книги из ГПНТБ / Алтухов В.А. Основы аэродинамики летательных аппаратов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий учебник написан в соответствии с программой подготовки авиационных специалистов, для которых курс аэро­ динамики является одной из базовых дисциплин для изучения специальных предметов.

Ограниченный объем учебника не позволяет дать системати­ ческого и строгого изложения основных законов аэродинамики и точных методов решения ряда задач об обтекании различных тел потоком воздуха и затрудняет использование большого кон­ кретного расчетного и экспериментального материала, имеюще­ гося в научной и учебной литературе по вопросам аэродина­ мики.

Излагая законы движения жидкостей и газов и инженерные методы расчета основных аэродинамических характеристик раз­ личных тел в широком диапазоне скоростей и высот полета, авторы преследовали цель научить читателя правильно пони­

стоятельной работе над специальной литературой по вопросам аэродинамики.

В работе над учебником нами использован опыт преподава­ тельского коллектива кафедры аэродинамики ВВИА имени проф. Н. Е. Жуковского и овюй 'Опыт, чтения лекций по данному курсу.

При составлении учебника авторами были Использованы материалы учебника «Аэродинамика», написанного коллективом кафедры под общей редакцией профессора, доктора технических наук Б у р а г о Г. Ф. Так, например, главы XI, XII и XIII и некоторые параграфы других глав в методическом отношении И по содержанию повторяют соответствующие материалы выше-

3.

ВВЕДЕНИЕ

§1. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ

ОСОВРЕМЕННЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ

Впоследние годы значительно расширились диапазоны ско­ ростей и высот полета различных летательных аппаратов. Совре­ менные самолеты уже летают со скоростями, в 2,5—3 раза пре­ восходящими скорость звука. Как следует из опубликованных

данных, уже ведутся испытания гиперзвуковых самолетов, с жидкостно-реактивными двигателями и со стартовыми ускори­ телями, скорость которых должна в 7— 10 раз превосходить ско­ рость звука. Разрабатываются проекты гиперзвуковых летатель­ ных аппаратов-ракетопланов, на которых предполагается достигнуть еще больших скоростей полета при выходе на высоты, превышающие 100 км.

Весьма характерным для современного этапа развития авиа­ ции является то обстоятельство, что практически стираются грани между авиацией и ракетоплаванием, так как, с одной сто­ роны, в авиации находят все большее и большее применение ракетные двигатели, а с другой стороны, ракета, в управлении которой принимает участие человек, является по сути дела свое­ образным самолетом.

Различие в самолетном и ракетном принципах полета обыч­ но усматривается в том, что самолет в основном преодолевает силу веса за счет подъемной силы, создаваемой специальными несущими поверхностями — крыльями при движении самолета в воздухе, а ракетный аппарат — за счет силы тяги, развивае­ мой двигателем.

Однако простые соображения указывают на то, что достиже­ ние больших скоростей полета* возможно только на больших высотах, так как на малых высотах'из-за большойплотности воздуха летательный аппарат испытывает очень большое лобо­ вое сопротивление и недопустимо высокие температуры нагрева, кот ым не смот бы противостоять н,и один материал.

л больших высотах, когда воздух становится весьма разре­ женным, создать необходимую подъемную силу за счет крыла летательного аппарата достаточно трудно, несмотря на то, что с ростом скорости полета потребная для горизонтального полета аэродинамическая сила уменьшается, так как часть веса лета-

5

тельного аппарата при полете по криволинейной траектории вокруг Земли уравновешивается центробежной силой

мической силе для горизонтального полета вообще отпадает. На фиг. 1 верхняя кривая дает примерное значение предель­

ных высот в зависимости от скорости установившегося горизон­

скоростям из соображений недопустимости нагрева поверхности летательного аппарата выше температуры 1000°С.

Таким образом, на указанной диаграмме образуется «кори­ дор» горизонтального полета, ограниченный с верхней стороны невозможностью создания необходимой аэродинамической подъ­

емной силы, а с нижней стороны — (перегревом летательного аппарата.

Однако обе эти границы носят в значительной мере услов­ ный характер. Верхняя граница может быть преодолена за счет

6

увеличения мощности двигателей, а нижняя — за счет создания надежной тепловой защиты летательного аппарата.

Современный уровень развития техники столь высок, что обеспечивает достижение практически любых'высот и скоростей полета. Об этом убедительно свидетельствует большое число запущенных искусственных спутников Земли, советских косми­ ческих кораблей и межпланетных космических ракет.

Вершиной современного развития летательных аппаратов является первый в мире космический полет человека, осущест­ вленный на советском космическом корабле «Восток» советским летчиком Ю. А. Гагариным 12 апреля 1961 года.

Внешние формы современных летательных аппаратов пред­ ставляют собой обычно комбинацию тел осевой симметрии и крыльев. Взаимное расположение частей, составляющих лета­ тельный аппарат, называется компоновочной схемой этого аппа­ рата.

На фиг. 2 представлена схема бескрылой ракеты, которая обычно состоит из двух частей: корпуса 1 и оперения 2, пред­ ставляющего собой небольшие крылья, расположенные обычно в задней части аппарата.

На фиг. 3 изображена обычная компоновочная схема само­ лета. Самолет, кроме корпуса и оперения, имеет специальную несущую поверхность — крыло. Крыло предназначено для соз­ дания аэродинамической подъемной силы.

Основной задачей аэродинамической компоновки явдяется выбор такой компоновочной схемы и внешних форм отдельных частей летательного аппарата, которые обеспечивали бы необхо­ димую аэродинамическую подъемную силу при вшможно малом сопротивлении. Однако любая схема летательного аппарата будет неудовлетворительной, если она не обеспечивает возмож­ ность управления полетом аппарата и устойчивость его дви­ жения.

Под устойчивостью движения понимают способность лета­ тельного аппарата восстанавливать равновесный режим полета, если какое-либо случайное возмущение выведет его из состояния равновесия.

Под управляемостью летательного аппарата понимают его свойство отвечать соответствующими движениями на отклоне­ ния рулей и тем самым обеспечивать полет по заданной траек­ тории.

7

Устойчивость и управляемость обычно обеспечиваются соот­ ветствующими аэродинамическими силами, возникающими на крыле и оперении.

§ 2. СВЕДЕНИЯ ОБ АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ И СВОЙСТВАХ ВОЗДУХА НА РАЗЛИЧНЫХ ВЫСОТАХ

Как известно, земная атмосфера состоит в основном из двух­ атомных газов кислорода и азота с небольшими примесями дру­ гих газов (аргона, гелия, углекислоты, водяных паров и др.). Хотя эти примеси весьма незначительны, но при некоторых усло­ виях они могут влиять на физикохимические процессы, происхо­ дящие между поверхностью летящего тела и атмосферой. Так, например, при полете с очень большими скоростями, когда про­ исходит сильное разогревание слоя воздуха, в котором движется тело, основные компоненты воздуха (азот и кислород) могут ос­ таваться .прозрачными, т„ е. не поглощать и не излучать тепловых

Температуры воздуха на границе тропосферы, составляют 200—

Химический состав воздуха в пределах тропосферы и страто­ сферы можно считать постоянным по высоте.

Вся область над стратосферой (выше 30 км) называется верхней атмосферой.

Изменения основных термодинамических параметров и дру­ гих физических характеристик воздуха с высотой представлены в таблице Временной Стандартной Атмосферы 1960 .года (таб­ лица 1), отображающей некоторое среднее состояние атмосферы и не учитывающей возможных отклонений физических харак­ теристик от средних значений.

8 ‘

9*