Вклад отечественных ученых в развитие аэрогидрогазодинамики. Введение в дисциплину, основные требования к ее изучению

Введение в дисциплину, основные требования к ее изучению. История авиационной науки, формирование облика современных ЛА

Введение в дисциплину, основные требования к ее изучению. История авиационной науки, формирование облика современных ЛА

1.1.2 Основные понятия и определения аэрогидрогазодинамики, её составные части

1.1.3 Вклад русских и украинских учёных в развитие аэрогидрогазодинамики как науки

Еще с глубокой древности человек мечтал подняться в небо подобно птице. Во мно-гих сказках, мифах, сказаниях и легендах постоянно прослеживалось желание человека подняться в воздух выше крыш домов, деревьев, гор, а именно: полет легендарного Икара к солнцу, сказка о ковре-самолете, полеты Бабы-яги на ступе. Осуществлялись попытки практических полетов с различных приспособлениями с колоколень церков, с обрыв гор или берегов рек, с высоких деревьев, с мостов и др.

Идея летательных аппаратов исходила из непосредственных наблюдений человека за полетами птиц, летающих животных и насекомых. Однако мечта долго не могла воплоти-ться в какую-нибудь реальную схему летательного аппарата способного летать. Таким об-разом, созданию самолета способствовало желание человека скопировать форму птиц и манеры их полета. А вот идея несущего винта является результатом творческого озарения человека по созданию латательного аппарата не имеющего аналога в живой природе.

Конструкторами-самоучками делались попытки создания летательных аппаратов способных оторваться от земли и устойчиво летать с человеком на борту. Они часто копи-ровали природных летунов - птиц, а именно: их форму и движения в полете. Поэтому схе-мы аэропланов в течении длительного времени, вплоть доначала ХХ века в основном воп-лощались в птицеподобные формы.

Исторически в выборе форм аэроплана наблюдались две основные тенденции фор-мирования облика аэроплана:

- рациональная;

- эмоциональная.

По рациональной форме создавались проэкты аэропланов известными конструкто-рами-аматорами мира:

- Хенсон (Англия,1843г.)- аппарат с прямоугольным крылом и птицеподобным хвостовым оперением;

- Телешов (Россия,1876-1884г.)- аппарат в виде летающего крыла обратной стре-ловидности;

- Можайский (Россия,1881г.)- аппарат с прямоугольным крылов в плане;

- Филлипс (Англия,1893г.)- аппарат с решетчатым крылом;

- Максим (США,1893г.)- аппарат с шестью крыльями;

- Ленгли (США, 1896г.)- аппарат с двумя крыльями находящихся в одной плос-кости;

- Шанюта (США, 1896г.)- аппарат в виде биплана-этажерки.

По общему облику и характеру формы данные аппараты относились к чисто тех-ническому, рациональному направлению развития ЛА.

Эмоциональная тенденция характеризовалась прихотливыми формами, очертания-ми плавно изогнутыми, порою причудливыми линиями, формами, напоминающими облик природных летунов: птиц, летучих мышей, крупных насекомых.

По эмоциональной форме строились летательные аппараты различными кострукто-рами-любителями:

- Леонардо да Винчи (Италия,1505г.)- аппарат в форме летучей мыши;

- Бреан (Франция,1854г.)- аппарат в форме бабочки;

- Ле-Бри (Франция,1857-1887г.)- аппарат в форме голуба;

- Трувэ (Франция,1891г.)- аппарат в форме летающего змея;

- Лилиенталь (Германия,1896г.)- аппарат с объемным дельтавыдным крылом;

- Адлер (Франция,1897г.)- аппарат в форме летучей мыши с объемным крылом.

В начале ХХ века начались строится аэропланы, которые способны были не только на короткое время оторваться от земли, но и могли совершать непродолжительные управ-ляемые человеком полеты.

Первый аэроплан братьев Райт(США,1900-1903г.) имел четкие геометрические фор-мы и был построен по рациональной форме. В США устойчиво сформировалась тенден-ция к созданию самолетов с прямоугольными или близкими к ним формам несущих пове-рхностей. Известными конструкторами аэропланов рациональной формы этого времени явились: Джунг-Баг(1908г.), Херинг(1908г.), Кертис(1909г.), Коди(1909г.), Фербер (1902г,), Сантос-Дюмон(1906г.), Вуазен(1907г.), Фарман(1907г.).

