Аеродинаміка – це область знання, що вивчає руху потоків повітря і їх дії на тверді тіла. Є підрозділом гідро - і газодинаміки. Дослідження в цій галузі сягають глибокої давнини, до часу винаходу стріл і планують копій, які дозволяли далі і точніше посилати снаряд в ціль. Однак потенціал аеродинаміки повністю був розкритий з винаходом апаратів важче повітря, здатних літати або планувати на значні відстані.

З давніх часів

Відкриття законів аеродинаміки в 20 столітті сприяло фантастичному стрибку в багатьох областях науки і техніки, особливо у транспортній сфері. На її досягнення створені сучасні літальні апарати, що дозволили зробити загальнодоступним фактично будь-який куточок планети Земля.


Перші згадки про спроби підкорення неба зустрічаються в грецькому міфі про Ікара і Дедала. Батько з сином зробили крила, схожі на пташині. Це вказує на те, що ще тисячоліття тому люди замислювалися про можливості відірватися від землі. Черговий сплеск інтересу до спорудження літальних апаратів виник в епоху Відродження. Пристрасний дослідник Леонардо да Вінчі багато часу присвятив цій проблемі. Відомі його записи, в яких роз'яснені принципи роботи найпростішого вертольота.

Нова епоха

Глобальний прорив у науці (і аеронавтики зокрема) здійснив Ісаак Ньютон. Адже в основі аеродинаміки лежить всеосяжна наука механіка, родоначальником якої став англійський вчений. Ньютон першим розглянув повітряне середовище як конгломерат частинок, які, набігаючи на перешкоду, або прилипають до нього, або пружно відбиваються. В 1726 році він представив публіці теорію опору повітря.


Згодом з'ясувалося, що середовище дійсно складається з найдрібніших частинок – молекул. Відображає здатність повітря розраховувати навчилися досить точно, а ефект «прилипання» вважали неспроможним припущенням. Дивно, але ця теорія знайшла практичне застосування через століття. У 60-х, на зорі космічної ери, радянські конструктори зіткнулися з проблемою розрахунку аеродинамічного опору апаратів, що спускаються, «затупленной» сферичної форми, при приземленні розвиваючих гіперзвукові швидкості. З-за відсутності потужних ЕОМ обчислити даний показник було проблематично. Несподівано з'ясувалося, що досить точно розрахувати величину опору і навіть розподіл тиску по лобовій частині можна за простою формулою Ньютона, що стосується ефекту «прилипання» частинок до м'яча об'єкту.

Розвиток аеродинаміки

Засновник гідродинаміки Данило Бернуллі описав у 1738 році фундаментальну взаємозв'язок між тиском, густиною та швидкістю для нестисливого потоку, відому сьогодні як принцип Бернуллі, який також применителен до розрахунків сили аеродинамічного підйому. У 1799 році сер Джордж став Келі першою людиною, який ідентифікував чотири аеродинамічних сили польоту (вага, підйомну силу, опір і тягу), а також відносини між ними. У 1871 році Френсіс Герберт Уэнам створив першу аеродинамічну трубу, що дозволяє точно вимірювати аеродинамічні сили. Неоціненні наукові теорії розроблені Жаном Ле Рондом Даламбером, Густавом Кирхгофом, лордом Релея. У 1889 році Чарльз Ренард, французький інженер з аеронавтики, став першою людиною, який науково розрахував потужність, необхідну для сталого польоту.

Від теорії до практики

У 19 столітті винахідники поглянули на крило з наукової точки зору. І завдяки дослідженням механізму польоту птахів була вивчена аеродинаміка в дії, яку пізніше застосували до штучним літальним апаратам. Особливо в дослідженнях механіки крила досяг успіху Отто Лілієнталь. Німецьким авіаконструктором створено і випробувано 11 типів планерів, в тому числі біплан. Їм же здійснений перший політ на апараті важчому за повітря. За відносно недовге життя (46 років) він здійснив близько 2000 польотів, постійно вдосконалюючи конструкцію, яка швидше нагадувала дельтаплан, ніж літак. Він загинув під час чергового польоту 10 серпня 1896 року, ставши і першопрохідцем аеронавтики, і першою жертвою авіакатастрофи. До речі, один з планерів німецький винахідник особисто передав піонера у вивченні аеродинаміки літаків Жуковському Миколі Єгоровичу. Жуковський не просто експериментував з конструкціями літаків. На відміну від багатьох ентузіастів того часу, перш всього він розглядав поведінку повітряних потоків з наукової точки зору. У 1904 році він заснував перший в світі аеродинамічний інститут в Качино під Москвою. З 1918 року очолював ЦАГІ (Центральний аерогідродинамічний інститут).

