерируемые даже тонкими телами, становятся сильными ударными волнами. Поэтому изменения плотности и давления в них не подчиняются законам, справедливым для более слабых волн Маха, генерируемых при более низких сверхзвуковых скоростях. Следовательно, формулы для определения подъемной силы и силы сопротивления крыла в гиперзвуковом потоке должны отличаться от соответствующих формул для сверхзвуковых течений. Конкретный вид этих формул зависит от формы крыла в плане и формы поперечного сечения, однако в гиперзвуковом течении коэффициент C_Y пропорционален a2, а – комбинации (t/c)³ и a3. Один из методов нахождения распределения давления на телах, движущихся с гиперзвуковыми скоростями, описывается ниже в связи с проблемой полета на больших высотах. Второй, более существенной особенностью гиперзвукового течения является сильное аэродинамическое нагревание поверхности тела.

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ НАГРЕВАНИЕ

Нагревание тела, движущегося с большой скоростью, описывается теоретическим уравнением энергии, приведенным в разделе «Фундаментальные законы». Формула, которая может рассматриваться как первое приближение к реальности, записывается в виде

где T₀ – температура торможения, т.е. абсолютная температура частицы воздуха, когда она тормозится до состояния покоя (как, например, в носовой части тела), v – скорость и c_р – удельная теплоемкость при постоянном давлении, равная 1000 м²/с² К. Эту формулу можно также представить в виде

T₀ – T = v²/2с_р.

Следовательно, в точке торможения (точке A на рис. 8, а) температура воздуха на величину v²/2000 выше температуры воздуха в окружающей атмосфере. Например, для тела, движущегося с М = 10 на высоте, соответствующей уровню моря (a = 340,3 м/с), температура воздуха должна быть на 5800 К выше температуры окружающего воздуха. В действительности температура торможения меньше по ряду причин, из которых наиболее существенной является то, что часть энергии воздуха расходуется в процессах диссоциации, в которых молекулы разлагаются на составляющие их атомы, и ионизации, в которых электроны отрываются от атомных ядер. Эти процессы осложняют описание явления аэродинамического нагревания, однако не устраняют связанных с ним проблем.

Столь высокая температура, которая близка к температуре на поверхности Солнца, создает одну из наиболее серьезных проблем высокоскоростного полета. Полет с M = 10 в атмосфере невозможен, так как все известные материалы плавятся и испаряются при температурах, даже более низких, чем 6000 К. (Наиболее тугоплавкий из металлов – вольфрам – плавится при температуре 3700 К. Керамические материалы и керметы – смеси керамических материалов с металлами – плавятся при температуре 2500 К или еще ниже.) Практическое решение состоит в том, чтобы высокоскоростной полет осуществлялся на очень больших высотах, а затем происходило быстрое снижение летательного аппарата (стадия спуска) с быстрым уменьшением скорости в тех областях, где аэродинамическое нагревание будет наибольшим. Чтобы осуществить быстрое торможение, спускаемый аппарат должен обладать большим сопротивлением (сопротивление формы намного больше сопротивления трения). Высокий коэффициент сопротивления не является помехой для полета на очень больших высотах, так как там вследствие разреженности воздуха малы как сила сопротивления, так и тепловые потоки к поверхности тела. При быстром торможении на первоначальной стадии спуска в атмосфере скорость уменьшается до значений, при которых температура торможения уже не будет столь высокой.

Рекомендации для прохождения атмосферы, как и для входа в атмосферу, могут быть сформулированы в терминах летного коридора, показанного на рис. 16. Ограничение на высоту установившегося полета следует из условия, что сумма аэродинамической подъемной и центробежной сил должна превышать силу тяжести. Аэродинамическая подъемная сила пропорциональна плотности воздуха и квадрату скорости полета, а центробежная сила (эта сила удерживает, например, спутник на околоземной орбите) пропорциональна квадрату скорости полета. Следовательно, при низких скоростях полета плотность воздуха должна быть достаточно большой (соответственно – высота должна быть достаточно низкой), чтобы аэродинамическая подъемная сила компенсировала большую часть силы тяжести, тогда как при больших скоростях полета на больших высотах центробежная сила будет полностью компенсировать силу тяжести. На основе этих соображений определяется верхняя граница летного коридора (рис. 16). Область над этой границей обозначена символически как G > Y + ЦС, где G – сила тяжести (вес летательного аппарата), Y – подъемная сила и ЦС – центробежная сила. Положение нижней границы летного коридора, показанного на рис. 16, определено из условия, что допустимая температура обшивки летательного аппарата равна 1600 К. Положение верхней границы зависит от веса тела и площади несущей поверхности; положение нижней границы определяется предельной температурой, при которой материал обшивки сохраняет необходимые прочностные свойства. Ясно, что для поддержания непрерывного полета необходимо, чтобы изображающая летательный аппарат точка, определяемая значениями высоты и скорости полета, попадала внутрь летного коридора. Показанные на рисунке траектории спуска тем не менее пересекают нижнюю границу (время прохождения атмосферы настолько мало, что обшивка не успевает нагреться до температуры торможения).

Влияние вязкости.

Вследствие прилипания текущей среды всюду на поверхности летательного аппарата температура воздуха близка к температуре торможения. Наибольшие проблемы возникают вблизи точки торможения по двум причинам: во-первых, в эту область поступает воздух, который претерпевает сжатие в головной ударной волне, и, следовательно, тепловые потоки здесь больше, чем на других участках поверхности тела летательного аппарата; во-вторых, температура у поверхности на некотором удалении от точки торможения несколько меньше температуры торможения.

Сопротивление формы и сопротивление трения существенно зависят от скорости полета, однако принципы, сформулированные при рассмотрении течений несжимаемой жидкости, остаются неизменными. Коэффициенты трения для ламинарного и турбулентного режимов течения начинают заметно уменьшаться при M > 3, однако по-прежнему турбулентное сопротивление трения существенно выше ламинарного.

ПОЛЕТ НА БОЛЬШИХ ВЫСОТАХ

На очень больших высотах нельзя использовать понятие элементарного объема текущей среды, намного меньшего обтекаемого тела, но содержащего большое число молекул. Таким образом, обтекание тела на очень больших высотах нельзя описать с помощью линий тока, которые были определены выше как траектории элементарных частиц среды, движущихся около тела. Теперь течение должно рассматриваться как совокупность большого числа столкновений между молекулами, движущимися случайно около летящего тела. Этот режим течения, называемый свободномолекулярным, имеет место при M/Re

Свободномолекулярное течение, иногда называемое ньютоновским, было предложено И.Ньютоном как универсальный режим обтекания тел на всех высотах и при любых скоростях полета. Например, подъемную силу, действующую на плоскую пластину, Ньютон вычислил как импульс, передаваемый в единицу времени всеми молекулами, которые налетают на поверхность пластины. Этот механизм существенно отличается от несжимаемого течения, в котором распределение давления на поверхности тела и, следовательно, подъемная сила определяются с помощью уравнения Бернулли, связывающего между собой скорость и давление. Бернуллиевский режим называется течением сплошной среды, так как в этом случае движущаяся среда рассматривается как однородная субстанция (континуум), а движения отдельных молекул не учитываются. Одним из следствий различия этих режимов является то, что коэффициент подъемной силы крыла пропорционален углу атаки для случая течения сплошной среды и квадрату угла атаки в свободномолекулярном течении, а именно

C_Y = 2 (a/57,3)²,

если угол атаки a выражен в градусах. Для крыла с относительным удлинением 6 при угле атаки a = 10° приведенная ранее формула для течения сплошной среды дает C_Y = 0,82, тогда как в свободномолекулярном течении C_Y = 0,061. Этот пример показывает, что коэффициент подъемной силы на низких высотах по формуле Ньютона составляет меньше 8% истинного значения подъемной силы крыла при заданной скорости полета. Однако на очень больших высотах, где справедлива формула Ньютона, сила сопротивления мала и могут быть реализованы большие скорости полета, так что величина подъемной силы, равная C_Y Ч1/₂ rv²S, может достигать требуемого значения для уравновешивания силы тяжести. Ньютоновская модель течения соответствует также течению в относительно плотных слоях атмосферы, если число Маха настолько велико, что большая часть ударной волны остается присоединенной к поверхности тела.

ТРУДНОСТИ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Полет на высотах в диапазоне высот от 30 км (ниже превалируют течения сплошной среды) до 130 км, где реализуется свободномолекулярное течение, чрезвычайно трудно проанализировать теоретически. Экспериментальные исследования также осложняются тем, что вследствие низкой плотности потока требуется высокоточная измерительная аппаратура, с помощью которой можно было бы измерить малые подъемную силу и силу сопротивления, действующие на тело.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

Для экспериментального исследования законов аэродинамики используется один из двух подходов: либо летательный аппарат, оборудованный соответствующей измерительной аппаратурой, совершает полет, либо неподвижное тело, оборудованное измерительными датчиками, обтекается воздушным потоком. Как отмечалось выше, в отношении явлений обтекания оба случая эквивалентны.

Практически все экспериментальные исследования аэродинамических явлений, связанных с обтеканием самолета, проводятся на маломасштабных моделях. Возможность перенесения полученных результатов на натурные условия зависит от значений критериев подобия, таких, как число Рейнольдса rvl/m. Рассмотрим, например, модель самолета, выполненную в масштабе 1/4. Если при испытаниях величина rv/m в четыре раза больше, чем в условиях полета натурного самолета, то числа Рейнольдса для обеих ситуаций равны. Тогда, согласно теории, будут равными и коэффициенты сил, действующих на модель и на самолет. Для достижения равенства чисел Рейнольдса можно было бы попытаться увеличить плотность r. Однако на практике измеряют аэродинамические характеристики модели в некотором диапазоне чисел Рейнольдса, каждое из которых значительно меньше натурного значения, и с помощью теоретических соображений пересчитывают измеренные коэффициенты сил и определяют их натурные значения.

Выбор метода аэродинамического исследования зависит от его цели, однако наиболее простым, дешевым и надежным средством экспериментальных исследований является аэродинамическая труба. Модель выставляется в искусственно создаваемый воздушный поток таким образом, чтобы можно было измерить действующие на нее силы и моменты сил или исследовать особенности течения около модели.

Рис. 13 может рассматриваться как весьма приблизительная схема сверхзвуковой аэродинамической трубы. Воздух высокого давления истекает через трубу, и на тело, помещенное в сечении A_в, воздействует поток с числом Маха, зависящим от отношения площадей A_в/A_кр (см. табл.).

В экспериментальных исследованиях аэродинамического нагрева, например, при условиях, соответствующих входу в атмосферу возвращаемого космического аппарата, модель и аэродинамическая труба сгорят, если время измерений не ограничить. В таких исследованиях высокие температуры и давления часто создают ударной или детонационной волной; соответствующее устройство называется ударной трубой. Ударная волна возникает при разрыве диафрагмы, разделяющей области высокого и низкого давления. По мере продвижения ударной волны по трубе газ, прошедший через ударную волну, нагревается, сжимается и движется вслед за ней. При расширении потока создается течение с большим числом Маха и высокой температурой торможения. Время существования такого течения измеряется миллисекундами, так что суммарная тепловая нагрузка остается невысокой. Однако, используя чувствительную измерительную аппаратуру, можно определить температуру в точке торможения и величину тепловых потоков к модели. Специальные устройства позволяют также измерить распределение давления.

Летные испытания используются главным образом для окончательной проверки расчетных данных теории и результатов испытаний в аэродинамических трубах. В летных испытаниях самолеты и ракеты оборудуются измерительной аппаратурой и телеметрическими средствами, позволяющими передавать распределения температур и давлений на наземную станцию, где они записываются, расшифровываются и изучаются.

Еще одним способом, используемым в некоторых специальных исследованиях, является испытание моделей в свободном полете. Модель выстреливается в длинную трубу, в которой давление может изменяться в широком диапазоне, что позволяет варьировать число Рейнольдса. Скорость движения модели определяется посредством сопоставления фотоснимков, полученных в различные моменты времени, а распределения температур и давлений телеметрическими средствами передаются на регистрирующий блок. В таких испытаниях можно исследовать проблемы устойчивости полета, такие, как возникновение «болтанки» носка. Модель, которая опрокидывается в полете, является аэродинамически неустойчивой (центр давления у нее расположен впереди центра масс).

СМЕШАННЫЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Ниже дано краткое описание ряда интересных аэродинамических явлений, встречающихся в реальных условиях.

Влияние нестационарности течения.

Наиболее широко распространенным нестационарным явлением является, по-видимому, образование вихрей (аналогичных тем, которые создаются, например, лодочными веслами или ложечкой в чашке кофе). Вихри представляют собой области пониженного давления на поверхности жидкости. При обтекании цилиндра или пластины, установленной нормально к потоку, вихри сходят поочередно с двух боковых сторон тела с частотой, определяемой числом Струхаля v/nl = const, где n – число вихрей, образующихся за секунду, а l – характерная длина (диаметр цилиндра или ширина пластины). Соответствующий след называется вихревой дорожкой. Это явление создает некоторые проблемы на практике. Возникновение аэродинамической тряски (бафтинга) объясняется тем, что вихри, образующиеся за крылом, установленным под большим углом атаки, проходят над хвостовым оперением и вызывают колебательное изменение угла атаки, сопровождаемое пульсациями аэродинамических сил. При определенных условиях бафтинг может вызвать разрушение самолета. Еще одним нестационарным эффектом является возникновение сил, действующих на ракету, установленную на пусковой платформе. Вихревая дорожка, порождаемая поперечным ветром, вызывает раскачивание ракеты, и при неблагоприятных условиях обшивка может потерять устойчивость (покоробиться). Флаттер крыла самолета происходит вследствие взаимозависимости между упругими свойствами крыла и пульсациями подъемной силы, порождаемыми деформациями или отклонениями, вызванными аэродинамическими силами. Как правило, флаттер возникает в узком диапазоне скоростей полета и не проявляется вне этого диапазона. При полете самолета в воздухе «шквальные» нагрузки, вызванные турбулентностью атмосферы, могут стать причиной серьезных неудобств.

Влияние ударных волн.

Когда ударные волны, порождаемые сверхзвуковым самолетом, достигают земли, они создают сильный импульс давления, или шум, и чем больше скорость полета, тем больше интенсивность этого шума. Еще один эффект, известный как звуковой удар, возникает, когда самолет выходит из пикирования с большой скоростью. При этом воздух под крылом сжимается, и образуется ударная волна, которая движется по направлению к земле; в зоне ударной волны на поверхности земли слышны хлопки, и могут даже вылетать стекла из окон. Это явление можно сопоставить со звуком, создаваемым кожаным бичом, – звук порождается сжатием воздуха на кончике бича, которое затем перемещается с большой, но необязательно сверхзвуковой скоростью.