Однако продолжались создаваться аэропланы с причудливыми очертаниями и изог-нутыми крыльми, в основном французскими конструкторами:

- Вюйя - моноплан, крыло подобное летучей мыши;

- Элехаммер (Дания)- трехплан с дельтовидными крыльями;

- Базен - аэроплан в форме голубя;

- Муассан - моноплан с многосекционным крылом;

- Ольга - моноплан с крылом в форме чайки;

- Ленюк и Монтрэ - моноплан с крылом в форме чайки;

- Мингэ- аэроплан в форме летающего крыла;

- Оэрц - аэроплан в форме летающей этажерки.

Подражание формам природных летунов прекратились лишь с 1912-1913г.г. Первая мировая война потребовала массового производства самолетов, которое стало возмож-ным при внедрении простых рациональных технологических форм летательных аппара-тов. К таким аэропланам относятся аппараты конструкторов: Блерио, Антуанетт, Бреге, Эно-Пельтры и др.

Из исторического обзора создания и совершенствования летательных аппаратов следует, что в Европейских странах в процессе выработки схемы и конструкции аэро-планов наряду с аппаратами рациональной формы создавались и аппараты, облик которых явился результатом некритического заимствования природных форм.

Изучая историю авиастроения можно отметить своеобразную общность техническо-го мышления и инженерной рациональной концепции американских, английских и рос-сийских авиаконструкторов.

Англия создавала аэропланы под влиянием традиционного «здравого смысла», поэ-тому аппараты формировались как чисто техническое сооружение.

США было молодой индустриально развитой страной, которой не коснулась мрач-ная эпоха средневековья. Поэтому с самого начала создания аэропланов в США утверди-лась рациональная форма с технологично совершенными решениями и линейными фор-мами.

В России вследствие отсталости производительных сил, формирование облика ле-тательного аппарата осуществлялось под влиянием Западной Европы. Известные рос-сийские кострукторы: Телешов, Можайский, Сикорский придерживались ярко выражен-ной рациональной тенденции: четкая силовая схема несущих поверхностей прямо-угольной или близкой ним формы в плане с тянущим винтом и расположенным сзади хвостовым оперением (Самолеты Сикорского- «Грант», «Русский витязь» и «Илья Муромец»).

1.1.2 Основные понятия аэрогидрогазодинамики, её составные части

Основой аэродинамики является гидроаэромеханика, которая как наука изучает:

- законы движения и равновесия жидкостей и газов;

- их взаимодействие с обтекаемыми твёрдыми телами.

Механика жидкого тела называется гидромеханикой, а механика газообразного тела называется аэромеханикой.

При малых скоростях течения (намного меньше скорости распространения звуковых волн в среде М<0.4) законы гидромеханики и аэромеханики одинаковы. При больших око-лозвуковых скоростях течения проявляются свойства сжимаемости газов.

Гидромеханика условно разделяется на три части:

- гидростатику – как науку изучающую законы равновесия жидкости и твердых тел, полностю или частично погруженных в неподвижную жидкость;

- кинематику жидкости – как науку изучающую законы движения жидкости как сплошной подвижной среды независимо от действия на нее каких-либо сил;

- гидродинамику – как науку изучающую движение жидкости с учётом внешних сил, действующих на нее, а также силовое взаимодействие между жидкостью и твёрдыми телами при их относительном перемещении (это древняя наука, которая возникла при сооружении каналов и оросительных систем в Египте, а также при строительстве кораблей).

Аэромеханика аналогично гидромеханике так же условно разделяется на три части:

- аэростатику;

- кинематику газа;

- аэродинамику.

В каждой из них применительно к газу изучаются те же вопросы, что и в соответс-твующих частях гидромеханики. Однако, кроме общих законов, существуют и законы свойственные или только газу или только жидкости.

Гидроаэромеханика базируется на ряде наук и в первую очередь на теоретических положениях механики.

Аэродинамика (aer – воздух, dynamic - сила) это наука изучающая:

- законы движения газа;

- силы взаимодействия газового потока с обтекаемыми твердыми телами.

Аэродинамика развивалась параллельно с развитием ЛА, так как создание их требо-вало изучения вопросов взаимодействия газа с движущимися в нем телами.

Таким образом аэродинамика как наука изучает:

- условия возникновения аэродинамических сил, которые воздействуют на твердые тела при их движении относительно газового потока;

- факторы, которые влияют на величину и направление аэродинамических сил;

- величину и направление действия аэродинамических сил;

- особенности движения газового потока и изменение его параметров вокруг обтекаемых тел.

История развития аэродинамики насчитывает более 100 лет. Как наука она зароди-лась в 19 веке прошлого тысячелетия. За эти годы аэродинамика обогатилась многими знаниями. Поэтому современная аэродинамика это уже комплексная наука, которая услов-но разделяется на ряд самостоятельных направлений:

- гидроаэродинамику;

- газовую динамику;

- гипераэродинамику;

- магнитодинамику;

- супераэродинамику

1) Гидроаэродинамика – это наука, которая изучает законы движения жидкости и газов, а также силы взаимодействия их с обтекаемыми твеодыми телами.

