Аэродинамические трубы

Аэродинамические трубы – установки, создающая поток воздуха или газа для экспериментального изучения явлений, сопровождающих обтекание тел. С помощью Аэродинамических труб определяются силы, возникающие при полёте самолётов и вертолётов, ракет и космических кораблей, при движении подводных судов в погруженном состоянии; исследуются их устойчивость и управляемость; отыскиваются оптимальные формы самолётов, ракет, космических и подводных кораблей, а также автомобилей и поездов; определяются ветровые нагрузки, а также нагрузки от взрывных волн, действующие на здания и сооружения — мосты, мачты электропередач, дымовые трубы и т. п. В специальных аэродинамических трубах исследуется нагревание и теплозащита ракет, космических кораблей и сверхзвуковых самолётов.

Опыты в аэродинамических трубах основываются на принципе обратимости движения, согласно которому перемещение тела относительно воздуха (или жидкости) можно заменить движением воздуха, набегающего на неподвижное тело. Для моделирования движения тела в покоящемся воздухе необходимо создать в аэродинамической трубе равномерный поток, имеющий в любых точках равные и параллельные скорости (равномерное поле скоростей), одинаковые плотность и температуру. Обычно в аэродинамических трубах исследуется обтекание модели проектируемого объекта или его частей и определяются действующие на неё силы. При этом необходимо соблюдать условия, которые обеспечивают возможность переносить результаты, полученные для модели в лабораторных условиях, на полноразмерный натурный объект. При соблюдении этих условий аэродинамические коэффициенты для исследуемой модели и натурного объекта равны между собой, что позволяет, определив аэродинамический коэффициент в аэродинамической трубе, рассчитать силу, действующую на натуру (например, самолёт).

Прототип аэродинамической трубы был создан в 1897 К. Э. Циолковским, использовавшим для опытов поток воздуха на выходе из центробежного вентилятора. В 1902 Н. Е. Жуковский построил аэродинамическую трубу, в которой осевым вентилятором создавался воздушный поток со скоростью до 9 м/сек. Первые аэродинамические трубы разомкнутой схемы были созданы Т. Стантоном в Национальной физической лаборатории в Лондоне в 1903 и Н. Е. Жуковским в Москве в 1906, а первые замкнутые аэродинамические трубы — в 1907—1909 в Гёттингене Л. Прандтлем и в 1910 Т. Стантоном. Первая аэродинамическая труба со свободной струей в рабочей части была построена Ж. Эйфелем в Париже в 1909. Дальнейшее развитие аэродинамических трубшло преимущественно по пути увеличения их размеров и повышения скорости потока в рабочей части (где помещается модель), которая является одной из основных характеристик аэродинамических труб.

В связи с развитием артиллерии, реактивной авиации и ракетной техники появляются сверхзвуковые трубы, скорость потока в рабочей части которых превышает скорость распространения звука. В аэродинамике больших скоростей скорость потока или скорость полёта летательных аппаратов характеризуется числом М = v/a (т. е. отношением скорости потока v к скорости звука а). В соответствии с величиной этого числа А. т. делят на 2 основные группы: дозвуковые, при М < 1, и сверхзвуковые, при М > 1.

↑Дозвуковые аэродинамические трубы

Дозвуковая аэродинамическая труба постоянного действия состоит из рабочей части, обычно имеющей вид цилиндра с поперечным сечением в форме круга или прямоугольника (иногда эллипса или многоугольника). Рабочая часть может быть закрытой или открытой, а если необходимо создать аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью, статическое давление в которой не равно атмосферному, струю в рабочей части отделяют от атмосферы т. н. камерой Эйфеля (высотной камерой). Исследуемая модель крепится державками к стенке рабочей части трубы или к аэродинамическим весам. Перед рабочей частью расположено сопло, которое создаёт поток газа с заданными и постоянными по сечению скоростью, плотностью и температурой. Размеры дозвуковых аэродинамических труб колеблются от больших для испытаний натурных объектов (например, двухмоторных самолётов) до миниатюрных настольных установок.

Существенной особенностью дозвуковых аэродинамических труб является возможность изменения скорости газа в рабочей части за счёт изменения перепада давления.