Аэродинамика как наука и искусство — От первого лица — Пресс-центр

Не за горами то время, когда вертолеты будут летать со скоростью свыше 400 км/ч, а в небо поднимется «самолет-гигант» с 500-тонным грузом на борту. Работы по магистральному воздушному судну и широкофюзеляжному дальнемагистральному самолету, разработка новых, порой самых неожиданных компоновок летательных аппаратов — самолетов схемы «летающее крыло», конвертопланов, двухфюзеляжных воздушных судов… Комплекс аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов является одной из самых больших и разнонаправленных структур Центрального аэрогидродинамического института. Заместитель генерального директора ФГУП «ЦАГИ» — начальник комплекса аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов, доктор физико-математических наук Сергей Ляпунов рассказывает о текущих и будущих проектах комплекса, поясняет, почему в аэродинамике нельзя терять желания фантазировать, и цитирует Конфуция.

О работах интегрирующего характера

— Сегодня комплекс аэродинамики насчитывает 850 человек, а это порядка 20 процентов всей численности института.

Сотрудники комплекса работают над проектами интегрирующего характера, когда в рамках той или иной научной темы объединяются усилия нескольких подразделений. В последнее время таких работ становится все больше. В рамках выполнения контрактов с Минпромторгом России, что составляет очень большую часть нашей работы, мы переходим от дисциплинарных исследований — аэродинамики, прочности, системы управления — к комплексным проектам объектовой направленности. В фокусе внимания специалистов — магистральные и сверхзвуковые самолеты, винтокрылая авиация и др. С одной стороны, интеграция — это положительный фактор, способствующий объединению наших усилий. С другой — он является неким вызовом и сопряжен с рядом трудностей. В этом отношении большая нагрузка ложится на организаторов работ — сотрудников комплекса аэродинамики. Хотелось бы отметить ряд специалистов — руководителей и ответственных исполнителей научных тем («Магистраль-технология/интеграция», «СДС/СПС-технология/интеграция», «ВКЛА»), которые успешно справились и в будущем продолжат работать в таком направлении. Это А.В. Волков, С.И. Скоморохов, В.Г. Юдин, А.В. Потапов, А.Л. Болсуновский, С.В. Герасимов, И.Л. Чернышев, О.Е. Кириллов, А.Н. Корнушенко.

Об основных объектах авиационной техники

Летательные аппараты, над которыми работают аэродинамики в последнее время, находятся на различных стадиях исследований. Некоторые уже летают и в обозримой перспективе будут выпускаться серийно.

Прежде всего это самолет МС-21, который в мае 2017 года совершил свой первый полет. Это революционный во многих отношениях авиалайнер, главным достоинством которого является широкое применение композитных материалов в высоконагруженных элементах. Здесь мы находимся на переднем крае мировой авиации. На первый взгляд, это задача конструкторов, материаловедов, прочнистов. Однако формируются определенные вызовы и для аэродинамиков. Применение неметаллических материалов показало, что те плюсы, которые можно из этого получить, разумнее переводить в аэродинамическую плоскость, а именно применять крыло большего удлинения, чем на самолетах предыдущего поколения. Для сравнения — типовое удлинение крыла у самолетов прошлого поколения — порядка 9–10, в современных самолетах — 10–10,5, на МС-21 — 11,5.

Повышение удлинения крыла порождает новые вызовы и в его аэродинамическом проектировании. Была проведена большая и плодотворная деятельность специалистов комплекса. Мы с волнением и надеждой смотрим на дальнейшую судьбу самолета. Испытания продолжаются и в последнее время. Уточняются характеристики воздушного судна в условиях обледенения, нагрузки на различные элементы…

Вторая большая составляющая деятельности аэродинамиков ЦАГИ последних лет — интеграция планера и маршевой силовой установки МС-21. Сейчас самолет летает с зарубежным двигателем Pratt & Whitney. Но в перспективе воздушное судно будет эксплуатироваться и с отечественным двигателем ПД-14. Безусловно, его создание — тоже большая победа отечественного авиационного двигателестроения. Роль ЦАГИ и специалистов отделения аэродинамики силовых установок в его создании, формировании характеристик изделия достаточно велика. Мы провели обширный объем проектировочных исследований по мотогондоле двигателя, анализу условий работы как отдельно, так и в составе самолета.

Ряд объектов авиационной техники, над которыми мы работаем, находится на более ранней стадии исследования. В первую очередь, это широкофюзеляжный дальнемагистральный самолет (ШФДМС). Работы по данному российско-китайскому проекту мы начали около двух лет назад. Уже созданы первые модели, проведены расчеты по аэродинамическому проектированию.

Вообще в разработке широкофюзеляжного самолета рассматриваются разные направления, в том числе как вариант — Ил-96-400М. Бытует мнение — я говорю о прогрессе в аэродинамике — что аэродинамические схемы близки к оптимальным и их сложно улучшать. Тем не менее этот процесс происходит и становится заметен спустя несколько лет, а порой и десятилетий. Так Ил-96, созданный около 30 лет назад примерно при той же геометрии, имел крейсерскую скорость Маха полета 0,8–0,82. Современные разработки при той же толщине крыла, при той же стреловидности и тех же имеющихся ограничениях могут обеспечить число Маха 0,84–0,85. В ближайшее время будут проведены экспериментальные исследования новых скоростных крыльев, рекомендованных ЦАГИ.

Вторая составляющая работ по ШФДМС, которая сегодня еще только формируется, — это двигатели большой тяги для воздушного судна ПД-35. Перед двигателестроительными корпорациями стоит очень ответственная задача по разработке столь огромного агрегата. Двигателей в классе 30 тонн в нашей стране не выпускалось. В этом масштабном проекте мы также принимаем активное участие.

Радует, что перешла в практическую плоскость наша деятельность по созданию среднего военно-транспортного самолета Ил-276 (головной разработчик — ПАО «Авиационный комплекс им. С.В. Ильюшина»). Уже сделана предпроектная аэродинамическая модель во взлетно-посадочной и крейсерской конфигурациях, проведены испытания в трансзвуковой и малой дозвуковой аэродинамических трубах.

В области транспортной авиации в ЦАГИ рассматриваются и другие проекты, на первый взгляд, очень неожиданные и футуристические. И это хорошо, нельзя терять желания стремиться к чему-то радикально новому и смелому — тому, что может вызвать дискуссии.

Изучаются самые экзотические компоновки. Например, двухфюзеляжные транспортные самолеты, а также самолеты с очень большой грузоподъемностью (свыше 150 тонн). В фокусе внимания аэродинамиков института находятся и аппараты, способные летать как на большой высоте, так и вблизи земли, используя экранный эффект. Топливом для таких самолетов будет служить сжиженный природный газ. Речь идет о тяжелом транспортном самолете интегральной схемы. Отмечу, что названные компоновки прорабатываются коллективами молодых специалистов под руководством признанного лидера в данной области, известного ученого А.В. Петрова. Весьма отрадный факт.

О создании научно-технического задела

Кроме работы над объектами, важнейшей задачей ЦАГИ является формирование научно-технического задела для создания новых перспективных образцов авиационной техники.

Достаточно давно в ЦАГИ развиваются работы по обеспечению ламинарного обтекания пассажирских самолетов. Несколько слов о данном направлении, получившем в последние несколько лет новое дыхание. Это очень большой резерв с точки зрения повышения технико-экономических характеристик: уменьшается расход топлива, снижается сопротивление. Однако перечисленные плюсы привносят и существенные минусы. Дело в том, что самолетам с ламинаризированным обтеканием необходимо иметь более простую механизацию. Следовательно, пострадают взлетно-посадочные характеристики. Из-за уменьшения стреловидности может снизиться скорость. Соединить все это вместе, сбалансировать преимущества и недостатки — непростая задача, над которой работают аэродинамики. Мы спроектировали несколько конфигураций, в том числе с двигателями над задней кромкой крыла. В результате было показано, что ламинарное обтекание крыла можно обеспечить без существенных ухудшений характеристик.

Также рассматривается ламинаризация обтекания и других элементов летательного аппарата: мотогондол двигателей, вертикального и горизонтального оперения. В этом ключе работают специалисты-аэродинамики под руководством А.В. Лысенкова и В.Г. Судакова. Проект по разработке ламинарной мотогондолы в рамках контракта с АО «ОДК — «Авиадвигатель» стартовал в 2014 году и в перспективе будет развиваться.

К сожалению, из-за особенности течений в аэродинамических трубах моделировать ламинарное обтекание натурного объекта в установке невозможно в принципе. Конечное подтверждение вопросов ламинаризации течения необходимо в полете. Для этого нужен летающий демонстратор, который может базироваться на одном из существующих летательных аппаратов.

Солидное число проектов, в которых рассматриваются нетрадиционные компоновки различного толка, мы изучаем в содружестве с другими комплексами и подразделениями. В качестве примера можно привести компоновки с различными вариантами интеграции двигателя и планера. Кроме летных и летно-технических характеристик мы пытаемся получить «дивиденды» экологического характера, в частности, уменьшить шум на местности. Одна из таких компоновок — это «летающее крыло», над которой идет работа больше 25 лет. В отличие от компоновок классического типа здесь много сложных и порой неожиданных задач. Для их решения требуется тщательная проработка как на уровне расчетов, так и экспериментов.

Отдельно коснусь важных и нужных компетенций специалистов отделения аэротермодинамики гиперзвуковых летательных аппаратов и объектов ракетно-космической техники. Во-первых, это аэротермодинамика — вопросы аэродинамического нагрева на больших скоростях. Во-вторых, развивается космическая тематика, растут скорости полета других высокоскоростных объектов. Все это делает компетенции в этой области еще более важными и востребованными. И наконец, активно развивается направление работ, связанных с вопросами физики обледенения летательных аппаратов, защиты от данного явления и характеристик самолетов от опасных условий появления льда. Исследования в этой области проводятся коллективом под руководством А.Б. Миллера.

О международной деятельности комплекса

Если говорить о международной деятельности комплекса аэродинамики, развивается она хорошо и плодотворно. Хотелось бы рассказать о нескольких проектах.

Прежде всего, упомяну проект AFLoNext (2nd Generation Active wing — Active Flow, Loads & Noise Control on next Generation Wing / Активное крыло 2-го поколения — Активное управление потоком, нагрузками и шумом на крыле следующего поколения). Это важная и содержательная работа, которая стартовала в 2013 году и будет продолжаться еще несколько лет. В ней принимают участие 40 российских и зарубежных организаций, в том числе ФГУП «ЦАГИ». В создание крупномасштабной модели внесли свой вклад как сотрудники комплекса аэродинамики (В.Г. Судаков, И.С. Клипиков), так и специалисты других отделений (В.Е. Мошаров, Г.А. Амирьянц, А.О. Шардин и другие). Основная цель исследований — создание технологий для улучшения аэродинамических характеристик самолетов гражданской авиации следующих поколений на основе инновационных разработок систем управления обтеканием летательных аппаратов.

Исследования способов снижения звукового удара при полете сверхзвуковых самолетов, определение приемлемого уровня шума и вибрации для населения и зданий, над которыми производятся полеты, — тема еще одного международного проекта RUMBLE (RegUlation and norM for low sonic Boom Levels / Регламент и нормы для низких уровней звукового удара). Стартовал он в прошлом году и рассчитан на три года.

О работе вертолетного отделения

Не могу не отметить вклад наших коллег-вертолетчиков. Это подразделение, относительно небольшое, активно работающее, достигло в последние годы больших успехов. Из прорывных проектов упомяну два.

В 2016–2017 годах начала испытываться созданная на базе Ми-24 летающая лаборатория с новым несущим винтом. С точки зрения скоростных характеристик были достигнуты небывалые для классического вертолета значения — превышен рубеж 400 км/ч, в то время как современные вертолеты развивают скорость около 300–350 км/ч. В основе таких впечатляющих цифр — результаты НИР «Взлет-2015» и НИР «Перспективный скоростной вертолет». В этих исследованиях ученые и специалисты отделения приняли активное участие. В настоящее время продолжаются работы по рулевому винту для данного вертолета.

Вторая проблема, которую решают специалисты подразделения, — неуправляемое вращение одновинтовых вертолетов. Это один из наиболее опасных режимов полета такого типа винтокрылых машин. В рамках НИР «Вращение» создается стенд ВП-19, на котором затем будут проводиться эксперименты для изучения этого опасного явления. Работа очень важна для обеспечения безопасности и выполняется сотрудниками отделения под руководством В.А. Леонтьева и В.С. Крымского.

Под прицелом исследований наших коллег-вертолетчиков находятся и футуристические проекты, оригинальные идеи различного толка. Это и «скрещивание» вертолетов и самолетов, взлетающих вертикально, а в дальнейшем летающих по-самолетному. В перспективе будет создаваться демонстратор такой технологии…

Вернуться к списку

Тема №1: Основные законы аэродинамики.

Основные свойства воздуха.

Атмосферой называется газовая оболочка, окружающая земной шар.  Газ, составляющий эту оболочку, называется воздухом. Высота атмосферы более 2000 км. Атмосфера разделяется на тропосферу, стратосферу и ионосферу. 

Тропосферой называется самый нижний слой атмосферы (7-8 км над полюсами и 16-17 км над экватором). В нём содержится около 80% массы всей атмосферы, хотя по объёму тропосфера около 1% атмосферы. Состоит тропосфера из: 78% азота, 21% кислорода и около 1% других газов. В тропосфере сосредоточен почти весь водяной пар (именно он образует облака).

Температура воздуха. Температура задаёт скорость хаотического движения молекул. Чем больше температура, тем больше скорость их движения. В тропосфере с повышением высоты уменьшается температура воздуха на 6.5° на каждые 1000м. Тёплые слои вохдуха поднимаются вверх, холодные слои опускаются вниз. Это, в совокупностью со свойствами водяного пара, приводит к образованию облаков, выпадению осадков и образованию ветров.

Градиент температур – разность температур в разных точках пространства или в разное время. К примеру, если ночью термометр показывает 15° C а днём 30° C, то градиент температур за день составляет 15°. Чем больший температурный градиент, тем большая термичность воздуха, а значит и больше и сильнее восходящие воздушные потоки. В зимнее время земля прогревается слабее и температурный градиент очень мал. Поэтому зимой более спокойная атмосфера, более пригодная дла обучения дельтапланеризму.

Давление воздуха. Давление – это сила, действующая на единицу площади перпендикулярно к ней. Всякое тело находящееся в неподвижном воздухе, испытывает со стороны последнего давление, одинаковое со всех сторон (закон Паскаля). Атмосферное давление объясняется тем, что воздух, подобно другим веществам, имеет вес и притягивается Землёй силой притяжения. Атмосферное давление уменьшается вместе с высотой. Чем больше давление, тем плотнее воздух (т.е. больше плотность воздуха). На высотах больше 5км из-за низкого давления затруднено дыхание. Многие альпинисты покоряющие вершины 7-8км гор используют кислородные баллоны со сжатым газом.

