книги из ГПНТБ / Павловский К.М. Практическая аэродинамика и динамика полета летательных аппаратов учебное пособие
.pdfВОЕННО-ПОЛИТИЧЕСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА КРАСНОЗНАМЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени В.К.ЛЕНИНА
Доцент. инженер-полковник ПАВЛОВСКИЙ К.М.
ПРАКТИЧЕСКАЯ АЭРОДИНАМИКА И ДИНАМИКА ПОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Учебное пособие
Москва, ВПА |
1969 г |
Экземпляр 1
. ГОС. П У БЛ И Ч Н А Я |
|
чит. зала |
Л |
|
|
\У O-j Е Х Н И Ч Е С К А Я |
|
|
БЬ5ЛИОТ.ЕКА.СОСР |
A!l |
|
Ш з f. |
|
|
|
Л : |
53^1 |
|
|
\
В настоящем учебном пособии рассматриваются основные аэродинамические характеристики, пилотажные и лбтно-тактиче- ские свойства современных сверхзвуковых летательных аппара тов.
При написании книги использовались материалы, опублико ванные в открытой литературе и журнальных статьях.
Пособие составлено в соответствии о учебной программой академии и предназначено для слушателей авиационной специаль ности.
ВВЕДЕНИЕ |
|
|
|
А э р о д и н а м и к а |
- |
это наука |
о механическом |
движении воздуха и других газов, |
а также о |
силовом взаимодей |
ствии между газами и твердыми телами при их движении в газо вой среде. Основоположник аэродинамики Н.Е.Жуковский назы вал ее о с н о в о й а в и а ц и и . Аэродинамика являетоя также одной из научных основ современной ракетной техники.
Основной задачей аэродинамики является определение аэроди намических сил и моментов, действующих на летательный аппарат при обтекании его воздушным потоком. В процессе решения этой задачи аэродинамика наиболее полно исследует практическое проявление таких механических овойств воздуха, как вязкость, инертность и сжимаемость.Она рассматривает и такие вопросы,как взаимодействие с различными преградами мощных ударных волн, возникающих при взрывах, аэродинамический нагрев самолетов и ракет при полете в плотных слоях атмосферы, определение пере грузок при полете самолета или космического аппарата и многие другие.
Условно различают аэродинамику малых скоростей и аэро динамику больших скоростей.
При малых скоростях полета (в практических целях до М=0,3+0,6) воздух можно считать несжимаемым,как жидкость. Поэтому раздел аэродинамики, изучающий обтекание тел с такими
скоростями, называют |
еще а э р о д и н а м и к о й |
н е - |
с ж и м а е м о й |
ж и д к о с т и . |
|
Область скоростей, при которых уже заметно |
проявляется |
сжимаемость воздуха,и это необходимо учитывать в практических целях, относится к аэродинамике б о л ь ш и х с к о р о -
- 4 -
o i e l .Она условно делится на аэродинамику околозвуковых
скоростей ( otV kp до скорости, равной |
скорости |
звука CL ) |
и |
|
аэродинамику |
сверхзвуковых скоростей |
( \ > С 1 |
). Однако, |
вви |
ду ряда особенностей обтекания тел в диапазоне чисел |
|
|||
И1 0 ,9 + 1 ,1 |
эту область скоростей-выделяют |
отдельно |
и |
называют ее т р а н с з в у к о в о й .
Область сверхзвуковых скоростей с числами М5* 5 (пример но) относится к аэродинамике г и п е р з в у к о в ы х скоро стей. В этой области высокий аэродинамический нагрев вызыва ет ряд качественно новых явлений.
Движение тел в сильно разреженных газах,например, на высотах порядка 120 км и более, где образование пограничного
слоя невозможно, изучает |
аэродинамика с в о б о д н о |
м о л е к у л я р н о г о |
течения (супераэродинамика). |
Аэродинамику самолета, излагаемую с целью практического применения ее летным составом при решении различных задач ди намики полета, принято называть п р а к т и ч е с к о й а э р о д и н а м и к о й .
