Аэродинамика – ауа ағындарының қозғалысын және олардың қатты денелерге әсерін зерттейтін білім саласы. Бұл гидро- және газ динамикасының бір бөлімі. Бұл саладағы зерттеулер көне замандардан, жебелер мен жоспарлы найзаларды ойлап тапқан кезден басталады, бұл снарядты нысанаға әрі қарай және дәлірек жіберуге мүмкіндік берді. Дегенмен, аэродинамиканың әлеуеті айтарлықтай қашықтықта ұшуға немесе сырғуға қабілетті ауадан ауыр көліктердің өнертабысы арқылы толық ашылды.
Ежелгі заманнан
20 ғасырда аэродинамика заңдарының ашылуы ғылым мен техниканың көптеген салаларында, әсіресе көлік секторында фантастикалық секіріске ықпал етті. Оның жетістіктері негізінде Жер планетасының кез келген бұрышын көпшілікке қолжетімді етуге мүмкіндік беретін заманауи ұшақтар жасалды.
Аспанды жаулап алу әрекеті туралы бірінші рет грек мифінде Икар мен Дедал кездеседі. Әкесі мен баласы құс тәрізді қанат жасады. Бұл мыңдаған жылдар бұрын адамдардың жерден көтерілу мүмкіндігі туралы ойлағанын көрсетеді.
Тағы бір көтерілуәуе кемелерінің құрылысына қызығушылық Қайта өрлеу дәуірінде пайда болды. Құмарлық зерттеуші Леонардо да Винчи бұл мәселеге көп уақытын арнады. Оның ең қарапайым тікұшақтың жұмыс істеу принциптерін түсіндіретін жазбалары белгілі.
Жаңа дәуір
Ғылымдағы (әсіресе аэронавтикадағы) жаһандық серпілісті Исаак Ньютон жасады. Өйткені, аэродинамиканың негізі – механика туралы жан-жақты ғылым, оның негізін салушы ағылшын ғалымы. Ньютон бірінші болып ауа ортасын бөлшектердің конгломераты ретінде қарастырды, олар кедергіге соқтығысқан кезде оған жабысады немесе серпімді түрде шағылысады. 1726 жылы ол ауаға төзімділік теориясын көпшілікке ұсынды.
Кейіннен қоршаған орта шынымен де ең кішкентай бөлшектерден – молекулалардан тұратыны белгілі болды. Олар ауаның шағылыстыру қабілетін дәл есептеуді үйренді және «жабысу» әсері негізсіз болжам болып саналды.
Бір қызығы, бұл теория ғасырлар өткен соң практикалық қолданысын тапты. 60-шы жылдары, ғарыш дәуірінің басында кеңестік конструкторлар қону кезінде гипер дыбыстық жылдамдықтарды дамытатын «доғал» сфералық пішінді түсіру көліктерінің аэродинамикалық кедергісін есептеу мәселесіне тап болды. Қуатты компьютерлердің болмауына байланысты бұл көрсеткішті есептеу қиынға соқты. Күтпеген жерден бөлшектердің ұшатын нысанға «жабысу» әсеріне қатысты Ньютонның қарапайым формуласы арқылы кедергі мәнін және тіпті фронтальды бөліктегі қысымның таралуын дәл есептеуге болатыны анықталды.
Аэродинамиканың дамуы
ҚұрылтайшысыГидродинамик Даниэль Бернулли 1738 жылы қысылмайтын ағын үшін қысым, тығыздық және жылдамдық арасындағы іргелі қатынасты сипаттады, бүгінгі күні Бернулли принципі ретінде белгілі, ол аэродинамикалық көтеруді есептеуге де қолданылады. 1799 жылы сэр Джордж Кейли ұшудың төрт аэродинамикалық күшін (салмақ, көтеру, сүйреу және тарту) және олардың арасындағы байланыстарды анықтаған бірінші адам болды.
1871 жылы Фрэнсис Герберт Венхэм аэродинамикалық күштерді дәл өлшеу үшін бірінші жел туннелін жасады. Жан Ле Ронд д'Аламбер, Густав Кирхгоф, Лорд Рэйли жасаған баға жетпес ғылыми теориялар. 1889 жылы француз авиаинженері Шарль Ренар тұрақты ұшуға қажетті қуатты ғылыми түрде есептеген бірінші адам болды.