Перші літаки

Аеродинаміка – це наука, яка дозволила людині підкорити небо. Без її вивчення неможливо було б будувати літальні апарати, стабільно переміщаються в повітряних потоках. Перший літак в звичному нам розумінні виготовили і підняли в повітря 7 грудня 1903 року, брати Райт. Однак цій події передувала ретельна теоретична робота. Американці багато часу присвятили налагодження конструкції планера в аеродинамічній трубі власної розробки.
Під час перших польотів Фредерік Ст. Ланчестер, Мартін Вільгельм Кутта і Микола Жуковський висунули теорії, які пояснювали циркуляцію повітряних потоків, що створюють підйомну силу. Кутта і Жуковський продовжили розробку двовимірної теорії крила. Людвігу Прандтлу приписують розвиток математичної теорії тонких аеродинамічних і підйомних сил, а також роботу з прикордонними шарами.

Проблеми і рішення

Важливість аеродинаміки літаків зростала по мірі збільшення їх швидкостей. Конструктори почали стикатися з проблемами, пов'язаними зі стиском повітря зі швидкістю, близькою або більшою, ніж швидкість звуку. Відмінності в потоках при таких умовах призвели до проблем управління повітряним судном, збільшення опору з-за ударних хвиль і загрозу руйнування конструкції за аэроупругого флаттера. Відношення швидкості потоку до швидкості звуку було названо числом Маха по імені Ернста Маха, який одним з перших досліджував властивості надзвукового потоку. Вільям Джон Маккуорн Ренкин і П'єр Анрі Гугониот незалежно один від одного розробили теорію властивостей течії повітря до і після ударної хвилі, в той час як Якоб Акерет провів початкову роботу по обчисленню підйому і опору надзвукових аеродинамічних поверхонь. Теодор фон Карман і Х'ю Латімер Драйден ввели термін «навколозвуковою» для опису швидкостей на кордоні 1 Маха (965-1236 км/годину), коли опір швидко зростає. Вперше звуковий бар'єр був подоланий в 1947 році на літаку Bell X-1.

Основні характеристики

Відповідно до законів аеродинаміки, для забезпечення польоту в атмосфері землі будь-якого апарату важливо знати:

Аеродинамічний опір (вісь X), який чиниться потоками повітря на об'єкт. Виходячи з цього параметру підбирається потужність силової установки.

Підйомну силу (вісь Y), що забезпечує набір висоти і дозволяє апарату летіти горизонтально до поверхні землі.

Моменти аеродинамічних сил по трьох осях координат, що діють на летить об'єкт. Найбільш важливим є момент бічної сили по осі Z (Mz), спрямованого поперек літака (умовно уздовж лінії крила). Він визначає ступінь поздовжньої стійкості (чи апарат «пірнати» або задирати ніс вгору при польоті).

Класифікація

Аеродинамічні характеристики класифікуються за умовами і властивостями повітряного потоку, включаючи швидкість, щільність і в'язкість. Зовнішня аеродинаміка – це дослідження потоку навколо твердих об'єктів різної форми. Прикладами є оцінка підйому і вібрацій літака, а також ударних хвиль, які утворюються перед носом ракети. Внутрішня аеродинаміка – це дослідження повітряного потоку, що переміщається через отвори (проходи) у твердих об'єктах. Наприклад, вона охоплює вивчення потоків через реактивний двигун. Аеродинамічні показники також можуть бути класифіковані залежно від швидкості потоку:

Дозвукових називають швидкість, меншу швидкості звуку.

Навколозвуковою (трансзвуковой) – якщо присутні швидкості як нижче, так і вище швидкості звуку.

Надзвуковий – коли швидкість потоку більше швидкості звуку.

Гиперзвуковая – швидкість потоку набагато більше швидкості звуку. Зазвичай під цим визначенням розуміють швидкості з числом Маха понад 5.

Аеродинаміка вертольота

Якщо принцип польоту літака заснований на піднімальній силі при поступальному русі, наданої на крило, то вертоліт як би сам створює підйомну силу за рахунок обертання лопатей в режимі осьового обдування (тобто без поступальної швидкості). Завдяки цій особливості гелікоптер здатний зависати в повітрі на місці і здійснювати енергійні маневри навколо осі.

Інші області застосування

Природно, аеродинаміка застосовна не тільки до літальних апаратів. Опір повітря відчувають всі об'єкти, що рухаються в просторі газової і рідкої середовищі. Відомо, що водні мешканці – риби і ссавці – мають обтічними формами. На їх прикладі можна простежити аеродинаміку в дії. Орієнтуючись на тваринний світ, люди також роблять водний транспорт загостреною або каплевидної форми. Це стосується кораблів, катерів, підводних човнів. Значний опір повітря відчувають транспортні засоби: воно зростає по мірі збільшення швидкості. Для досягнення кращої аеродинаміки автомобілів надають обтічну форму. Особливо це актуально для спорткарів.