Влажность воздуха. Влажность воздуха — это количество паров воды в воздухе. Чем больше паров воды, тем выше влажность. Влажность бывает абсолютной (% воды относительно остальных газов) и относительной (% воды от максимально возможной в данных условиях). Чаще всего оперируют именно относительной влажностью. Более подробнее этот вопрос будет рассмотрен в разделе метеорология.

Инертность воздуха — свойство воздуха, характеризующее его способность сопротивляться изменениям. Чем плотнее воздух, тем сложнее его «растормошить», т. е. тем больше его инертность.

Сжимаемость воздуха. Сжимаемость — это свойство газов изменять своют плотность при изменении давления. Наибольшую значимость имеет при полётах скоростях близких или больших скорости звука.

Закон Бернулли.

Закон (уравение) Бернулли:

Где:

•  — плотность жидкости,
•  — скорость потока,
• h — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,
• p — давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости,
• g — ускорение свободного падения.

Возьмём трубу, через которую протекает жидкость. Наша труба не одинакова по всей длине, а имеет различный диаметр сечения (рис. 1). Закон Бернулли выражается в том, что несмотря на различный диаметр, через любое сечение в этой трубе за одно и тоже время протекает одинаковый объём жидкости.

Рис. 1. Закон Бернулли.

Т.е. сколько жидкости проходит через одно сечение трубы за некоторое время, столько же ее должно пройти за такое же время через любое другое сечение. А так как объём жидкости не изменяется, а сама жидкость практически не сжимается, то изменяется что-то другое. 

Изменяется давление жидкости и её скорость. В более узкой части трубы скорость движения жидкости выше, а давление ниже. И наоборот, в широких частях трубы скорость ниже, а давление выше. Если трубу, по которой течет жидкость, снабдить впаянными в нее открытыми трубками—манометрами, то можно будет наблюдать распределение давления вдоль трубы (рис. 2).

Рис. 2. Труба разного сечения с трубками-монометрами.

Все сказанное о движении жидкости по трубам относится и к движению газа. Если скорость течения газа не слишком велика и газ не сжимается настолько, чтобы изменялся его объем, и если, кроме того, пренебречь трением, то закон Бернулли верен и для газовых потоков. В узких частях труб, где газ движется быстрее, давление его меньше, чем в широких частях.

Применительно к аэродинамике закон Бернулли выражается в том, что набегающий на крыло воздушный поток имеет различную скорость и давление под крылом и над крылом, ввиду чего возникает подъёмная сила крыла (рис. 3).

Рис. 3. Разность давлений при обтекании крыла воздушным потоком.

Проведём простой эксперимент. Возьмём небольшой листок бумаги и разместим его прямо перед собой таким образом (рис. 4):

Рис. 4. Эксперимент с листком бумаги №1

А затем подуем над его поверхностью. При это листок, вопреки ожиданиям, вместо того, чтобы прогнуться ещё больше по направлению к Земле, наоборот выпрямится (рис. 5).

Рис. 5. Результат эксперимента №1.

Всё дело в том, что, выдувая воздух над поверхностью листка, мы уменьшаем его давление, в то время как давление воздуха под листком остаётся прежним. Получается, что над листком образуется область пониженного давления, а под листком — повышенного. Воздушные массы пытаются «перебраться» из области высокого давления в область низкого, образуя подъемную силу. И листок выпрямляется.

Можно провести и другой опыт. Возьмём 2 листка бумаги и разместим их перед собой следующим образом (рис. 6):

Рис. 6. Эксперимент с листком бумаги №2.

А затем подув в область между ними, листки бумаги, вопреки нашим ожиданиям, вместо того, чтобы отодвинуться друг от друга, наоборот приблизятся (рис. 7).

Рис. 7. Результат эксперимента №2.

Здесь мы наблюдаем тот же самый эффект. Воздушные массы с внешних сторон листком имеют большее давление, нежели ускоренный нами воздух между листками. Это и приводит к тому, что листки бумаги притягиваются к друг другу.

Этот же принцип используют для осуществления своих полётов парапланы, дельтапланы, самолёты, планёры, вертолёты и др. летательные аппараты. Именно это позволяет взлететь вверх многотонному пассажирскому самолёту.

Обтекание воздушным потоком твердых тел различной формы. Симметричное и несимметричное обтекание.

Опираясь на принципы аэродинамики инженеры смогли создать великое множество разнообразных летательных аппаратов. Некоторые из них способны нести огромный груз, с приемлемыми затратами топлива, некоторые способны разгонять скорости многократно превышающие скорости звука, некоторые способны на сложную воздушную акробатику (всевозможные манёвры высшего пилотажа вроде мёртвой петли, бочки, кобры Пугачёва и т.д.).

В общих чертах наука аэродинамика изучает обтекание тел различной формы воздушным потоком на разных скоростях и в разных условиях. Понимание общих принципов аэродинамики повышает эффективность и безопасность полётов.

При обтекании твердого тела воздушный поток подвергается деформации, что приводит к изменению скорости, давления, температуры и плотности в струйках потока. Таким образом, около поверхности обтекаемого тела создается область переменных скоростей и давлений воздуха. Изучением поведения воздушных масс в различных условиях и занимается наука аэродинамика.

От того какую форму имеет подопытный объект, будет зависеть при каких скоростях ветра он сможет летать, и насколько эффективно. К примеру, для свободного полёта человека без каких-либо приспособлений достаточно ветра силой ~ 60-70 м\с (240 км\ч). Настолько быстрые воздушные потоки можно встретить в аэродинамических трубах. Опытные парашютисты отрабатывают в них сложные манёвры, которые в дальнейшем можно использоваться в свободном падении. От расположения рук, ног, головы зависит скорость и направление снижения.

Для начала необходимо определиться с тем, что из себя представляет набегающий поток воздуха. Воздушные массы могут самостоятельно двигаться относительно неподвижно стоящего объекта. Это ветер. Но если объект двигается относительно неподвижно стоящих воздушных масс, то мы наблюдаем тот же самый случай. 

Различают два вида скоростей тела. Воздушная скорость – это скорость движения тела относительно окружающих его воздушных масс. Путевая скорость – это скорость движения тела относительно земли. Таким образом объект может иметь определённую воздушную скорость даже не сдвигаясь с места. Достаточно дождаться подходящего ветра. Действительно и обратное – объект который визуально перемещается в пространстве относительно земли, может обладать нулевой воздушной скоростью. К примеру, это может быть пушинка подхваченная и унесённая ветром.

Рассмотрим несколько типовых форм тел обтекаемых воздушным потоком. 

Плоская пластинка, помещённая под углом 90° к воздушному потоку, создает довольно резкое изменение направления движения потока, обтекающего ее: торможение потока перед ней, поджатие струек у ее краев и образование непосредственно за краем пластинки разрежения и больших вихрей, которые заполняют всю область за пластинкой (рис. 8). Позади пластинки можно наблюдать хорошо заметную спутную струю. Перед пластинкой давление будет больше чем в невозмущенном потоке, а за пластинкой вследствие разрежения давление уменьшится.

Рис. 8. Спектр обтекания воздушным потоком плоской пластинки.

Такой объект называется неудобообтекаемым. Воздушный поток теряет слишком много скорости и энергии натыкаясь на него. У такого объекта очень большое лобовое сопротивление.

Если на место пластинки мы поместим шар, то картина обтекания изменится (рис. 9). Набегающий поток будет меньше тормозиться перед объектом и плавнее огибать его по краям. Однако за ним всё равно будет образовываться довольно широкая область завихрений.

Рис. 9. Спектр обтекания воздушным потоком шарообразного тела.

Наиболее плавный характер обтекания, как в передней, так и в хвостовой части, имеет каплеобразное тело (рис. 10). Деформация потока при этом незначительна, и, соответственно, в хвостовой части образуются небольшие завихрения.

Рис. 10. Спектр обтекания воздушным потоком каплеобразного тела.

Такие тела (каплеобразные) в аэродинамике называются удобообтекаемыми. Различают симметричные и несимметричные удобообтекаемые тела.

Симметричное удобообтекаемое тело создает одинаковую деформацию, поджатие воздушных струек в верхней и нижней части (сечение А-Б, рис. 11).

Рис. 11. Спектр обтекания воздушным потоком симметричного удобообтекаемого тела.

Удобообтекаемое несимметричное тело по характеру обтекания близко к удобообтекаемому симметричному, и отличается лишь величиной и разностью деформаций струек в верхней и нижней частях тела (рис. 12). 

Рис. 12. Спектр обтекания воздушным потоком несимметричного удобообтекаемого тела.

Удобообтекаемые тела имеют значительно меньшее лобовое сопротивление, т.к. их форма позволяет им как можно меньше возмущать окружающие их воздушные массы. Именно такие формы придают всем внешним частям летательных аппаратов.

Чем меньше лобовое сопротивление тела, тем большую скорость оно способно развить, а соответственно и дальше улететь при прочих равных условиях.

Обтекание крыла воздушным потоком. Угол атаки. Силы, действующие на летательный аппарат.

При обтекании крыла воздушный поток деформируется таким образом, что на верхней поверхности крыла его скорость возрастает, а на нижней — уменьшается. Благодаря этому появляется подъемная сила, удерживающая наше крыло в воздухе.

Согласно третьему закону Ньютона сила воздействия крыла на воздух равна силе воздействия воздушного потока на крыло. Эта сила получила название полной аэродинамической силы R крыла. Так вот, в полете на дельтаплан действуют, в общем случае, только две силы: аэродинамическая сила R и сила тяжести G. Первая приложена в центре давления, а вторая — в центре массы аппарата. Для удобства представим, что две эти точки совпадают.

Если обтекание крыла имеет симметричный характер, то направление полной аэродинамической силы совпадает с направлением невозмущенного потока (рис. 13).

Рис. 13. Симметричное обтекание тела воздушным потоком.

Но в общем случае воздушный поток обтекает тело несимметрично, под каким-нибудь углом. Величина, действующей на крыло полной аэродинамической силы, зависит от угла, под которым крыло встречает набегающий поток воздуха. Этот угол называется углом атаки и определяется, как угол между хордой крыла (отрезком, соединяющим две наиболее удаленные точки крыла) и вектором скорости набегающего потока.

Угол атаки может быть положительным, отрицательным и нулевым (рис. 14):

Рис. 14. Угол атаки.

Крыло дельтаплана имеет сложную форму, при которой хорды его сечений расположены под разными углами атаки к набегающему потоку воздуха. В этом случае, угол атаки определяется, как угол образованный так называемой средней аэродинамической хордой крыла и вектором скорости воздушного потока.

Для справки: средняя аэродинамическая хорда крыла — это хорда условно прямоугольного крыла, которое создает такой же продольный момент относительно центра тяжести самолёта, что и действительное крыло.

Вернемся к силам, действующим на летательный аппарат. Силы принято раскладывать по осям, а действие моментов рассматривать вокруг этих осей. Правая прямоугольная система координат — это три оси, начало которых находится в центре масс аппарата (мы для удобства совместили его с центром давления). Положительное направление оси X будет направлено по вектору скорости полета, оси Y перпендикулярно к оси X вверх, а ось Z направлена перпендикулярно к плоскости, в которой находятся оси X и Y вдоль правого крыла.

Теперь разложим полную аэродинамическую силу R и силу тяжести G по осям, направленным по траектории планирования и перпендикулярно к ней (рис. 15).

Рис. 15. Силы, действующие на крыло в полёте.

Полная аэродинамическая сила R разложится на подъемную силу Разложим силу R на подъемную силу Y, направленную перпендикулярно к пути, и силу лобового сопротивления X, направленную в противоположную сторону пути движения аппарата. Поэтому если быть математически точным, то ее надо писать со знаком «—». Слагаемые силы G — силы Gx и Gy — равны по величине и противоположны по направлению силам X и У. Надо помнить, что хотя сила Y и называется подъемной силой, но она не уравновешивает весь вес, а только одну его составляющую. Сила X уравновешивает ту составляющую силу веса, которая иногда называется маршевой силой. Маршевая сила направлена по вектору скорости поступательного движения дельтаплана или другого планера. Таким образом, движущей силой является составляющая веса Gx, возникающая вследствие движения по траектории, наклоненной к горизонту. Сила Z появляется только при криволинейном движении в горизонтальной плоскости.

Скачать в формате Word
Вернуться в раздел «Лекции»

это… Основы и особенности аэродинамики

Array
(
    [TAGS] => Авиастроение
    [~TAGS] => Авиастроение
    [ID] => 104708
    [~ID] => 104708
    [NAME] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
    [~NAME] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
    [IBLOCK_ID] => 1
    [~IBLOCK_ID] => 1
    [IBLOCK_SECTION_ID] => 104
    [~IBLOCK_SECTION_ID] => 104
    [DETAIL_TEXT] => 

 

	 Аэродинамика – это область знания, изучающая движения потоков воздуха и их воздействия на твердые тела. Является подразделом гидро- и газодинамики. Исследования в этой области восходят к глубокой древности, ко времени изобретения стрел и планирующих копий, позволявших дальше и точнее посылать снаряд в цель. Однако потенциал аэродинамики полностью был раскрыт с изобретением аппаратов тяжелее воздуха, способных летать либо планировать на значительные расстояния.


 С древних времен


	 Открытие законов аэродинамики в 20 веке способствовало фантастическому скачку во многих областях науки и техники, особенно в транспортной сфере. На ее достижениях созданы современные летательные аппараты, позволившие сделать общедоступным фактически любой уголок планеты Земля. Первые упоминания о попытке покорения неба встречаются в греческом мифе об Икаре и Дедале. Отец с сыном соорудили крылья, похожие на птичьи. Это указывает на то, что еще тысячелетия назад люди задумывались о возможности оторваться от земли. Очередной всплеск интереса к сооружению летательных аппаратов возник в эпоху Возрождения. Страстный исследователь Леонардо да Винчи много времени посвятил этой проблеме. Известны его записи, в которых объяснены принципы работы простейшего вертолета.


 

 Новая эпоха


	 Глобальный прорыв в науке (и аэронавтике в частности) совершил Исаак Ньютон. Ведь в основе аэродинамики лежит всеобъемлющая наука механика, родоначальником которой стал английский ученый. Ньютон первым рассмотрел воздушную среду как конгломерат частиц, которые, набегая на препятствие, либо прилипают к нему, либо упруго отражаются. В 1726 году он представил публике теорию сопротивления воздуха. Впоследствии выяснилось, что среда действительно состоит из мельчайших частиц – молекул. Отражающую способность воздуха рассчитывать научились достаточно точно, а эффект «прилипания» считали несостоятельным предположением. Удивительно, но данная теория нашла практическое применение спустя столетия. В 60-х, на заре космической эры, советские конструкторы столкнулись с проблемой расчета аэродинамического сопротивления спускаемых аппаратов «затупленной» сферической формы, при приземлении развивающих гиперзвуковые скорости. Из-за отсутствия мощных ЭВМ вычислить данный показатель было проблематично. Неожиданно выяснилось, что достаточно точно рассчитать величину сопротивления и даже распределение давления по лобовой части можно по простой формуле Ньютона, касающейся эффекта «прилипания» частиц к летящему объекту.


