1410

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.А. Григорьев

ВВЕДЕНИЕ В АВИАЦИОННУЮ И РАКЕТНУЮ ТЕХНИКУ

2-е издание, переработанное и дополненное

Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации

по образованию в области авиации, ракетостроения и космоса в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений РФ, обучающихся по специальности 160700 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» и направлению подготовки бакалавров

160700 «Двигатели ЛА»

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2014

1

УДК 621.452.3.01(78) Г83

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор В.Г. Августинович (ОАО «Авиадвигатель»);

д-р техн. наук, профессор Х.С. Гумеров (Уфимский государственный авиационный технический университет)

Григорьев, А.А.

Г83 Введение в авиационную и ракетную технику : учеб. пособие / А.А. Григорьев. – 2-е изд., перераб. и доп. – Пермь : Издво Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 176 с.

ISBN 978-5-398-01276-7

Изложены основы теории полета и конструкции летательных аппаратов различных типов, дана характеристика их силовых установок. Приведена краткая история развития авиационной и ракетнокосмической техники.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» и направлению подготовки бакалавров «Двигатели летательных аппаратов».

УДК 621.452.3.01(78)

2

5

ВВЕДЕНИЕ

Авиация – широкое понятие, связанное с полетами в атмосфере аппаратов тяжелее воздуха.

Атмосфера Земли – это газовая (воздушная) среда вокруг Земли, которая вращается вместе с Землей как единое целое.

Нижней границей атмосферы служит поверхность Земли, верхняя ее граница точно не установлена. Условно за верхнюю границу принимают высоты 2000–3000 км, где плотность воздуха в 16·1017 раз меньше, чем у Земли.

Газовый состав атмосферы: азот (N2) ≈ 78 %; кислород (О2) ≈ ≈ 21 %; углекислый газ (СО2) 0,03 %; аргон (Ar); неон (Ne); гелий (He); водород (H).

В слое атмосферы на высоте от 0 до 100–110 км происходит сильное перемешивание газов, поэтому ее состав мало меняется, этот слой называется гомосферой (от греч. homos – равный, одина-

ковый) или турбосферой.

Выше, в гетеросфере (от греч. heteros – другой), химический состав атмосферы изменяется. До высоты 400–600 км сохраняется азотно-кислородный состав атмосферы, однако начиная с высот 110–120 км практически весь кислород находится в атомарном состоянии, появляется также атомарный азот. Далее до высоты около 1600 км в атмосфере преобладает гелий, а с высоты около 3000 км – водород. Так постепенно атмосфера Земли переходит в межзвездный газ, состоящий из водорода (≈76 мас. %) и гелия

(≈23 мас. %).

Во всем диапазоне увеличения высоты Н уменьшаются плотность ρв и давление рв воздуха. Основная масса воздуха (90 %) сосредоточена в слое до высоты 30 км.

По характеру изменения с высотой температуры воздуха Тв атмосфера делится на несколько слоев (рис. В.1): тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера.

6

дать «перегрузки», нарушить балансировку, устойчивость, управляемость. Особенно опасны возникающие на высоте 8–10 км струйные течения, представляющие собой ураганные ветры со скоростью 30–100 км/ч. Для коротковолнового излучения Солнца атмосфера «прозрачна», поэтому основная доля солнечной радиации поглощается поверхностью Земли. В тропосфере воздух нагревается за счет тепла от поверхности Земли, поэтому с увеличением Н температура воздуха Тв снижается (см. рис. В.1).

Стратосфера (≈11–55 км). Температура воздуха до высоты 25–30 км почти постоянная и равна –56,5 °С, затем повышается на 1–2 °С на каждый километр и на верхней границе стратосферы становится положительной. На высотах более 10 и до 50 км кислород О2, поглощая ультрафиолетовую (УФ) радиацию, диссоциирует (распадается) на атомарный кислород О, который, взаимодействуя с О2, образует озон О3. Максимальная концентрация озона наблюдается на высотах 25–28 км в стратосфере. В слое атмосферы от 10 до 50 км в значительной степени поглощается УФ часть солнечного спектра, губительная для биологических форм жизни

7

на Земле. УФ солнечная радиация является главным фактором нагревания воздуха в стратосфере (см. рис. В.1).

