книги из ГПНТБ / Павловский К.М. Практическая аэродинамика и динамика полета летательных аппаратов учебное пособие

Экземпляр 1

\

В настоящем учебном пособии рассматриваются основные аэродинамические характеристики, пилотажные и лбтно-тактиче- ские свойства современных сверхзвуковых летательных аппара­ тов.

При написании книги использовались материалы, опублико­ ванные в открытой литературе и журнальных статьях.

Пособие составлено в соответствии о учебной программой академии и предназначено для слушателей авиационной специаль­ ности.

ствии между газами и твердыми телами при их движении в газо­ вой среде. Основоположник аэродинамики Н.Е.Жуковский назы­ вал ее о с н о в о й а в и а ц и и . Аэродинамика являетоя также одной из научных основ современной ракетной техники.

Основной задачей аэродинамики является определение аэроди­ намических сил и моментов, действующих на летательный аппарат при обтекании его воздушным потоком. В процессе решения этой задачи аэродинамика наиболее полно исследует практическое проявление таких механических овойств воздуха, как вязкость, инертность и сжимаемость.Она рассматривает и такие вопросы,как взаимодействие с различными преградами мощных ударных волн, возникающих при взрывах, аэродинамический нагрев самолетов и ракет при полете в плотных слоях атмосферы, определение пере­ грузок при полете самолета или космического аппарата и многие другие.

Условно различают аэродинамику малых скоростей и аэро­ динамику больших скоростей.

При малых скоростях полета (в практических целях до М=0,3+0,6) воздух можно считать несжимаемым,как жидкость. Поэтому раздел аэродинамики, изучающий обтекание тел с такими

сжимаемость воздуха,и это необходимо учитывать в практических целях, относится к аэродинамике б о л ь ш и х с к о р о -

- 4 -

o i e l .Она условно делится на аэродинамику околозвуковых

называют ее т р а н с з в у к о в о й .

Область сверхзвуковых скоростей с числами М5* 5 (пример­ но) относится к аэродинамике г и п е р з в у к о в ы х скоро­ стей. В этой области высокий аэродинамический нагрев вызыва­ ет ряд качественно новых явлений.

Движение тел в сильно разреженных газах,например, на высотах порядка 120 км и более, где образование пограничного

Аэродинамику самолета, излагаемую с целью практического применения ее летным составом при решении различных задач ди­ намики полета, принято называть п р а к т и ч е с к о й а э р о д и н а м и к о й .

Д и н а м и к а п о л е т а - это наука о законах движения летательных аппаратов под действием приложенных к ним сил. Одной из ее задач является определение оптимальных режи­ мов и программ движения, например, оптимальной программы вы­ вода аппарата на заданный режим полета, оптимального режима полета на дальность и др. Динамика полета является теоретиче­ ской базой техники пилотирования и тактики боевого использо­ вания летательных аппаратов.

Основоположником авиационных наук вообще, а аэродинамики и динамики полета в частности,является профессор Николай Его­ рович Жуковский, которого В.И.Ленин назвал "отцом русской авиации". Им в конце XIX и начале XX века были решены пробле­ мы теории крыла, воздушного винта, аэродинамического расчета самолета, устойчивости, управляемости и др. Большой вклад в развитие авиационных наук внесли ученики и последователи Жу­ ковского: С.А. Чаплыгин, В.П. Ветчинкин, Б.Н.Юрьев,М.В.Кел­

Базируясь на труды отечественных ученых, наши кон­ структоры создали первоклассные самолеты, вертолеты и ^акеты, завоевавшие мировую славу. Большая заслуга в выявлении лет­ ных свойств самолетов принадлежит выдающимся русским летчи­ кам П.Н.Нестерову -основоположнику высшего пилотажа, К.К.Арцеулсву - первому исследователю и исполнителю преднамеренно­ го штопора, а также большому коллективу советских летчиковиспытателей: В.П.Чкалову, В.К.Коккинаки,Г.Я.Бахчиванджи, Г.К.Мосолову,М.Л.Галлай,А.В,Федотову и др.

