Аэродинамика
(от греч. аёг — воздух и dynamis — сила), раздел механики, в к-ром изучаются законы движения воздуха (газа) и его взаимодействия с обтекаемым телом. Аэродинамич. расчёты широко используются при проектировании авиац., ракетно-космич., арт. и др. техники. Первые попытки исследовать воздействие возд. среды на движущиеся тела предпринимали Г. Галилей, X. Гюйгенс и И. Ньютон, позже — М. В. Ломоносов. Тео-ретич. базой А. явилась наука о движении жидкости — гидродинамика, основы к-рой были заложены в 18 в. членами Российской академии наук Л. Эйлером и Д. Бернулли. Появление в нач. 20 в. авиации, потребовавшее разработки теории расчёта самолёта, способствовало бурному развитию А. Большой вклад в теорию и практику А. внесли работы Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина в России, Ф. Ланчестера и Г. Глауэрта — в Англии, Л. Прандтля — в Германии, X. Драйдена и Т. Кармана — в США, Ж. Эйфеля — во Франции.
В числе важнейших вопросов А. была проблема расчёта подъёмной силы, без к-рой невозможен полёт на аппарате тяжелее воздуха. Природу возникновения подъёмной силы объяснил Н. Е. Жуковский, доказавший в 1904 связь подъёмной силы с циркуляцией скорости потока вокруг крыла (теорема Жуковского). Если скорость потока над крылом больше, чем под ним, то в соответствии с законами Бернулли давление воздуха (газа) под крылом будет больше, чем над ним; из-за этой разности давления появляется подъёмная сила.
А. разделяется на теоретическую (изучает закономерности движения воздуха и его действие на тела) и экспериментальную (исследует движение воздуха и взаимодействие его с обтекаемыми телами на моделях в аэродинамич. трубах или на летат. аппаратах — ЛА в полёте). Осн. задача А.— изучение сил и моментов, возникающих при воздействии воздуха (газа) на движущееся тело, и получение аэродинамических характеристик ЛА.
Возрастание скоростей полёта ЛА потребовало учёта сжимаемости воздуха (газа). При этом в газе возникают большие перепады давления, вызывающие изменения плотности и др. его параметров, а также сил, действующих на тело. При трансзвуковых скоростях полёта (см. Скорость полёта летательного аппарата) вблизи обтекаемого тела появляются области течения со сверхзвуковыми скоростями, к-рые заканчиваются скачками уплотнения (см. Ударная волна). Возникновение скачков уплотнения вблизи ЛА сопровождается резким возрастанием его лобового сопротивления (см. Барьер звуковой), вызванного появлением
т. н. волнового сопротивления. При гиперзвуковых скоростях полёта, к-рые характерны для ракет и космич. аппаратов, происходит значит, повышение темп-ры омывающего газа, что вызывает в нём различные физико-хим. превращения. Все эти особенности движения сжимаемой (газовой) среды обусловили появление А. больших скоростей (см. Газовая динамика).
Поток вокруг обтекаемого тела можно условно разделить на 2 области: пограничный слой и внешнее невязкое течение. Пограничным наз. тонкий слой вязкого газа, характеризующийся большими градиентами скорости по нормали к поверхности. Опыт показывает, что частицы газа полностью тормозятся при соприкосновении с поверхностью тела. Это приводит к торможению частиц и в вышележащих слоях. С удалением от тела скорости возрастают и на границе пограничного слоя становятся соизмеримыми со скоростью невозмущённого потока. Вне пограничного слоя градиенты скорости невелики, мала сила трения, и в этой области в большинстве случаев влиянием градиентов можно пренебречь и считать газ идеальным. А. идеальной (невязкой) среды исследует распределение невязких параметров (напр., нормального давления) при обтекании тел и базируется на фундаментальных уравнениях Эйлера. А. пограничного слоя изучает распределение касательных напряжений и, следовательно, суммарных аэродинамич. сил и моментов от трения, а также позволяет рассчитывать теплоотдачу от разогретого омывающего газа поверхности тела.
Совр. А. развивается по двум осн. направлениям. Первое — собственно А.— исследует распределение норм, давления и напряжения трения по поверхности ЛА, а также определяет результирующие аэродинамич. сил и моментов. С помощью полученных данных рассчитываются устойчивость, управляемость и прочность как конструкции ЛА в целом, так и отд. элементов. Второе направление включает проблемы аэротермодинамики и аэродинамического нагрева, возникающего при обтекании тела газом. Эти исследования необходимы при расчёте на прочность и проектировании охлаждающих устройств ЛА. Они позволяют также уточнить аэродинамич. характеристики ЛА. Указанные проблемы имеют особое значение при гиперзвуковых скоростях полёта, когда газ становится электропроводным и возникает поток плазмы. При исследовании взаимодействия движущегося тела с плазмой необходимо учитывать не только газодинамич., но и электромагнитные силы. Этими вопросами занимается магнитоаэродинамика.
