Аеродинамиката е област на знанието, която изучава движението на въздушните потоци и тяхното въздействие върху твърди тела. Това е подраздел на хидро- и газовата динамика. Изследванията в тази област датират от древни времена, от времето на изобретяването на стрели и копия за планиране, които направиха възможно изпращането на снаряд по-далеч и по-точно към целта. Въпреки това, потенциалът на аеродинамиката беше напълно разкрит с изобретяването на превозни средства, по-тежки от въздуха, способни да летят или да се плъзгат на значителни разстояния.
Още от древни времена
Откриването на законите на аеродинамиката през 20-ти век допринесе за фантастичен скок в много области на науката и технологиите, особено в транспортния сектор. Въз основа на неговите постижения бяха създадени съвременни самолети, които направиха възможно да се направи достъпно за обществеността практически всяко кътче на планетата Земя.
Първото споменаване на опит за завладяване на небето се намира в гръцкия мит за Икар и Дедал. Баща и син изградиха крила като птици. Това показва, че преди хиляди години хората са мислили за възможността да излязат от земята.
Още един скокинтересът към конструирането на самолети възниква през Ренесанса. Страстният изследовател Леонардо да Винчи посвети много време на този проблем. Известни са неговите бележки, които обясняват принципите на действие на най-простия хеликоптер.
Нова ера
Глобалният пробив в науката (и в частност в аеронавтиката) е направен от Исак Нютон. В крайна сметка основата на аеродинамиката е цялостна наука за механика, чийто основател е английски учен. Нютон пръв разглежда въздушната среда като конгломерат от частици, които, натъквайки се на препятствие, или се придържат към него, или се отразяват еластично. През 1726 г. той представя теорията за въздушното съпротивление на обществеността.
Впоследствие се оказа, че околната среда наистина се състои от най-малките частици - молекули. Те се научиха как да изчисляват отразяващата способност на въздуха доста точно и ефектът на „залепването“се смяташе за несъстоятелно предположение.
Изненадващо, тази теория намери практическо приложение векове по-късно. През 60-те години, в зората на космическата ера, съветските дизайнери се сблъскват с проблема с изчисляването на аеродинамичното съпротивление на спускащи се превозни средства с „тъпа“сферична форма, които развиват хиперзвукова скорост при кацане. Поради липсата на мощни компютри беше проблематично да се изчисли този показател. Неочаквано се оказа, че е възможно точно да се изчисли стойността на съпротивлението и дори разпределението на налягането върху предната част, като се използва простата формула на Нютон относно ефекта от "залепването" на частиците към летящ обект.
Развитие на аеродинамиката
ОснователХидродинамистът Даниел Бернули описва през 1738 г. фундаменталната връзка между налягане, плътност и скорост за несвиваемия поток, известен днес като принцип на Бернули, който също е приложим за изчисления на аеродинамичното повдигане. През 1799 г. сър Джордж Кейли става първият човек, който идентифицира четирите аеродинамични сили на полета (тегло, повдигане, съпротивление и тяга) и връзките между тях.
През 1871 г. Франсис Хърбърт Уенъм създава първия аеродинамичен тунел за точно измерване на аеродинамичните сили. Безценни научни теории, разработени от Жан Льо Ронд д'Аламбер, Густав Кирхоф, лорд Рейли. През 1889 г. Чарлз Ренар, френски авиационен инженер, става първият човек, който научно изчислява мощността, необходима за продължителен полет.
От теория към практика
През 19-ти век изобретателите гледат на крилото от научна гледна точка. И благодарение на изучаването на механизма на полета на птиците, беше изследвана аеродинамиката в действие, която по-късно беше приложена към изкуствени самолети.
Ото Лилиентал се отличи особено в изследванията на механиката на крилото. Германският авиоконструктор създава и тества 11 вида планери, включително биплан. Той също така направи първия полет на апарат, по-тежък от въздуха. За сравнително кратък живот (46 години) той направи около 2000 полета, като непрекъснато подобряваше дизайна, който приличаше повече на делтапланер, отколкото на самолет. Той умира по време на следващия полет на 10 август 1896 г., ставайки пионераеронавтика и първата жертва на самолетна катастрофа. Между другото, немският изобретател лично предаде един от планерите на Николай Егорович Жуковски, пионер в изучаването на аеродинамиката на самолетите.
Жуковски не просто експериментира с дизайна на самолети. За разлика от много ентусиасти от онова време, той основно разглежда поведението на въздушните течения от научна гледна точка. През 1904 г. основава първия в света аеродинамичен институт в Качино край Москва. От 1918 г. той оглавява ЦАГИ (Централен аерохидродинамичен институт).
