книги из ГПНТБ / Динамика полета и конструкция крылатых летательных аппаратов

А. Г. БЕДУНКОВИЧ, В. М. ПОНОМАРЕВ, М. С. СЕРГЕЕВ,

X. X. ФАТХУЛЛИН, Н. Ф. ФИЛИППОВ, А. Д. ШУЧЕВ

ДИНАМИКА ПОЛЕТА

И КОНСТРУКЦИЯ КРЫЛАТЫХ

ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Под общей редакцией X. X. ФАТХУЛЛИНА

А К В В И А км.А.Ф.Можайского

ЛЕНИНГРАДСКАЯ КРАСНОЗНАМЕННАЯ ВОЕННО-ВОЗДУШНАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ имени Д. Ф. МОЖАЙСКОГО

Ленинград — 1962

ПРЕДИСЛОВИЕ

Опыт педагогической работы в ЛКЗВИА им. А. Ф. Можайского помазывает, что учебник по курсу «Динамика полета и конструкция крылатых летательных аппаратов» должен удовлетворять ряду спе­ цифических требований. Прежде всего в небольшом по объему учеб­ нике должны быть изложены все основные вопросы аэродинамики, динамики полета и конструкции крылатых летательных аппаратов (КЛА), подчиненные единой методологии. Кроме того, основные вопросы, изложенные в книге, должны служить отправными поло­ жениями для изучения специальных курсов. Наконец, учебник должен содержать главным образом основные, принципиальные положения и отражать перспективы развития науки и техники в данной области.

Настоящая работа и является попыткой создать учебник, отве­ чающий этим требованиям.

Материал книги разделен на четыре раздела.

В первом разделе изложены вопросы аэродинамики малых и больших скоростей, аэродинамические характеристики частей и в це­ лом КЛА.

Во втором разделе рассматриваются-вопросы динамики полета КЛА как твердого тела, где особое внимание уделяется составле­ нию общих уравнений движения в различных системах координат.

Вопросы устойчивости и переходные Процессы выделены в специ­ альный, третий раздел.

Наконец, четвертый раздел посвящен изложению принципиаль­ ных основ конструкции КЛА.

При написании учебника авторы стремились в сжатой форме ос­ ветить основные вопросы аэродинамики, динамики полета и кон­ струкции крылатых летательных аппаратов, учитывая современ­ ные достижения в этой области.

Главы I—VII первого раздела написаны доцентом кандидатом технических наук Н. Ф. Филипповым, глава VIII первого раздела и главы V, VI второго раздела — доцентом кандидатом технических наук X. X. Фатхуллиным, главы I и II второго раздела — доценггом кандидатом технических наук М. €. Сергеевым, главы III и IV вто-

3

Раздел первый

ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЫЛАТЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

ВВЕДЕНИЕ

Аэродинамикой называется наука о законах движения воздуха и о силовом взаимодействии между воздухом и твердым телом при их относительном перемещении.

Знание законов движения воздуха и умение определить силы, действующие на самолет, снаряд и другие летательные аппараты, а также на их части, необходимо для выбора рациональных форм частей при проектировании, определения характера движения и гра­ мотной эксплуатации летательного аппарата.

Ваэродинамике применяются как теоретический, так и экспери­ ментальный методы исследования.

Втеоретической аэродинамике изучаются модели реальных яв­ лении обтекания тел воздухом. При этом применяют ряд упрощаю­ щих предположений, в результате чего получаемые теоретическим

■путем выводы не всегда согласуются с практикой.

При исследовании явлений обтекания тел воздухом эксперимен­ тальным путем, какправило, на специальных установках наблю­ дают обтекание моделей тел, замеряют силы и моменты, действую­ щие на них. По силам и моментам, замеренным на моделях, оцени­ вают силы и моменты, действующие на натурные тела.

В настоящее время в аэродинамике широко распространены оба метода исследования, взаимно дополняющие и обогащающие друг друга.

Основы современно'й аэродинамики как науки были созданы тру­ дами Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина.

Н. Е. Жуковский (1847—1921), названный В. И. Лениным отцом русской авиации, впервые объединил теоретические и эксперимен­ тальные методы исследования в аэродинамике. Благодаря работам Н. Е. Жуковского были вскрыты причины образования подъемной силы и. появились методы' ее расчета.

С. А. Чаплыгин (1869—1942) заложил основы аэродинамики больших скоростей (газодинамики), бурно развивающейся в на-

стоящее время в связи с появлением все новых и новых типов ско­ ростных летательных аппаратов-.

Следует отметить, что развитие аэродинамики тесно связано с техническим прогрессом авиации. Аэродинамика является теорети­ ческой базой механики полета летательных аппаратов тяжелее воз­ духа. В качестве примера можно сослаться на историю «звукового барьера». В недалеком прошлом среди некоторых конструкторов су­ ществовало мнение, что самолеты не могут развить скорость, боль­ шую скорости звука, несмотря на увеличение тяги силовой уста­ новки. Это было верно для старых форм самолетов. Однако аэроди­ намики нашли такие формы частей летательных аппаратов, которые позволили им развить скорость, в несколько раз превышающую ско­ рость звука.