Мезосфера (≈55–85 км), в которой при увеличении Н уменьшается Тв, достигающая на верхней границе –75 °С.

Термосфера (≈85–800 км). С увеличением Н увеличивается Тв. На высоте 150 км температура воздуха равна 220–240 °С, на высоте 200 км температура более 500 °С. Так как плотность воздуха в термосфере очень мала, то высокие температуры не могут вызвать нагревание находящегося там тела.

Границы между слоями меняются в зависимости от времени

иместа и представляют собой переходные слои толщиной от нескольких сот метров до нескольких километров. Переходные слои носят названия: тропопауза, стратопауза, мезопауза (см. рис. В.1).

Современная авиация освоила слой атмосферы 0–30 км.

Вдиапазоне высот от 0 до 1 км наблюдается явление турбулентности атмосферы (беспорядочное изменение Тв и рв, скорости

инаправления ветра), что может вызвать «болтанку» летательного аппарата (ЛА).

Космическое пространство представляет собой очень разряженную газовую среду, доступную только космическим аппаратам.

Экзосфера – сфера рассеяния расположена выше 800 км и мало изучена. Температура возрастает до 2000 °С, при этом скорости частиц газов достигают 12 км/с, и некоторая их часть уходит из поля земного притяжения.

8

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АВИАЦИИ

Появлению ЛА тяжелее воздуха предшествовали ЛА легче воздуха, использующие для полета аэростатическую подъемную силу, механизм образования которой был открыт Архимедом еще в III веке до нашей эры. Закон Архимеда гласит: «На всякое тело, погруженное в жидкость (газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости (газа)».

Первые воздушные шары появились в 1783 году: тепловой аэростат монгольфьер, построенный французами братьями Монгольфье (рис. 1.1, а); водородный шар-аэростат, построенный французом Ж. Шарлем (рис. 1.1, б).

В 1852 году совершил первый полет управляемый аэростат – дирижабль француза А. Жиффара (рис. 1.1, в).

Рис. 1.1. Аэростаты: а – тепловой аэростат братьев Монгольфье;

б– водородный шар-аэростат Ж. Шарлье;

в– управляемый дирижабль А. Жиффара

Тепловые аэростаты – монгольфьеры были надолго забыты и только в наше время, на новом техническом уровне они получили второе рождение. Тепловой аэростат состоит из открытой снизу оболочки, к которой крепится гондола с экипажем. Для нагрева воздуха в газовой горелке сжигается пропан, хранящийся в жидком состоянии в баллонах. Управление высотой полета производится изменением температуры воздуха в оболочке путем регулирования газовой горелки.

9

Первые схемы ЛА тяжелее воздуха – мускулолеты с вращающимися винтовыми поверхностями – винт Архимеда (рис. 1.2, а)

имашущими крыльями (рис. 1.2, б) были предложены еще Леонардо да Винчи в 1475 году.

В1754 году Михаил Васильевич Ломоносов построил модель вертолета с соосно расположенными воздушными винтами и пружинным приводом (рис. 1.2, в), доказав возможность получения подъемной силы подобным образом.

В1799 году Дж. Кейли предложил ЛА с неподвижным крылом

исделал первый планер для полета человека. В 1883 году А.Ф. Можайский в России построил самолет с приводимыми паровыми двигателями воздушными винтами (ВВ), но его ЛА не смог самостоятельно оторваться от земли.

Рис. 1.2. Проекты первых ЛА тяжелее воздуха: а, б – мускулолеты Леонардо да Винчи; в – аэродинамическая машина М.В. Ломоносова

10