 Развитие аэродинамики


	 Основатель гидродинамики Даниэль Бернулли описал в 1738 году фундаментальную взаимосвязь между давлением, плотностью и скоростью для несжимаемого потока, известную сегодня как принцип Бернулли, который также применителен к расчетам силы аэродинамического подъема. В 1799 году сэр Джордж Кэли стал первым человеком, который идентифицировал четыре аэродинамических силы полета (вес, подъемную силу, сопротивление и тягу), а также отношения между ними. В 1871 году Фрэнсис Герберт Уэнам создал первую аэродинамическую трубу, позволяющую точно измерять аэродинамические силы. Неоценимые научные теории разработаны Жаном Ле Рондом Даламбером, Густавом Кирхгофом, лордом Рэлеем. В 1889 году Чарльз Ренард, французский инженер по аэронавтике, стал первым человеком, который научно рассчитал мощность, необходимую для устойчивого полета.


 

 От теории к практике


	 В 19 веке изобретатели взглянули на крыло с научной точки зрения. И благодаря исследованиям механизма полета птиц была изучена аэродинамика в действии, которую позже применили к искусственным летательным аппаратам. Особо в исследованиях механики крыла преуспел Отто Лилиенталь. Немецким авиаконструктором создано и испытано 11 типов планеров, в том числе биплан. Им же совершен первый полет на аппарате тяжелее воздуха. За относительно недолгую жизнь (46 лет) он совершил порядка 2000 полетов, постоянно совершенствуя конструкцию, которая скорее напоминала дельтаплан, чем самолет. Он погиб во время очередного полета 10 августа 1896 года, став и первопроходцем аэронавтики, и первой жертвой авиакатастрофы. Кстати, один из планеров немецкий изобретатель лично передал пионеру в изучении аэродинамики самолетов Жуковскому Николаю Егоровичу.


	 Жуковский не просто экспериментировал с конструкциями самолетов. В отличие от многих энтузиастов того времени, прежде всего он рассматривал поведение воздушных потоков с научной точки зрения. В 1904 году он основал первый в мире аэродинамический институт в Качино под Москвой. С 1918 года возглавлял ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт).


 

 Первые самолеты


	 Аэродинамика – это наука, позволившая человеку покорить небо. Без ее изучения было бы невозможно строить летательные аппараты, стабильно перемещающиеся в воздушных потоках. Первый самолет в привычном нам понимании изготовили и подняли в воздух 7 декабря 1903 года братья Райт. Однако этому событию предшествовала тщательная теоретическая работа. Американцы много времени посвятили отладке конструкции планера в аэродинамической трубе собственной разработки. Во время первых полетов Фредерик В. Ланчестер, Мартин Вильгельм Кутта и Николай Жуковский выдвинули теории, которые объясняли циркуляцию воздушных потоков, создающих подъемную силу. Кутта и Жуковский продолжили разработку двумерной теории крыла. Людвигу Прандтлу приписывают развитие математической теории тонких аэродинамических и подъемных сил, а также работу с пограничными слоями.


 Проблемы и решения


	 Важность аэродинамики самолетов возрастала по мере увеличения их скоростей. Конструкторы начали сталкиваться с проблемами, связанными со сжатием воздуха со скоростью, близкой или большей, чем скорость звука. Различия в потоках при таких условиях привели к проблемам управления воздушным судном, увеличению сопротивления из-за ударных волн и угрозе разрушения конструкции из-за аэроупругого флаттера. Отношение скорости потока к скорости звука было названо числом Маха по имени Эрнста Маха, который одним из первых исследовал свойства сверхзвукового потока. Уильям Джон Маккуорн Ренкин и Пьер Анри Гугониот независимо друг от друга разработали теорию свойств течения воздуха до и после ударной волны, в то время как Якоб Акерет провел начальную работу по вычислению подъема и сопротивления сверхзвуковых аэродинамических поверхностей. Теодор фон Карман и Хью Латимер Драйден ввели термин «околозвуковой» для описания скоростей на границе 1 Маха (965-1236 км/час), когда сопротивление быстро растет. Впервые звуковой барьер был преодолен в 1947 году на самолете Bell X-1.


 

 Основные характеристики


	 Согласно законам аэродинамики, для обеспечения полета в атмосфере земли любого аппарата важно знать:


	 Аэродинамическое сопротивление (ось X), оказываемое потоками воздуха на объект. Исходя из этого параметра подбирается мощность силовой установки. Подъемную силу (ось Y), обеспечивающую набор высоты и позволяющую аппарату лететь горизонтально к поверхности земли. Моменты аэродинамических сил по трем осям координат, действующих на летящий объект. Наиболее важным является момент боковой силы по оси Z (Mz), направленной поперек самолета (условно вдоль линии крыла). Он определяет степень продольной устойчивости (будет ли аппарат «нырять» или задирать нос вверх при полете).


 Классификация


	 Аэродинамические характеристики классифицируются по условиям и свойствам воздушного потока, включая скорость, сжимаемость и вязкость. Внешняя аэродинамика – это исследование потока вокруг твердых объектов различной формы. Примерами являются оценка подъема и вибраций самолета, а также ударных волн, которые образуются перед носом ракеты. Внутренняя аэродинамика – это исследование воздушного потока, перемещающегося через отверстия (проходы) в твердых объектах. Например, она охватывает изучение потоков через реактивный двигатель. Аэродинамические показатели также могут быть классифицированы в зависимости от скорости потока: Дозвуковой называют скорость, меньшую скорости звука. Околозвуковой (трансзвуковой) – если присутствуют скорости как ниже, так и выше скорости звука. Сверхзвуковой – когда скорость потока больше скорости звука. Гиперзвуковая – скорость потока намного больше скорости звука. Обычно под этим определением подразумевают скорости с числами Маха выше 5.


 Аэродинамика вертолета


	 Если принцип полета самолета основан на подъемной силе при поступательном движении, оказываемой на крыло, то вертолет как бы сам создает подъемную силу за счет вращения лопастей в режиме осевого обдува (то есть без поступательной скорости). Благодаря данной особенности геликоптер способен зависать в воздухе на месте и совершать энергичные маневры вокруг оси.


 

 Другие области применения


	 Естественно, аэродинамика применима не только к летательным аппаратам. Сопротивление воздуха испытывают все объекты, движущиеся в пространстве в газовой и жидкой среде. Известно, что водные обитатели – рыбы и млекопитающие – обладают обтекаемыми формами. На их примере можно проследить аэродинамику в действии. Ориентируясь на животный мир, люди также делают водный транспорт заостренной либо каплевидной формы. Это касается кораблей, катеров, подводных лодок.


 

	 Значительное сопротивление воздуха испытывают транспортные средства: оно возрастает по мере увеличения скорости. Для достижения лучшей аэродинамики автомобилям придают обтекаемую форму. Особенно это актуально для спорткаров.


	 Читайте также: 


 КА-52 «АЛЛИГАТОР» - ВЕРТОЛЕТ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ПОДДЕРЖКИ


 МАКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ВЕРТОЛЕТА. САМЫЕ БЫСТРЫЕ ВЕРТОЛЕТЫ


 МИ-8: ХАРАКТЕРИСТИКИ, БОЕВЫЕ ВЫЛЕТЫ, КАТАСТРОФЫ И ФОТО ВЕРТОЛЕТА


 СПАСАТЕЛЬНЫЕ ВЕРТОЛЕТЫ МЧС РОССИИ: ОБЗОР, ОПИСАНИЕ И ФОТО


 МИ-6 (ВЕРТОЛЕТ): МОДЕЛИ, ФОТО, ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ГРУЗОПОДЪЕМНОСТЬ


	 Источник:  
	fb.ru
    [~DETAIL_TEXT] => 

 

	 Аэродинамика – это область знания, изучающая движения потоков воздуха и их воздействия на твердые тела. Является подразделом гидро- и газодинамики. Исследования в этой области восходят к глубокой древности, ко времени изобретения стрел и планирующих копий, позволявших дальше и точнее посылать снаряд в цель. Однако потенциал аэродинамики полностью был раскрыт с изобретением аппаратов тяжелее воздуха, способных летать либо планировать на значительные расстояния.


 С древних времен


	 Открытие законов аэродинамики в 20 веке способствовало фантастическому скачку во многих областях науки и техники, особенно в транспортной сфере. На ее достижениях созданы современные летательные аппараты, позволившие сделать общедоступным фактически любой уголок планеты Земля. Первые упоминания о попытке покорения неба встречаются в греческом мифе об Икаре и Дедале. Отец с сыном соорудили крылья, похожие на птичьи. Это указывает на то, что еще тысячелетия назад люди задумывались о возможности оторваться от земли. Очередной всплеск интереса к сооружению летательных аппаратов возник в эпоху Возрождения. Страстный исследователь Леонардо да Винчи много времени посвятил этой проблеме. Известны его записи, в которых объяснены принципы работы простейшего вертолета.


 

 Новая эпоха


	 Глобальный прорыв в науке (и аэронавтике в частности) совершил Исаак Ньютон. Ведь в основе аэродинамики лежит всеобъемлющая наука механика, родоначальником которой стал английский ученый. Ньютон первым рассмотрел воздушную среду как конгломерат частиц, которые, набегая на препятствие, либо прилипают к нему, либо упруго отражаются. В 1726 году он представил публике теорию сопротивления воздуха. Впоследствии выяснилось, что среда действительно состоит из мельчайших частиц – молекул. Отражающую способность воздуха рассчитывать научились достаточно точно, а эффект «прилипания» считали несостоятельным предположением. Удивительно, но данная теория нашла практическое применение спустя столетия. В 60-х, на заре космической эры, советские конструкторы столкнулись с проблемой расчета аэродинамического сопротивления спускаемых аппаратов «затупленной» сферической формы, при приземлении развивающих гиперзвуковые скорости. Из-за отсутствия мощных ЭВМ вычислить данный показатель было проблематично. Неожиданно выяснилось, что достаточно точно рассчитать величину сопротивления и даже распределение давления по лобовой части можно по простой формуле Ньютона, касающейся эффекта «прилипания» частиц к летящему объекту.


 Развитие аэродинамики


	 Основатель гидродинамики Даниэль Бернулли описал в 1738 году фундаментальную взаимосвязь между давлением, плотностью и скоростью для несжимаемого потока, известную сегодня как принцип Бернулли, который также применителен к расчетам силы аэродинамического подъема. В 1799 году сэр Джордж Кэли стал первым человеком, который идентифицировал четыре аэродинамических силы полета (вес, подъемную силу, сопротивление и тягу), а также отношения между ними. В 1871 году Фрэнсис Герберт Уэнам создал первую аэродинамическую трубу, позволяющую точно измерять аэродинамические силы. Неоценимые научные теории разработаны Жаном Ле Рондом Даламбером, Густавом Кирхгофом, лордом Рэлеем. В 1889 году Чарльз Ренард, французский инженер по аэронавтике, стал первым человеком, который научно рассчитал мощность, необходимую для устойчивого полета.


 

 От теории к практике


	 В 19 веке изобретатели взглянули на крыло с научной точки зрения. И благодаря исследованиям механизма полета птиц была изучена аэродинамика в действии, которую позже применили к искусственным летательным аппаратам. Особо в исследованиях механики крыла преуспел Отто Лилиенталь. Немецким авиаконструктором создано и испытано 11 типов планеров, в том числе биплан. Им же совершен первый полет на аппарате тяжелее воздуха. За относительно недолгую жизнь (46 лет) он совершил порядка 2000 полетов, постоянно совершенствуя конструкцию, которая скорее напоминала дельтаплан, чем самолет. Он погиб во время очередного полета 10 августа 1896 года, став и первопроходцем аэронавтики, и первой жертвой авиакатастрофы. Кстати, один из планеров немецкий изобретатель лично передал пионеру в изучении аэродинамики самолетов Жуковскому Николаю Егоровичу.


	 Жуковский не просто экспериментировал с конструкциями самолетов. В отличие от многих энтузиастов того времени, прежде всего он рассматривал поведение воздушных потоков с научной точки зрения. В 1904 году он основал первый в мире аэродинамический институт в Качино под Москвой. С 1918 года возглавлял ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт).


 

 Первые самолеты


	 Аэродинамика – это наука, позволившая человеку покорить небо. Без ее изучения было бы невозможно строить летательные аппараты, стабильно перемещающиеся в воздушных потоках. Первый самолет в привычном нам понимании изготовили и подняли в воздух 7 декабря 1903 года братья Райт. Однако этому событию предшествовала тщательная теоретическая работа. Американцы много времени посвятили отладке конструкции планера в аэродинамической трубе собственной разработки. Во время первых полетов Фредерик В. Ланчестер, Мартин Вильгельм Кутта и Николай Жуковский выдвинули теории, которые объясняли циркуляцию воздушных потоков, создающих подъемную силу. Кутта и Жуковский продолжили разработку двумерной теории крыла. Людвигу Прандтлу приписывают развитие математической теории тонких аэродинамических и подъемных сил, а также работу с пограничными слоями.


 Проблемы и решения


	 Важность аэродинамики самолетов возрастала по мере увеличения их скоростей. Конструкторы начали сталкиваться с проблемами, связанными со сжатием воздуха со скоростью, близкой или большей, чем скорость звука. Различия в потоках при таких условиях привели к проблемам управления воздушным судном, увеличению сопротивления из-за ударных волн и угрозе разрушения конструкции из-за аэроупругого флаттера. Отношение скорости потока к скорости звука было названо числом Маха по имени Эрнста Маха, который одним из первых исследовал свойства сверхзвукового потока. Уильям Джон Маккуорн Ренкин и Пьер Анри Гугониот независимо друг от друга разработали теорию свойств течения воздуха до и после ударной волны, в то время как Якоб Акерет провел начальную работу по вычислению подъема и сопротивления сверхзвуковых аэродинамических поверхностей. Теодор фон Карман и Хью Латимер Драйден ввели термин «околозвуковой» для описания скоростей на границе 1 Маха (965-1236 км/час), когда сопротивление быстро растет. Впервые звуковой барьер был преодолен в 1947 году на самолете Bell X-1.


