Аэродинамика

Аэродинамика – раздел гидроаэромеханики, в котором изучаются законы движения воздуха и силы, возникающие на поверхности тел, относительно которых происходит его движение. В аэродинамике обычно рассматривают движение с дозвуковыми скоростями, т. е. до 340 м/сек (1200 км/ч). Вопросы, связанные с движением тел со скоростью, превышающей скорость звука, обычно относят к другому разделу гидроаэромеханики, называемому газовой динамикой.

Одна из основных задач аэродинамики — обеспечить проектные разработки летательных аппаратов методами расчёта действующих на них аэродинамических сил. В процессе проектирования самолёта (вертолёта и т.п.) для определения его лётных свойств производят т. н. аэродинамический расчёт, в результате которого находят максимальную, крейсерскую и посадочную скорости полёта, скорость набора высоты (скороподъёмность) и наибольшую высоту полёта («потолок»), дальность полёта, полезную нагрузку и т.д.

Специальный раздел аэродинамики — аэродинамика самолёта — занимается разработкой методов аэродинамического расчёта и определением аэродинамических сил и моментов, действующих на самолёт в целом и на его части — крыло, фюзеляж, оперение и т.д. К аэродинамике самолёта относят обычно и расчёт устойчивости и балансировки самолёта, а также теорию воздушных винтов. Вопросы, связанные с изменяющимся нестационарным режимом движения летательных аппаратов, рассматриваются в специальном разделе — динамика полёта.

В соответствии с методами решения возникающих задач аэродинамика делится на теоретическую и экспериментальную. Первая ищет решение путём теоретического анализа основных законов гидроаэромеханики, сформулированных в форме уравнений Л. Эйлером, Ж. Лагранжем, М. Навье, Г. Стоксом и др. Решение (интегрирование) этих уравнений для большинства практически важных задач даже в наше время возможно только при допущении, что вязкость воздуха равна нулю (замена воздуха «идеальным» газом). Однако решение упрощённых таким образом уравнений даёт результаты, противоречащие опыту. Например, сила аэродинамического сопротивления шара оказывается равной нулю (парадокс Д'Аламбера — Эйлера). Возникшее противоречие в известной степени было разрешено Л. Прандтлем, предложившим разделить пространство, в котором наблюдаются возмущения, вызванные движущимся телом, на две области: область, близкую к поверхности тела, где существенно влияние вязкости, т. н. пограничный слой, и область вне пограничного слоя, где воздух можно рассматривать как идеальный газ.

Гипотеза Прандтля и разработанные им уравнения движения газа в пограничном слое (1904) в дальнейшем были развиты в работах многих учёных, в том числе советских (Л. Г. Лойцянский, А. А. Дородницын и др.), и дали возможность получить решение большого числа задач. Предложенная схема не полностью соответствует реально существующим течениям; кроме того, разработанные методы не позволяют теоретически рассчитать течение в случае турбулентного пограничного слоя и для тел сложной формы. В этих случаях приходится применять эмпирические методы, разрабатываемые на основе экспериментального изучения моделей рассматриваемого течения. При помощи анализа основных законов течения воздуха в теоретической аэродинамике разработаны вопросы подобия теории и моделирования, которые позволяют определить аэродинамические силы, действующие на летательный аппарат, в результате испытания маломасштабной модели этого аппарата. Теория моделирования позволяет также определить и условия, в которых должна испытываться модель. Этот раздел теоретической аэродинамики является основой экспериментальной аэродинамики, главная задача которой состоит в получении численных значений аэродинамических сил, действующих на аппарат, путём испытания модели на специальных установках. В экспериментальной аэродинамике широко пользуются законом обращения движения, в соответствии с которым сила, действующая на тело, движущееся со скоростью v, равна силе, действующей на то же тело, закрепленное неподвижно и обдуваемое воздушным потоком с той же скоростью v.

Установки, на которых исследуют силы и моменты, действующие на неподвижно закрепленную модель — аэродинамические трубы, являются основной частью экспериментальной базы аэродинамических лабораторий. Методы аэродинамических измерений позволяют детально исследовать силы, действующие на модель, а также распределение значений скорости, плотности и температуры воздуха перед моделью и за ней.

При увеличении скорости полёта и приближении её к скорости звука необходимо учитывать сжимаемость среды. Сверхзвуковой полёт тела характеризуется рядом особенностей: возникают ударные волны, увеличивающие аэродинамическое сопротивление, летящее тело нагревается от трения о воздух и в результате излучения газа за ударной волной; при полёте с большой сверхзвуковой скоростью происходят диссоциация и ионизация газа в ударных волнах. Все эти вопросы, связанные с движением тел со скоростью, превышающей скорость звука, обычно относят к разделу гидроаэромеханики, называются газовой динамикой.

Широкая область неавиационных приложений аэродинамики входит в науку, называемую промышленной аэродинамикой. В ней рассматриваются вопросы, связанные с расчётом воздуходувок, ветровых двигателей, струйных аппаратов (эжекторов), вентиляционной техники (в частности, кондиционирования воздуха), а также вопросы, связанные с аэродинамическими силами, возникающими при движении наземного транспорта (автомобилей, поездов), и ветровыми нагрузками на здания и сооружения.