Авиация стала колыбелью космонавтики. Основоположниками ракетодинамики являются также наши ученые :К.Э.Циолковский, И.В.Мещерский и С,П.Королев. Благодаря их трудам, 4 октября 1957 года наша страна первая осуществила запуск искусствен­ ного спутника Земли, а 12 апреля 1961 года советский космиче­ ский корабль "Восток" с первым летчиком-космонавтом Ю.А.Гага­ риным на борту совершил эпохальный полет вокруг земного шара. Это был триумф освобожденного труда, триумф советской науки и техники, в том числе и основополагающих авиационных наук - аэродинамики и динамики полета.

- б -

ГЛАВА I

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АЭРОДИНАМИКИ БОЛЬШИХ СКОРОСТЕЙ

§ I . РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЗМУЩЕНИЙ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ

Любые возмущения в воздушной среде (изменения основных

стик среды,в которой оно произошло. Если возмущения слабые,то они распространяются со скоростью звука ОС . Здесь заметим, что под звуком в аэродинамике понимают процесс распростране­ ния в воздухе слабых возмущений, т .е . небольших изменений давления и плотности, независимо от их частоты. Человеческое ухо воспринимает эти изменения как звук только тогда, когда их частота лежит примерно в пределах от 20 до 20000 1/сек.

Сильные воэяучения распространяются с некоторой скоро-

7 -

стыо] ) , большей скорости распространения слабых возмущений.

Из физики известно, что если бесконечно малым изменением давления dp было вызвано бесконечно малое изменение плотности среды<ф , то скорость распространения этого возмущения (ско­ рость звука) будет:

( I . I )

Подкоренное выражение является характеристикой упругости газа. Оно показывает способность газа сопротивляться измене­ нию плотности. Обратная ему величина °L?/clf> является коли­ чественной характеристикой сжимаемости, т .е . она показывает способность газа изменять объем, а вместе с ним массовую плотность и удельный вес при изменении давления.

Таким образом, упругость и сжимаемость - взаимообратные свойства, чем выше упругость, а вместе с тем и скорость звука, тем меньше сжимаемость,и наоборот.

Процесс распространения звука можно считать адиабатичес­ ким. Поэтому подкоренное выражение в формуле ( I . I ) можно заме­ нить величиной К j r «По уравнению состояния газа 4L=/?RT. Тогда для воздуха скорость звука можно определить по формуле:

Чем выше температура, тем больше упругость воздуха и тем мень­

Для удобства оценки сжимаемости воздушной среды принят один критерий, учитывающий влияние как скорости звука, так и скорости потока - это число М.

A f - аv (1 .3 )

- а -

Чем больше число М, тем больше проявляется сжимаемость воз­ духа. При полете летательного аппарата число М показывает

звука уменьшается.Отсюда следует, что все аэродинамические яв­ ления, зависящие от числа М, с подъемом на высоту будут прояв­ ляться при меньшей скорости полета, чем вблизи земли.

Границы возмущенной области зависят от скорости движения источника возмущений, скорости звука и времени, прошедшего от начала возникшего возмущения.

Если Y = 0 , то слабое возмущение, вызванное твердым телом, распространяется во все стороны в виде сферической звуковой волны (рис. I . I ) . ЕслиУ>$ ,но< (X ,то возмущения опережают источник возмущений,т.е. центр возмущения смещен ближе к перед­ ней границе области возмущений (рис. 1 .2 ). Повышенные давления

перед источником деформируют воздушную сферу, вызывая раздвижение частиц воздуха перед движущимся телом, что умень­ шает сопротивление среды про­ движению тела.

Если У=С1 (М=1), то ис­ точник возмущения перемеща­ ется вместе с фронтом сфериче­ ской волны.Поскольку фронты звуковых волн зарождаются непрерывно, то они накладыва­ ются одна на другую и обра­

Рис. 1.2 зуют границу возмущений в форме плоской звуковой волны со значительным повышением давле­ ния и плотности. Перед ней невозмущенный, а за ней возмущен­ ный поток, характеризующийся завихренностью и срывами обтека­ ния, что сильно повышает сопротивление среды продвижению

- 9 -

тела ( рис. 1 .3 ).

s[m * - T

Чем больше число М, тем более заострен конус области возмущений»

Сильные возмущения, как было уке отмечено, распростра­ няются со скоростью ]]>(Х . Наклон граничной волны в этом случае определяется по формуле^