Глава 5

ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ

   Аэродинамика - раздел механики, в котором изучаются законы движения газообразной среды (например, воздуха) и ее взаимодействие с движущимися в ней обтекаемыми твердыми телами.
   Несомненен приоритет нашей страны в ряде крупнейших открытий в области аэродинамики. Члены Российской академии наук Л. Эйлер и Д. Бернулли заложили основы науки о движении тел в воздушном пространстве. Русские ученые-механики Н.Е. Жуковский и С.А. Чаплыгин - авторы фундаментальных работ в области аэродинамики. И.В. Мещерский - видный ученый в области теоретической и прикладной механики - разработал основы механики тел переменной массы, на основании его теорем построены уравнения движения самолета. Метод теоретического определения летных характеристик самолета создал Н.Е. Жуковский. Современная теория устойчивости движения самолета базируется на исследованиях А.М. Ляпунова - русского математика и механика.

5.1. Взаимодействие среды и движущегося тела. Классификация скоростей полета

   Характер взаимодействия внешней газовой среды (атмосферы) и движущегося в ней тела (ЛА) существенным образом зависит от скорости полета ЛА и от высоты полета, поскольку с высотой изменяются параметры атмосферы.
   При небольших скоростях движения происходит в основном силовое взаимодействие, т. е. в результате движения возникают силы, которые оказывают сопротивление движению тела в газовой среде. С ростом скорости силовое взаимодействие сопровождается тепловым взаимодействием, т. е. нагревом поверхности обтекаемого тела вследствие теплопередачи от газа к телу. При очень больших скоростях полета аэродинамический нагрев становится настолько сильным, что может разрушить материал конструкции ЛА путем его оплавления или сублимации (от лат. sublimo - возношу), т. е. непосредственного перехода материала ЛА из твердого в газообразное состояние и, как следствие, уноса разрушенной части материала. Аэродинамический нагрев может привести к химическому взаимодействию между газовой средой и материалом конструкции ЛА, в результате чего также возникает эффект уноса части материала. На больших скоростях полета вследствие механического воздействия может возникнуть эрозия (от лат. erosio - разъедание) материала конструкции, что также сопровождается эффектом уноса массы, или абляцией (позднелат. ablatio - отнятие).
   Естественно, что в первую очередь проектировщика интересует силовое взаимодействие ЛА и внешней газовой среды, поскольку в результате этого взаимодействия возникают силы, обеспечивающие полет ЛА.
   Движение ЛА, раздвигающего воздух, вызывает возмущения воздушной среды, которые, как уже отмечалось в разделе 3.2.1, распространяются во все стороны со скоростью звука в виде колебаний давления и плотности воздуха. При малых скоростях полета эти возмущения значительно опережают ЛА, и воздушный поток, еще даже не приблизившись к нему, изменяет свое направление, раздвигаясь и "приспосабливаясь" к обтеканию частей ЛА. Сжатие воздуха при этом незначительно.
   С ростом скорости полета ЛА и приближением ее к скорости звука (скорости распространения возмущений) созданные ЛА возмущения не могут значительно опередить его, взаимодействие ЛА с невозмущенной ("не подготовленной" к обтеканию ЛА) внешней средой вызывает сильное сжатие воздуха, повышение его давления и, как следствие, увеличение сил, действующих на ЛА. Таким образом, критерием, позволяющим оценить силовое взаимодействие ЛА и воздушной среды, критерием сжимаемости потока воздуха может служить число М. Чем больше число М, тем сильнее проявляется в полете эффект сжимаемости воздуха. На основании этого критерия принята следующая классификация скоростей полета ЛА:
      - малые дозвуковые скорости, соответствующие числам (М £ 0,4¸0,6), при которых сжимаемость воздуха практически мало влияет на силовое взаимодействие ЛА и окружающей среды;
      - большие дозвуковые скорости, соответствующие числам (М » 0,6¸0,9), при которых влияние сжимаемости на силовое взаимодействие весьма существенно, однако тепловое взаимодействие практически отсутствует и его можно не рассматривать;
      - околозвуковые (трансзвуковые, от лат. trans - через, за, за пределами), соответствующие числам М »1;
      - сверхзвуковые (М > 1), при которых проектировщики обязаны учитывать не только силовое, но и тепловое взаимодействие ЛА и окружающей среды;
      - гиперзвуковые скорости, соответствующие числам (M ³ 5), при которых силовое и тепловое взаимодействие ЛА и окружающей среды настолько интенсивно, что может сопровождаться химическим и механическим взаимодействием и чревато возможностью эрозии и уноса материала конструкции.
   При проектировании ЛА для определения его летных характеристик, разработки конструкции агрегатов и систем необходимы данные по интенсивности всех видов взаимодействия ЛА с воздушным потоком. Специфика взаимодействия на различных скоростях полета требует применения различных математических моделей, учитывающих эту специфику и базирующихся на различной математической основе. Теоретическое определение величин, характеризующих это взаимодействие, практическое измерение их в полете весьма сложно. С достаточной для инженерных работ точностью выполнить эту задачу позволяет аэродинамический эксперимент.