 

 Основные характеристики


	 Согласно законам аэродинамики, для обеспечения полета в атмосфере земли любого аппарата важно знать:


	 Аэродинамическое сопротивление (ось X), оказываемое потоками воздуха на объект. Исходя из этого параметра подбирается мощность силовой установки. Подъемную силу (ось Y), обеспечивающую набор высоты и позволяющую аппарату лететь горизонтально к поверхности земли. Моменты аэродинамических сил по трем осям координат, действующих на летящий объект. Наиболее важным является момент боковой силы по оси Z (Mz), направленной поперек самолета (условно вдоль линии крыла). Он определяет степень продольной устойчивости (будет ли аппарат «нырять» или задирать нос вверх при полете).


 Классификация


	 Аэродинамические характеристики классифицируются по условиям и свойствам воздушного потока, включая скорость, сжимаемость и вязкость. Внешняя аэродинамика – это исследование потока вокруг твердых объектов различной формы. Примерами являются оценка подъема и вибраций самолета, а также ударных волн, которые образуются перед носом ракеты. Внутренняя аэродинамика – это исследование воздушного потока, перемещающегося через отверстия (проходы) в твердых объектах. Например, она охватывает изучение потоков через реактивный двигатель. Аэродинамические показатели также могут быть классифицированы в зависимости от скорости потока: Дозвуковой называют скорость, меньшую скорости звука. Околозвуковой (трансзвуковой) – если присутствуют скорости как ниже, так и выше скорости звука. Сверхзвуковой – когда скорость потока больше скорости звука. Гиперзвуковая – скорость потока намного больше скорости звука. Обычно под этим определением подразумевают скорости с числами Маха выше 5.


 Аэродинамика вертолета


	 Если принцип полета самолета основан на подъемной силе при поступательном движении, оказываемой на крыло, то вертолет как бы сам создает подъемную силу за счет вращения лопастей в режиме осевого обдува (то есть без поступательной скорости). Благодаря данной особенности геликоптер способен зависать в воздухе на месте и совершать энергичные маневры вокруг оси.


 

 Другие области применения


	 Естественно, аэродинамика применима не только к летательным аппаратам. Сопротивление воздуха испытывают все объекты, движущиеся в пространстве в газовой и жидкой среде. Известно, что водные обитатели – рыбы и млекопитающие – обладают обтекаемыми формами. На их примере можно проследить аэродинамику в действии. Ориентируясь на животный мир, люди также делают водный транспорт заостренной либо каплевидной формы. Это касается кораблей, катеров, подводных лодок.


 

	 Значительное сопротивление воздуха испытывают транспортные средства: оно возрастает по мере увеличения скорости. Для достижения лучшей аэродинамики автомобилям придают обтекаемую форму. Особенно это актуально для спорткаров.


	 Читайте также: 


 КА-52 «АЛЛИГАТОР» - ВЕРТОЛЕТ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ПОДДЕРЖКИ


 МАКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ВЕРТОЛЕТА. САМЫЕ БЫСТРЫЕ ВЕРТОЛЕТЫ


 МИ-8: ХАРАКТЕРИСТИКИ, БОЕВЫЕ ВЫЛЕТЫ, КАТАСТРОФЫ И ФОТО ВЕРТОЛЕТА


 СПАСАТЕЛЬНЫЕ ВЕРТОЛЕТЫ МЧС РОССИИ: ОБЗОР, ОПИСАНИЕ И ФОТО


 МИ-6 (ВЕРТОЛЕТ): МОДЕЛИ, ФОТО, ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ГРУЗОПОДЪЕМНОСТЬ


	 Источник:  
	fb.ru
    [DETAIL_TEXT_TYPE] => html
    [~DETAIL_TEXT_TYPE] => html
    [PREVIEW_TEXT] => Аэродинамика – это область знания, изучающая движения потоков воздуха и их воздействия на твердые тела. Является подразделом гидро- и газодинамики.
    [~PREVIEW_TEXT] => Аэродинамика – это область знания, изучающая движения потоков воздуха и их воздействия на твердые тела. Является подразделом гидро- и газодинамики.
    [PREVIEW_TEXT_TYPE] => text
    [~PREVIEW_TEXT_TYPE] => text
    [DETAIL_PICTURE] => 
    [~DETAIL_PICTURE] => 
    [TIMESTAMP_X] => 28.10.2019 08:25:21
    [~TIMESTAMP_X] => 28.10.2019 08:25:21
    [ACTIVE_FROM] => 28.10.2019
    [~ACTIVE_FROM] => 28.10.2019
    [LIST_PAGE_URL] => /news/
    [~LIST_PAGE_URL] => /news/
    [DETAIL_PAGE_URL] => /news/104/104708/
    [~DETAIL_PAGE_URL] => /news/104/104708/
    [LANG_DIR] => /
    [~LANG_DIR] => /
    [CODE] => aerodinamika_eto_osnovy_i_osobennosti_aerodinamiki
    [~CODE] => aerodinamika_eto_osnovy_i_osobennosti_aerodinamiki
    [EXTERNAL_ID] => 104708
    [~EXTERNAL_ID] => 104708
    [IBLOCK_TYPE_ID] => news
    [~IBLOCK_TYPE_ID] => news
    [IBLOCK_CODE] => news
    [~IBLOCK_CODE] => news
    [IBLOCK_EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1
    [~IBLOCK_EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1
    [LID] => s1
    [~LID] => s1
    [NAV_RESULT] => 
    [DISPLAY_ACTIVE_FROM] => 28.10.2019
    [IPROPERTY_VALUES] => Array
        (
            [SECTION_META_TITLE] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
            [SECTION_META_KEYWORDS] => аэродинамика - это... основы и особенности аэродинамики
            [SECTION_META_DESCRIPTION] => Аэродинамика – это область знания, изучающая движения потоков воздуха и их воздействия на твердые тела. Является подразделом гидро- и газодинамики.
            [SECTION_PAGE_TITLE] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
            [ELEMENT_META_TITLE] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
            [ELEMENT_META_KEYWORDS] => аэродинамика - это... основы и особенности аэродинамики
            [ELEMENT_META_DESCRIPTION] => Аэродинамика – это область знания, изучающая движения потоков воздуха и их воздействия на твердые тела. Является подразделом гидро- и газодинамики.
            [ELEMENT_PAGE_TITLE] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
            [SECTION_PICTURE_FILE_ALT] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
            [SECTION_PICTURE_FILE_TITLE] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
            [SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
            [SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
            [ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_ALT] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
            [ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_TITLE] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
            [ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
            [ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => Аэродинамика - это... Основы и особенности аэродинамики
        )

    [FIELDS] => Array
        (
            [TAGS] => Авиастроение
        )

    [DISPLAY_PROPERTIES] => Array
        (
        )

    [IBLOCK] => Array
        (
            [ID] => 1
            [~ID] => 1
            [TIMESTAMP_X] => 15.02.2016 17:09:48
            [~TIMESTAMP_X] => 15.02.2016 17:09:48
            [IBLOCK_TYPE_ID] => news
            [~IBLOCK_TYPE_ID] => news
            [LID] => s1
            [~LID] => s1
            [CODE] => news
            [~CODE] => news
            [NAME] => Пресс-центр
            [~NAME] => Пресс-центр
            [ACTIVE] => Y
            [~ACTIVE] => Y
            [SORT] => 500
            [~SORT] => 500
            [LIST_PAGE_URL] => /news/
            [~LIST_PAGE_URL] => /news/
            [DETAIL_PAGE_URL] => #SITE_DIR#/news/#SECTION_ID#/#ELEMENT_ID#/
            [~DETAIL_PAGE_URL] => #SITE_DIR#/news/#SECTION_ID#/#ELEMENT_ID#/
            [SECTION_PAGE_URL] => #SITE_DIR#/news/#SECTION_ID#/
            [~SECTION_PAGE_URL] => #SITE_DIR#/news/#SECTION_ID#/
            [PICTURE] => 
            [~PICTURE] => 
            [DESCRIPTION] => 
            [~DESCRIPTION] => 
            [DESCRIPTION_TYPE] => text
            [~DESCRIPTION_TYPE] => text
            [RSS_TTL] => 24
            [~RSS_TTL] => 24
            [RSS_ACTIVE] => Y
            [~RSS_ACTIVE] => Y
            [RSS_FILE_ACTIVE] => N
            [~RSS_FILE_ACTIVE] => N
            [RSS_FILE_LIMIT] => 0
            [~RSS_FILE_LIMIT] => 0
            [RSS_FILE_DAYS] => 0
            [~RSS_FILE_DAYS] => 0
            [RSS_YANDEX_ACTIVE] => N
            [~RSS_YANDEX_ACTIVE] => N
            [XML_ID] => clothes_news_s1
            [~XML_ID] => clothes_news_s1
            [TMP_ID] => c83b747129a532c27a029fc5ccf0d07c
            [~TMP_ID] => c83b747129a532c27a029fc5ccf0d07c
            [INDEX_ELEMENT] => Y
            [~INDEX_ELEMENT] => Y
            [INDEX_SECTION] => Y
            [~INDEX_SECTION] => Y
            [WORKFLOW] => N
            [~WORKFLOW] => N
            [BIZPROC] => N
            [~BIZPROC] => N
            [SECTION_CHOOSER] => L
            [~SECTION_CHOOSER] => L
            [LIST_MODE] => 
            [~LIST_MODE] => 
            [RIGHTS_MODE] => S
            [~RIGHTS_MODE] => S
            [SECTION_PROPERTY] => N
            [~SECTION_PROPERTY] => N
            [PROPERTY_INDEX] => N
            [~PROPERTY_INDEX] => N
            [VERSION] => 1
            [~VERSION] => 1
            [LAST_CONV_ELEMENT] => 0
            [~LAST_CONV_ELEMENT] => 0
            [SOCNET_GROUP_ID] => 
            [~SOCNET_GROUP_ID] => 
            [EDIT_FILE_BEFORE] => 
            [~EDIT_FILE_BEFORE] => 
            [EDIT_FILE_AFTER] => 
            [~EDIT_FILE_AFTER] => 
            [SECTIONS_NAME] => Разделы
            [~SECTIONS_NAME] => Разделы
            [SECTION_NAME] => Раздел
            [~SECTION_NAME] => Раздел
            [ELEMENTS_NAME] => Новости
            [~ELEMENTS_NAME] => Новости
            [ELEMENT_NAME] => Новость
            [~ELEMENT_NAME] => Новость
            [CANONICAL_PAGE_URL] => 
            [~CANONICAL_PAGE_URL] => 
            [EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1
            [~EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1
            [LANG_DIR] => /
            [~LANG_DIR] => /
            [SERVER_NAME] => www.alfa-industry.ru
            [~SERVER_NAME] => www.alfa-industry.ru
        )

    [SECTION] => Array
        (
            [PATH] => Array
                (
                    [0] => Array
                        (
                            [ID] => 104
                            [~ID] => 104
                            [TIMESTAMP_X] => 2015-11-25 18:37:33
                            [~TIMESTAMP_X] => 2015-11-25 18:37:33
                            [MODIFIED_BY] => 2
                            [~MODIFIED_BY] => 2
                            [DATE_CREATE] => 2015-07-17 14:13:03
                            [~DATE_CREATE] => 2015-07-17 14:13:03
                            [CREATED_BY] => 1
                            [~CREATED_BY] => 1
                            [IBLOCK_ID] => 1
                            [~IBLOCK_ID] => 1
                            [IBLOCK_SECTION_ID] => 
                            [~IBLOCK_SECTION_ID] => 
                            [ACTIVE] => Y
                            [~ACTIVE] => Y
                            [GLOBAL_ACTIVE] => Y
                            [~GLOBAL_ACTIVE] => Y
                            [SORT] => 5
                            [~SORT] => 5
                            [NAME] => Интересные статьи
                            [~NAME] => Интересные статьи
                            [PICTURE] => 
                            [~PICTURE] => 
                            [LEFT_MARGIN] => 9
                            [~LEFT_MARGIN] => 9
                            [RIGHT_MARGIN] => 10
                            [~RIGHT_MARGIN] => 10
                            [DEPTH_LEVEL] => 1
                            [~DEPTH_LEVEL] => 1
                            [DESCRIPTION] => 
                            [~DESCRIPTION] => 
                            [DESCRIPTION_TYPE] => text
                            [~DESCRIPTION_TYPE] => text
                            [SEARCHABLE_CONTENT] => ИНТЕРЕСНЫЕ СТАТЬИ

                            [~SEARCHABLE_CONTENT] => ИНТЕРЕСНЫЕ СТАТЬИ

                            [CODE] => 
                            [~CODE] => 
                            [XML_ID] => 104
                            [~XML_ID] => 104
                            [TMP_ID] => 
                            [~TMP_ID] => 
                            [DETAIL_PICTURE] => 
                            [~DETAIL_PICTURE] => 
                            [SOCNET_GROUP_ID] => 
                            [~SOCNET_GROUP_ID] => 
                            [LIST_PAGE_URL] => /news/
                            [~LIST_PAGE_URL] => /news/
                            [SECTION_PAGE_URL] => /news/104/
                            [~SECTION_PAGE_URL] => /news/104/
                            [IBLOCK_TYPE_ID] => news
                            [~IBLOCK_TYPE_ID] => news
                            [IBLOCK_CODE] => news
                            [~IBLOCK_CODE] => news
                            [IBLOCK_EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1
                            [~IBLOCK_EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1
                            [EXTERNAL_ID] => 104
                            [~EXTERNAL_ID] => 104
                            [IPROPERTY_VALUES] => Array
                                (
                                    [SECTION_META_TITLE] => Интересные статьи
                                    [SECTION_META_KEYWORDS] => интересные статьи
                                    [SECTION_META_DESCRIPTION] => 
                                    [SECTION_PAGE_TITLE] => Интересные статьи
                                    [ELEMENT_META_TITLE] => Интересные статьи
                                    [ELEMENT_META_KEYWORDS] => интересные статьи
                                    [ELEMENT_META_DESCRIPTION] => 
                                    [ELEMENT_PAGE_TITLE] => Интересные статьи
                                    [SECTION_PICTURE_FILE_ALT] => Интересные статьи
                                    [SECTION_PICTURE_FILE_TITLE] => Интересные статьи
                                    [SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => Интересные статьи
                                    [SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => Интересные статьи
                                    [ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_ALT] => Интересные статьи
                                    [ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_TITLE] => Интересные статьи
                                    [ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => Интересные статьи
                                    [ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => Интересные статьи
                                )

                        )

                )

        )

    [SECTION_URL] => /news/104/
)

28.10.2019

Аэродинамика – это область знания, изучающая движения потоков воздуха и их воздействия на твердые тела. Является подразделом гидро- и газодинамики. Исследования в этой области восходят к глубокой древности, ко времени изобретения стрел и планирующих копий, позволявших дальше и точнее посылать снаряд в цель. Однако потенциал аэродинамики полностью был раскрыт с изобретением аппаратов тяжелее воздуха, способных летать либо планировать на значительные расстояния.

