2) А. летательных аппаратов — раздел прикладной механики, служащий научным фундаментом для аэродинамического проектирования летательных аппаратов. Включает методологию научных исследований, сочетающую теоретическое и экспериментальное изучение физических явлений с целью использования полученных знаний в практике конкретной научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы. В зависимости от вида летательных аппаратов различают А. самолётов, А. вертолётов и т. д.
А. летательных аппаратов как синтез теоретических и экспериментальных исследований возникла из потребностей практики и служит прежде всего её интересам, поэтому развитие А. летательных аппаратов тесно связано с этапами развития авиации.
Как научное направление А. сформировалась в первой четверти XX в., то есть вскоре после появления первых летательных аппаратов тяжелее воздуха. В конце XIX — начале XX вв. из-за отсутствия должной теоретической и экспериментальной базы для определения аэродинамических характеристик летательных аппаратов и выбора рациональных параметров их компоновки могли быть использованы лишь простейшие теоретические и экспериментальные результаты и методы. Поиск пригодных на практике решений часто осуществлялся методом проб и ошибок, что приводило ко многим неудачам и даже катастрофам. Развитие авиации настоятельно требовало создания специальных исследовательских центров и организаций, основная деятельность которых была бы направлена на решение возникавших практических задач и которые могли бы обеспечить конструкторов методами расчёта, рекомендациями, справочным материалом и тем самым создать научную основу аэродинамическим проектированиям летательных аппаратов.
В 1904 под руководством Жуковского был создан первый в мире Аэродинамический институт. В последующие годы в ряде стран были организованы государственные исследовательские институты (в Великобритании, США, Германии, Франции). В 1918 по инициативе Жуковского создаётся Центральный аэрогидродинамический институт. Созданием исследовательских центров по авиации был завершён этап становления и формирования А. летательных аппаратов как раздела прикладной механики.
Задача выбора рациональных параметров крыла, одна из основных в аэродинамическом расчёте самолёта, встала в полной мере одновременно с созданием первых самолётов. На начальном этапе развития авиации были поняты значение профиля крыла (вогнутый профиль имел лучшие характеристики, чем плоская пластинка) и роль удлинения крыла (для увеличения площади крыла с точки зрения аэродинамики выгоднее увеличивать его размах, а не хорду). После того как Прандтль развил теорию крыла конечного размаха, это положение получило теоретическое обоснование — увеличение удлинения крыла приводит к уменьшению индуктивного сопротивления.
Успешные полёты первых самолётов вызвали появление новых конструкций и их модификаций. Совершенствование аэропланов в те годы осуществлялось не только в направлении увеличения грузоподъёмности и улучшения лётных качеств, но и в значительной мере было направлено на улучшение управляемости летательного аппарата, его устойчивости и взлётно-посадочных характеристик. (Вопросы размещения органов балансировки и управления, выбора их размеров и конструктивных схем, а также связанного с этим выбора параметров систем управления были объектом исследований и экспериментов многие годы.) В это время берёт своё начало и один из разделов А. летательных аппаратов — аэродинамика органов управления. Среди первых самолётов наблюдалось большое разнообразие аэродинамических схем, определявшихся расположением органов продольной балансировки и управления. Многие из этих схем получили дальнейшее развитие и более или менее широко применялись в последующие годы (так называемая нормальная схема — горизонтальное оперение за крылом, схемы «утка» и «бесхвостка»). Определились и стали затем традиционными аэродинамические органы управления самолётом в полёте. Это руль направления, обеспечивающий путевое управление и располагающийся на киле (килях); руль высоты (его называют и рулём глубины), обеспечивающий продольное управление и располагающийся на стабилизаторе (дестабилизаторе); элероны, служащие для управления по крену; элевоны — органы управления, совмещающие функции руля высоты и элеронов.
