книги из ГПНТБ / Алтухов В.А. Основы аэродинамики летательных аппаратов
.pdfВ. А. АЛТУХОВ, Б. Я...ЩУМЯЦКИИ
ОСНОВЫ
А Э Р О Д И Н А М И К И
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
-X
I
F
Настоящий учебник предназначен для слушателей акаде мии, в подготовке которых курс аэродинамики является
одной из базовых дисциплин для изучения специальных предметов.
В нем излагаются основные законы движения жидкостей и газов и инженерные методы расчета основных аэродинами ческих характеристик различных тел и летательных аппарату
в |
целом в широком |
диапазоне скоростей |
и высот |
полета |
|
В |
небольшом |
объеме |
рассматриваются |
вопросы ■динамики |
|
полета летательного аппарата. |
|
|
|||
бия |
Книга может быть использована в качестве учебного посо |
||||
в других авиационных учебных заведениях, а |
также |
||||
инженерным и |
летным составом ВВС. |
|
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий учебник написан в соответствии с программой подготовки авиационных специалистов, для которых курс аэро динамики является одной из базовых дисциплин для изучения специальных предметов.
Ограниченный объем учебника не позволяет дать системати ческого и строгого изложения основных законов аэродинамики и точных методов решения ряда задач об обтекании различных тел потоком воздуха и затрудняет использование большого кон кретного расчетного и экспериментального материала, имеюще гося в научной и учебной литературе по вопросам аэродина мики.
Излагая законы движения жидкостей и газов и инженерные методы расчета основных аэродинамических характеристик раз личных тел в широком диапазоне скоростей и высот полета, авторы преследовали цель научить читателя правильно пони
мать физические процессы, происходящие |
при . движении тел |
|
в воздухе, и оценивать величины основных |
аэродинамических |
|
характеристик летательного аппарата и его частей. |
Изучение |
|
материалов учебника поможет подготовить |
читателей |
к само |
стоятельной работе над специальной литературой по вопросам аэродинамики.
В работе над учебником нами использован опыт преподава тельского коллектива кафедры аэродинамики ВВИА имени проф. Н. Е. Жуковского и овюй 'Опыт, чтения лекций по данному курсу.
При составлении учебника авторами были Использованы материалы учебника «Аэродинамика», написанного коллективом кафедры под общей редакцией профессора, доктора технических наук Б у р а г о Г. Ф. Так, например, главы XI, XII и XIII и некоторые параграфы других глав в методическом отношении И по содержанию повторяют соответствующие материалы выше-
3.
указанного учебника, но излагаются в сокращенном и перерабо танном виде, применительно к общей методике изложения мате риала в данном учебнике. Глава II, посвященная гидравличе ским вопросам, написана с использованием учебника «Гидрав лика» Б. Б. Н е к р а с о в а.
Рукопись .настоящего учебника была прорецензирована
доцентом, кандидатом технических наук Н е к р а с о в ы м |
Б. |
Б. |
и кандидатом физико-математических наук К а р п о в и ч |
Е. |
А., |
подробные и ценные замечания которых позволили своевременно внести в рукопись соответствующие изменения.
Большую помощь в работе над учебником оказывал профес сор Бу р а г о Г. Ф.
ВВЕДЕНИЕ
§1. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ
ОСОВРЕМЕННЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ
Впоследние годы значительно расширились диапазоны ско ростей и высот полета различных летательных аппаратов. Совре менные самолеты уже летают со скоростями, в 2,5—3 раза пре восходящими скорость звука. Как следует из опубликованных
данных, уже ведутся испытания гиперзвуковых самолетов, с жидкостно-реактивными двигателями и со стартовыми ускори телями, скорость которых должна в 7— 10 раз превосходить ско рость звука. Разрабатываются проекты гиперзвуковых летатель ных аппаратов-ракетопланов, на которых предполагается достигнуть еще больших скоростей полета при выходе на высоты, превышающие 100 км.
Весьма характерным для современного этапа развития авиа ции является то обстоятельство, что практически стираются грани между авиацией и ракетоплаванием, так как, с одной сто роны, в авиации находят все большее и большее применение ракетные двигатели, а с другой стороны, ракета, в управлении которой принимает участие человек, является по сути дела свое образным самолетом.
