Аэродинамические сила и момент
Аэродинамическую силу раскладывают на составляющие в прямоугольной системе координат (рис. 17.18), связанной либо с вектором скорости тела v (поточная, или скоростная, система координат), либо с самим телом (связанная система). В поточной системе сила, направленная по оси потока в сторону, противоположную направлению движения тела, называется аэродинамическим сопротивлением Х, перпендикулярная ей и лежащая в вертикальной плоскости - подъёмной силой У, а перпендикулярная к ним обеим - боковой силой Z. В связанной системе координат аналогом первых двух сил являются тангенциальная Т и нормальная N силы.
Рис. 17.18. Разложение аэродинамической силы на составляющие в поточной системе координат X, Y, Z и в связанной системе Т, N, Z;
ось Z на рисунке не изображена, она перпендикулярна плоскости чертежа
Аэродинамический момент играет важную роль в аэродинамическом расчёте летательных аппаратов, определяя их устойчивость и управляемость, и представляется обычно в виде трёх составляющих - проекций на оси координат, связанных с телом (рис. 17.19): Mx (момент крена), My (момент рыскания) и Mz (момент тангажа). Знаки моментов положительны, когда они стремятся повернуть тело соответственно от оси у к оси z, от оси z к оси х, от оси х к оси у.
Рис. 17.19. Проекции аэродинамического момента на оси координат:
Mx - момент крена; My - момент рыскания; Mz - мoмeнт тангажа
Аэродинамическая сила и аэродинамический момент зависят от формы и размеров тела, скорости его поступательного движения и ориентации к направлению скорости, свойств и состояния среды, в которой происходит движение, а в некоторых случаях и от угловых скоростей вращения и от ускорения движения тела.
Аэродинамические коэффициенты профиля
Аэродинамические коэффициенты - безразмерные величины, характеризующие аэродинамические силу и момент, действующие на тело, движущееся в жидкой или газообразной среде.
Аэродинамические коэффициенты силы CR находят как отношение аэродинамической силы R к скоростному напору ρv2/2 и характерной площади S, а эродинамические коэффициенты момента CМ - как отношение аэродинамического момента М к ρv2/2, S и к характерной длине l , т. е.
где ρ - плотность среды, в которой движется тело, v - скорость тела относительно этой среды, S - характерная площадь, l - характерная длина.
Характерные размеры выбираются достаточно произвольно, например для самолёта S - площадь несущих крыльев (в плане), а l - длина хорды крыла; для ракеты S - площадь миделевого сечения (миделевое сечение - наибольшее по площади сечение движущегося в воде или воздухе тела плоскостью, перпендикулярной направлению движения), а l - длина ракеты.
Выражение аэродинамических сил и моментов в форме аэродинамических коэффициентов имеет большое значение для аэродинамических исследований и расчётов, существенно их упрощая. Так, например, аэродинамическая сила, действующая на самолёт, может достигать значений в сотни и тысячи кн (десятки и сотни mс), та же сила, действующая на модель этого самолёта, испытываемую в аэродинамической трубе, составляет десятки ньютонов (н), но аэродинамические коэффициенты для самолёта и для модели равны между собой. Или, например, аэродинамическая сила, действующая на шар, падающий с большой высоты на землю, зависит от высоты и скорости падения шара, а аэродинамический коэффициент является постоянной величиной.
Для аппаратов больших размеров, летящих на малой высоте с дозвуковой скоростью, для которых число Маха (М-число) М < 0,2, аэродинамические коэффициенты зависит только от формы летательного аппарата и угла атаки (угла между характерной плоскостью и направлением скорости полёта). В общем случае аэродинамические коэффициенты зависят от вязкости и сжимаемости газа, характеризуемой безразмерными критериями подобия: М-числом и Рейнольдса числом.