Първи самолети
Аеродинамиката е науката, която позволи на човека да завладее небето. Без изучаването му би било невъзможно да се построят самолети, които да се движат стабилно във въздушни течения. Първият самолет в обичайния ни смисъл е направен и издигнат във въздуха на 7 декември 1903 г. от братя Райт. Това събитие обаче беше предшествано от внимателна теоретична работа. Американците посветиха много време за отстраняване на грешки в дизайна на корпуса в аеродинамичен тунел по собствен дизайн.
По време на първите полети Фредерик В. Ланчестър, Мартин Вилхелм Кута и Николай Жуковски излагат теории, които обясняват циркулацията на въздушните течения, които създават подемна сила. Кута и Жуковски продължиха да развиват двуизмерна теория на крилото. На Лудвиг Прандтл се приписва развитието на математическата теория за фините аеродинамични и подемни сили, както и работата с граничните слоеве.
Проблеми и решения
Значението на аеродинамиката на самолетите нараства с увеличаването на скоростта им. Дизайнерите започнаха да се сблъскват с проблеми със сгъстяването на въздуха със скоростта на звука или близо до нея. Разликите в потока при тези условия са довели до проблеми с управлението на самолета, повишено съпротивление поради ударни вълни и заплаха от структурна повреда поради аероеластично трептене. Съотношението на скоростта на потока към скоростта на звука се нарича числото на Мах на името на Ернст Мах, който е един от първите, които изследват свойствата на свръхзвуковия поток.
Уилям Джон Маккуорн Ранкин и Пиер Анри Гугонио независимо разработиха теорията за свойствата на въздушния поток преди и след ударна вълна, докато Джейкъб Акерет извърши първоначалната работа по изчисляването на подемната сила и съпротивлението на свръхзвуковите аеродинамики. Теодор фон Карман и Хю Латимър Драйдън измислиха термина "трансзвуков", за да опишат скорости на границата от 1 Мах (965-1236 км/ч), когато съпротивлението бързо нараства. Първата звукова бариера е счупена през 1947 г. на самолет Bell X-1.
Основни характеристики
Съгласно законите на аеродинамиката, за да осигурите полет в земната атмосфера на всяко устройство, важно е да знаете:
- Аеродинамично съпротивление (ос X), упражнявано от въздушни течения върху обект. Въз основа на този параметър се избира мощността на електроцентралата.
- Повдигаща сила (ос Y), която осигурява изкачване и позволява на устройството да лети хоризонтално до повърхността на земята.
- Моменти на аеродинамични сили по три координатни оси, действащи върху летящ обект. най-важное моментът на страничната сила по оста Z (Mz), насочена напречно на самолета (условно по линията на крилото). Той определя степента на надлъжна стабилност (дали устройството ще се "гмурне" или ще повдигне носа си нагоре при полет).
Класификация
Аеродинамичните характеристики се класифицират по условия и свойства на въздушния поток, включително скорост, свиваемост и вискозитет. Външната аеродинамика е изследване на потока около твърди обекти с различни форми. Примери са оценката на подемната сила и вибрациите на самолет, както и ударните вълни, които се образуват пред носа на ракетата.
Вътрешната аеродинамика е изследването на въздушния поток, движещ се през отвори (преходи) в твърди обекти. Например, той обхваща изследването на потоците през реактивен двигател.
Аеродинамичните характеристики също могат да бъдат класифицирани според скоростта на потока:
- Subsonic се нарича скорост, по-малка от скоростта на звука.
- Transonic (transonic) - ако има скорости както под, така и над скоростта на звука.
- Supersonic - когато скоростта на потока е по-голяма от скоростта на звука.
- Хиперзвуков - скоростта на потока е много по-голяма от скоростта на звука. Обикновено това определение означава скорости с числа на Мах над 5.
Аеродинамика на хеликоптера
Ако принципът на полета на самолета се основава на повдигащата сила по време на транслационно движение, упражнявано върху крилото, тогава хеликоптерът, сякаш, създава повдигане сам по себе си поради въртене на лопатките в режим на аксиално издухване (тоест без скорост на транслация). Благодарение наС тази функция хеликоптерът може да виси във въздуха на място и да извършва енергични маневри около оста.
Други приложения
Естествено, аеродинамиката е приложима не само за самолети. Въздушното съпротивление се изпитва от всички обекти, движещи се в пространството в газова и течна среда. Известно е, че водните обитатели - риби и бозайници - имат обтекаеми форми. На техния пример можете да проследите аеродинамиката в действие. Фокусирайки се върху животинския свят, хората също правят воден транспорт заострен или с форма на сълза. Това се отнася за кораби, лодки, подводници.
Превозните средства изпитват значително въздушно съпротивление: то се увеличава с увеличаване на скоростта. За да се постигне по-добра аеродинамика, на автомобилите се придава опростена форма. Това е особено вярно за спортните автомобили.