С древних времен

Открытие законов аэродинамики в 20 веке способствовало фантастическому скачку во многих областях науки и техники, особенно в транспортной сфере. На ее достижениях созданы современные летательные аппараты, позволившие сделать общедоступным фактически любой уголок планеты Земля. Первые упоминания о попытке покорения неба встречаются в греческом мифе об Икаре и Дедале. Отец с сыном соорудили крылья, похожие на птичьи. Это указывает на то, что еще тысячелетия назад люди задумывались о возможности оторваться от земли. Очередной всплеск интереса к сооружению летательных аппаратов возник в эпоху Возрождения. Страстный исследователь Леонардо да Винчи много времени посвятил этой проблеме. Известны его записи, в которых объяснены принципы работы простейшего вертолета.

Новая эпоха

Глобальный прорыв в науке (и аэронавтике в частности) совершил Исаак Ньютон. Ведь в основе аэродинамики лежит всеобъемлющая наука механика, родоначальником которой стал английский ученый. Ньютон первым рассмотрел воздушную среду как конгломерат частиц, которые, набегая на препятствие, либо прилипают к нему, либо упруго отражаются. В 1726 году он представил публике теорию сопротивления воздуха. Впоследствии выяснилось, что среда действительно состоит из мельчайших частиц – молекул. Отражающую способность воздуха рассчитывать научились достаточно точно, а эффект «прилипания» считали несостоятельным предположением. Удивительно, но данная теория нашла практическое применение спустя столетия. В 60-х, на заре космической эры, советские конструкторы столкнулись с проблемой расчета аэродинамического сопротивления спускаемых аппаратов «затупленной» сферической формы, при приземлении развивающих гиперзвуковые скорости. Из-за отсутствия мощных ЭВМ вычислить данный показатель было проблематично. Неожиданно выяснилось, что достаточно точно рассчитать величину сопротивления и даже распределение давления по лобовой части можно по простой формуле Ньютона, касающейся эффекта «прилипания» частиц к летящему объекту.

Развитие аэродинамики

Основатель гидродинамики Даниэль Бернулли описал в 1738 году фундаментальную взаимосвязь между давлением, плотностью и скоростью для несжимаемого потока, известную сегодня как принцип Бернулли, который также применителен к расчетам силы аэродинамического подъема. В 1799 году сэр Джордж Кэли стал первым человеком, который идентифицировал четыре аэродинамических силы полета (вес, подъемную силу, сопротивление и тягу), а также отношения между ними. В 1871 году Фрэнсис Герберт Уэнам создал первую аэродинамическую трубу, позволяющую точно измерять аэродинамические силы. Неоценимые научные теории разработаны Жаном Ле Рондом Даламбером, Густавом Кирхгофом, лордом Рэлеем. В 1889 году Чарльз Ренард, французский инженер по аэронавтике, стал первым человеком, который научно рассчитал мощность, необходимую для устойчивого полета.

От теории к практике

В 19 веке изобретатели взглянули на крыло с научной точки зрения. И благодаря исследованиям механизма полета птиц была изучена аэродинамика в действии, которую позже применили к искусственным летательным аппаратам. Особо в исследованиях механики крыла преуспел Отто Лилиенталь. Немецким авиаконструктором создано и испытано 11 типов планеров, в том числе биплан. Им же совершен первый полет на аппарате тяжелее воздуха. За относительно недолгую жизнь (46 лет) он совершил порядка 2000 полетов, постоянно совершенствуя конструкцию, которая скорее напоминала дельтаплан, чем самолет. Он погиб во время очередного полета 10 августа 1896 года, став и первопроходцем аэронавтики, и первой жертвой авиакатастрофы. Кстати, один из планеров немецкий изобретатель лично передал пионеру в изучении аэродинамики самолетов Жуковскому Николаю Егоровичу.

Жуковский не просто экспериментировал с конструкциями самолетов. В отличие от многих энтузиастов того времени, прежде всего он рассматривал поведение воздушных потоков с научной точки зрения. В 1904 году он основал первый в мире аэродинамический институт в Качино под Москвой. С 1918 года возглавлял ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт).

Первые самолеты

Аэродинамика – это наука, позволившая человеку покорить небо. Без ее изучения было бы невозможно строить летательные аппараты, стабильно перемещающиеся в воздушных потоках. Первый самолет в привычном нам понимании изготовили и подняли в воздух 7 декабря 1903 года братья Райт. Однако этому событию предшествовала тщательная теоретическая работа. Американцы много времени посвятили отладке конструкции планера в аэродинамической трубе собственной разработки. Во время первых полетов Фредерик В. Ланчестер, Мартин Вильгельм Кутта и Николай Жуковский выдвинули теории, которые объясняли циркуляцию воздушных потоков, создающих подъемную силу. Кутта и Жуковский продолжили разработку двумерной теории крыла. Людвигу Прандтлу приписывают развитие математической теории тонких аэродинамических и подъемных сил, а также работу с пограничными слоями.

Проблемы и решения

Важность аэродинамики самолетов возрастала по мере увеличения их скоростей. Конструкторы начали сталкиваться с проблемами, связанными со сжатием воздуха со скоростью, близкой или большей, чем скорость звука. Различия в потоках при таких условиях привели к проблемам управления воздушным судном, увеличению сопротивления из-за ударных волн и угрозе разрушения конструкции из-за аэроупругого флаттера. Отношение скорости потока к скорости звука было названо числом Маха по имени Эрнста Маха, который одним из первых исследовал свойства сверхзвукового потока. Уильям Джон Маккуорн Ренкин и Пьер Анри Гугониот независимо друг от друга разработали теорию свойств течения воздуха до и после ударной волны, в то время как Якоб Акерет провел начальную работу по вычислению подъема и сопротивления сверхзвуковых аэродинамических поверхностей. Теодор фон Карман и Хью Латимер Драйден ввели термин «околозвуковой» для описания скоростей на границе 1 Маха (965-1236 км/час), когда сопротивление быстро растет. Впервые звуковой барьер был преодолен в 1947 году на самолете Bell X-1.

Основные характеристики

Согласно законам аэродинамики, для обеспечения полета в атмосфере земли любого аппарата важно знать:

Аэродинамическое сопротивление (ось X), оказываемое потоками воздуха на объект. Исходя из этого параметра подбирается мощность силовой установки. Подъемную силу (ось Y), обеспечивающую набор высоты и позволяющую аппарату лететь горизонтально к поверхности земли. Моменты аэродинамических сил по трем осям координат, действующих на летящий объект. Наиболее важным является момент боковой силы по оси Z (Mz), направленной поперек самолета (условно вдоль линии крыла). Он определяет степень продольной устойчивости (будет ли аппарат «нырять» или задирать нос вверх при полете).

Классификация

Аэродинамические характеристики классифицируются по условиям и свойствам воздушного потока, включая скорость, сжимаемость и вязкость. Внешняя аэродинамика – это исследование потока вокруг твердых объектов различной формы. Примерами являются оценка подъема и вибраций самолета, а также ударных волн, которые образуются перед носом ракеты. Внутренняя аэродинамика – это исследование воздушного потока, перемещающегося через отверстия (проходы) в твердых объектах. Например, она охватывает изучение потоков через реактивный двигатель. Аэродинамические показатели также могут быть классифицированы в зависимости от скорости потока: Дозвуковой называют скорость, меньшую скорости звука. Околозвуковой (трансзвуковой) – если присутствуют скорости как ниже, так и выше скорости звука. Сверхзвуковой – когда скорость потока больше скорости звука. Гиперзвуковая – скорость потока намного больше скорости звука. Обычно под этим определением подразумевают скорости с числами Маха выше 5.

Аэродинамика вертолета

Если принцип полета самолета основан на подъемной силе при поступательном движении, оказываемой на крыло, то вертолет как бы сам создает подъемную силу за счет вращения лопастей в режиме осевого обдува (то есть без поступательной скорости). Благодаря данной особенности геликоптер способен зависать в воздухе на месте и совершать энергичные маневры вокруг оси.

Другие области применения

Естественно, аэродинамика применима не только к летательным аппаратам. Сопротивление воздуха испытывают все объекты, движущиеся в пространстве в газовой и жидкой среде. Известно, что водные обитатели – рыбы и млекопитающие – обладают обтекаемыми формами. На их примере можно проследить аэродинамику в действии. Ориентируясь на животный мир, люди также делают водный транспорт заостренной либо каплевидной формы. Это касается кораблей, катеров, подводных лодок.

Значительное сопротивление воздуха испытывают транспортные средства: оно возрастает по мере увеличения скорости. Для достижения лучшей аэродинамики автомобилям придают обтекаемую форму. Особенно это актуально для спорткаров.

Читайте также: 

КА-52 «АЛЛИГАТОР» — ВЕРТОЛЕТ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ПОДДЕРЖКИ

МАКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ВЕРТОЛЕТА. САМЫЕ БЫСТРЫЕ ВЕРТОЛЕТЫ

МИ-8: ХАРАКТЕРИСТИКИ, БОЕВЫЕ ВЫЛЕТЫ, КАТАСТРОФЫ И ФОТО ВЕРТОЛЕТА

СПАСАТЕЛЬНЫЕ ВЕРТОЛЕТЫ МЧС РОССИИ: ОБЗОР, ОПИСАНИЕ И ФОТО

МИ-6 (ВЕРТОЛЕТ): МОДЕЛИ, ФОТО, ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ГРУЗОПОДЪЕМНОСТЬ

Источник:  fb.ru

Просмотров: 632

Аэродинамика

1. Вся информация, представленная в базе данных Porsche Новости, включая, но не ограничиваясь, тексты, изображения, аудио и видео документы, охраняется авторскими правами или другими законодательными актами, защищающими интеллектуальную собственность. Данная информация предоставляется в пользование журналистам в качестве источника для их собственных публикаций в СМИ и не предназначена для коммерческого использования, в частности в рекламных целях. Передача текстов, изображений, аудио- и видео- материалов неавторизованным третьим лицам запрещена.

2. Все логотипы и товарные знаки, упомянутые в базе данных Porsche Новости, являются собственностью Др. Инж. х.с. Ф. Порше Акционерное Общество (далее Porsche AG), за исключением случаев, когда указано иное. 

3. Все содержимое базы данных Porsche Новости тщательно составлено и обработано. Тем не менее, информация может содержать расхождения и неточности. Porsche AG не несет ответственности за результаты, полученные в ходе использования предоставленной информации, в частности, касаемо точности, актуальности и полноты.

4. База данных Porsche Новости предоставляет информацию, связанную с транспортными средствами и относящуюся к рынку Германии. Все утверждения о стандартном оборудовании, юридических и налоговых нормах и последствиях действительны только для Федеративной Республики Германии.

5. При использовании базы данных Porsche Новости не могут быть исключены такие технические ошибки, как задержка передачи новостных данных. Porsche AG не несет ответственности за какой-либо причиненный этим ущерб.

6. Так как база данных Porsche Новости предоставляет ссылки на сторонние интернет — ресурсы, Porsche AG не несет ответственности за содержимое сайтов, на которые предоставлена ссылка. Используя такие ссылки, пользователь покидает информационные продукты Porsche AG.

7. Соглашаясь с изложенными условиями и положениями, пользователь обязан воздерживаться от неправомерного использования базы данных Porsche Новости.

8. В случае неправомерного использования, Porsche AG оставляет за собой право заблокировать доступ к базе данных Porsche Новости.

9. Если одно или несколько положений настоящих положений утратят силу, это не повлияет на юридическую силу остальных положений.

Русский космос: Гении космических скоростей

Крылья российской авиации, её мозг и её сердце — это наука аэродинамика, которая родилась в России, и во многом стараниями сибирских учёных сохраняет абсолютный авторитет нашей страны во всём, что касается механики полёта.​ 

Как вы удерживаете своих талантливых сотрудников в Сибири, учитывая, что у них наверняка есть много других предложений?

Кстати об оборудовании: откуда берутся средства на регулярное обновление вашей уникальной технологической базы?

Есть мнение, что эта система уже выработала свой ресурс — американцы сажают беспилотник на Марс, а мы…

Не надо впадать в крайности. В США финансирование подобных проектах гораздо больше, да и Маск — хороший пиарщик, но тут, как говорится, каждому своё. По мне так сейчас гораздо интереснее ближний космос, из которого, используя современные приборы и методы интеллектуальной обработки, можно наблюдать нашу Землю. Мы ведь ещё так мало о ней знаем! Как говорил легендарный геолог, академик Николай Леонтьевич Добрецов, который, к сожалению, ушёл из жизни в 2020‑м году, космос открывает нам совершенно новые возможности в изучении структуры Земли: именно сверху мы можем увидеть её на сотни километров вглубь, открывать новые месторождения воды, полезных ископаемых, геотермальной энергии. Колонизировать Марс полетит может быть, сотня-другая человек, а здесь останутся миллиарды, так что русский космос, как всегда, служит человеку.

​

Главный объект исследований в нашей лаборатории сегодня — пилотируемый космический корабль «Орёл» (вы также можете знать его под проектным названием «Федерация»), первый беспилотный полёт которого назначен на 2023 год.

Работа над заменой семейства космических пилотируемых кораблей «Союз» ведется давно. Все, конечно, помнят легендарный «Буран», который создавался как альтернатива американским шаттлам. Также в 80‑х велись работы над созданием многоразового транспортного корабля «Заря», но ввиду сокращения финансирования этот проект не получил развития. Впрочем, на «Зарю» отчасти ориентировались современные российские разработчики, создававшие космический корабль «Орёл». Сейчас это один из ключевых проектов в контексте создания Россией промышленной транспортной системы для освоения околоземного пространства, Луны и, возможно, Марса.

Так, например, мои коллеги исследовали аэродинамические характеристики космического корабля «Орёл» во время его спуска с орбиты на Землю. За это время аппарат проходит очень большое количество разных режимов обтекания. Некоторые из них делают аппарат неустойчивым — он начинает сильно колебаться или сильно нагреваться. Любой недочёт в оценке аэротермодинамики космического корабля может стать фатальным: спейс-шаттл «Коламбия», например, разрушился именно при возвращении на Землю из-за разрушения теплозащитного слоя на плоскости крыла. Все семь членов экипажа тогда погибли. Чтобы обезопасить наших космонавтов, необходимо было детально исследовать аэродинамику аппарата. Для этого модель «Орла», оснащённая измерительным оборудованием, была помещена в установку Т‑313, где исследовалось как аэродинамические характеристики аппарата, так и характеристики аэродинамического демпфирования.

На другой исследовательской модели «Орла» мы исследовали условия его посадки. Особенностью этого комического корабля является то, что реактивные струи направлены вертикально вниз — с одной стороны, это обеспечивает мягкое приземление, но с другой — есть свои нюансы в работе двигателей, а также при воздействии струй на корпус корабля. Весь процесс посадки был отработан у нас на базе, и экспериментальные результаты были также использованы в дальнейшем для проверки компьютерных моделей.

