Аэродинамика

Наука
Аэродинамика (от др.-греч. ἀηρ — воздух и δύναμις — сила)
англ. Aerodynamics
Предмет изучения	движение с дозвуковыми скоростями
Период зарождения	XX век
Основные направления	гидроаэромеханика

Аэродинамика (от др.-греч. ἀηρ — воздух и δύναμις — сила) — раздел гидроаэромеханики, в котором изучаются законы движения воздуха и силы, возникающие на поверхности тел, относительно которых происходит его движение.

История аэродинамики

Обтекание профиля крыла

Как самостоятельная наука Аэродинамика возникла в начале XX века в связи с потребностями авиации. Рождавшаяся авиация требовала разработки теории и создания методов расчёта подъёмной силы крыла, аэродинамического сопротивлениясамолёта и его деталей, тяговой силы воздушного винта. Одно из первых в мировой науке теоретических исследований этих вопросов содержится в работах русских учёных Константина Циолковского «К вопросу о летании посредством крыльев» и Николая Жуковского «К теории летания» в 1891 году.

Мёртвая петля

Теория, позволяющая рассчитать подъёмную силу крыла бесконечного размаха, была разработана в начале XX века в России Николаем Жуковским и Сергеем Чаплыгиным, в Германии — Вильгельмом Куттом и в Англии — Фредериком Ланчестером. В 1912 появились работы Николая Жуковского, излагающие вихревую теорию воздушного винта. Разработанная Жуковским и Чаплыгиным теория решёток, состоящих из крыльевых профилей, дала возможность учесть взаимное влияние лопастей винта и явилась основой для расчёта колёс и направляющих решёток турбомашин. Первой работой по динамике полёта следует считать мемуар Жуковского «О парении птиц» написанную в 1892 году, в котором дано теоретическое обоснование «мёртвой петли», впервые осуществленной русским лётчиком Петром Нестеровым в 1913 году.

Одновременно с разработкой теории полёта для получения численных значений аэродинамических характеристик создаются специальные аэродинамические лаборатории, ставшие базой экспериментальной Аэродинамики, создателями которой можно считать Николая Жуковского, французского учёного Гюстава Эйфеля и немецкого учёного Людвига Прандтля. В 1902 году Николай Жуковский основал аэродинамическую лабораторию Императорского Московского университета, а в 1904 году — аэродинамический институт в Кучине. В 1909 году была создана аэродинамическая лаборатория Эйфеля в Париже и несколько позднее Людвигом Прандтлем в Гёттингене. По предложению Николая Жуковского в 1918 году был создан Центральный аэрогидродинамический институт, который и в настоящее время является одним из крупнейших в мире центров аэродинамических исследований. В развитие Аэродинамики, кроме Николая Жуковского и Сергея Чаплыгина, большой вклад внесли советские учёные Владимир Ветчинкин, Анатолий Дородницын, Мстислав Келдыш, Михаил Лаврентьев, Георгий Петров, Леонид Седов, Андрей Туполев, Сергей Христианович, Борис Юрьев, немецкие учёные — Герман Шлихтинг, Адольф Буземан, английский учёный — Германн Глауэрт, американский учёный — Теодор Карман.

Предмет и задачи аэродинамики

Оси управления самолётом

Одна из основных задач Аэродинамики — обеспечить проектные разработки летательных аппаратов методами расчёта действующих на них аэродинамических сил. В процессе проектирования самолёта, вертолёта для определения его лётных свойств производят 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. 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. 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 Аэродинамики делится на теоретическую и экспериментальную. Первая ищет решение путём теоретического анализа основных законов гидроаэромеханики, сформулированных в форме уравнений Эйлером, Лагранжем, Навье, Стоксом. 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 Прандтлем, предложившим разделить пространство, в котором наблюдаются возмущения, вызванные движущимся телом, на две области: область, близкую к поверхности тела, где существенно влияние вязкости, так называемый Пограничный слой, и область вне пограничного слоя, где воздух можно рассматривать как идеальный газ.

При помощи анализа основных законов течения воздуха в теоретической Аэродинамики были разработаны вопросы теории подобия 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 Аэродинамикой, главная задача которой состоит в получении численных значений аэродинамических сил, действующих на аппарат, путём испытания модели на специальных установках. В экспериментальной Аэродинамики 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, и ветровыми нагрузками на здания и сооружения.

Галерея

• Основоположники аэродинамики
• 

  Константин Циолковский (1857—1935)

• 

  Николай Жуковский (1847—1921)

• 

  Сергей Чаплыгин (1869—1942)

• 

  Вильгельм Куттой (1867—1944)

• 

  Фредерик Ланчестер (1868—1946)

• 

  Гюстав Эйфель (1832—1923)

• 

  Людвиг Прандтль (1875—1953)

Литература

• Аэродинамика / Большая Российская энциклопедия // научно-редакционный совет: председатель - Ю. С. Осипов и др. — Москва : Большая Российская энциклопедия, Т. 2: Анкилоз - Банка. — науч.-ред. совет: пред.- Ю. С. Осипов [и др.]. — 2005. — 766 с. — ISBN 5-85270-320-6
• Аэродинамика / Большая советская энциклопедия // Глав. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — Москва : Сов. энциклопедия, Т. 2: Ангола-Барзас. — 1970. — 631 с.
• Экспериментальная аэродинамика / А. К. Мартынов. — Москва : изд-во и тип. Оборонгиза, 1950. — 480 с.