Аэродинамика

Аэродинамика, раздел гидроаэромеханики, в котором изучаются законы движения воздуха и силы, возникающие на поверхности тел, относительно которых происходит его движение. В А. рассматривают движение с дозвуковыми скоростями, т. е. до 340 м/сек (1200 км/ч).

Одна из основных задач А. - обеспечить проектные разработки летательных аппаратов методами расчёта действующих на них аэродинамических сил. В процессе проектирования самолёта (вертолёта и т.п.) для определения его лётных свойств производят т. н. аэродинамический расчёт, в результате которого находят максимальную, крейсерскую и посадочную скорости полёта, скорость набора высоты (скороподъёмность) и наибольшую высоту полёта ("потолок"), дальность полёта, полезную нагрузку и т.д.

Специальный раздел А. - аэродинамика самолёта - занимается разработкой методов аэродинамического расчёта и определением аэродинамических сил и моментов, действующих на самолёт в целом и на его части - крыло, фюзеляж, оперение и т.д. К А. самолёта относят обычно и расчёт устойчивости и балансировки самолёта, а также теорию воздушных винтов. Вопросы, связанные с изменяющимся нестационарным режимом движения летательных аппаратов, рассматриваются в специальном разделе - динамика полёта.

Как самостоятельная наука А. возникла в начале 20 в. в связи с потребностями авиации. Рождавшаяся авиация требовала разработки теории и создания методов расчёта подъёмной силы крыла, аэродинамического сопротивления самолёта и его деталей, тяговой силы воздушного винта. Одно из первых в мировой науке теоретических исследований этих вопросов содержится в работах русских учёных К. Э. Циолковского "К вопросу о летании посредством крыльев" (1891) и Н. Е. Жуковского "К теории летания" (1891). Теория, позволяющая рассчитать подъёмную силу крыла бесконечного размаха, была разработана в начале 20 в. в России Н. Е. Жуковским и С. А. Чаплыгиным, в Германии В. Куттой и в Англии Ф. Ланчестером. В 1912 появились работы Н. Е. Жуковского, излагающие вихревую теорию воздушного винта. Разработанная Н. Е. Жуковским и С. А. Чаплыгиным теория решёток, состоящих из крыльевых профилей, дала возможность учесть взаимное влияние лопастей винта и явилась основой для расчёта колёс и направляющих решёток турбомашин. Первой работой по динамике полёта следует считать мемуар Н. Е. Жуковского "О парении птиц" (1892), в котором дано теоретическое обоснование "мёртвой петли", впервые осуществленной русским лётчиком П. Н. Нестеровым в 1913.
Одновременно с разработкой теории полёта для получения численных значений аэродинамических характеристик создаются специальные аэродинамические лаборатории, ставшие базой экспериментальной А., создателями которой можно считать Н. Е. Жуковского, французского учёного Ж. Эйфеля и немецкого учёного Л. Прандтля. В 1902 Н. Е. Жуковский основал аэродинамическую лабораторию МГУ, а в 1904 аэродинамический институт в Кучине. В 1909 была создана аэродинамическая лаборатория Ж. Эйфелем в Париже и несколько позднее Л. Прандтлем в Гёттингене. По предложению Н. Е. Жуковского в 1918 был создан Центральный аэрогидродинамический институт(ЦАГИ), который и в настоящее время является одним из крупнейших в мире центров аэродинамических исследований.
В развитие А., кроме Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина, большой вклад внесли советские учёные В. П. Ветчинкин, А. А. Дородницын, М. В. Келдыш, М. А. Лаврентьев, Г. И. Петров, Л. И. Седов, А. Н. Туполев, С. А. Христианович, Б. Н. Юрьев и др., немецкие учёные Л. Прандтль, Г. Шлихтинг, А. Буземан, английские учёные Г. Глауэрт, Ф. Ланчестер, А. Фейдж, американские учёные Т. Карман, Х. Драйден, Х. Тейлор и многие др.
В соответствии с методами решения возникающих задач А. делится на теоретическую и экспериментальную. Первая ищет решение путём теоретического анализа основных законов гидроаэромеханики, сформулированных в форме уравнений Л. Эйлером, Ж. Лагранжем, М. Навье, Г. Стоксом и др. Решение (интегрирование) этих уравнений для большинства практически важных задач даже в наше время возможно только при допущении, что вязкость воздуха равна нулю (замена воздуха "идеальным" газом). Однако решение упрощённых таким образом уравнений даёт результаты, противоречащие опыту. Например, сила аэродинамического сопротивления шара оказывается равной нулю (Д'Аламбера - Эйлера парадокс). Возникшее противоречие в известной степени было разрешено Л. Прандтлем, предложившим разделить пространство, в котором наблюдаются возмущения, вызванные движущимся телом, на две области: область, близкую к поверхности тела, где существенно влияние вязкости, т. н. пограничный слой, и область вне пограничного слоя, где воздух можно рассматривать как идеальный газ.