Начальный период развития авиации характеризуется большим многообразием аэродинамических схем, что явилось отражением поиска компромисса между требованиями А. и прочности авиационных конструкций. Среди первых самолётов были монопланы, бипланы, трипланы и даже полипланы. Для аэропланов первого периода лучшей оказалась бипланная схема. Самолёты, выполненные по такой аэродинамической схеме, при равной с монопланом суммарной площади крыла оказывались более лёгкими, а следовательно, более грузоподъёмными. По условиям прочности крыльям бипланов можно было придать (и это делали) большее удлинение, снизив тем самым индуктивное сопротивление. Первые монопланы ввиду недостаточной жесткости и прочности тонкого крыла нуждались в большом числе подкрепляющих элементов (подкосов, растяжек и т. п.}, что сильно увеличивало их аэродинамическое сопротивление и не позволяло повысить удлинение крыла, а с ним и аэродинамическое качество летательных аппаратов. Только применение профилей с большой относительной толщиной (начиная примерно с 20?х гг.) позволило перейти к аэродинамической схеме свободнонесущего моноплана.
Характерно, что первоначально эта схема получила распространение на самолётах, от которых требовались повышенная грузоподъёмность и дальность (экономичность), например, на тяжёлых бомбардировщиках и пассажирских машинах. В то же время для самолётов, от которых требовались высокие и манёвренные данные и скорости (истребители), примерно до начала 30?х гг. применялась исключительно бипланная схема, более выгодная в весовом отношении для самолётов небольших размеров со сравнительно малой удельной нагрузкой на крыло. Поэтому в 20—30?х гг. аэродинамическое совершенствование самолётов проходило по линии как бипланной, так и монопланной схем. Но в конце 30?х гг. проявились заметные преимущества монопланной схемы для самолётов почти всех назначений и она стала господствующей в последующие периоды развития авиации. Наряду с грузоподъёмностью скорость полёта становилась всё более важным фактором для военных летательных аппаратов и в экономической оценке пассажирских самолётов. Уровень аэродинамического совершенства летательных аппаратов стал играть всё возрастающую роль в повышении эффективности (боевой или экономической) использования летательных аппаратов.
Вообще в 20—40?х гг. А. летательных аппаратов развивалась очень быстрыми темпами. Этому способствовало то обстоятельство, что в конце 20?х — начале 30?х гг. в разных странах в основном уже были созданы совершенные для того времени экспериментальные установки, позволявшие развивать наиболее важные направления исследований в области теоретической и экспериментальной А. для надёжного решения возникавших практических задач, Интенсивное развитие получила теория крыла конечного размаха и теория воздушного винта — важнейшие разделы А. летательных аппаратов. Результаты теоретических исследований после тщательной экспериментальной проверки и обобщения принимались за основу в практической работе. Разработанные методы расчёта позволяли обоснованно определять наивыгоднейшую форму крыла в плане, влияние крыла на хвостовое оперение и тем самым выбирать форму и расположение горизонтального оперения, учитывать взаимодействие несущих поверхностей (биплан, полиплан). Появилась возможность учитывать влияние работающего воздушного винта на распределение нагрузки по размаху крыла и работу хвостового оперения и на этой основе вводить поправки в результаты эксперимента в аэродинамических трубах.
Наличие аэродинамических труб больших размеров и чувствительной измерительной аппаратуры позволило развернуть широкие исследования с целью выяснения возможностей существ, улучшения аэродинамических и, следовательно, летно-технических характеристик летательных аппаратов. Использование зализов, улучшение обводов фюзеляжа, устранение различных щелей и выступов, специальное капотирование двигателей, применение сначала обтекателей шасси, а затем убирающегося шасси существенно видоизменили облик самолётов и в значительной степени обусловили резкое улучшение их лётных данных в 30?е гг.
Очень большое значение для развития А. летательных аппаратов и самолётостроения в целом имела постройка больших (натурных) аэродинамических труб. Создание таких чрезвычайно сложных в инженерном отношении и дорогих экспериментальных сооружений, в которых испытаниям подвергаются уже не модели, а самолёты целиком или их крупномасштабные макеты, было по силам только крупнейшим развитым государствам. В СССР во второй половине 30?х гг. был организован новый аэродинамический центр (Новый ЦАГИ), оснащённый крупнейшими для того времени натурными аэродинамическими трубами. Подобные экспериментальные установки позволяли проводить уникальные исследования, которые в принципе не могли быть выполнены на малых моделях.