В целом, эксперимент для учёного-аэродинамика — это всегда праздник: новые задачи, новые открытия. Как говорил мой отец-инженер, «наука нужна, чтобы самолёты летали». Когда, благодаря нашей работе, благополучно взлетают и приземляются самолёты и космические корабли — это вдохновляет. 

Иван Николаевич Кавун, заведующий Лабораторией экспериментальной аэродинамики​

Александр Владимирович Кашковский, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лаборатории вычислительной аэродинамики 

Не хотелось бы, чтобы меня запомнили как «утопителя» орбитальной станции «Мир», но, видимо, придётся рассказать об этой исторической задаче, которая отчасти решалась и в нашем Институте. (Улыбается.) Чтобы направить «Мир» в нужную точку Тихого океана, нужно было сообщить станции «правильный» тормозной импульс, а также обеспечить максимальное аэродинамическое сопротивление и минимальный возмущающий момент, иначе станцию могло закрутить. Осложняли положение сильно разветвлённая за счёт солнечных батарей конструкция станции и её стотонный вес — получалось, что нужно перебрать несколько миллиардов вариантов положения модулей, чтобы найти оптимальную конфигурацию для спуска в океан. В нашей лаборатории была разработана методика, которая позволила сделать это в заданные сроки. Мы выяснили, как нужно развернуть солнечные батареи, чтобы поступательно затормозить «Мир» и стабилизировать его положение в атмосфере.

Гибридный вычислительный кластер Aero, на котором мы сейчас проводим свои расчеты, состоит из одного управляющего и шести вычислительных узлов. Каждый вычислительный узел оснащён двумя 20‑ядерными центральными процессорами, двумя графическими процессорами и имеет 256 ГБ оперативной памяти. Суммарная пиковая производительность кластера составляет 84 терафлопса, то есть теоретически способен выполнять 84 триллиона вычислительных операций в секунду — с задачей, которую на обычном офисном компьютер придётся решать год, вычислительный кластер позволит справиться за сутки-двое.

Подобные компьютеры предназначены для решения в прямом смысле космических задач — на нашем Aero мы проводим расчёты для Ракетно-космической корпорации «Энергия». Так, для того, чтобы полностью исследовать аэродинамику пилотируемого космического корабля «Орёл» при спуске, необходимо было провести более трёх сотен расчётов в изменяемых условиях — скорость, давление, угол атаки и так далее. Обычно инженер-конструктор космического корабля уделяет расчётам аэродинамических характеристик в среднем 2% времени — всё-таки в основном его внимание сосредоточено на конструкции летательного аппарата. Но сегодня экономика проектов имеет очень большое значение. Если, усовершенствовав аэродинамику корабля, можно сэкономить, скажем, на прочности и теплозащите, перераспределив ресурсы в пользу других важных функций — нужно это сделать! О безопасности космонавтов я даже не говорю: любая ошибка в расчётах может обернуться трагедией. Поэтому за высокоточными, затратными расчётами разработчики аэрокосмической техники обращаются к нам, тем более, что разработанные нами методы могут применятся для определения аэродинамических характеристик и других спускаемых аппаратов.

Текст: Марина Кондратьева

Фото: Антон Медведев, Андрей Бортко 

Что такое аэродинамика? | Живая наука

Аэродинамика — это изучение взаимодействия газов с движущимися телами. Поскольку газ, с которым мы чаще всего сталкиваемся, — это воздух, аэродинамика в первую очередь связана с силами сопротивления и подъемной силы, которые возникают при прохождении воздуха над твердыми телами и вокруг них. Инженеры применяют принципы аэродинамики к конструкции самых разных объектов, включая здания, мосты и даже футбольные мячи; однако первоочередное внимание уделяется аэродинамике самолетов и автомобилей.

Аэродинамика играет важную роль в изучении полета, а также в науке о строительстве и эксплуатации самолета, которая называется воздухоплаванием. Инженеры-авиастроители используют основы аэродинамики для проектирования самолетов, которые летают в атмосфере Земли.

Аэродинамическое сопротивление

Самая важная аэродинамическая сила, которая применяется почти ко всему, что движется в воздухе, — это сопротивление. По данным НАСА, сопротивление — это сила, которая препятствует движению самолета в воздухе.Перетаскивание создается в том направлении, в котором движется воздух, когда он встречает твердый объект. В большинстве случаев, например, в автомобилях и самолетах, сопротивление нежелательно, поскольку для его преодоления требуется энергия. Однако в некоторых случаях сопротивление полезно, например, при использовании парашютов.

Чтобы описать величину сопротивления объекта, мы используем значение, называемое коэффициентом сопротивления (c _d ). Это число зависит не только от формы объекта, но и от других факторов, таких как скорость и шероховатость поверхности, плотность воздуха и от того, является ли поток ламинарным (гладким) или турбулентным.Силы, влияющие на сопротивление, включают давление воздуха на поверхность объекта, трение по сторонам объекта и относительно отрицательное давление или всасывание на задней стороне объекта. Например, c _d для плоской пластины, движущейся лицом вверх по воздуху, составляет около 1,3, куба лицом к лицу — около 1, сфера — около 0,5, а форма капли — около 0,05. Коэффициент аэродинамического сопротивления современных автомобилей составляет от 0,25 до 0,35, а для самолетов — от 0,01 до 0,03. Вычисление c _d может быть сложным.По этой причине его обычно определяют с помощью компьютерного моделирования или экспериментов в аэродинамической трубе.

Аэродинамика самолета

Чтобы преодолеть силы сопротивления, самолет должен создавать тягу. Это достигается с помощью пропеллера с моторным приводом или реактивного двигателя. Когда самолет находится в горизонтальном полете с постоянной скоростью, силы тяги достаточно, чтобы противодействовать аэродинамическому сопротивлению.

Движущийся воздух также может создавать силы в направлении, отличном от направления потока.Сила, удерживающая самолет от падения, называется подъемной силой. Подъемная сила создается крылом самолета. Путь по изогнутой верхней части крыла длиннее, чем путь по плоской нижней части крыла. Это заставляет воздух двигаться вверху быстрее, чем внизу. При прочих равных условиях, в соответствии с принципом Бернулли, сформулированным Даниэлем Бернулли, одним из самых важных пионеров в области гидродинамики, более быстрое движение воздуха имеет более низкое давление, чем более медленно движущийся воздух.Это различие — то, что позволяет более медленно движущемуся воздуху прижиматься к нижней части крыла с большей силой, чем более быстро движущийся воздух прижимается к верхней части крыла. В горизонтальном полете этой восходящей силы достаточно, чтобы противодействовать нисходящей силе, вызванной гравитацией.

Аэродинамические силы также используются для управления самолетом в полете. Когда братья Райт совершили свой первый полет в 1903 году, им нужен был способ управлять своим самолетом для набора высоты, снижения, крена и поворота.Они разработали так называемое трехосное управление тангажом, креном и рысканием. По тангажу (нос направлен вверх или вниз) управляет руль высоты («закрылки») на задней или задней кромке горизонтального стабилизатора в хвостовой части. Крен (наклон влево или вправо) контролируется элеронами (также закрылками) на задних кромках крыльев возле законцовок. Рыскание (нос влево или вправо) регулируется рулем направления на задней кромке вертикального стабилизатора в хвостовой части. Эти элементы управления используют третий закон движения Ньютона, потому что они создают силу, отклоняя воздушный поток в направлении, противоположном желаемому движению.Эта сила также позволяет пилотажным самолетам летать вверх ногами.

Пилот может также использовать закрылки на внутренней части задней кромки крыла во время взлета и посадки. В нижнем положении закрылки увеличивают подъемную силу и сопротивление, позволяя самолету лететь медленнее без сваливания. Некоторые более крупные самолеты могут также выдвигать предкрылки на передней или передней кромке крыльев для увеличения подъемной силы на низких скоростях.

Когда плавный воздушный поток над крылом самолета нарушается и это снижает подъемную силу, может произойти сваливание.Согласно Руководству по полетам самолетов Федерального управления гражданской авиации, «это происходит, когда крыло превышает свой критический угол атаки. Это может происходить при любой скорости полета, в любом положении, при любых настройках мощности». Как правило, большинство сваливаний происходит, когда самолет движется слишком медленно со слишком большим направленным вверх углом носа. Воздух больше не течет по верхней поверхности, а вместо этого отрывается и образует турбулентные завихрения на верхней части крыла. Это приводит к тому, что самолет теряет подъемную силу и начинает падать, иногда довольно резко.

Еще одна вещь, которая может случиться в самолете, — это штопор. Руководство по полету самолета определяет штопор как «сильное сваливание, которое приводит к так называемому« авторотации », когда самолет движется по нисходящей траектории штопора». Обычно это происходит при медленном повороте, когда более медленное внутреннее крыло останавливается, а внешнее крыло все еще создает подъемную силу. «Особенно на малой высоте успешное восстановление вращения на многих самолетах может быть трудным, если не невозможным», — говорят Скот Кэмпбелл, докторант аэрокосмической техники в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн, и Дональд Таллер, помощник старшего летного инструктора. в Институте авиации Университета Иллинойса, написав статью «Аэродинамика вращения» для Канадской ассоциации владельцев и пилотов.Одна из причин этого — опасность войти в плоский штопор, при котором оба крыла и все управляющие поверхности остановятся, и самолет упадет, как семя клена.

Аэродинамика автомобилей

Автомобили начали использовать аэродинамические формы кузова в самом начале своей истории. Когда двигатели стали мощнее, а автомобили — быстрее, инженеры-автомобилестроители поняли, что сопротивление ветра значительно снижает их скорость.Первыми автомобилями, которые приняли улучшенную аэродинамику или обтекаемость, были гоночные автомобили и те, которые пытались побить рекорд наземной скорости.

«Мечтатели, инженеры, гонщики и предприниматели были соблазнены потенциалом значительных улучшений аэродинамики», — написал Пол Нидермейер, автор книги «История автомобилестроения: иллюстрированная история автомобильной аэродинамики» на веб-сайте Curbside Classic. «В результате этих усилий были созданы одни из самых выдающихся автомобилей, когда-либо созданных, даже если они бросили вызов эстетическим представлениям своего времени.»

Что касается аэродинамики гоночного автомобиля, доктор Джо Дэвид, профессор машиностроения и аэрокосмической техники, известный как» Mr. Stock Car »в Университете штата Северная Каролина, сказал:« Большая часть лошадиных сил, генерируемых гоночным двигателем, съедается воздухом высокого давления, толкающим переднюю часть автомобиля, и воздухом низкого давления — частичным вакуумом — тянущим за автомобиль сзади ».

Однако сопротивление не может быть единственным соображением. Хотя подъемная сила желательна для самолета, она может быть опасной для автомобиля.Чтобы лучше контролировать рулевое управление и торможение, автомобили спроектированы таким образом, что ветер оказывает нисходящее усилие по мере увеличения их скорости. Однако увеличение этой направленной вниз силы увеличивает сопротивление, что, в свою очередь, увеличивает расход топлива и ограничивает скорость, поэтому эти две силы должны быть тщательно сбалансированы.

Во многих классах гоночных автомобилей используются подвижные крылообразные аэродинамические поверхности для регулирования направленной вниз силы воздуха на автомобиль. При настройке гоночного автомобиля необходимо также учитывать турбулентность, вызванную другими автомобилями на трассе.Для этого необходимо настроить аэродинамические поверхности автомобиля таким образом, чтобы во время гонки усилие, направленное вниз, было больше, чем необходимо для квалификации, когда автомобиль находится на трассе самостоятельно. Вот почему время круга во время квалификации обычно намного меньше, чем во время гонки.

Многие из тех же аэродинамических принципов, которые используются в гонках, применимы и к обычным легковым и грузовым автомобилям. Автомобильные инженеры используют компьютерное моделирование и эксперименты в аэродинамической трубе с масштабными моделями и реальными транспортными средствами для точной настройки аэродинамики автомобилей таким образом, чтобы они создавали оптимальное количество направленной вниз силы на передние и задние колеса с минимально возможным сопротивлением.

Дополнительные ресурсы

• Посмотрите галерею некоторых действительно крутых обтекаемых автомобилей в Иллюстрированной истории автомобильной аэродинамики Curbside Classic.
• На сайте Смитсоновского национального музея авиации и космонавтики есть мероприятия и мультимедийные проекты на тему «Как летают вещи».
• Измерьте коэффициент лобового сопротивления вашего автомобиля в эксперименте на веб-сайте Instructables.

Аэродинамика | гидромеханика | Britannica

Aerodynamics , раздел физики, изучающий движение воздуха и других газообразных жидкостей, а также силы, действующие на тела, проходящие через такую ​​жидкость.В частности, аэродинамика пытается объяснить принципы полета самолетов, ракет и ракет. Он также занимается проектированием автомобилей, высокоскоростных поездов и судов, а также строительством таких конструкций, как мосты и высокие здания, для определения их устойчивости к сильным ветрам.

Подробнее по этой теме

: Аэродинамика

На самолет, выполняющий прямолинейный безускоренный полет, действуют четыре силы.(При повороте, пикировании или подъеме дополнительно …

Наблюдения за полетом птиц и снарядами вызвали у древних размышления о задействованных силах и способе их взаимодействия. Однако они не имели реальных знаний о физических свойствах воздуха и не пытались систематически изучать эти свойства. Большинство их идей отражало веру в то, что воздух обеспечивает поддерживающую или движущую силу. Эти представления в значительной степени основывались на принципах гидростатики (исследования давлений жидкостей), как они тогда понимались.Таким образом, в ранние времена считалось, что движущая сила снаряда была связана с силами, действующими на основание из-за прекращения потока воздуха вокруг тела. Эта концепция воздуха как вспомогательной среды, а не силы сопротивления сохранялась веками, хотя в 16 веке было признано, что энергия движения снаряда сообщается ему катапультирующим устройством.

Ближе к концу 15 века Леонардо да Винчи заметил, что воздух оказывает сопротивление движению твердого объекта, и объяснил это сопротивление эффектами сжимаемости.Позднее Галилей экспериментально установил факт сопротивления воздуха и пришел к выводу, что сопротивление пропорционально скорости объекта, проходящего через него. В конце 17 века Христиан Гюйгенс и сэр Исаак Ньютон определили, что сопротивление воздуха движению тела пропорционально квадрату скорости.

Работа Ньютона по изложению законов механики положила начало классическим теориям аэродинамики. Он считал, что давление, действующее на наклонную пластину, возникает из-за столкновения частиц со стороной пластины, обращенной к воздушному потоку.Его формулировка привела к тому, что давление, действующее на пластину, было пропорционально произведению плотности воздуха, площади пластины, квадрата скорости и квадрата синуса угла наклона. При этом не учитывались эффекты потока на верхней поверхности пластины, где существуют низкие давления и от которых создается основная часть подъемной силы крыла. Идея воздуха как континуума с полем давления, простирающимся на большие расстояния от пластины, возникла гораздо позже.