Основоположниками механики жидкости, откуда берет начало аэродинамика, явля-ются члены Российской академии наук XVIII века: Л. Эйлер и Д. Бернулли.

Основы современной аэродинамики были заложены гениальными русскими учены-ми: Н.Е. Жуковским, С.А. Чаплыгиным и зарубежным ученым Л. Прандтлем (создание теории о пограничном слое).

Н.Е. Жуковский был теоретиком аэродинамики как науки, он:

- первым решил задачу «о подъёмной силе»;

- создал стройную вихревую теорию гребного винта;

- заложил основы аэродинамического расчета самолета;

- создал аэродинамику, как самостоятельную науку.

2) Газовая динамика – это наука, которая изучает законы движения газа при боль-ших скоростях, а также законы взаимодействия между воздушной средой и твердым те-лом, которое двигается в ней с большой скоростью.

Основоположником газовой динамики является русский ученый С.А. Чаплыгин, ко-торый разработал теоретические основы и методы исследования движения газов с боль-шими скоростями.

Достижения в области газовой динамики широко используются при проектировании и создании ЛА, а также двигательных установок, предназначенных для полетов с больши-ми скоростями.

3) Гипераэродинамика – это наука об изучении законов движения газов и сил вза-имодействия при обтекании тел со скоростью в 5 и более раз превышающей скорость звука.

4) Магнитодинамика – это наука об изучении законов взаимодействия между иони-зированным газом и телом, которое движется в нем. При больших температурах обтека-ния происходит диссоциация и ионизация воздуха и он становиться электропроводящим. При этом кроме газодинамических сил при расчетах необходимо учитывать и электромаг-нитные силы.

5) Супераэродинамика – это наука, которая изучает законы обтекания тел разрежен-ным газом (на больших высотах и в космосе).

Аэродинамика как наука развивалась и развивается в 3-х направлениях:

- теоретическом, при котором исследуются математические модели моделиру-ющие обтекания твердых дел потоком газа. Модели создаются на базе физических экспе-риментов или теоретических гипотез. Правильность математического моделирования про-веряется экспериментом.

- экспериментальном, при котором рассматриваются явления такими, какими они существуют в природе, моделируются различные варианты обтекания газовым пото-ком твердых тел с помощью специальных экспериментальных устройств в лабораторных условиях (аэродинамических трубах).

- прикладном, при котором соединяются теоретические и экспериментальные ис-следования в прикладную аэродинамику для использования ее в практических целях.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований явлений обтека-ния твердых тел потоком жидкости или газа уточняются научные гипотезы и строятся новые более точные модели. Целью экспериментальной и теоретической аэродинамики является изучения физической сущности возникновения аэродинамических сил и моментов, а также получение их величин и направления действия.

Используя законы и результаты аэродинамики, можно выбрать рациональную ком-пановку ЛА и установить допустимые отклонения внешней формы и размеров при его проектировании и строительстве.

Аэродинамика совместно с другой наукой - динамикой полета, является теоретичес-кой основой создания авиационной и ракетной техники.

Динамика полета – это наука об изучении законов движения ЛА под действием на него внешних сил. Она условно разделяется на:

· динамику материальной точки (цм ЛА);

· динамику системы материальных точек (ЛА в целом).

Динамика материальной точки позволяет решить две взаимосвязанные задачи:

- прямую – это когда по заданным внешним силам и их моментам, действующим на ЛА, определяются траектория полета и закон движения ЛА;

- обратную – это когда по заданным траектории и законе движения определяют-ся потребные аэродинамические силы и моменты, возникающие на ЛА.

Таким образом, динамика полета дает теоретические основы для разработки техники пилотирования ЛА.

Практическая аэродинамика ЛА- это прикладная часть аэродинамики и динамики полета. Она рассматривает явления и процессы, протекающие на всех этапах полета, знание которых необходимо летчику для сознательного освоения техники пилотирования конкретного ЛА, овладения его безаварийной єксплуатацией.

Основоположником современной отечественной аєродинамики и динамики полета считается великий русский ученный Николай Егорович Жуковский(1847-1921), «отец русской авиации». Большой вклад в развитие аєродинамики и динамики полета вертолетов внесли ученик Жуковского академик Б.Ю. Юрьев и ученный-конструктор И.П. Братухин.

