История аэродинамики

Плакат Минавиапрома по аэродинамике.

Аэродинамика — раздел динамики, изучающий движение воздуха . Это раздел гидродинамики и газодинамики , и термин «аэродинамика» часто используется применительно к гидродинамике.

Ранние записи фундаментальных аэродинамических концепций относятся к работам Аристотеля и Архимеда во 2-м и 3-м веках до нашей эры, но попытки разработать количественную теорию воздушного потока начались только в 18 веке. В 1726 году Исаак Ньютон стал одним из первых аэродинамиков в современном понимании, когда разработал теорию сопротивления воздуха, которая позже была проверена для малых скоростей потока. Эксперименты по сопротивлению воздуха проводились исследователями на протяжении 18 и 19 веков, чему способствовало строительство первой аэродинамической трубы в 1871 году. В своей публикации 1738 года «Гидродинамика » Даниэль Бернулли описал фундаментальную взаимосвязь между давлением, скоростью и плотностью, которая теперь называется принципом Бернулли. , который обеспечивает один из методов объяснения подъема .

Работы по аэродинамике на протяжении всего XIX века были направлены на достижение полета тяжелее воздуха . Джордж Кэли разработал концепцию современного самолета с неподвижным крылом в 1799 году и при этом определил четыре фундаментальные силы полета — подъемную силу , тягу , сопротивление и вес . Разработка разумных прогнозов тяги, необходимой для полета, в сочетании с разработкой аэродинамических профилей с большой подъемной силой и низким лобовым сопротивлением проложила путь к первому полету с двигателем. 17 декабря 1903 года Уилбур и Орвилл Райт совершили полет на первом успешном самолете с двигателем. Этот полет и полученная им огласка привели к более организованному сотрудничеству между авиаторами и аэродинамиками, проложив путь к современной аэродинамике.

Теоретические достижения в области аэродинамики происходили параллельно с практическими. Соотношение, описанное Бернулли, оказалось справедливым только для несжимаемого невязкого течения. В 1757 году Леонард Эйлер опубликовал уравнения Эйлера , распространив принцип Бернулли на режим сжимаемого течения. В начале 19 века развитие уравнений Навье-Стокса расширило уравнения Эйлера для учета вязких эффектов. Во время первых полетов несколько исследователей разработали независимые теории, связывающие циркуляцию потока с подъемной силой. Людвиг Прандтль стал одним из первых, кто исследовал пограничные слои в это время .

От античности до 19 века.

Чертеж конструкции летательного аппарата Леонардо да Винчи (ок. 1488 г.). Эта машина представляла собой орнитоптер с машущими крыльями, похожими на птичьи, впервые представленный в его «Кодексе о полете птиц» в 1505 году.

Теоретические основы

Хотя современная теория аэродинамической науки возникла лишь в XVIII веке, ее основы начали закладываться еще в древности. Фундаментальное предположение о непрерывности Аристотеля аэродинамики берет свое начало в «Трактате о небесах» , хотя Архимед , работавший в III веке до нашей эры, был первым человеком, официально утверждавшим, что жидкость можно рассматривать как континуум. Архимед также представил концепцию, согласно которой поток жидкости определяется градиентом давления внутри жидкости. Эта идея позже окажется фундаментальной для понимания потока жидкости.

Ньютона В 1687 году «Начала» представили законы движения Ньютона — первый полный теоретический подход к пониманию механических явлений. В частности, второй закон Ньютона , утверждение о сохранении импульса , является одним из трёх фундаментальных физических принципов, используемых для получения уравнений Эйлера и уравнений Навье-Стокса .

В 1738 году голландско - швейцарский математик Даниэль Бернулли опубликовал «Гидродинамику» , в которой описал фундаментальную взаимосвязь между давлением и скоростью, известную сегодня как принцип Бернулли . Это утверждает, что давление текущей жидкости уменьшается по мере увеличения ее скорости, и это было значительным ранним достижением в теории гидродинамики и впервые было количественно выражено в уравнении, выведенном Леонардом Эйлером . Это выражение, часто называемое уравнением Бернулли , связывает давление, плотность и скорость в двух точках вдоль линии тока внутри текущей жидкости следующим образом:

${v_{1}^{2} \over 2}+{p_{1} \over \rho }={v_{2}^{2} \over 2}+{p_{2} \over \rho }$

Уравнение Бернулли игнорирует сжимаемость жидкости, а также влияние гравитации и вязких сил на поток. Леонард Эйлер в 1757 году опубликовал уравнения Эйлера , которые справедливы как для сжимаемых, так и для несжимаемых потоков. Уравнения Эйлера были расширены, чтобы включить эффекты вязкости в первой половине 1800-х годов, что привело к уравнениям Навье-Стокса .