Д и н а м и к а п о л е т а - это наука о законах движения летательных аппаратов под действием приложенных к ним сил. Одной из ее задач является определение оптимальных режи мов и программ движения, например, оптимальной программы вы вода аппарата на заданный режим полета, оптимального режима полета на дальность и др. Динамика полета является теоретиче ской базой техники пилотирования и тактики боевого использо вания летательных аппаратов.
Основоположником авиационных наук вообще, а аэродинамики и динамики полета в частности,является профессор Николай Его рович Жуковский, которого В.И.Ленин назвал "отцом русской авиации". Им в конце XIX и начале XX века были решены пробле мы теории крыла, воздушного винта, аэродинамического расчета самолета, устойчивости, управляемости и др. Большой вклад в развитие авиационных наук внесли ученики и последователи Жу ковского: С.А. Чаплыгин, В.П. Ветчинкин, Б.Н.Юрьев,М.В.Кел
дыш,В.С.Пышнов, |
С.А.Христианович и другие. В самом начале XX |
||
века трудами С.А.Чаплыгина заложены о с н о в ы |
а э р о |
||
д и н а м и к и |
б о л ь ш и х |
с к о р о с т е й . |
Базируясь на труды отечественных ученых, наши кон структоры создали первоклассные самолеты, вертолеты и ^акеты, завоевавшие мировую славу. Большая заслуга в выявлении лет ных свойств самолетов принадлежит выдающимся русским летчи кам П.Н.Нестерову -основоположнику высшего пилотажа, К.К.Арцеулсву - первому исследователю и исполнителю преднамеренно го штопора, а также большому коллективу советских летчиковиспытателей: В.П.Чкалову, В.К.Коккинаки,Г.Я.Бахчиванджи, Г.К.Мосолову,М.Л.Галлай,А.В,Федотову и др.
Авиация стала колыбелью космонавтики. Основоположниками ракетодинамики являются также наши ученые :К.Э.Циолковский, И.В.Мещерский и С,П.Королев. Благодаря их трудам, 4 октября 1957 года наша страна первая осуществила запуск искусствен ного спутника Земли, а 12 апреля 1961 года советский космиче ский корабль "Восток" с первым летчиком-космонавтом Ю.А.Гага риным на борту совершил эпохальный полет вокруг земного шара. Это был триумф освобожденного труда, триумф советской науки и техники, в том числе и основополагающих авиационных наук - аэродинамики и динамики полета.
- б -
ГЛАВА I
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АЭРОДИНАМИКИ БОЛЬШИХ СКОРОСТЕЙ
§ I . РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЗМУЩЕНИЙ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ
Любые возмущения в воздушной среде (изменения основных
параметров воздушного |
потока) |
распространяются волнообразно, |
|
подобно распространению волны |
в |
воде от брошенного камня.Одна |
|
ко волна возмущения в |
воздушной |
среде характеризуется продоль |
|
ным, а не поперечным, |
как в воде, колебаниями частиц. Посколь |
||
ку колебания распространяются |
во все стороны, то от неподвижно |
го источника |
возмущений непрерывно отходят концентрические |
сферические |
волны уплотнения и разрежения (р и с .1 .1 ), что вызы |
вает местные повышения и понижения давления и изменение других |
|
|
параметров окружающей |
|
среды. |
|
Скорость распро |
|
странения возмущений |
|
зависит от мощности |
|
первоначального воз |
|
мущения, а также от |
|
физических характери |
стик среды,в которой оно произошло. Если возмущения слабые,то они распространяются со скоростью звука ОС . Здесь заметим, что под звуком в аэродинамике понимают процесс распростране ния в воздухе слабых возмущений, т .е . небольших изменений давления и плотности, независимо от их частоты. Человеческое ухо воспринимает эти изменения как звук только тогда, когда их частота лежит примерно в пределах от 20 до 20000 1/сек.
Сильные воэяучения распространяются с некоторой скоро-
7 -
стыо] ) , большей скорости распространения слабых возмущений.
