Aerodinamika – tai žinių sritis, tirianti oro srautų judėjimą ir jų poveikį kietiems kūnams. Tai hidro- ir dujų dinamikos poskyris. Šios srities tyrinėjimai siekia senovės laikus – strėlių ir planavimo iečių išradimo laikus, kurie leido toliau ir tiksliau pasiųsti sviedinį į taikinį. Tačiau aerodinamikos potencialas buvo visiškai atskleistas išradus sunkesnius už orą transporto priemones, galinčias skristi ar sklandyti didelius atstumus.
Nuo senų laikų
Aerodinamikos dėsnių atradimas XX amžiuje prisidėjo prie fantastiško šuolio daugelyje mokslo ir technologijų sričių, ypač transporto sektoriuje. Remiantis jo pasiekimais, buvo sukurti modernūs orlaiviai, kurie leido praktiškai bet kurį Žemės planetos kampelį padaryti prieinamą visuomenei.
Pirmasis bandymas užkariauti dangų paminėtas graikų mite apie Ikarą ir Dedalą. Tėvas ir sūnus pastatė sparnus, panašius į paukščius. Tai rodo, kad prieš tūkstančius metų žmonės galvojo apie galimybę pakilti nuo žemės.
Kitas bangavimassusidomėjimas orlaivių statyba atsirado Renesanso laikais. Aistringas tyrinėtojas Leonardo da Vinci šiai problemai skyrė daug laiko. Žinomi jo užrašai, kuriuose paaiškinami paprasčiausio malūnsparnio veikimo principai.
Nauja era
Pasaulinį proveržį mokslo (ir ypač aeronautikos) srityje padarė Isaacas Newtonas. Juk aerodinamikos pagrindas yra visapusis mechanikos mokslas, kurio įkūrėjas buvo anglų mokslininkas. Niutonas pirmasis oro terpę laikė dalelių konglomeratu, kurios, patekusios į kliūtį, arba prilimpa prie jos, arba elastingai atsispindi. 1726 m. jis visuomenei pristatė oro pasipriešinimo teoriją.
Vėliau paaiškėjo, kad aplinka tikrai susideda iš smulkiausių dalelių – molekulių. Jie išmoko gana tiksliai apskaičiuoti oro atspindžio koeficientą, o „prilipimo“efektas buvo laikomas nepagrįsta prielaida.
Nuostabu, kad po šimtmečių ši teorija buvo pritaikyta praktiškai. 60-aisiais, kosminio amžiaus aušroje, sovietų dizaineriai susidūrė su problema, kaip apskaičiuoti „bukos“sferinės formos nusileidžiančių transporto priemonių aerodinaminį pasipriešinimą, kurie nusileidimo metu išvysto hipergarsinį greitį. Dėl galingų kompiuterių trūkumo šį rodiklį apskaičiuoti buvo sunku. Netikėtai paaiškėjo, kad naudojant paprastą Niutono formulę dėl dalelių „prilipimo“prie skraidančio objekto, galima tiksliai apskaičiuoti pasipriešinimo vertę ir netgi slėgio pasiskirstymą priekinėje dalyje.
Aerodinamikos plėtra
ĮkūrėjasHidrodinamikas Danielis Bernoulli 1738 m. aprašė pagrindinį ryšį tarp slėgio, tankio ir greičio nesuspaudžiamam srautui, šiandien žinomą kaip Bernulio principą, kuris taip pat taikomas aerodinaminiam keltuvui skaičiuoti. 1799 m. seras George'as Cayley tapo pirmuoju asmeniu, kuris nustatė keturias aerodinamines skrydžio jėgas (svorį, kėlimą, pasipriešinimą ir trauką) ir jų tarpusavio ryšius.