Исследования сопротивления воздуха

Рисунок планера сэра Джорджа Кейли , одна из первых попыток создания аэродинамической формы.

Замедляющее воздействие воздуха на движущийся объект было одним из первых изученных аэродинамических явлений. Аристотель писал о сопротивлении воздуха в IV веке до нашей эры. но ему не хватало понимания, чтобы количественно оценить сопротивление, которое он наблюдал. Фактически Аристотель парадоксально предположил, что движение воздуха вокруг брошенного копья одновременно сопротивляется его движению и толкает его вперед. В 15 веке Леонардо да Винчи опубликовал Лестерский кодекс , в котором отверг теорию Аристотеля и попытался доказать, что единственным действием воздуха на брошенный предмет является сопротивление его движению, и что сопротивление воздуха было пропорционально скорости потока - ложный вывод, который был подтвержден наблюдениями Галилея 17 века за затуханием движения маятника. Помимо своей работы по сопротивлению, да Винчи был первым человеком, который зафиксировал ряд аэродинамических идей, включая правильное описание циркуляции вихрей и принципа непрерывности применительно к потоку в каналах.

Истинная квадратичная зависимость сопротивления от скорости была экспериментально доказана независимо Эдме Мариоттом и Христианом Гюйгенсом , членами Парижской академии наук, в конце 17 века. Сэр Исаак Ньютон позже стал первым человеком, теоретически выведшим эту квадратичную зависимость сопротивления воздуха в начале 18 века. что сделало его одним из первых теоретиков аэродинамики. Ньютон заявил, что сопротивление пропорционально размерам тела, плотности жидкости и квадрату скорости воздуха - соотношение, которое, как было показано, верно для низких скоростей потока, но находится в прямом противоречии с более ранними открытиями Галилея. Расхождение между работами Ньютона, Мариотта и Гюйгенса и более ранними работами Галилея не было разрешено до тех пор, пока в 20 веке не были достигнуты успехи в теории вязкого течения.

Ньютон также разработал закон силы сопротивления плоской пластины, наклоненной по направлению потока жидкости. Используя F для силы сопротивления, ρ для плотности, S для площади плоской пластины, V для скорости потока и θ для угла атаки, его закон был выражен как:

$F=\rho SV^{2}\sin ^{2}(\theta )$

Это уравнение в большинстве случаев переоценивает сопротивление и часто использовалось в 19 веке, чтобы доказать невозможность полета человека. При малых углах наклона сопротивление зависит от греха угла линейно, а не квадратично. Однако закон сопротивления плоской пластины Ньютона дает разумные прогнозы сопротивления для сверхзвуковых потоков или очень тонких пластин при больших углах наклона, которые приводят к отрыву потока.

Эксперименты по сопротивлению воздуха проводились исследователями на протяжении XVIII и XIX веков. Теорию сопротивления разработал Жан ле Рон д'Аламбер . Густав Кирхгоф , и лорд Рэлей . Уравнения течения жидкости с трением были разработаны Клодом-Луи Навье. и Джордж Габриэль Стоукс . Чтобы имитировать поток жидкости, многие эксперименты включали погружение объектов в потоки воды или просто сбрасывание их с крыши высокого здания. К концу этого периода времени Гюстав Эйфель использовал свою Эйфелеву башню для помощи в испытаниях плоских пластин на падение.

Более точный способ измерения сопротивления — поместить объект в искусственный однородный поток воздуха, скорость которого известна. Первым, кто экспериментировал таким образом, был Фрэнсис Герберт Уэнам , который при этом построил первую аэродинамическую трубу в 1871 году. Уэнам также был членом первой профессиональной организации, занимающейся воздухоплаванием, Королевского авиационного общества Соединенного Королевства . Объекты, помещенные в модели аэродинамической трубы, почти всегда меньше, чем на практике, поэтому был необходим метод, позволяющий соотнести мелкомасштабные модели с их реальными аналогами. Это было достигнуто с изобретением безразмерного числа Рейнольдса Осборном Рейнольдсом . Рейнольдс также экспериментировал с переходом ламинарного потока в турбулентный в 1883 году.

Копия Райт братьев аэродинамической трубы выставлена ​​в Центре авиации и космонавтики Вирджинии. Аэродинамические трубы сыграли ключевую роль в разработке и проверке законов аэродинамики.