И в настоящее время в решении проблемных вопросов развития авиации важнейшая роль принадлежит аэродинамике.

ГЛАВА I

НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ФИЗИКИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КИНЕМАТИКИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

§ 1.1. ЖИДКОСТИ И ГАЗЫ. ПЛОТНОСТЬ. ДАВЛЕНИЕ. ТЕМПЕРАТУРА

Жидкости и газы отличаются от твердых тел тем, что они легко деформируются под действием приложенных к ним сил. Твердые тела сопротивляются деформациям, а жидкости и газы принимают форму сосуда, где они находятся, причем газы стремятся занять весь объем. Как известно из физики, различие между жидкостями и га­ зами и твердыми телами обусловлено величиной сил межмолеку­ лярного сцепления.

В аэродинамике часто под жидкостью понимают как капельные жидкости, так и газы. Объясняется это тем, что в начальный период развития аэродинамики ее выводы, основные уравнения и их реше­ ния можно было применять как к движению жидкости, так и к дви­ жению газа. Лишь с увеличением скоростей движения тел начинает проявляться разница между жидкостями и газами. Газы отличаются от жидкостей тем, что они значительно легче изменяют объем (сжи­ маются) под действием -сил. Капельные жидкости при небольших (до неоколысйх атмосфер) давлениях так мало изменяют свой объ­ ем, что их можно считать практически несжимаемыми.

Как правило, воздух в аэродинамике рассматривается как сплошная, непрерывная среда (континуум), хотя на самом деле воздух состоит из молекул и имеет прерывное (дискретное) строе­ ние. Гипотеза непрерывности применима к реальным газам в том

6

случае, когда в достаточно малом объеме содержится очень большое число молекул. На практике малые конечные объемы содержат ог­ ромное число молекул. Так, например, в 1 см3 воздуха у поверхно­ сти земли содержится молекул порядка 27 • 1018. В этом случае воз­ дух можно считать средой непрерывной.

Гипотеза о непрерывности дает возможность применить к иссле­ дованию движения жидкостей и газов средстввысшей математики (дифференциальное и интегральное исчисление и др.). Эта гипотеза справедлива на высотах не более 100 км, на больших высотах газ становится сильно разреженным и там гипотезу непрерывности при­ менять нельзя.

Фиг. 1.1 Фиг. 1.2

В физике показывается, что такие физико-механические свойства газов, как плотность, давление, температура, вязкость, сжимаемость и другие, тесно связаны с характером молекулярного движения и могут быть объяснены лишь с точки зрения молекулярного строейия тел. В аэродинамике также рассмнтриваются те же физико-механи­ ческие свойства, но отвлекаются от молекулярного строения газа;

пряжением давления). Под давлением в точке понимают давле­ ние, вычисленное по бесконечно малой площадке, проведенной через точку. На фиг. 1.1 показана такая площадка при опреде­ лении давления в точке А. Давление в точке А — это предел отношения силы давления, действующей на площадку AS, к ве­ личине площади AS, т. е.

Основное свойство давления состоит в том, что его величина не за­ висит от ориентировки площадки, т. е. давление передается во все стороны с одинаковой силой (фиг. 1.2). Поэтому давление в точке

7

Размерность давления в технической системе единиц кг/м2.

Наряду с силой давления,. распределенной по поверхности, в аэродинамике иногда рассматриваются силы, действующие на мас­ су, заключенную в каком-либо объеме. Такие силы называются мас­ совыми силами.

в точке, или просто плотность р, которая определяется как пре­ дел отношения массы Дот, заключенной в объеме Д1/, к вели­

Из физики известно, что если воздух изменяет свое состоя­ ние адиабатически (без теплообмена), то параметры состояния подчиняются уравнению адиабаты, т. е.

р Vft=const.

8

емкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоян* ном объеме газа. Для воздуха показатель адиабаты £ = 1,4.

§ 1.2. СЖИМАЕМОСТЬ ГАЗА. ЧИСЛО М

Сжимаемостью называется способность тел изменять объем прИ изменении давления или температуры. Из физики известно, что свой* с'твом сжимаемости обладают все тела, однако газы сжимаются лег* че по сравнению с жидкостями и твердыми телами.

Как известно, одной из характеристик сжимаемости среды яв* ляется скорость звука

(1.2)

По своей природе скорость звука является скоростью распростране­ ния малых возмущений, под которым понимаются малые (теорети* чески — бесконечно малые) изменения параметров состояния.

Как видно из (1.2), скорость звука характеризует изменение! плотности (т. е. сжимаемость) в зависимости от изменения давле­ ния. Чем больше скорость звука, тем менее сжимаема среда, тем большую разность давлений надо иметь, чтобы сжать среду на одну и ту же величину, -вызвать одно и то же изменение плотности. Из­ вестно, например, что. скорость звука в воздухе значительно меньше,- чем в воде. Это обусловлено тем, что вода сжимается значительно хуже воздуха.

Если принять, что процесс распространения малых возмущений является адиабатическим, т. е. протекает быстро, вследствие чего тепло не успевает рассеяться в пространстве, то для скорости звука можно получить очень важную формулу, имеющую широкое приме* нение. Так как

-^-=consfc, pfc

то

Заменив const из выражения (1.1), получим

9