Аеродинаміка

АЕРОДИНА́МІКА (від аеро… і динаміка) — роз­діл аеромеханіки, що ви­вчає закони руху газоподібного середовища (перед­усім повітря) у взаємодії з обтічним тілом. А. використовують при роз­роблен­ні авіац., ракетно-косміч., автомоб., артилер., турбомаш. техніки тощо, коли опір газу впливає на процес руху. А. поділяється на теоретичну (ви­вчає закономірності руху газу і його дії на тіла) й екс­периментальну (досліджує особливості обтіка­н­ня моделей тіл в аеродинам. трубах або на літальних апаратах (ЛА) під час польоту). Осн. зав­да­н­ня А. — ви­вче­н­ня сил і моментів, що виникають під час взаємодії газу і обтіч. тіла, отрима­н­ня аеродинам. характеристик ЛА (залежать від форми і стану поверх­ні тіла, його роз­мірів, швидкості й напряму потоку повітря, щільності газ. середовища). До найважливіших аеродинам. сил належать (див. Рис.): сила лобового опору (гальмує рух, спрямована у протилеж. бік рухові паралельно обтіч. потокові); під­німальна сила (спрямована вгору, перпендикулярно обтіч. потокові); бічна сила (перпендикулярна першим двом). Ці сили прикладені в т. зв. центрі тиску, роз­ташува­н­ня якого може не збігатися з роз­ташува­н­ням центру мас ЛА, внаслідок чого від­носно центру мас або ін. точок ЛА виникають аеродинам. моменти. Керува­н­ня силами й моментами здійснюють за допомогою органів керува­н­ня (від­хилювальних сопел, рулів, елеронів та ін.). Сукупність величин, що характеризують взаємодію ЛА з повітр. (газ.) середовищем, становлять аеродинамічні характеристики ЛА, які враховують при виборі доціл. форми тіла, а також при роз­рахунку необхідної міцності кон­струкції апарата (тіла), на­гріва­н­ня поверх­ні, пружних деформацій кон­струкцій, ви­значен­ні траєкторії, швидкості, дальності і тривалості польоту тощо. За над­звук. швидкостей польоту в потоці утворюються ударні хвилі (пере­пади густини), які різко змінюють характер обтіка­н­ня і, від­повід­но, характер аеродинам. сил. При цьому під дією тертя і гальмува­н­ня часток повітря в суміж. шарі частина кінет. енергії цих часток пере­ходить у тепло. Політ ЛА за умов аеродинам. на­гріва­н­ня потребує за­стосува­н­ня жаротривких кон­струкцій, термоізоляції і навіть абляційних матеріалів. Важливим показником аеродинам. досконалості ЛА є його аеродинам. властивість — від­ноше­н­ня під­йомної сили до сили лобового опору ЛА під час руху в повітр. середовищі (залежить від аеродинам. схеми ЛА, кута атаки й швидкості польоту). Найпоширенішим засобом для моделюва­н­ня процесів взаємодії обтіч. тіла з потоком газу є аеродинам. труба. Геометрично подібну модель ЛА встановлюють на спец. ваги, що дає змогу виміряти аеродинам. сили, і обдувають швидкіс. потоком повітря, а в над­звук. трубах — над­звук. потоком газу. Крім ЛА, в аеродинам. трубах можна досліджувати моделі різноманіт. споруд (будинків, мостів, автомобілів тощо) щодо вітрових навантажень і навантажень від вибух. хвиль. Аеродинам. труби й стенди для екс­перим. від­працюва­н­ня