Разработки в авиации

Работая, по крайней мере, с 1796 года, когда он построил модель вертолета, до своей смерти в 1857 году сэр Джордж Кэли считался первым человеком, определившим четыре аэродинамические силы полета — вес , подъемную силу , сопротивление и тягу — и взаимосвязь между ними. Кэли также считается первым человеком, разработавшим концепцию современного самолета; хотя заметки да Винчи содержат рисунки и описания летательного аппарата тяжелее воздуха с неподвижным крылом, записи да Винчи были дезорганизованы и разбросаны после его смерти, а его достижения в области аэродинамики не были открыты заново до тех пор, пока технологии не продвинулись далеко за пределы достижений да Винчи.

К концу 19 века были выявлены две проблемы, прежде чем можно было реализовать полет на объектах тяжелее воздуха. Первым было создание аэродинамических крыльев с низким лобовым сопротивлением и большой подъемной силой. Вторая проблема заключалась в том, как определить мощность, необходимую для устойчивого полета. За это время была заложена основа современной гидродинамики и аэродинамики, при этом другие менее склонные к науке энтузиасты без особого успеха тестировали различные летательные аппараты.

В 1884 году Джон Дж. Монтгомери , американец, получивший образование в области физики, начал экспериментировать с конструкциями планеров. Используя уровень грунтовых вод с циркулирующей водой и дымовую камеру, он начал применять физику гидродинамики для описания движения потока по изогнутым поверхностям, таким как аэродинамические профили. В 1889 году Шарль Ренар , французский авиационный инженер, стал первым человеком, который обоснованно предсказал мощность, необходимую для продолжительного полета. Ренар и немецкий физик Герман фон Гельмгольц исследовали нагрузку на крылья (отношение веса к площади крыла) птиц и в конечном итоге пришли к выводу, что люди не могут летать самостоятельно, прикрепив крылья к своим рукам. Отто Лилиенталь , следуя работам сэра Джорджа Кэли, был первым человеком, добившимся больших успехов в полетах на планерах. Лилиенталь считал, что тонкие изогнутые профили обеспечивают высокую подъемную силу и низкое сопротивление.

В книге Октава Шанюта 1893 года « Прогресс в летательных машинах » изложены все известные исследования, проведенные по всему миру до этого момента. Книга Шанюта оказала большую услугу тем, кто интересуется аэродинамикой и летательными аппаратами.

Благодаря информации, содержащейся в книге Шанюта, личной помощи самого Чанута и исследованиям, проведенным в собственной аэродинамической трубе, братья Райт получили достаточно знаний по аэродинамике, чтобы 17 декабря 1903 года управлять первым самолетом с двигателем. подтвердил или опроверг ряд теорий аэродинамики. Теория силы сопротивления Ньютона в конце концов оказалась неверной. Этот первый широко разрекламированный полет привел к более организованным усилиям авиаторов и ученых, проложив путь к современной аэродинамике.

Во времена первых полетов Джон Дж. Монтгомери , Фредерик В. Ланчестер , Мартин Кутта и Николай Жуковский независимо друг от друга создали теории, связывающие циркуляцию потока жидкости с подъемной силой. Кутта и Жуковский разработали двумерную теорию крыла. Развивая работы Ланчестера, Людвигу Прандтлю приписывают развитие математики. за теории тонкого профиля и подъемной линии, а также работу с пограничными слоями . Прандтль, профессор Геттингенского университета , обучал многих студентов, которые сыграют важную роль в развитии аэродинамики, таких как Теодор фон Карман и Макс Мунк .

Проблемы проектирования с увеличением скорости

Сжимаемость является важным фактором аэродинамики. На низких скоростях сжимаемость воздуха не имеет существенного значения для конструкции самолета , но по мере того, как воздушный поток приближается к скорости звука и превышает ее , при проектировании самолетов становится важным множество новых аэродинамических эффектов. Эти эффекты, часто несколько из них одновременно, очень затрудняли достижение самолетами времен Второй мировой войны скорости, намного превышающей 800 км/ч (500 миль в час).

Некоторые из незначительных последствий включают изменения в потоке воздуха, которые приводят к проблемам с контролем. Например, у P-38 Lightning с его толстым крылом с большой подъемной силой были особые проблемы при высокоскоростном пикировании, которые приводили к падению носа. Пилоты погружались в пикирование, а затем обнаруживали, что больше не могут управлять самолетом, который продолжал крениться, пока не разбился. Проблема была решена путем добавления под крылом «закрылка пикирования», который изменил центр распределения давления, чтобы крыло не теряло подъемную силу.