Различие в самолетном и ракетном принципах полета обыч но усматривается в том, что самолет в основном преодолевает силу веса за счет подъемной силы, создаваемой специальными несущими поверхностями — крыльями при движении самолета в воздухе, а ракетный аппарат — за счет силы тяги, развивае мой двигателем.
Однако простые соображения указывают на то, что достиже ние больших скоростей полета* возможно только на больших высотах, так как на малых высотах'из-за большойплотности воздуха летательный аппарат испытывает очень большое лобо вое сопротивление и недопустимо высокие температуры нагрева, кот ым не смот бы противостоять н,и один материал.
л больших высотах, когда воздух становится весьма разре женным, создать необходимую подъемную силу за счет крыла летательного аппарата достаточно трудно, несмотря на то, что с ростом скорости полета потребная для горизонтального полета аэродинамическая сила уменьшается, так как часть веса лета-
5
тельного аппарата при полете по криволинейной траектории вокруг Земли уравновешивается центробежной силой
|
|
у . |
_ |
G |
V2 |
|
|
|
|
|
|
■*цб |
g |
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
Здесь |
G — вес летательного аппарата; |
|
|
|
|||||
|
R — радиус кривизны траектории, описываемой летатель |
||||||||
|
ным аппаратом при горизонтальном полете вокруг |
||||||||
|
Земли; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V — скорость полета; |
|
|
|
|
|
|
||
|
g — ускорение силы тяжести. |
|
|
|
горизон |
||||
"На долю аэродинамической подъемной силы при |
|||||||||
тальном полете приходится разность |
|
|
|
|
|||||
|
^,род“ |
0 - Г ц6 = |
о | 1 - - ^ - | . |
|
|
||||
Так, |
например, при |
R = |
6500 |
км |
и |
при |
скорости |
полета |
|
V = |
5,65 км/сек сила |
у |
|
_ у |
— _ |
Гт |
При достижении |
||
1 азрод |
‘ цб = |
g |
w ’ |
||||||
орбитальной скорости |
V = |
8 |
км/сек необходимость в аэродина |
мической силе для горизонтального полета вообще отпадает. На фиг. 1 верхняя кривая дает примерное значение предель
ных высот в зависимости от скорости установившегося горизон
|
|
|
|
|
тального полета |
при ус |
|||
|
|
|
|
|
ловии, что вес летательно |
||||
|
|
|
|
|
го аппарата уравновеши |
||||
|
|
|
|
|
вается |
только |
за |
счет |
|
|
|
|
|
|
аэродинамической и цент |
||||
|
|
|
|
|
робежной оил. В области |
||||
|
|
|
|
|
значений высот |
и скоро |
|||
|
|
|
|
|
стей полета, расположен |
||||
|
|
|
|
|
ной выше этой кривой, |
||||
|
|
|
|
|
горизонтальный |
|
(полет |
||
0 |
2 |
4 |
6 |
8 Vкм/сек |
возможен только при до |
||||
полнительном |
создании |
||||||||
|
|
Ф и г. |
1 |
|
|||||
|
|
|
подъемной силы |
за |
счет |
||||
|
Нижняя |
кривая |
на |
|
двигательной установки. |
||||
|
фиг. 1 ограничивает |
высоты полета по |
скоростям из соображений недопустимости нагрева поверхности летательного аппарата выше температуры 1000°С.
Таким образом, на указанной диаграмме образуется «кори дор» горизонтального полета, ограниченный с верхней стороны невозможностью создания необходимой аэродинамической подъ
емной силы, а с нижней стороны — (перегревом летательного аппарата.
Однако обе эти границы носят в значительной мере услов ный характер. Верхняя граница может быть преодолена за счет
6
увеличения мощности двигателей, а нижняя — за счет создания надежной тепловой защиты летательного аппарата.
Современный уровень развития техники столь высок, что обеспечивает достижение практически любых'высот и скоростей полета. Об этом убедительно свидетельствует большое число запущенных искусственных спутников Земли, советских косми ческих кораблей и межпланетных космических ракет.
Вершиной современного развития летательных аппаратов является первый в мире космический полет человека, осущест вленный на советском космическом корабле «Восток» советским летчиком Ю. А. Гагариным 12 апреля 1961 года.
Внешние формы современных летательных аппаратов пред ставляют собой обычно комбинацию тел осевой симметрии и крыльев. Взаимное расположение частей, составляющих лета тельный аппарат, называется компоновочной схемой этого аппа рата.
