ВВЕДЕНИЕ. т – коэффициенты корпуса, отнесённые к характерной площади летательного аппарата;

Подстрочные индексы

т – коэффициенты корпуса, отнесённые к характерной площади
летательного аппарата;

ф – коэффициенты корпуса, отнесённые к площади его миделя;

1 – первые (передние) несущие поверхности;

2 – вторые (задние) несущие поверхности;

– номер несущей поверхности ();

– влияние корпуса на обтекание консолей -й несущей
поверхности;

– влияние консолей -й несущей поверхности на обтекание
корпуса;

– характеристики ромбовидного профиля.

Движение ЛА зависит от взаимодействия приложенных к нему трёх видов сил: гравитационных, реактивных (тяги силовой установки) и аэродинамических. Знание этих сил позволяет определить лётно-технические и маневренные свойства ЛА, т. е. диапазон его возможных траекторий и режимов полёта, оценить его устойчивость и управляемость, получить данные для расчёта на прочность всего ЛА, а также его отдельных частей и т. д. Поэтому назначение ЛА, его компоновка, стратегия управления и подобные аспекты определяются его аэродинамическими и прочностными характеристиками, а также возможностями его силовой установки и управления.

Аэродинамические силы обусловлены взаимодействием поверхности ЛА с обтекаемой его окружающей средой. Поэтому величина аэродинамической силы непосредственно связана с внешней формой ЛА и его ориентацией в пространстве. Чаще всего в процессе проектирования удаётся получить оптимальную для выполнения поставленных задач внешнюю форму ЛА.

Обтекание современного ЛА на всех режимах полёта является очень сложным и слабо поддаётся математическому описанию, анализу и расчёту. В настоящее время для этого используются:

Ø теоретические (аналитические) методы;

Ø численный эксперимент (численное моделирование);

Ø методы аналогий;

Ø физический эксперимент.

Теоретические (аналитические) методы основаны на классических математических моделях движения сред и силовом их взаимодействии с различными поверхностями. Лишь теоретические методы позволяют непосредственно устанавливать функциональные связи между различными параметрами.

Во всех теоретических моделях используются различные коэффициенты (вязкости, теплопроводности и т. п.) или предположения, определяемые из физического эксперимента. Отказ от этого упрощает саму модель, но при этом практически всегда увеличивается разрыв между теорией и исследуемым явлением. Обычно оказывается, что чем полнее и точнее теория описывает реальное явление, тем она больше использует физических данных и тем она сложнее.

Для получения этим методом практических результатов необходимо разрешить краевую задачу, т. е. решить соответствующие уравнения при заданных граничных условиях. Определённые трудности здесь обусловлены как решением самих уравнений, так и сложностью описания границ. Описать хотя бы приближённо геометрию современного ЛА затруднительно. Поэтому аналитические решения здесь получены только для тел с простыми границами (пластина, профиль, конус и т. п.). Однако для решения более сложных задач математические трудности становятся настолько значительными, что их решение может быть получено лишь с использованием мощных ЭВМ.

В настоящее время разработаны численные методы решения на ЭВМ многих краевых задач. Однако их применение довольно часто связано с искажением исходной информации, так как при этом предполагается дискретность пространства и времени. Аналитические методы в основном работают со сплошными средами, а при решении этих задач на ЭВМ приходится «превращать» сплошные среды в дискретные. Процесс «дискретизации» среды иногда меняет не только сам результат, но и качественный характер решения. Это привело к созданию «моделей сред» и математических методов решения, уже приспособленных к ЭВМ, т. е. к созданию нового направления, которое получило наименование «численный эксперимент », или « численное моделирование ». Это позволило найти решение многих задач, не поддающихся другим методам. В процессе численного эксперимента можно изучать задачи, недоступные при проведении физического эксперимента. Например, только здесь можно проверить влияние на получаемый результат каждого из вводимых упрощений.

Методы аналогий основаны на давно известном факте, что многие явления, различные по своей физической природе, описываются одними и теми же уравнениями. Это позволяет решать уравнения на аналоговых установках. Следует отметить, что здесь обычно не возникает проблем с граничными условиями, так как они во многих случаях имеют практически такой же вид, как и для решаемой задачи. Аналоговые комплексы являются очень экономичными, позволяют исследовать модели изучаемых явлений в рамках сплошной среды, а также быстро и просто изменять форму границ. Процесс «решения» на аналоговых установках обычно очень нагляден.

Следует отметить, что все рассмотренные выше методы опираются на различные математические модели сред, которые лишь приближённо описывают реальные явления. Поэтому, несмотря на значительные успехи этих методов, основным в аэродинамике всё же остаётся физический эксперимент. Только с его помощью можно установить правомерность и возможности использования теоретических, вычислительных и аналоговых методов. Только физический эксперимент является единственным критерием истины, а в ряде случаев и единым источником получения данных.

Несмотря на относительную простоту внешних форм рассматриваемых ЛА, проблемы, возникающие при их обтекании воздушным потоком, в ряде случаев оказываются весьма сложными, а результат – подчас весьма неожиданным. Ответы на большинство возникших вопросов можно получить только c помощью физического эксперимента.

Каждый из этих методов имеет свои приёмы и области применения. Все они взаимосвязаны, каждый из них способствует развитию и совершенствованию других методов. Приближённые методы, используемые в инженерной практике, чаще всего являются сочетанием результатов, полученных практически всеми этими методами.