В течение 18 и 19 веков были сделаны различные открытия, которые способствовали лучшему пониманию факторов, влияющих на движение твердых тел в воздухе. Взаимосвязь сопротивления с вязкими свойствами жидкости, например, частично осознавалась к началу 1800-х годов, а эксперименты британского физика Осборна Рейнольдса в 1880-х годах позволили более четко увидеть значение вязких эффектов.

Современная аэродинамика возникла примерно в то время, когда братья Райт совершили свой первый полет с двигателем (1903 г.). Спустя несколько лет после их исторического исследования британский инженер Фредерик В. Ланчестер предложил циркуляционную теорию подъемной силы аэродинамического профиля бесконечного размаха и вихревую теорию подъемной силы крыла конечного размаха. Немецкий физик Людвиг Прандтль, которого обычно считают отцом современной аэродинамики, независимо от гипотезы Ланчестера пришел к математической трактовке.Работа Прандтля, усовершенствованная и расширенная последующими исследователями, легла в теоретическую основу этой области. Среди других, кто сыграл видную роль в развитии современной аэродинамики, был инженер из Венгрии Теодор фон Карман, чей вклад привел к крупным достижениям в таких областях, как теория турбулентности и сверхзвуковой полет.

Аэродинамика самолета — понимание того, как летают самолеты

Понимание полета основывается на сильном понимании того, как самолет поднимается в воздух и остается там.И пассажирский реактивный самолет, и крошечный бумажный самолетик управляются одними и теми же силами. Понимание аэродинамики самолетов является ключом к успешному сотрудничеству с атмосферой: они являются основой для обучения пилотов-студентов, инстинктивной частью трудовой жизни для инженеров и обычных авиаторов, а также путем к пониманию и расслаблению для опытных путешественников.

Вы можете быть удивлены, узнав, что аэродинамика применима к объектам, которые никогда не покидают взлетно-посадочную полосу.Поскольку аэродинамика — это исследование того, как объекты движутся по воздуху, она является предметом заботы инженеров гоночных автомобилей, спортсменов-олимпийцев и разработчиков спортивного оборудования.

Однако, что касается авиационной промышленности, аэродинамика применяется к тому, как силы полета действуют на самолет. Люди не могут летать сами по себе; мы просто не созданы для этого. Нам нужна помощь! Когда братья Райт разрабатывали свой первый летательный аппарат, они внимательно следили за тем, как птицы на побережье Северной Каролины кружились и скользили по океанскому ветру.Они понимали, что, в отличие от людей, птицы созданы для управления четырьмя важными силами: весом, подъемной силой, тягой и сопротивлением. Эти четыре основных элемента аэродинамики постоянно работают в противовес друг другу.

Вес был не только силой тяжести, которую нужно было преодолеть, когда люди впервые поднялись в небо. Он имеет особое отношение к самолетам и управлению ими во время полета.

Конструкторы самолетов обычно стремятся максимально снизить вес; меньший вес означает, что в воздухе остается меньше топлива, и на борт можно взять больше пассажиров и грузов.Поиск баланса между использованием безопасных и прочных материалов при одновременном снижении сил тяжести имеет решающее значение.

В то время как сила веса давит на весь самолет, он поворачивается через его центр тяжести. Центр тяжести всегда ориентирован на землю, но его точное местоположение постоянно меняется, когда самолет сжигает топливо. Расчеты веса и балансировки жизненно важны при планировании полета и эксплуатации самолета. Поддержание безопасного соотношения веса и баланса — вот почему, даже если пассажиры небольшого самолета могут не почувствовать разницы в управлении самолетом, их иногда просят более равномерно распределиться по кабине полупустого самолета. .

Итак, что борется с весом самолета, падающего на Землю? Без лифта никуда не денешься.

В аэродинамике подъемная сила создается разницей в скорости между объектом и молекулами воздуха вокруг него. Лифт не существует без воздуха, поэтому крылья орбитального корабля шаттла были бесполезны в космическом вакууме, но необходимы во время его безмоторного спуска на Землю.

Разница в давлении воздуха имеет решающее значение для создания подъемной силы.Поскольку быстро движущийся воздух создает меньшее давление, более медленный воздух под крылом помогает подтолкнуть крыло к небу. Крылья самолета с их слегка закругленной формой предназначены для использования этой динамики. Движение молекул воздуха над и под поверхностью крыла создает подъемную силу вверх; этот поток, в свою очередь, помогает удерживать самолет в воздухе.

Самая впечатляющая иллюстрация тяги — запуск ракеты.Тяга — это то, что позволяет нам, не птицам, отрываться от земли. Когда двигатель толкает тягу, машина, к которой он прикреплен, летит в противоположном направлении.

Достижение значительной тяги было самой сложной задачей аэродинамики. Недостаток тяги — вот почему мы были вынуждены ждать достижения механического возраста, чтобы достичь полета. Хотя у Леонардо да Винчи была правильная идея в своих эскизах летательного аппарата, напоминающего крылья птицы, один яростно машущий пилот просто не мог произвести достаточную тягу, чтобы преодолеть вес себя и своей машины.

Самолетам не нужна огромная скорость для выхода на орбиту, как у ракет, но им требуется больше, чем обычная птица, чтобы перевозить пассажиров, грузы и топливо в дополнение к их собственному весу. Необходимая тяга создается двигателем или двигателями.

Братья Райт изготовили на заказ простой блок-картер из легкого алюминия, который питался под действием силы тяжести из крошечного бензобака. Он производил всего 12 лошадиных сил (в отличие от 111526 лошадиных сил от одного двигателя на Boeing 777 Dreamliner), но этого было достаточно, чтобы преодолеть гравитационное притяжение Флайера и одного Райта.

Если двигатели и подъемная сила такие замечательные, почему самолеты не могут оставаться в воздухе вечно?

Любой объект (например, самолет), движущийся через молекулы (например, атмосферу), испытывает сопротивление. Это трение можно уменьшить, создавая объекты для полета из гладких материалов. Сопротивление действует против тяги двигателя самолета.

Трение — не единственная причина, по которой самолетам приходится преодолевать высоту; давление воздуха также может иметь значение.Вам нравится внешний вид крылышек современного самолета? Они предназначены для уменьшения так называемого «индуцированного сопротивления» или «сопротивления, вызванного подъемной силой». В конце крыла самолета воздух под высоким давлением закручивается из-под крыла в относительно низкое давление прямо над крылом. Это борется с действием подъемной силы.

Однако такое сопротивление наблюдается только на высоких скоростях или под крутыми углами атаки, поэтому на небольших самолетах оно не проявляется в заметных количествах. Но в широкофюзеляжном реактивном самолете наличие хорошо спроектированного винглета — крыла на вершине крыла — помогает направить воздушный поток к фюзеляжу самолета.Вот так инженеры помогают пилотам вернуть себе немного подъемной силы.

Вес, подъемная сила, тяга и трение постоянно толкают друг друга, а самолет находится посередине. Применение аэродинамических принципов ко всем аспектам полета имеет важное значение для расширения масштабов авиации.

Г-н Мэтью А. Джонстон имеет более чем 23-летний опыт работы на различных должностях в сфере образования и в настоящее время является президентом Калифорнийского авиационного университета.Он поддерживает членство и поддерживает несколько ассоциаций по продвижению и защите авиации, включая Университетскую авиационную ассоциацию (UAA), Региональную ассоциацию авиакомпаний (RAA), AOPA, NBAA и EAA с программой Young Eagles. Он гордится своим сотрудничеством с авиакомпаниями, авиационными предприятиями и отдельными авиационными профессионалами, которые работают с ним над развитием Калифорнийского авиационного университета как лидера в обучении авиационных специалистов.

Введение — Перечень научных трассерных пуль Библиотеки Конгресса (1972-2013)

Это руководство представляет собой перечень серии Tracer Bullet Библиотеки Конгресса. Помимо названий, трассирующие пули обозначались числом, указывающим год публикации, за которым следовал номер выпуска; этот инвентарь позволяет получить доступ к заголовкам либо по названию, либо по году и номеру выпуска. Ссылки предоставляются, когда они доступны для Tracer Bullets, которые доступны в Интернете, но некоторые заголовки могут быть доступны только в печатном формате.

Что такое научная трассирующая пуля?

Серия «Трейсерские пули» Библиотеки Конгресса (ISSN 0090-5232) была неофициальной и нерегулярной серией библиотечных следопытов, опубликованных с 1972-2013 гг. Они были созданы, чтобы помочь кому-то начать находить исследовательские материалы по предмету, по которому у них были только общие знания.

Эти руководства были подготовлены опытным справочным персоналом Научно-справочного отдела Отдела науки и технологий, а иногда и приглашенными библиотекарями, консультантами, стажерами и волонтерами.Большинство руководств были предназначены для студентов бакалавриата, однако некоторые, особенно те, которые связаны с проектами научной ярмарки, были написаны для родителей и преподавателей. Трассирующие пули были распространены как правительственные документы в государственных депозитарных библиотеках. В 1990 году Omnigraphics, Inc. переиздала 173 названия в четырех томах.

Для получения дополнительной информации о поисковиках библиотек см. «Поисковики библиотек: новая возможность для совместной справочной службы External» Чарльза Х.Стивенс, Мари П. Кэнфилд и Джеффри Дж. Гарднер, в журнале College and Research Libraries News , v. 34, № 1 (1973).

Какие функции включены в пулю Science Tracer?

Одним из важных аспектов Science Tracer Bullet является то, что поступление информации в формате библиографического справочника должно имитировать сам процесс исследования. Предписанный формат определяет объем, дает обзорные статьи и основные тексты, а затем приводит исследователя к предложениям по поиску дополнительной информации.

Основные характеристики Science Tracer Bullet:

• взвешенный список предметных рубрик, который можно использовать при поиске в каталоге библиотечных карточек
• список основных текстов
• списки библиографий, новейшие отчеты, материалы конференций или технические отчеты
• список журналов, в которых обычно можно найти статьи на определенную тему
• список служб реферирования и индексирования или баз данных, полезных для поиска журнальных статей и правительственных публикаций
• названия и адреса организаций, с которыми можно связаться для получения дополнительной информации
• список избранных интернет-источников

Почему они называются «трассирующими пулями»?

«Трассирующие пули», также называемые «трассирующими снарядами», обычно заряжаются как каждый пятый патрон в пулеметных лентах.Они предоставляют важную информацию солдатам, стреляющим по вражеской цели, создавая линию прямой видимости, которая позволяет им отслеживать траекторию своих пуль и корректировать цель. Поскольку эти компиляции были предназначены для того, чтобы «навести читателя на цель», они были названы «трассирующими пулями».

Никто не может объяснить, почему самолеты остаются в воздухе

В декабре 2003 года в ознаменование 100-летия первого полета братьев Райт в газете New York Times был опубликован рассказ под названием «Оставаясь в воздухе; Что их там поддерживает? » Суть статьи заключалась в простом вопросе: что держит самолеты в воздухе? Чтобы ответить на него, Times обратилась к Джону Д.Андерсон-младший, куратор аэродинамики в Национальном музее авиации и космонавтики и автор нескольких учебников в этой области.

Однако Андерсон сказал, что на самом деле нет согласия относительно того, что создает аэродинамическую силу, известную как подъемная сила. «На этот вопрос нет однозначного ответа», — сказал он Times . Люди дают разные ответы на вопрос, некоторые с «религиозным рвением». Спустя более 15 лет после этого заявления все еще существуют разные версии того, что создает подъемную силу, каждая из которых имеет свой значительный ранг ревностных защитников.На данном этапе истории полетов эта ситуация немного озадачивает. В конце концов, естественные процессы эволюции, действующие бездумно, хаотично и без какого-либо понимания физики, эоны назад решили механическую проблему аэродинамической подъемной силы для парящих птиц. Почему ученым так сложно объяснить, что удерживает в воздухе птиц и авиалайнеры?

Путаницу усугубляет тот факт, что отчеты о лифте существуют на двух разных уровнях абстракции: техническом и нетехническом.Они скорее дополняют, чем противоречат друг другу, но они различаются по своим целям. Одна существует как строго математическая теория, область, в которой среда анализа состоит из уравнений, символов, компьютерных симуляций и чисел. Практически нет серьезных разногласий относительно того, какие уравнения или их решения являются подходящими. Задача технической математической теории — делать точные прогнозы и прогнозировать результаты, которые будут полезны авиационным инженерам, занятым сложным бизнесом по проектированию самолетов.

Но сами по себе уравнения не являются объяснениями, как и их решения. Есть второй, нетехнический уровень анализа, который призван дать нам физическое, здравое объяснение подъемной силы. Цель нетехнического подхода — дать нам интуитивное понимание реальных сил и факторов, которые действуют при удержании самолета в воздухе. Этот подход существует не на уровне чисел и уравнений, а на уровне понятий и принципов, которые знакомы и понятны неспециалистам.

Именно на этом втором, нетехническом уровне и лежат разногласия. Для объяснения подъемной силы обычно предлагаются две разные теории, и сторонники обеих сторон аргументируют свои точки зрения в статьях, книгах и в Интернете. Проблема в том, что каждая из этих двух нетехнических теорий правильна сама по себе. Но ни один из них не дает полного объяснения подъемной силы, которое обеспечивает полный учет всех основных сил, факторов и физических условий, управляющих аэродинамической подъемной силой, без каких-либо проблем, оставшихся висячими, необъяснимыми или неизвестными.Существует ли вообще такая теория?

Две конкурирующие теории

Безусловно, наиболее популярным объяснением подъемной силы является теорема Бернулли, принцип, установленный швейцарским математиком Даниэлем Бернулли в его трактате 1738 года, Hydrodynamica . Бернулли происходил из семьи математиков. Его отец Иоганн внес свой вклад в вычисления, а его дядя Якоб ввел термин «интеграл». Многие из работ Даниэля Бернулли были связаны с потоком жидкости: воздух — это жидкость, и теорема, связанная с его именем, обычно выражается в терминах динамики жидкости.Проще говоря, закон Бернулли гласит, что давление жидкости уменьшается с увеличением ее скорости, и наоборот.

Теорема Бернулли пытается объяснить подъемную силу как следствие изогнутой верхней поверхности аэродинамического профиля — технического названия крыла самолета. Идея гласит, что из-за этой кривизны воздух, проходящий через верхнюю часть крыла, движется быстрее, чем воздух, движущийся по нижней поверхности крыла, которая является плоской. Теорема Бернулли гласит, что повышенная скорость на вершине крыла связана с областью более низкого давления, а именно подъемной силой.