↑Сверхзвуковые аэродинамические трубы

В общих чертах схемы сверхзвуковой и дозвуковой аэродинамических труб аналогичны. Для получения сверхзвуковой скорости газа в рабочей части аэродинамических труб применяют т. н. сопло Лаваля, которое представляет собой сначала сужающийся, а затем расширяющийся канал. В сужающейся части скорость потока увеличивается и в наиболее узкой части сопла достигает скорости звука, в расширяющейся части сопла скорость становится сверхзвуковой и увеличивается до заданного значения, соответствующего числу М в рабочей части. Каждому числу М отвечает определённый контур сопла. Поэтому в сверхзвуковых трубах для изменения числа М в рабочей части применяют сменные сопла или сопла с подвижным контуром, позволяющим менять форму сопла.

В диффузоре сверхзвуковой аэродинамической трубы скорость газа должна уменьшаться, а давление и плотность возрастать, поэтому его делают, как и сопло, в виде сходящегося — расходящегося канала. В сходящейся части сверхзвуковая скорость течения уменьшается, а в некотором сечении возникает скачок уплотнения (ударная волна), после которого скорость становится дозвуковой. Для дальнейшего замедления потока контур трубы делается расширяющимся, как у обычного дозвукового диффузора. Для уменьшения потерь диффузоры сверхзвуковых аэродинамических труб часто делают с регулируемым контуром, позволяющим изменять минимальное сечение диффузора в процессе запуска установки.

В сверхзвуковой трубах потери энергии в ударных волнах, возникающих в диффузоре, значительно больше потерь на трение и вихреобразование. Кроме того, значительно больше потери при обтекании самой модели, поэтому для компенсации этих потерь сверхзвуковые аэродинамические трубы имеют многоступенчатые компрессоры и более мощные силовые установки, чем дозвуковые.

Одним из основных преимуществ сверхзвуковых аэродинамических труб постоянного действия, является возможность проведения опытов значительной продолжительности. Однако для многих задач аэродинамики это преимущество не является решающим. К недостаткам таких труб относятся: необходимость иметь энергетические установки большой мощности, а также трудности, возникающие при числах М > 4 вследствие быстрого роста требуемой степени сжатия компрессора. Поэтому широкое распространение получили т. н. баллонные аэродинамические трубы, в которых для создания перепада давлений перед соплом помещают баллоны высокого давления, содержащие газ при давлении 100 Мн/м2, а за диффузором — вакуумные ёмкости (газгольдеры), откачанные до абсолютного давления 100—0,1 н/м2, или систему эжекторов.

Одной из основных особенностей аэродинамических труб больших чисел М (М > 5) является необходимость подогрева воздуха во избежание его конденсации в результате понижения температуры с ростом числа М. В отличие от водяных паров, воздух конденсируется без заметного переохлаждения. Конденсация воздуха существенно изменяет параметры струи, вытекающей из сопла, и делает её практически непригодной для аэродинамического эксперимента. Поэтому аэродинамические трубы больших чисел М имеют подогреватели воздуха.

Развитие техники идёт в направлении дальнейшего увеличения скоростей полёта. Спускаемые космические аппараты «Восток» и «Восход» входят в атмосферу Земли с первой космической скоростью, более 8 км/сек (т. е. М > 20). Космические корабли, возвращающиеся на Землю с Луны и др. планет, будут входить в атмосферу со второй космической скоростью , более 11 км/сек (М > 30). При таких скоростях полёта температура газа за ударной волной, возникающей перед летящим телом, превышает 10000 К, молекулы азота и кислорода диссоциируют (распадаются на атомы), и становится существенной ионизация атомов. Необходимо исследовать влияние этих процессов на силы, возникающие при обтекании тела, и тепловые потоки, поступающие к его поверхности. Для этого в аэродинамических трубах необходимо получить не только натурные значения чисел М и Re, но и соответствующие температуры. Это привело к созданию новых типов аэродинамических труб, работающих с газом, нагретым до высоких температур, значительно превышающих температуру, необходимую для предотвращения конденсации воздуха при данном числе М. К установкам этой группы относятся ударные трубы, импульсные установки, электродуговые установки и т. п.