Теориядан практикаға
19 ғасырда өнертапқыштар қанатқа ғылыми тұрғыдан қараған. Ал құстардың ұшу механизмін зерттеудің арқасында әрекеттегі аэродинамика зерттелді, ол кейінірек жасанды ұшақтарға қолданылды.
Отто Лилиенталь әсіресе қанат механикасын зерттеуде ерекшеленді. Неміс авиаконструкторы планерлердің 11 түрін жасап, сынақтан өткізді, оның ішінде биплан бар. Ол сондай-ақ әуеден ауыр аппаратта алғашқы ұшуды жасады. Салыстырмалы түрде қысқа ғұмырында (46 жыл) ол 2000-ға жуық рейс жасады, конструкцияны үнемі жетілдірді, ол ұшақтан гөрі дельтапланға ұқсайды. Ол 1896 жылы 10 тамызда пионер болып келесі ұшу кезінде қайтыс болдыаэронавтика және ұшақ апатының алғашқы құрбаны. Айтпақшы, неміс өнертапқышы планерлердің бірін ұшақ аэродинамикасын зерттеудің пионері Николай Егорович Жуковскийге өзі тапсырды.
Жуковский ұшақ конструкцияларымен тәжірибе жасап қана қойған жоқ. Сол кездегі көптеген энтузиастардан айырмашылығы, ол ең алдымен ауа ағындарының мінез-құлқын ғылыми тұрғыдан қарастырды. 1904 жылы Мәскеу түбіндегі Качино қаласында әлемдегі алғашқы аэродинамикалық институттың негізін қалады. 1918 жылдан бастап ЦАГИ (Орталық аэрогидродинамикалық институт) басқарды.
Алғашқы ұшақтар
Аэродинамика – адамға аспанды бағындыруға мүмкіндік берген ғылым. Оны зерттемей, ауа ағынында тұрақты қозғалатын ұшақтарды жасау мүмкін емес еді. Біздің кәдімгі ұғымдағы алғашқы ұшақты 1903 жылы 7 желтоқсанда ағайынды Райттар жасап, әуеге көтерді. Дегенмен, бұл оқиғаның алдында мұқият теориялық жұмыстар жүргізілді. Америкалықтар көп уақытын өз дизайнындағы жел туннельіндегі ұшақ корпусының дизайнын жөндеуге арнады.
Алғашқы ұшулар кезінде Фредерик В. Ланчестер, Мартин Вильгельм Кутта және Николай Жуковский көтеруді тудыратын ауа ағындарының айналымын түсіндіретін теорияларды алға тартты. Кутта мен Жуковский қанаттың екі өлшемді теориясын дамытуды жалғастырды. Людвиг Прандтль нәзік аэродинамикалық және көтеру күштерінің математикалық теориясын дамытқан, сондай-ақ шекаралық қабаттармен жұмыс жасаған.
Мәселелер мен шешімдер
Ұшақтың аэродинамикасының маңыздылығы олардың жылдамдығы артқан сайын арта түсті. Дизайнерлер дыбыс жылдамдығында немесе оған жақын ауаны сығуда қиындықтарға тап бола бастады. Осы жағдайлардағы ағынның айырмашылығы ұшақтарды өңдеу проблемаларына, соққы толқындары әсерінен кедергінің жоғарылауына және аэросерпімді флюттерге байланысты құрылымдық бұзылу қаупіне әкелді. Ағын жылдамдығының дыбыс жылдамдығына қатынасы дыбыстан жоғары ағынның қасиеттерін алғашқылардың бірі болып зерттеген Эрнст Махтың атымен Мах саны деп аталды.
Уильям Джон Маккуорн Рэнкин мен Пьер Анри Гугонио соққы толқынына дейін және одан кейінгі ауа ағынының қасиеттерінің теориясын дербес дамытты, ал Джейкоб Акерет дыбыстан жоғары әуе қалқандарының көтерілу және кедергісін есептеу бойынша бастапқы жұмысты жасады. Теодор фон Карман және Хью Латимер Драйден қарсылық тез артып келе жатқан Mach 1 шекарасындағы (965-1236 км/сағ) жылдамдықты сипаттау үшін «трансоник» терминін енгізді. Алғашқы дыбыс кедергісі 1947 жылы Bell X-1 ұшағында бұзылды.