1871 m. Francis Herbert Wenham sukūrė pirmąjį vėjo tunelį, skirtą tiksliai matuoti aerodinamines jėgas. Neįkainojamos mokslinės teorijos, kurias sukūrė Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. 1889 m. prancūzų aeronautikos inžinierius Charlesas Renardas tapo pirmuoju žmogumi, moksliškai apskaičiavusiu ilgalaikiam skrydžiui reikalingą galią.
Nuo teorijos iki praktikos
XIX amžiuje išradėjai į sparną žiūrėjo moksliniu požiūriu. Ir dėl paukščių skrydžio mechanizmo tyrimo buvo ištirta veikimo aerodinamika, kuri vėliau buvo pritaikyta dirbtiniams orlaiviams.
Otto Lilienthalis ypač pasižymėjo sparnų mechanikos tyrimais. Vokiečių orlaivių konstruktorius sukūrė ir išbandė 11 tipų sklandytuvų, tarp jų ir dviplanį. Jis taip pat atliko pirmąjį skrydį sunkesniu už orą aparatu. Per gana trumpą gyvenimą (46 metus) jis atliko apie 2000 skrydžių, nuolat tobulindamas dizainą, kuris buvo labiau panašus į sklandytuvą, o ne į lėktuvą. Jis mirė kito skrydžio metu 1896 m. rugpjūčio 10 d., tapdamas pionieriumiaeronautika ir pirmoji lėktuvo katastrofos auka. Beje, vieną iš sklandytuvų vokiečių išradėjas asmeniškai perdavė Nikolajui Jegorovičiui Žukovskiui, orlaivių aerodinamikos tyrimų pradininkui.
Žukovskis ne tik eksperimentavo su orlaivių dizainu. Skirtingai nei daugelis to meto entuziastų, jis visų pirma nagrinėjo oro srovių elgesį moksliniu požiūriu. 1904 m. jis įkūrė pirmąjį pasaulyje aerodinaminį institutą Cachino mieste netoli Maskvos. Nuo 1918 m. jis vadovavo TsAGI (Centriniam aerohidrodinaminiam institutui).
Pirmieji lėktuvai
Aerodinamika yra mokslas, leidęs žmogui užkariauti dangų. Jo neištyrus, būtų neįmanoma sukurti orlaivių, kurie stabiliai judėtų oro srovėmis. Pirmąjį lėktuvą mūsų įprasta prasme pagamino ir į orą 1903 m. gruodžio 7 d. iškėlė broliai Wrightai. Tačiau prieš šį įvykį buvo atliktas kruopštus teorinis darbas. Amerikiečiai daug laiko skyrė lėktuvo sklandmens dizaino derinimui jų pačių sukurtame vėjo tunelyje.
Per pirmuosius skrydžius Frederickas W. Lanchesteris, Martinas Wilhelmas Kutta ir Nikolajus Žukovskis iškėlė teorijas, paaiškinančias oro srovių, kurios sukuria pakilimą, cirkuliaciją. Kutta ir Žukovskis toliau kūrė dvimatę sparno teoriją. Ludwig Prandtl priskiriama matematikos subtilių aerodinaminių ir keliamųjų jėgų teorijos sukūrimui, taip pat darbui su ribiniais sluoksniais.
Problemos ir sprendimai
Orlaivių aerodinamikos svarba išaugo didėjant jų greičiui. Dizaineriai pradėjo susidurti su problemomis suspaudžiant orą garso greičiu arba jam artimu. Srauto skirtumai tokiomis sąlygomis lėmė orlaivių valdymo problemas, padidėjusį pasipriešinimą dėl smūginių bangų ir konstrukcijos gedimo dėl aeroelastinio plazdėjimo grėsmę. Srauto greičio ir garso greičio santykis buvo vadinamas Macho skaičiumi Ernsto Macho vardu, kuris vienas pirmųjų ištyrė viršgarsinio srauto savybes.