моделей можуть бути різноманіт. кон­струкції. Най­простіші серед них — т. зв. вентиляторні труби. У них ви­значають аеродинам. характеристики тіл у потоках газу, які рухаються зі швидкістю, значно меншою від швидкості звуку. Для ви­значе­н­ня характеристик при транс­звук. і над­звук. швидкостях використовують труби, створені за принципом поперед. акумулюва­н­ня газу з високим тиском. Досліджуючи аеродинам. характеристики за умов роз­рідж. повітря, використовують барометр. камери, з яких вакуумні насоси від­смоктують повітря до тиску, що від­повід­ає висоті польоту ЛА. До аеродинам. стендів належать ракетні й балістичні траси. На ракет. трасах можна досліджувати натурні зразки ЛА за умов транс- і над­звук. швидкостей. На балістич. трасах моделі ЛА ви­стрілюються зі спец. метальних приладів, і здійснюється телеметрична або візуал. фіксація параметрів їхнього руху. При цьому спо­стерігається повний вплив аеродинам. сил і моментів на просторовий нестаціонар. рух моделі. Аеродинам. характеристики роз­раховуються за спо­стережуваними параметрами руху. У натурному екс­перименті можна отримати повну від­повід­ність аеродинам. характеристик реал. умовам, але це ви­пробовува­н­ня досить складне, бо потребує спец. телеметр. засобів, які фіксують усі особливості руху ЛА, для чого створюють по­стійні й пере­сувні вимірюв. пункти. Крім того, у разі складної динаміки досліджув. обʼєкта різні засоби опрацюва­н­ня інформації дадуть неоднакові результати, що потребує створе­н­ня спец. методів їх верифікації. Аеродинам. характеристики роз­раховують за допомогою диференц. рівнянь газ. динаміки в частин­них похідних. Існують різні моделі, що описують рух газу. Найпоширеніші — рівня­н­ня Лапласа для не­стисливого газу, система диференц. рівнянь Ейлера для стисливого невʼязкого газу, рівня­н­ня Навьє–Стокса для стисливого вʼязкого газу, інтегро-диференц. рівня­н­ня Больцмана для роз­рідж. газу та ін. При цьому можна викори­стати або модель ідеал. газу у ви­гляді рівня­н­ня стану, що звʼязує тиск, густину і температуру, або модель реал. газу, в якому від­буваються сталі чи змін­ні в часі хім. пере­творюва­н­ня або горі­н­ня. Аналіт. роз­вʼязків за довільних гранич. умов, повʼяз. з формою ЛА, ці рівня­н­ня не мають, тому, ви­значаючи характеристики, використовують один із таких під­ходів: отрима­н­ня при­близних аналіт. роз­вʼязків при введен­ні певних сут­тєвих спрощень; знаходже­н­ня асимптотич. аналіт. роз­вʼязків від­повід­но до гранич. значень ви­значал. параметрів; числове роз­вʼязува­н­ня на ЕОМ диференц. рівнянь. Метод близьких аналіт. роз­вʼязків дає змогу швидко отримати результат, але зі знач. похибками. Асимптотичні роз­вʼязки потребують високої кваліфікації дослідника і використовуються лише у окремих випадках, здебільшого далеких від реал. умов. Найбільшу точність і високий ступінь на­ближеності роз­вʼязку до реал. умов забезпечують числові методи роз­вʼяза­н­ня диференц. рівнянь газової динаміки.