Экспериментальные и теоретические исследования А. летательных аппаратов показали, что для самолётов с хорошо обтекаемыми формами основным источником сопротивления является трение воздуха об обтекаемую поверхность, обусловленное его вязкостью. Самый естественный способ снижения сопротивления трения заключался в уменьшении площади трения (прежде всего площади крыльев). Это привело к отказу от бипланной схемы и переходу к свободнонесущему моноплану с повышенной удельной нагрузкой на крыло. С целью дальнейшего уменьшения сопротивления трения начались работы по созданию ламинарных профилей крыла, обладавших пониженным профильным сопротивлением. В конце 30?х гг. в СССР были разработаны первые ламинаризированные профили и компоновки крыльев на их основе.
Стремление не допускать сильного увеличения взлётно-посадочных скоростей и дистанций самолётов, отличавшихся повышенной нагрузкой на крыло, привело к ускорению исследований по механизации крыла и поиску методов борьбы со сваливанием. В 30— 40?х гг. объём научных исследований и экспериментальных работ в этих направлениях значительно возрос. Практически все скоростные самолёты второй мировой войны оснащались тем или иным видом механизации крыла. В самом начале 40?х гг. выполнены первые практические работы (СССР, Германия) по непосредственному управлению пограничным слоем (отсос пограничного слоя, его сдув), которое осуществлялось на элементах механизации крыла (закрылках, зависающих элеронах). В 30?е гг. значительное развитие получила теория воздушного винта. Были созданы винты изменяемого шага, что способствовало улучшению лётных данных самолётов, Было выявлено существенное влияние сжимаемости воздуха на аэродинамические характеристики винтов, что позволило сформулировать специальные требования к проектированию винтов для самолётов различных типов.
Непрерывный рост мощностей двигателей был связан со значительным увеличением потерь на их охлаждение. Разработкой рациональных туннельных, крыльевых радиаторов и капотов для двигателей воздушного охлаждения был завершён к началу 40?х гг. комплекс аэродинамических исследований и конструктивных мероприятий, направленных на радикальное уменьшение лобового сопротивления самолётов с поршневыми двигателями.
Ещё Жуковским были заложены основы аэродинамического расчёта самолётов, задачей которого является определение основных лётных данных. В 20?х гг. были разработаны основные методы расчёта летных характеристик, в 30-е гг. они получили дальнейшее развитие. Были созданы инженерные методы определения основных лётных данных летательного аппарата на различных этапах проектирования самолёта и в различных приближениях. Установлены приближённые связи наиболее существенных конструктивных параметров самолета с его основными лётными данными. В это время берёт своё начало новое направление А. летательных аппаратов, связанное с проблемой рационального выбора параметров самолёта, которые обеспечивали бы выполнение предъявляемых к конкретному летательному аппарату требований, а также с оценкой перспектив развития авиации.
Последующие этапы совершенствования А. летательных аппаратов связаны с широким использованием в авиации реактивного двигателя и выходом на околозвуковую и сверхзвуковую скорости полёта. Хотя некоторые аспекты А. больших скоростей были разработаны ещё до Второй мировой войны (главным образом в теоретическом плане), основные работы в этом направлении развернулись уже после её окончания.
Учет сжимаемости воздуха привел к необходимости пересмотра и уточнения многих основных положений и выводов А. летательных аппаратов. Потребовалось создать новые около-, транс- и сверхзвуковые аэродинамические трубы. Аэродинамический эксперимент всегда играл существенную роль, но в этот период развития А. летательных аппаратов его роль возросла ещё больше.
В связи с интенсивным ростом скоростей полёта возникла проблема разработки специальных крыловых профилей. На основе теоретических и расчётных методов, опиравшихся на специально проведённые экспериментальные исследования и их обобщения, был создан метод аэродинамического проектирования профилей, позволивший рассчитывать их геометрию под заданные конкретные условия. Во второй половине 40?х гг. для околозвуковых самолётов были разработаны принципы аэродинамической компоновки прямых, крыльев, удовлетворяющей всем требованиям на основных режимах полёта. Однако наибольшее влияние на дальнейшее развитие авиации оказало создание стреловидных крыльев и тонких крыльев малого удлинения, использование которых не только повышало критическое число Маха, но и значительно уменьшало интенсивность кризисных явлений и аэродинамическое сопротивление крыла в трансзвуковом диапазоне скоростей. Создание в конце 40?х гг. самолётов со стреловидными крыльями, способных развивать околозвуковые скорости, потребовало глубоких и разносторонних теоретических и экспериментальных исследований.

Метки:, , ,