Совр. методы исследования движения газообразной среды опираются на ряд принципов и гипотез. Так, в соответствии с гипотезой Эйлера о неразрывности (сплошности) движущейся газовой среды пренебрегают межмолекулярными промежутками и молекулярными движениями. Исследованием движения жидкостей и газов на основе гипотезы сплошности занимается А. сплошных сред. Однако гипотеза сплошности применима лишь к условиям полёта на сравнительно небольших высотах, в достаточно плотных слоях атмосферы, где средняя длина пробега молекул воздуха мала. На больших высотах в условиях сильно разрежённой атмосферы длина свободного пробега возрастает и становится соизмеримой с размерами тел, поэтому здесь воздух нельзя рассматривать как сплошную среду. Взаимодействие разрежённой среды с движущимся в ней телом изучает А. разрежённых газов (см. Супераэродинамика).
Условия обтекания и аэродинамич. характеристики ЛА зависят от особенностей их движения. При установившемся движении параметры газа и действующие на ЛА силы и моменты не зависят от времени. Поэтому многие задачи обтекания тел решаются в рамках стационарной А. (А. установившихся движений). Однако при исследовании устойчивости полёта, расчёте воздействия турбулентности атмосферы, изучении флаттера и в др. случаях необходимо учитывать нестационарный характер обтекания, обусловленный неравномерностью потока (напр., порывами ветра), колебанием или вращением ЛА. В случае неустановившегося движения параметры газа и аэродинамич. характеристики зависят не только от положения тела относительно вектора полной скорости, но и от времени. По сравнению со стационарным обтеканием при неустановившемся движении на ЛА действуют дополнительные нестационарные аэродинамич. силы и моменты. Их изучением занимается нестационарная А. (А. неустановившихся движений).
По своей аэродинамич. схеме совр. ЛА представляет собой комбинацию корпуса (фюзеляжа), крыльев, оперения, рулей, различных подвесок, двигателей, оружия. Их аэродинамич. характеристики исследуются соответственно А. крыла и оперений, А. корпусов (тел вращения) и т. д. При расчёте аэродинамич. характеристик ЛА в целом необходимо не только знать характеристики отд. его частей, но и учитывать интерференцию, т. е. взаимное влияние составляющих комбинацию элементов, вследствие к-рого изменяются действующие на них силы и моменты.
Кроме собственно А. как общего раздела механики развиваются прикладные её области. Изучение движения самолёта в целом составило содержание А. самолёта (практической А.). Отд. вопросы, потребовавшие углубл. динамич. рассмотрения, вошли в динамику полёта. Значительно раньше во внешней баллистике был изучен полёт арт. неуправляемых снарядов. Широкая область неавиационного применения А. стала именоваться промышленной А., в к-рую обычно включают теорию и расчёт воздуходувок, ветряных двигателей, струйных аппаратов (напр., эжекторов), часть вопросов вентиляционной и отопительной техники (в частности, кондиционирование воздуха) и мн. др. Самостоятельное значение приобрела А. турбомашин и реакт. двигателей (теория лопаточных машин).
Отличные боевые качества сов. воен. самолётов периода Великой Отечеств, войны, а также послевоен. успехи авиации СССР в немалой степени обусловлены высоким уровнем аэродинамич. исследований в нашей стране. Большой вклад в развитие А. в этот период внесли коллективы Центр, аэрогидродинамич. института им. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ) и Военно-возд. инж. академии им. Н. Е. Жуковского. В развитии А. в СССР большая заслуга, помимо Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина, принадлежит В. В. Голубеву, А. А. Дородни-
цыну, М. В. Келдышу, М. А. Лаврентьеву, Л. И. Седову, С. А. Христиановичу, Б. Н. Юрьеву и др.
Лит.: Жуковский Н. Е. Аэродинамика.— Собр. соч. Т. 4. М.— Л., 1949; Жуковский Н. Е. Теоретические основы воздухоплавания.— Там же. Т. 6. М.— Л., 1950; Чаплыгин С. А. Результаты теоретических исследований о движении аэропланов.— Собр. соч. Т. 2. М., 1948; Чаплыгин С. А. О газовых струях. М.— Л., 1949; Ветчинкин В. П., П о л я х о в Н. Н. Теория и расчет воздушного гребного винта. Учебник. М., 1940; Голубев В. В. Лекции по теории крыла. М.— Л., 1949; Дородницын А. А. Об одном методе численного решения некоторых нелинейных задач аэродинамики.— Труды третьего Всесоюзного математического съезда. Москва, июнь — июль 1956. Т. 3. М., 1958; Келдыш М. В., Лаврентьев М. А. К теории колеблющегося крыла.— «Технические заметки Центр, аэрогидродинам. ин-та», 1935, вып. 45; Краснов Н. Ф. Аэродинамика. Учебник. М., 1971; Мартынов А. К. Экспериментальная аэродинамика. Изд. 2-е. М., 1958; Седов Л. И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики. Изд. 2-е. М., 1966; Фабрикант Н. Я. Аэродинамика. Общий курс. М., 1964; Христианович С. А. Обтекание тел газом при больших дозвуковых скоростях.— «Труды Центр, аэрогидродинам. ин-та», 1940, вып. 481; Юрьев Б. Н. Импульсная теория воздушных винтов.— ИзЧр. труды. Т. 1. М., 1961; Прандтль Л. Гидроаэромеханика. Изд. 2-е. Пер. с нем. М., 1951. М.И. Ништ.
Рубрика: А