Из физики известно, что если бесконечно малым изменением давления dp было вызвано бесконечно малое изменение плотности среды<ф , то скорость распространения этого возмущения (ско рость звука) будет:
( I . I )
Подкоренное выражение является характеристикой упругости газа. Оно показывает способность газа сопротивляться измене нию плотности. Обратная ему величина °L?/clf> является коли чественной характеристикой сжимаемости, т .е . она показывает способность газа изменять объем, а вместе с ним массовую плотность и удельный вес при изменении давления.
Таким образом, упругость и сжимаемость - взаимообратные свойства, чем выше упругость, а вместе с тем и скорость звука, тем меньше сжимаемость,и наоборот.
Процесс распространения звука можно считать адиабатичес ким. Поэтому подкоренное выражение в формуле ( I . I ) можно заме нить величиной К j r «По уравнению состояния газа 4L=/?RT. Тогда для воздуха скорость звука можно определить по формуле:
Чем выше температура, тем больше упругость воздуха и тем мень
ше его сжимаемость.Однако |
степень |
сжимаемости |
зависит от |
|
скорости V набегания воздуха |
на |
обтекаемое |
им твердое те |
|
ло. |
|
|
|
|
Для удобства оценки сжимаемости воздушной среды принят один критерий, учитывающий влияние как скорости звука, так и скорости потока - это число М.
A f - аv (1 .3 )
- а -
Чем больше число М, тем больше проявляется сжимаемость воз духа. При полете летательного аппарата число М показывает
отношение |
скорости полета |
к скорости звука в воздушной среде |
|||
и называется |
оно полетным |
числом М. Если у = const |
,то |
полет |
|
ное число |
М с |
увеличением |
высоты возрастает, так |
как |
скорость |
звука уменьшается.Отсюда следует, что все аэродинамические яв ления, зависящие от числа М, с подъемом на высоту будут прояв ляться при меньшей скорости полета, чем вблизи земли.
Границы возмущенной области зависят от скорости движения источника возмущений, скорости звука и времени, прошедшего от начала возникшего возмущения.
Если Y = 0 , то слабое возмущение, вызванное твердым телом, распространяется во все стороны в виде сферической звуковой волны (рис. I . I ) . ЕслиУ>$ ,но< (X ,то возмущения опережают источник возмущений,т.е. центр возмущения смещен ближе к перед ней границе области возмущений (рис. 1 .2 ). Повышенные давления
перед источником деформируют воздушную сферу, вызывая раздвижение частиц воздуха перед движущимся телом, что умень шает сопротивление среды про движению тела.
Если У=С1 (М=1), то ис точник возмущения перемеща ется вместе с фронтом сфериче ской волны.Поскольку фронты звуковых волн зарождаются непрерывно, то они накладыва ются одна на другую и обра
Рис. 1.2 зуют границу возмущений в форме плоской звуковой волны со значительным повышением давле ния и плотности. Перед ней невозмущенный, а за ней возмущен ный поток, характеризующийся завихренностью и срывами обтека ния, что сильно повышает сопротивление среды продвижению
- 9 -
тела ( рис. 1 .3 ).
Рис. 1.3 |
|
|
|
|
|
|
Если У>С< |
(М>1 |
), то центр |
возмущений обгоняет волны |
|||
возмущений,оставляя |
их позади |
в виде расширяющегося конуса, |
||||
называемого |
конусом |
с л а б ы х |
в о з м у щ е н и й |
(рис. 1.4) |
||
Образующая конуса называется г р а н и ч н о й |
в о л н о й |
|||||
слабых возмущений,а |
половина угла при вершине конуса - углом |
|||||
слабых возмущений <Р. |
|
|
|
|
||
Из треугольника OBt Обидно, что |
если время |
t =1 |
сек, то |
|||
|
|
sin <Р= |
а_ |
м |
|
|
|
|
|
V |
|
(1. 4) |
|
|
|
|
|
|
d |
|
Заменив |
синус |
тангенсом, получаем |
|
|||
|
|
s[m * - T
Чем больше число М, тем более заострен конус области возмущений»
Сильные возмущения, как было уке отмечено, распростра няются со скоростью ]]>(Х . Наклон граничной волны в этом случае определяется по формуле^
Sin <f ~ |
В |
|
V |
(1 .5) |