Независимо от используемого метода, любое физическое явление стремятся изучить всесторонне. В ряде случаев делают течение «видимым». При проведении физического эксперимента действительно делают поток видимым, или, как говорят, выполняют визуализацию потока. При проведении других исследований анализируют поведение линий тока, траекторий или линий отмеченных частиц. Визуализация помогает глубже понять природу явления, что значительно облегчает его изучение, и уже давно играет важную роль в углублении представлений о сложных аэродинамических явлениях. Она позволяет получить важную для теории и практики информацию, особенно для течений со сложной структурой. Довольно часто визуализация течения является важным шагом к пониманию изучаемого явления.

Иногда требуется получить так называемые распределённые характеристики (распределение скоростей, давлений, температур, нагрузок и т. п.). Но чаще всего приходится удовлетворяться только суммарными (интегральными) характеристиками, т. е. получением сил, моментов и т. п.

Следует остановиться ещё на одной особенности изучения различных явлений. В аэродинамике, как и во многих других науках, широко используются моделирование явлений и критерии подобия. Изучение физических явлений на моделях может быть осуществлено проще, полнее и дешевле, чем в натуре. Результаты опытов с моделями можно использовать для решения практических задач, если будут соблюдены законы моделирования и подобия. Применение анализа размерностей, проведенного перед аналитическим, экспериментальным или другим методом исследования, позволяет сгруппировать все переменные наиболее удобным образом. Это уменьшает количество переменных и позволяет перейти к использованию параметров подобия или обобщённых переменных, что значительно облегчает анализ и дальнейшее изучение явления.

Для получения аэродинамических характеристик ЛА (независимо от метода их получения) на различных этапах проектирования обычно используется два подхода. На завершающих этапах проектирования ЛА рассматривается как единое целое. Это позволяет получать наиболее достоверные сведения о его суммарных характеристиках. Однако при этом затруднительно выделить «вес» отдельных составляющих сил или каких-то элементов ЛА в суммарных характеристиках. А такая информация является весьма необходимой, особенно на начальных этапах проектирования.

Поэтому на начальных этапах проектирования удобнее применять приближённые методы и рассматривать ЛА не как единое целое, а составленным из отдельных частей: корпуса, несущих поверхностей и т. д. Многие из этих элементов являются одинаковыми для различных ЛА, несмотря на большое многообразие летательных аппаратов. Это очень удобно для ракет, которые являются аппаратами одноразового применения и поэтому имеют более простые формы. Такой подход позволяет использовать громадное количество накопленных теоретических и экспериментальных материалов для изолированных корпусов и несущих поверхностей. При объединении этих элементов в единую конфигурацию, являющуюся ЛА, учитывается влияние между ними. При этом следует обратить внимание на то, что для рассматриваемых ЛА взаимное влияние его частей может оказаться настолько большим, что становится соизмеримым с «вкладом» отдельных изолированных элементов.

Этот подход позволяет достаточно быстро оценить аэродинамические характеристики ЛА и подобрать необходимую компоновку ЛА, варьируя размерами его частей (используя законы подобия) и их размещением. Следует отметить, что этот метод обеспечивает возможность быстрой оценки не только аэродинамических характеристик ЛА, но также его устойчивости и управляемости.

Кроме того, здесь, как и в некоторых других случаях при первом подходе, оказывается удобным также разделять силы на составляющие, имеющие различную физическую природу, а также различные методы их определения. Например, разделять их на силы трения и силы давления.

Этот подход более удобен на начальных этапах проектирования ЛА, так как он позволяет определить роль отдельных составляющих сил и элементов ЛА, а также их взаимное влияние в формировании какой-либо суммарной величины. Поскольку он также является более удобным при изучении основ аэродинамики, то он будет использоваться и в дальнейшем. Конечно, он является приближённым, так как такое разделение является строгим и допустимым лишь при условии линейности уравнений, описывающих обтекание ЛА. Однако при правильном учёте взаимного влияния обычно удаётся получить достоверные результаты.

В пособии приведена методика аэродинамического расчёта одноступенчатых ракет. Многие методы получения аэродинамических характеристик ракет являются такими же, как и для самолетов, однако отсутствие экипажа позволяет значительно расширить их режимы полёта. Например, для обеспечения устойчивости некоторые ракеты в полёте вращаются относительно продольной оси. Для них могут быть более значительными также величины возможных перегрузок, так как их значения не ограничены физиологическими возможностями экипажа. У ракет практически отсутствуют стационарные режимы полета, что делает необходимым также учёт различных нестационарных явлений. Однако сравнительная простота форм ракет, связанная с их одноразовым применением, позволяет иногда использовать для их расчётов более простые методики.

Рассматриваемая приближённая методика расчёта аэродинамических характеристик ЛА основана на использовании свойств его изолированных частей (корпуса и несущих поверхностей) с учётом их взаимного влияния. При этом также используется традиционное разделение аэродинамических коэффициентов на отдельные компоненты: нормальные и касательные напряжения, потенциальная и вихревая составляющие, волновое, индуктивное и донное сопротивление и т. п.

Представленный в пособии материал позволяет выполнить расчёт аэродинамических характеристик ЛА как «вручную», так и при помощи программ, разработанных и используемых на кафедре аэрогидродинамики Национального аэрокосмического университета «ХАИ»

Глава 1

Дата добавления: 2014-12-26