William John McQuorn Rankine ir Pierre'as Henri Gougoniot nepriklausomai sukūrė oro srauto savybių teoriją prieš ir po smūginės bangos, o Jacobas Akeretas atliko pradinį darbą apskaičiuodamas viršgarsinių aerodinaminių paviršių keliamąją galią ir pasipriešinimą. Theodoras von Karmanas ir Hugh Latimeris Drydenas sugalvojo terminą „transonic“, kad apibūdintų greitį ties 1 Mach riba (965–1236 km/h), kai pasipriešinimas sparčiai didėja. Pirmasis garso barjeras buvo sulaužytas 1947 m. lėktuve „Bell X-1“.
Pagrindinės funkcijos
Pagal aerodinamikos dėsnius, norint užtikrinti bet kurio įrenginio skrydį žemės atmosferoje, svarbu žinoti:
- Aerodinaminis pasipriešinimas (X ašis), kurį objektą veikia oro srovės. Pagal šį parametrą parenkama elektrinės galia.
- Kėlimo jėga (Y ašis), kuri užtikrina pakilimą ir leidžia įrenginiui skristi horizontaliai į žemės paviršių.
- Aerodinaminių jėgų, veikiančių skraidantį objektą, momentai išilgai trijų koordinačių ašių. svarbiausiasyra šoninės jėgos išilgai Z ašies (Mz), nukreiptos skersai orlaivio (sąlygiškai išilgai sparno linijos), momentas. Jis nustato išilginio stabilumo laipsnį (ar skrendant prietaisas „nardys“, ar pakels nosį aukštyn).
Klasifikacija
Aerodinaminės savybės klasifikuojamos pagal oro srauto sąlygas ir savybes, įskaitant greitį, suspaudžiamumą ir klampumą. Išorinė aerodinamika yra srauto aplink įvairių formų kietus objektus tyrimas. Pavyzdžiai yra orlaivio keliamosios galios ir vibracijos įvertinimas, taip pat smūgio bangos, susidarančios prieš raketos nosį.
Vidinė aerodinamika – tai oro srauto, judančio per kietų objektų angas (praėjimus), tyrimas. Pavyzdžiui, jis apima srautų per reaktyvinį variklį tyrimą.
Aerodinaminės charakteristikos taip pat gali būti klasifikuojamos pagal srauto greitį:
- Subgarsinis greitis vadinamas mažesniu už garso greitį.
- Transonic (transonic) – jei yra greičių, mažesnių ir didesnių už garso greitį.
- Sugarsinis – kai srauto greitis didesnis už garso greitį.
- Higarsinis – srauto greitis yra daug didesnis nei garso greitis. Paprastai šis apibrėžimas reiškia greitį, kai Macho skaičiai viršija 5.
Sraigtasparnio aerodinamika
Jei orlaivio skrydžio principas grindžiamas kėlimo jėga, kai sparnas veikia slenkamojo judesio metu, tai sraigtasparnis tarsi pats sukuria kėlimą dėl ašmenų sukimosi ašiniu pūtimo režimu (ty be vertimo greičio). AčiūSu šia funkcija sraigtasparnis gali sklandyti ore vietoje ir atlikti energingus manevrus aplink ašį.
Kitos programos
Natūralu, kad aerodinamika taikoma ne tik orlaiviams. Oro pasipriešinimą patiria visi erdvėje judantys objektai dujinėje ir skystoje terpėje. Yra žinoma, kad vandens gyventojai – žuvys ir žinduoliai – turi supaprastintas formas. Jų pavyzdyje galite atsekti aerodinamiką. Sutelkdami dėmesį į gyvūnų pasaulį, žmonės vandens transportą taip pat daro smailų arba ašaros formos. Tai taikoma laivams, v altims, povandeniniams laivams.
Transporto priemonės patiria didelį oro pasipriešinimą: jis didėja didėjant greičiui. Norint pasiekti geresnę aerodinamiką, automobiliams suteikiama supaprastinta forma. Tai ypač pasakytina apie sportinius automobilius.
