Аэродинамика, основные параметры и законы движении воздуха

Аэродинамикой называется наука о законах движения воздуха и законах силового взаимодействия воздуха с движущимися в нем телами. В переводе с греческого «аэро» — воздух, «динамне» — сила.

Аэродинамика является теоретической основой авиации и ракетной техники. На законах аэродинамики базируются теории крыла и воздушного винта, динамики полета, аэродинамический расчет устойчивости и управляемости летательных аппаратов.

Знание аэродинамики самолета является необходимым условием для последующей’ изучения таких дисциплин как «Динамика полета», «Конструкция самолетов», «Проектирование самочетов», «Технология производства самолетов».

О роли аэродинамики в создании самолетов говорит следующий пример. Пятикратное увеличение расходов на аэродинамические исследования является выгодным, если это приводит к увеличению аэродинамического качества (отношения подъемной силы к силе сопротивления воздуха, преодолеваемой в полете) на 1%.

Быстрое развитие современной авиации стало возможным только благодаря успехам экспериментальной аэродинамики, основанной на передовой теории. Экспериментальная аэродинамика изучает те же явления, но путем постановки опытов в аэродинамических лабораториях или путем испытаний самолетов непосредственно в воздухе Современные летательные аппараты при своем движении проходят весьма широкий диапазон скоростей и высот. С этим связано изменение условии обтекания, как-то: физических свойств и состава среды, температурных условий, длины свободного пробега молекул, отношения удельных теплоемкостей и т.п. Для исследования аэродинамических свойств аппаратов и получения их достоверных характеристик, необходимо проведение опытов с ними в условиях как можно большего числа критериев подобия и «стыковки» этих областей. Так, например, модель современного сверхзвукового реактивного самолета последовательно исследуется для определения:

1. взлетно-посадочных характеристик — при малых числах М и значительных числах Re; такие испытания, возможно, провести либо в трубах малы), скоростей но имеющих большой размер рабочей части, либо в трубах переменной плотности;
2. характеристик в критической области — в трубах околозвуковых скоростей;
3. характеристик в сверхзвуковой области — в трубах сверхзвуковых скоростей.

Экспериментальные исследования законов воздействия возд) ха (газа) или жидкости на движущиеся в нем тела можно проводить двумя методами:

1. Сообщение телу некоторой скорости относительно неподвижного воздуха и нахождением возникающих при этом аэродинамических сил, приложенных к телу (прямая задача).
2. Сообщением воздуху некоторой скорости и нахождением возникающих при этом аэродинамических сил., приложенных к неподвижно укрепленному в потоке телу (обратная задача).

Большую роль в исследовании аэродинамики самолета и его частей играют экспериментальные исследования (продувки в аэродинамических трубах и летный эксперимент). При разработке нового самолета затрачивается свыше 10 тысяч трубочасов. Особенно важную роль играет эксперимент как способ проверки теоретических данных.

Каждому авиационному инженеру в его практической деятельности приходится постоянно сталкиваться с различными вопросами аэродинамики.

Уметь разобраться в сложных аэродинамических явлениях, хорошо их понять и как следует применить для дальнейшего усовершенствования самолете, его двигателя, оборудования и приборов должен каждый авиационный инженер.

Основные параметры и законы движении воздуха.

При проведении экспериментальных аэродинамических исследований важнейшим фактором, определяющим величину аэродинамических сил, является среда, в потоке которой находится исследуемое тело. Этой средой может быть жидкость или газ, со свойствами, характеризуемыми такими основными параметрами как температура, давление, плотность, коэффициенты динамической и кинематической вязкости.

Атмосферой называется воздушная (газовая) оболочка Земли Толщина атмосферы составляет около 20000 км В зависимости от распределения температуры по высоте атмосферу делят на пять основных слоев (сфер): тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. С точки зрения полетов современных самолетов представляют интерес, прежде всего тропосфера и стратосфера. Тропосфера — это слой воздуха, непосредственно прилегающий к Земле. В средних широтах высота тропосферы составляет около 11 км. В ней сосредоточено около 80% всей массы атмосферного воздуха и 90% водяного пара. Здесь наблюдаются облака, осадки, туманы, обледенение, развивается грозовая деятельность, возникают ураганы, смерчи, которые могут привести к опасным перегрузкам и потере устойчивости и управляемости самолета.

Стратосфера расположена на высоте от 11 до 50 км В ней до высоты 20 км температура остается постоянной, а выше возрастает. Повышение температуры связано с поглощением ультрафиолетовой радиации Солнца атмосферным азоном. На высоте 15-22 км наблюдается максимум интенсивности космического излучения, которое при интенсивности полетов может создавать угрозу для жизни экипажа.

Атмосферное давление. Давление — есть нормальная составляющая силы, действующая на единичную площадку Давление воздуха есть результат взаимодействия атмосферного воздуха с поверхностью тела. Атмосферный воздух, состоящий из хаотически движущихся молекул, притягивается к Земле. Поэтому вышележащий слой воздуха оказывает давление на нижечежащий, сжимая его. Но сила упругости воздуха препятствует непрерывному сжатию нижнего слоя. Равновесие между силами упругости и сжатия наступает в том случае, когда сила упругости нижнего слоя равна силе сжатия действующей со стороны верхнего слоя.

Температура — это величина, количественно характеризующая тепловое состояние тела. Для измерения температуры приняты международная практическая температурная шкала (Цельсия) и абсолютная термодинамическая шкала (Кельвина).

Плотность воздуха — масса единицы объема воздуха.

Вязкостью называется внутренне трение, возникающее в соседних слоях газа или жидкости при их относительном перемешивании. В состоянии относительного покоя силы внутреннего трения не возникают и свойство вязкости не проявляется.

Сжимаемостью называется способность воздуха изменять свой объем и, следовательно, плотность при изменении давления и температуры. Сжимаемостью обладают все вещества. Однако она различна у разных веществ. Сжимаемость обусловлена, с одной стороны, изменением расстояния между молекулами вещества, а с другой — изменением объема самих молекул. Газы легко сжимаемы, так как уменьшение их объема сопровождается, прежде всего, уменьшением расстояния между молекулами; в капельных жидкостях уменьшение объема происходит преимущественно за счет уменьшения объема самих молекул. Чем больше увеличивается плотность (уменьшается объем) при одном и том же увеличении давления, тем больше будет и сжимаемость среды.

Местное (сколь угодно малое) повышение давления и тотности газа вызывает появление звуковой волны, которая распространяется с некоторой скоростью а, называемой скоростью звука.

Стандартная атмосфера — это условная атмосфера, состояние которой соответствует среднегодовым значениям параметров воздуха по высоте в средних широтах.