Похожая проблема коснулась некоторых моделей Supermarine Spitfire . На высоких скоростях элероны могли создавать больший крутящий момент, чем могли выдержать тонкие крылья «Спитфайра», и все крыло поворачивалось в противоположном направлении. Это означало, что самолет покатится в сторону, противоположную той, которую задумал пилот, и привело к ряду катастроф. Более ранние модели были недостаточно быстрыми, чтобы это могло стать проблемой, и поэтому это не было замечено до тех пор, пока не начали появляться более поздние модели Spitfire, такие как Mk.IX. Это было смягчено за счет увеличения жесткости крыльев на кручение и полностью устранено с появлением Mk.XIV.

У Messerschmitt Bf 109 и Mitsubishi Zero возникла прямо противоположная проблема: управление стало неэффективным. На более высоких скоростях пилот просто не мог переместить органы управления, потому что поток воздуха над рулями был слишком сильным. Самолетам станет трудно маневрировать, и на достаточно высоких скоростях самолеты без этой проблемы смогут их обогнать.

Эти проблемы в конечном итоге были решены, когда реактивные самолеты достигли околозвуковых и сверхзвуковых скоростей. Немецкие ученые во время Второй мировой войны экспериментировали со стреловидными крыльями . Их исследования были применены на МиГ-15 и F-86 Sabre , а на бомбардировщиках, таких как B-47 Stratojet, использовались стреловидные крылья , которые задерживают возникновение ударных волн и уменьшают сопротивление.

Чтобы поддерживать управление на скорости, близкой к скорости звука, и выше, часто необходимо использовать либо цельнолетное хвостовое оперение с механическим приводом ( стабилизаторы ), либо треугольные крылья, с механическим приводом оснащенные элевонами . Работа с электроприводом не позволяет аэродинамическим силам подавлять действия пилотов.

Наконец, еще одна распространенная проблема, попадающая в эту категорию, — флаттер . На некоторых скоростях поток воздуха над рулями станет турбулентным, и органы управления начнут дрожать. Если скорость трепетания близка к гармонике движения органа управления, резонанс может полностью вывести управление из строя. Это была серьезная проблема на «Зеро» и «В.Л. Мирском» . Когда впервые возникли проблемы с плохим управлением на высокой скорости, их решили путем разработки нового типа рулевой поверхности с большей мощностью. Однако это привело к появлению нового резонансного режима, и несколько самолетов были потеряны до того, как это было обнаружено. В конструкции В.Л. Мирского эта проблема была решена за счет увеличения жесткости и веса крыла, что привело к увеличению демпфирования гармонических колебаний, что в некоторой степени ухудшало летно-технические характеристики.

Все эти эффекты часто упоминаются в сочетании с термином «сжимаемость», но используются, так сказать, неправильно. Со строго аэродинамической точки зрения этот термин должен относиться только к тем побочным эффектам, возникающим в результате изменения воздушного потока от несжимаемой жидкости (по действию аналогичной воде) на сжимаемую жидкость (действующую как газ), например приближается скорость звука. В частности, есть два эффекта: волновое сопротивление и критическое число Маха .

Волновое сопротивление — это внезапное увеличение сопротивления самолета, вызванное скоплением воздуха перед ним. На более низких скоростях этот воздух успевает «уйти с дороги», направляемый воздухом перед ним, соприкасающимся с самолетом. Но на скорости звука этого уже не может случиться, и воздух, который раньше следовал за линией тока вокруг самолета, теперь попадает прямо в него. Количество энергии, необходимой для преодоления этого эффекта, является значительным. Критическое число Маха — это скорость, при которой часть воздуха, проходящего над крылом самолета, становится сверхзвуковой.

На скорости звука способ создания подъемной силы кардинально меняется: от принципа Бернулли доминируют силы, создаваемые ударными волнами . Поскольку воздух в верхней части крыла движется быстрее, чем в нижней, из-за эффекта Бернулли на скоростях, близких к скорости звука, воздух в верхней части крыла будет ускоряться до сверхзвука. Когда это происходит, распределение подъемной силы резко меняется, что обычно приводит к мощному триммированию носа вниз. Поскольку самолет обычно приближался к этой скорости только в пикировании, пилоты сообщали о попытке самолета врезаться носом в землю.