На фиг. 2 представлена схема бескрылой ракеты, которая обычно состоит из двух частей: корпуса 1 и оперения 2, пред ставляющего собой небольшие крылья, расположенные обычно в задней части аппарата.
Ф и г. 2 |
Ф и г. 3 |
На фиг. 3 изображена обычная компоновочная схема само лета. Самолет, кроме корпуса и оперения, имеет специальную несущую поверхность — крыло. Крыло предназначено для соз дания аэродинамической подъемной силы.
Основной задачей аэродинамической компоновки явдяется выбор такой компоновочной схемы и внешних форм отдельных частей летательного аппарата, которые обеспечивали бы необхо димую аэродинамическую подъемную силу при вшможно малом сопротивлении. Однако любая схема летательного аппарата будет неудовлетворительной, если она не обеспечивает возмож ность управления полетом аппарата и устойчивость его дви жения.
Под устойчивостью движения понимают способность лета тельного аппарата восстанавливать равновесный режим полета, если какое-либо случайное возмущение выведет его из состояния равновесия.
Под управляемостью летательного аппарата понимают его свойство отвечать соответствующими движениями на отклоне ния рулей и тем самым обеспечивать полет по заданной траек тории.
7
Устойчивость и управляемость обычно обеспечиваются соот ветствующими аэродинамическими силами, возникающими на крыле и оперении.
§ 2. СВЕДЕНИЯ ОБ АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ И СВОЙСТВАХ ВОЗДУХА НА РАЗЛИЧНЫХ ВЫСОТАХ
Как известно, земная атмосфера состоит в основном из двух атомных газов кислорода и азота с небольшими примесями дру гих газов (аргона, гелия, углекислоты, водяных паров и др.). Хотя эти примеси весьма незначительны, но при некоторых усло виях они могут влиять на физикохимические процессы, происхо дящие между поверхностью летящего тела и атмосферой. Так, например, при полете с очень большими скоростями, когда про исходит сильное разогревание слоя воздуха, в котором движется тело, основные компоненты воздуха (азот и кислород) могут ос таваться .прозрачными, т„ е. не поглощать и не излучать тепловых
№г Ю'' /0Ч Ю'5 Wi |
(O'* Ю'г /О'1 / |
лучей, а незначительные по ко |
||||
«- |
ч |
ь . . . |
личественному |
содержанию |
||
|
Р/ро |
|
примеси |
('С02, NO, |
водяные |
|
|
|
|
пары и другие газы) при этом |
|||
|
|
|
могут весьма интенсивно излу |
|||
|
|
|
чать и поглощать тепло и тем |
|||
|
|
|
•самым существенно будут вли |
|||
|
|
|
ять на процесс нагревания по |
|||
|
|
|
верхности летательного аппа |
|||
|
|
|
рата. |
|
|
|
|
|
|
Самая нижняя часть атмо |
|||
|
|
|
аферы |
называется |
тропосфе |
|
|
|
|
рой. С увеличением |
высоты |
||
|
|
|
в этой зоне температура и дав |
|||
|
|
|
ление непрерывно уменьшают |
|||
|
|
|
ся. Граница этой |
зоны — тро |
||
|
|
|
попауза |
— располагается на |
||
высотах от 6 км над полюсами Земли до |
18 км над экватором. |
Температуры воздуха на границе тропосферы, составляют 200—
220°К. |
Выше тропопаузы находится |
стратосфера — изотерми |
ческая |
область, которая составляет |
по высоте около 10 км. |
Химический состав воздуха в пределах тропосферы и страто сферы можно считать постоянным по высоте.
Вся область над стратосферой (выше 30 км) называется верхней атмосферой.
Изменения основных термодинамических параметров и дру гих физических характеристик воздуха с высотой представлены в таблице Временной Стандартной Атмосферы 1960 .года (таб лица 1), отображающей некоторое среднее состояние атмосферы и не учитывающей возможных отклонений физических харак теристик от средних значений.