Гипотеза Прандтля и разработанные им уравнения движения газа в пограничном слое (1904) в дальнейшем были развиты в работах многих учёных, в том числе советских (Л. Г. Лойцянский, А. А. Дородницын и др.), и дали возможность получить решение большого числа задач. Предложенная схема не полностью соответствует реально существующим течениям; кроме того, разработанные методы не позволяют теоретически рассчитать течение в случае турбулентного пограничного слоя и для тел сложной формы. В этих случаях приходится применять эмпирические методы, разрабатываемые на основе экспериментального изучения моделей рассматриваемого течения. При помощи анализа основных законов течения воздуха теоретическая А. разработаны вопросы подобия теории и моделирования, которые позволяют определить аэродинамические силы, действующие на летательный аппарат, в результате испытания маломасштабной модели этого аппарата. Теория моделирования позволяет также определить и условия, в которых должна испытываться модель. Этот раздел теоретической А. является основой экспериментальной А., главная задача которой состоит в получении численных значений аэродинамических сил, действующих на аппарат, путём испытания модели на специальных установках. В экспериментальной А. широко пользуются законом обращения движения, в соответствии с которым сила, действующая на тело, движущееся со скоростью v, равна силе, действующей на то же тело, закрепленное неподвижно и обдуваемое воздушным потоком с той же скоростью v.
Установки, на которых исследуют силы и моменты, действующие на неподвижно закрепленную модель - аэродинамические трубы, являются основной частью экспериментальной базы аэродинамических лабораторий. Методы аэродинамических измерений позволяют детально исследовать силы, действующие на модель, а также распределение значений скорости, плотности и температуры воздуха перед моделью и за ней.
При увеличении скорости полёта и приближении её к скорости звука необходимо учитывать сжимаемость среды. Сверхзвуковой полёт тела характеризуется рядом особенностей: возникают ударные волны, увеличивающие аэродинамическое сопротивление, летящее тело нагревается от трения о воздух и в результате излучения газа за ударной волной; при полёте с большой сверхзвуковой скоростью происходят диссоциация и ионизация газа в ударных волнах. Все эти вопросы, связанные с движением тел со скоростью, превышающей скорость звука, обычно относят к разделу гидроаэромеханики, называются газовой динамикой.
Широкая область неавиационных приложений А. входит в науку, называемую промышленной аэродинамикой. В ней рассматриваются вопросы, связанные с расчётом воздуходувок, ветровых двигателей, струйных аппаратов (эжекторов), вентиляционной техники (в частности, кондиционирования воздуха), а также вопросы, связанные с аэродинамическими силами, возникающими при движении наземного транспорта (автомобилей, поездов), и ветровыми нагрузками на здания и сооружения.
В СССР, кроме ЦАГИ, большая научно-исследовательская работа в области А. ведётся в ЦИАМе, в научно-исследовательских институтах АН СССР, в отраслевых научно-исследовательских институтах, в Московском, Ленинградском и других университетах, Московском и Харьковском авиационных институтах, в МВТУ, в Военно-воздушной инженерной академии им. Н. Е. Жуковского и других высших учебных заведениях. В США общее руководство исследованиями в области А. осуществляет NASA (Национальный комитет по аэродинамике и исследованию космического пространства), располагающий крупными лабораторными центрами в Моффетт-Филде (штат Калифорния), Ленгли-Филде (штат Виргиния) и др., а также в Калифорнийском и Массачусетсском технологических институтах, исследовательских институтах ВВС, ВМС и лабораториях крупных фирм, производящих самолёты, ракеты и вооружение. Крупные центры исследований в области А. имеются в Англии, Франции, Японии и других странах.
Результаты научных исследований публикуются в периодических изданиях: "Известия АН СССР. Механика жидкости и газа" (с 1966); "Журнал прикладной механики и технической физики" (с 1960); "АIAA Journal" (N. Y., с 1963 - переводится на рус. яз.); "Journal of the Royal Aeronautical Society" (L., с 1897).
Лит.: Фабрикант Н. Я., Аэродинамика, ч. 1, М.-Л., 1962: Прандтль Л., Гидроаэродинамика, пер. с нем., 2 изд., М., 1951; Мартынов А. К., Экспериментальная аэродинамика, 2 изд., М., 1958; Пышнов В. С., Аэродинамика самолета, М., 1943; Остославский И. В., Титов В. М.. Аэродинамический расчет самолета, М., 1947; Глауэрт Г., Основы теории крыльев и винта, пер. с англ., М.-Л., 1931.
? М. Я. Юделович.