Диссоциация поглощает большое количество энергии в обратимом процессе. Это значительно снижает термодинамическую температуру гиперзвукового газа, тормозящегося вблизи космического корабля. В переходных регионах, где эта диссоциация, зависящая от давления, является неполной, как дифференциальная теплоемкость при постоянном давлении, так и бета (отношение объема/перепада давления) значительно увеличиваются. Последнее оказывает заметное влияние на аэродинамику автомобиля, в том числе на устойчивость.

Быстрее звука – конец 20 века

Когда самолеты стали двигаться быстрее, аэродинамики поняли, что плотность воздуха начала меняться при контакте с объектом, что привело к разделению потока жидкости на несжимаемый и сжимаемый режимы. В сжимаемой аэродинамике изменяются плотность и давление, что является основой для расчета скорости звука . Ньютон был первым, кто разработал математическую модель для расчета скорости звука, но она не была верной до тех пор, пока Пьер-Симон Лаплас не учел молекулярное поведение газов и не ввел коэффициент теплоемкости . Отношение скорости потока к скорости звука было названо числом Маха в честь Эрнста Маха , который был одним из первых, кто исследовал свойства сверхзвукового потока, включая методы шлирен-фотографии для визуализации изменений плотности. Маккуорн Рэнкин и Пьер Анри Гюгонио независимо друг от друга разработали теорию свойств потока до и после ударной волны . Якоб Акерет руководил первоначальными работами по расчету подъемной силы и сопротивления сверхзвукового профиля. Теодор фон Карман и Хью Латимер Драйден ввели термин «трансзвуковой» для описания скоростей потока около 1 Маха, при которых сопротивление быстро увеличивается. Из-за увеличения сопротивления, приближающегося к 1 Махам, аэродинамики и авиаторы разошлись во мнениях относительно достижимости сверхзвукового полета.

Изображение, показывающее ударные волны от гиперзвукового исследовательского корабля НАСА X-43A , летящего со скоростью 7 Маха, созданное с помощью алгоритма вычислительной гидродинамики .

прошла эксклюзивная конференция 30 сентября 1935 года в Риме на тему высокоскоростного полета и возможности преодоления звукового барьера . Среди участников были Теодор фон Карман , Людвиг Прандтль , Якоб Акерет , Истман Джейкобс , Адольф Буземанн , Джеффри Ингрэм Тейлор , Гаэтано Артуро Крокко и Энрико Пистолези. Акерет представил проект сверхзвуковой аэродинамической трубы . Буземанн выступил с докладом о необходимости самолетов со стреловидным крылом для высокоскоростного полета. Истман Джейкобс, работающий в NACA , представил свои оптимизированные профили для высоких дозвуковых скоростей, которые привели к созданию некоторых высокопроизводительных американских самолетов во время Второй мировой войны . Обсуждалась также сверхзвуковая двигательная установка. Звуковой барьер был преодолен с помощью самолета Bell X-1 двенадцать лет спустя, отчасти благодаря этим людям.

К тому времени, когда звуковой барьер был преодолен, большая часть знаний в области дозвуковой и малой сверхзвуковой аэродинамики уже созрела. Холодная война способствовала постоянному развитию линейки высокопроизводительных самолетов. Вычислительная гидродинамика возникла как попытка определить свойства потока вокруг сложных объектов и быстро выросла до такой степени, что весь самолет можно спроектировать с помощью компьютера с испытаниями в аэродинамической трубе, за которыми следуют летные испытания для подтверждения компьютерных предсказаний.

За некоторыми исключениями, знания в области гиперзвуковой аэродинамики достигли зрелости в период с 1960-х годов по настоящее десятилетие. Таким образом, цели аэродинамиков сместились от понимания поведения потока жидкости к пониманию того, как спроектировать транспортное средство для надлежащего взаимодействия с потоком жидкости. Например, хотя поведение гиперзвукового потока понятно, создание ГПВРД , способного летать на гиперзвуковых скоростях, имело весьма ограниченный успех. Наряду с созданием успешного самолета с прямоточным воздушно-реактивным двигателем желание улучшить аэродинамическую эффективность существующих самолетов и двигательных систем будет продолжать стимулировать новые исследования в области аэродинамики. Тем не менее, в базовой теории аэродинамики все еще существуют важные проблемы, такие как предсказание перехода к турбулентности, а также существование и единственность решений уравнений Навье-Стокса.

См. также

• История авиации
• Хронология механики жидкости и сплошных сред

Ссылки

• Андерсон, Джон Дэвид (1997). История аэродинамики и ее влияние на летательные аппараты . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-45435-2 .