Історію роз­витку приклад. А. поділяють на кілька періодів. На поч. 20 ст. найпоширенішими були аналіт. засоби ви­значе­н­ня аеродинам. характеристик. Над приклад. пита­н­нями А. в Європі працювали О. Ейфель, Л. Прандтль, О. Рейнольдс та ін. У США ві­домі здобутки в А. братів Райт. У Росії — М. Жуковського, С. Чаплигіна, які створили методи аеродинам. роз­рахунків ЛА. Велика заслуга в роз­роблен­ні теор. і практ. аспектів до­звук. А. належить Б. Юрʼєву, В. Струминському, Л. Лойцянському, М. Келдишу, І. Остославському, А. Дородніцину. На­ступ. період роз­витку А. повʼязаний із зро­ста­н­ням вимог до точності ви­значе­н­ня аеродинам. характеристик ЛА. У серед. 20 ст. забезпечити потреби роз­робників ЛА могла лише екс­перим. А. Від кін. 40-х до серед. 70-х рр. створено чимало н.-д. центрів, оснащених пере­довими на той час засобами назем. екс­перим. від­працьовува­н­ня питань А. і газ. динаміки. У сучасну А. над­звук. швидкостей значний внесок зробили Є. Красильщиков, С. Христианович, В. Франкль, Л. Галін, Г. Чорний, К. Петров та ін. Становле­н­ня роз­рахункового й екс­перим. аеродинам. забезпече­н­ня роз­робок авіац. техніки у рад. період повʼязане з діяльністю КБ у Києві (див. АНТК ім. О. Антонова). Найбільший внесок у роз­виток авіац. А. зробили О. Антонов, П. Балабуєв, О. Бог­данов, В. Єрошин, Д. Кива, І. Сердюк та ін., у роз­виток А. ракет. техніки — В. Ковтуненко, який створив каф. А. в Дні­проп. університеті. Помітна участь у роз­роблен­ні засобів ви­значе­н­ня аеродинам. характеристик Є. Абрамовського, О. Гомана (Дні­проп. університет), Ю. Різниченка, Є. Яскевича (КБ «Пів­ден­не»), а також В. Холявка (Нац. аерокосмічний університет «Харків. авіаційний ін­ститут») і Є. Ударцева (Нац. авіаційний університет, Київ). У Сімфероп. (нині — Таврійському) університеті під керівництвом Ю. Рудова проводилися дослідже­н­ня із газодинаміки. Серед укр. центрів екс­перим. дослідже­н­ня питань А. провід­не становище за­ймає Нац. аерокосміч. університет «Харків. авіац. ін­ститут». Аеродинам. екс­перим. центр цього університету здатний вирішувати значний обсяг зав­дань від­працьовува­н­ня ракет. і авіац. техніки. Велика аеродинам. транс- і над­звукова тpyбa Т-6 є прикладом класич. пром. установки, що дає змогу з високою точністю проводити серійні ви­пробовува­н­ня ЛА. У Нац. авіац. університеті створ. велику до­звук. аеродинам. трубу ТАД-1, що дає змогу проводити тестува­н­ня моделей і натурних зразків за умов впливу атмо­сфер. утворень. Деякі ін. навч. і дослідні центри України також мають практ. досвід проведе­н­ня дослідж. на власних стендах. Власну екс­перим. базу з А. мають чимало пром. і проект. орг-цій. У КБ «Пів­ден­не» є ударна гіпер­звукова аеродинам. труба «Транзит», що дає змогу проводити ви­пробовува­н­ня при числах Маха до M = 10, і низка барометр. камер різного обʼєму. В АНТК ім. О. Антонова є до­звук. аеродинам. труба. Від 1970-х рр. набули пошире­н­ня числові засоби роз­вʼязува­н­ня приклад. зав­дань авіац. і ракетно-косміч. промисловості. Гол. про­блемою є створе­н­ня універсальних про­грам, спроможних охопити увесь обсяг зав­дань — від роз­рахунку стаціонар. ідеал. моделі до роз­рахунку характеристик рухомих обʼєктів у реал. часі з урахува­н­ням реал. властивостей газів. Для цього необхідні ще потужніша обчислюв. техніка й роз­робле­н­ня реал. матем. моделі газу. Виріше­н­ня цих питань дасть змогу істотно скоротити час і витрати на створе­н­ня ЛА. У деяких країнах, що мають необхідні обчислюв. техніку і роз­рахункову технологію, вже є досвід створе­н­ня ЛА без залуче­н­ня дорогих екс­перим. засобів. Україна також має до­стат. наук.-тех. потенціал для цього, зокрема вагомий внесок у роз­виток А. роблять В. Тимошенко, В. Басс, В. Хрущ, В. Сіренко та ін.

Завантажити статтю