Аэродинамика и динамика полета ла Основы аэродинамики

Аэродинамика ¹⁾ – раздел механики, в котором изучаются (и исследуются) законы движения воздуха (атмосферы) или газообразной среды, а также взаимодействия воздуха и движущегося в нём тела – летательного аппарата (ЛА).

¹⁾ – Аэродинамика это наука о законах движения воздушной (газовой) среды и силового взаимодействия этой среды с граничными поверхностями ЛА:

- внешними (поверхности тел, обтекаемые потоком);

- внутренними (газ движется внутри различных каналов).

Характер взаимодействия воздуха и движущегося (в воздухе) ЛА существенно зависит от скорости ²⁾ полета ЛА и от высоты ³⁾ полета (с изменением высоты изменяются параметры атмосферы).

²⁾ При малых скоростях полета ЛА воздух принимается как несжимаемая среда. Но с ростом скорости полета (на трасзвуковых и сверхзвуковых скоростях) необходимо учитывать свойство сжимаемости среды.

³⁾ При полетах ЛА на небольших высотах воздушную среду принимают сплошной. Но при полете на больших высотах, где плотность воздуха очень мала, необходимо уже применять другие зависимости, которые должны учитывать несплошность среды. На высотах до 15 км (высоты полета гражданских самолетов) во всех случаях принимают среду сплошной. Это справедливо, ведь размеры исследуемых тел (самолет, вертолет, планер и др. ЛА) гораздо больше длины свободного пробега молекул.

Виды взаимодействия (ЛА и воздуха):

- силовое (аэродинамические силы сопротивления и подъемная);

- тепловое (оплавление, сублимация – переход вещества из твёрдого состояния в газо-образное без пребывания в жидком состоянии);

- химическое (окисление, горение и др. химические реакции);

- физическое (ионизация воздуха);

- механическое (истирание, эрозия, унос частиц материала и др.)

Критерий оценки интенсивности силового взаимодействия воздуха и ЛА (а также критерий появления сжимаемости воздуха) – число Маха (М).

М = V_ЛА / а, (1)

где V_ЛА – скорость полета ЛА (или скорость V_∞ – движения воздуха относительно ЛА); а – скорость звука в воздухе на высоте полета ЛА.

- М ≤ 0,4…0,6 – малые дозвуковые скорости;

- М = 0,6…0,9 – большие дозвуковые скорости;

- М = 0,95…1,05 – околозвуковые (трансзвуковые) скорости;

- М = 1,1…4,7 – сверхзвуковые скорости;

- М ≥ 5,0 – гиперзвуковые скорости.

Основные параметры и характеристики среды

Параметры среды ¹⁾:

- g = 9,81 (м/с²) – ускорение свободного падения (для планеты Земля);

- ρ = m / W (кг/м³) – массовая плотность – масса газа (жидкости) в единице объема,

для воздуха ρ = 1,225 кг/м³;

- γ = ρ·g (Н/м³) – удельный вес – вес газа (жидкости) в единице объема;

¹⁾ – Параметры среды изменяются с изменением температуры и высоты полета.

(температура уменьшается на 6,5°C на каждые 1000 м увеличения высоты до уровня 11 км, где температура становится равной −56,5°C и почти перестаёт изменяться).

- Δ = ρ_Н / ρ₀ – относительная плотность воздуха,

где ρ_Н и ρ₀ – плотности воздуха на высотах Н и 0 м над уровнем моря;

- состав среды – в воздухе содержится ~21% кислорода и ~78% азота;

- температура среды ¹⁾ – мера нагретости воздуха (определяет скорость хаотического движения молекул);

- массовые силы – действуют на каждую частицу среды: G – сила тяжести, Р_ИН – сила инерции;

- поверхностные силы – действуют на поверхности ЛА со стороны окружающей среды (давление, трение);

- силы давления – p (Н/м²) – силы, действующие перпендикулярно поверхности частей ЛА со стороны окружающей среды;

- силы трения – F_ТР (Н/м²) – силы, действующие по касательной к поверхности ЛА.

¹⁾ – температура измеряется в градусах Цельсия (°C), Кельвина (°К), Фаренгейта (°Ф). В шкале Кельвина за 0° взята температура прекращения движения молекул (–273°С), в шкале Цельсия – температура замерзания чистой воды при давлении 760 мм. рт. столба (1 атмосфера), в шкале Фаренгейта – температура замерзания насыщенного раствора соли в воде. Размерность шкалы Цельсия и Кельвина совпадают, шкала Фаренгейта имеет свою размерность. Ноль градусов по Цельсию соответствует +32° Фаренгейта, температура человеческого тела (36,6°C) соответствует +97,88° Фаренгейта, точка кипения воды (100°С) – +21° Фаренгейта. Перевод из Фаренгейта в шкалу Цельсия 0,55·(t°F - 32) = t°C).

Перевод из Цельсия в Фаренгейта 1,8·t°C+32 = t°F.

Международная стандартная атмосфера (МСА)

Для МСА ²⁾ – приняты следующие условия:

Давление воздуха р0:	101,325 кПa, 760 мм рт. ст.
Температура воздуха t°C:	+15°C (Т0 = 288°К)
Плотность воздуха ρ0:	1,249 кг/м3
Относительная влажность :	0 %
Падение температуры :	– 6,5 °C на 1000 м (вверх).