Негізгі мүмкіндіктер
Аэродинамика заңдарына сәйкес, кез келген құрылғының жер атмосферасында ұшуын қамтамасыз ету үшін мынаны білу маңызды:
- Нысанға ауа ағындары әсер ететін аэродинамикалық кедергі (X осі). Осы параметр негізінде электр станциясының қуаты таңдалады.
- Көтерілуді қамтамасыз ететін және құрылғыға жер бетіне көлденең ұшуға мүмкіндік беретін көтеру күші (Y осі).
- Ұшатын нысанға әсер ететін үш координаталық ось бойындағы аэродинамикалық күштердің сәттері. ең маңызды- ұшақ бойымен (шартты түрде қанат сызығы бойымен) бағытталған Z осі (Mz) бойындағы бүйірлік күш моменті. Ол бойлық тұрақтылық дәрежесін анықтайды (ұшу кезінде құрылғы «сүңгірей ме» немесе мұрнын жоғары көтере ме).
Жіктеу
Аэродинамикалық өнімділік жылдамдық, сығылу және тұтқырлықты қоса алғанда, ауа ағынының шарттары мен қасиеттері бойынша жіктеледі. Сыртқы аэродинамика - бұл әртүрлі пішіндегі қатты заттардың айналасындағы ағынды зерттейтін ғылым. Мысал ретінде ұшақтың көтерілуі мен тербелісін, сондай-ақ зымыранның мұрнының алдында пайда болатын соққы толқындарын бағалау жатады.
Ішкі аэродинамика - қатты денелердегі саңылаулар (өтпелер) арқылы қозғалатын ауа ағынын зерттеу. Мысалы, ол реактивті қозғалтқыш арқылы өтетін ағындарды зерттеуді қамтиды.
Аэродинамикалық өнімділікті ағын жылдамдығына қарай да жіктеуге болады:
- Дыбыстық дыбыс жылдамдығы дыбыс жылдамдығынан аз жылдамдық деп аталады.
- Трансоникалық (трансоникалық) - дыбыс жылдамдығынан төмен және одан жоғары жылдамдықтар болса.
- Supersonic - ағын жылдамдығы дыбыс жылдамдығынан жоғары болғанда.
- Гиперсоникалық - ағын жылдамдығы дыбыс жылдамдығынан әлдеқайда жоғары. Әдетте бұл анықтама Mach саны 5-тен жоғары жылдамдықтарды білдіреді.
Тікұшақтың аэродинамикасы
Егер ұшақтың ұшу принципі қанатқа әсер ететін ілгерілемелі қозғалыс кезінде көтеру күшіне негізделсе, онда тікұшақ осьтік үрлеу режимінде қалақтардың айналуына байланысты өздігінен көтеру күшін жасайды (яғни аударма жылдамдығы жоқ). РахметБұл мүмкіндіктің көмегімен тікұшақ орнында ауада қалықтап, ось айналасында қуатты маневрлер жасай алады.
Басқа қолданбалар
Әрине, аэродинамика ұшақтарға ғана қатысты емес. Ауа кедергісін газ және сұйық ортада кеңістікте қозғалатын барлық заттар сезінеді. Суды мекендейтіндердің – балықтар мен сүтқоректілердің пішіні икемді екені белгілі. Олардың мысалында сіз аэродинамиканың әрекетін бақылай аласыз. Жануарлар әлеміне назар аудара отырып, адамдар су көлігін үшкір немесе тамшы тәрізді етіп жасайды. Бұл кемелерге, қайықтарға, суасты қайықтарына қатысты.
Көліктер айтарлықтай ауаға төзімділікке ие: жылдамдық артқан сайын ол артады. Жақсы аэродинамикаға қол жеткізу үшін автомобильдерге жеңілдетілген пішін беріледі. Бұл әсіресе спорттық көліктерге қатысты.