8 ‘
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а l |
||
|
Временная |
стандартная атмосфера (ВСА—1960) |
|
|
||||
|
|
|
Темпера |
Плотность |
Коэффи |
Скорость |
||
Высота |
|
Давление |
циент кине |
|||||
|
тура |
кГ сек2 |
матической |
звука |
||||
Н, м |
Ри ,мм рт.ст. |
вязкости |
„ |
|
||||
Тн< °К |
Ря . ---------- |
|
м |
|||||
|
|
|
|
м* |
сек |
|
сек |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
760,00 |
288,16 |
1,2492.10-' 1,4607-10—5 |
340,28 |
|||
1000 |
|
674,12 |
281,-5 |
1,1336 |
|
1,5812 |
336,43 |
|
2 000 |
|
596,28 |
275,14 |
1,0265 |
|
1,7146 |
332‘52 |
|
3 000 |
|
525,98 |
268,64 |
9,2734-10-2 |
1,8624 |
328,56 |
||
4 000 |
|
462,46 |
262,13 |
8,3558 |
|
2,0271 |
324,56. |
|
5 000 |
|
405,37 |
255,63 |
7,5106 |
|
2,2103 |
320,51 |
|
6 000 |
|
354ЛЗ |
249,13 |
6,7324 |
|
2,4153 |
316,41 |
|
7 000 |
|
308,26 |
242,63 |
6,0174 |
|
2,6452 |
312,25- |
|
8 000 |
|
267,38 |
236,14 |
5,3628 |
|
2,9030 |
308,05 |
|
9 000 |
|
230,95 |
229,64 |
4,7633 |
■ |
3,1942 |
303,78- |
|
10 000 |
|
198,7 |
223,15 |
4,2172 |
3,5232 |
299,45 |
||
11 000 |
|
170,19 |
216,66 ' |
3,7204 |
|
3,8966 |
295,07 |
|
12 00П |
|
145,44 |
216,66 |
3,1795 |
|
4,5595 |
295,07 |
|
13 000 |
|
124,30 |
216,66 |
2,7173 |
|
5,3351 |
295,07 |
|
14 000 |
|
106,24 |
216,66 |
2,3225 |
|
6,2420 |
295,07' |
|
15 000 |
|
90,810 |
216,66 |
1,9851 |
* |
7,3029 |
295,07 |
|
16000 |
|
77,616 |
216,66 |
1,6968 |
8,5437 ' |
295,07 |
||
17 000 |
|
66,350 |
216,66 |
1,4504 |
|
9,9952 |
295,07 |
|
18 000 |
|
56,719 |
• 216,66 |
1,2399 |
|
1,1692-10-1 |
295,07 |
|
19 000 |
|
48,489 |
216,66 |
1,0600 |
|
1,3676 |
295,07 |
|
20 000 |
|
41,455 |
216,66 |
9,0623-Щ-з 1,5997 |
295,07' |
|||
21 000 |
|
35,443 |
216,66 |
7,7481 |
|
1,8710 |
295,07 |
|
22 000 |
. |
30,305 |
216,66 |
6.6247 |
|
2,1883 |
295,07 |
|
23 000' |
25,912 |
216,66 |
•5,6645 |
|
2,5593 |
295,07 |
||
24 000 |
: |
22,158 |
216,66 |
4,8438 |
|
2,9929 |
295,07 |
|
25 000 |
|
18,948 |
216,66 |
4,1422 |
|
3,4998 |
295,07 |
|
26 000 |
|
16,219 |
219,40 |
3,5013 |
|
4,1842 |
296,93. |
|
27 000 |
|
13,910 |
222,14 |
2,9659 |
|
4,9911 |
298,78- |
|
28 030 |
|
11,959 |
224.87 |
2,5188 |
|
5,9370 |
300,61 |
|
29 000 |
|
10,295 |
227,61 |
2,1421 |
|
7,0510 |
302,43 |
|
30000 |
|
8,8777 |
230,35 |
1,8254 |
|
8,3565 |
304,25 |
|
•32 000 |
• |
6,6401 |
235.82 |
1.3336-Ю-з 1,1661-Ю-з |
ЗС7.84 |
|||
34 000 |
|
5,0023 |
241,28 |
9,8194-10-4 1,6135 |
311,38 |
|||
36 000 |
|
3;?924 |
246,74 |
7,2796 |
|
2,2165 |
314,89 |
|
38 000 |
|
2,8912 |
252,20 |
5,4294 |
|
3,0248 |
318,36 |
|
40 000 |
|
2,2191 |
257,66 |
4,0792 |
|
4,0956 |
321,78 |
|
42 000 |
|
1,7128 |
263,11 |
3,0832 |
|
5,5099 |
325.16 |
9*