В дореволюционной России, где отсталая политическая система задержала рост про-грессивных производительных сил, формирование конструционной схемы современного аэроплана, начавшееся с талантливого инженера Можайского, лишь в 1909-1910р.р. всту-пило в период бурного развития.

В дореволюционной России сформировались 3-и основных творческих авиационных центра: Москва, Петербург, Украина.

В начале ХХ-го века Украина стала ведущим авиационным центром России. В 1908 году на базе КПИ было создано воздухоплавательный кружок, который возглавили учени-ки Н.Е. Жуковского: М.А. Артемьев, М.Б. Делоне, В.Ф. Бобров. В Киеве в 1910 году про-фессор Кудашев и студент Сикорских построили ЛА в виде биплана, который был выпол-нен по рациональной концепции. Такие же аэропланы были построены и другими конст-рукторами: Шабским, Гризодубовым, Карпеки, Касьяненко, Геккелем и другими. В период с 1909 по 1914 гг. российскими конструкторами было построено свыше 30 типов ЛА различных компоновок и схем. Большая заслуга в развитии динамики полета принад-лежит российским ученным В.П. Ветчинкину и В.С. Пышнову.

Самым выдающимся воспитанником киевской школы был И.И. Сикорский который в 1913 - 1914 гг. построил в Петербурге самые большие для того времени самолеты: «Рус-ский витязь» и «Илья Муромец».

Изучая историю авиастрения мира можно отметить своеобразную общность техни-ческого мышления и инженерной концепции американских, английских и русских конст-рукторов.

Следуя отечественным авиационным традициям в 1952 году в Киеве начало работу конструкторское бюро Антонова, которое специализировалось на разработке транспорт-ных самолетов от Ан-2 до Ан-225.

Сама идея создания вертолета или вернее несущего винта гораздо старше идеи соз-дания самолета, но природа указала иные пути для построения ЛА тяжелее воздуха. В ок-ружающей человека природе вращение проявляется лишь случайно, эпизодически, напри-мер в виде вращение в воздухе падающих кленовых семян. Долгое время человеку не при-ходило в голову использовать вращающиеся поверхности для полета в воздухе.

Практическим применением этого принципа летания вращающихся тел можно наз-вать полет бумеранга. Однако бумеранг австралийцев был недоступным эвропейцам, а вот ветряные мельницы могли подсказать пытливому уму использование вращающегося вин-та в качестве оригинальной конструкции несущей поверхности.

Необходимо было творческое озарение, чтобы прийти к идее НВ и винтокрылого аппарата. Впервые эту идею высказал великий итальянский художник и ученный Леонар-до да Винчи в 1475г. Основной частью его аппарата был большой винт Архимеда, сделан-ный из парусины, натянутой на проволочный каркас. Винт предлагалось приводить во вращение с помощью мускульной силы человека.

В середине XVIII века (1754г.) независимо от знаменитого итальянца, великий русский ученый М.В. Ломоносов не только разработал схему, но и построил модель вертолета, предназначавшуюся для подъема на необходимую высоту метеорологических приборов. Модель имела два НВ, приводимых во вращение пружиной от часов.

В средине XIX века было изготовлено большое количество демонстрационных и летающих моделей вертолетов констукторами аматорами: Коссю(1845) и д’Амекура(1863) во Франции, Лодыгиным А.Н. (1869) разработан проект вертолета с электродвигателем, Коновалов В.П., Чернов Д.П., Неждановский С.С. разработали интерессные проекты вертолетов.

Вопросы, непосредственно связанные с аэродинамикой вертолета рассматривались в работах «О полезном грузе, поднимаемом геликоптером»(1904), «Опыт теоретического определения эффекта ветра, дующего в плоскости геликоптерного винта»(1909).

Подавляющее большинство предлагаемых конструкций вертолетов не смогли под-няться в воздух из-за недостаточной мощности двигательной установки или неправиль-ного расчета тяги НВ.

В 1907 г. французы Бреге и Рише построили четырехвинтовой вертолет, который впервые смог оторваться от земли и выполнить висение на высоте нескольких метров.

При попытках перехода к полету вперед вертолеты терпели аварию, так как неясно было изменение аэродинамических сил и моментов, не были решены вопросы управления вертолетом и их устойчивости.

Эти проблемы нашли свое научное и практическое разрешение в работах Б.Н. Юрьева. В 1910 г. под руководством Жуковского он разработал импульсную теорию НВ, обеспечивающую расчет его характеристик. Юрьев занимался постройкой летающих моделей вертолетов различных схем, анализировал их преимущества и недостатки. В 1910-1911г.г. Юрьев разработал и запатентовал схему вертолета с одним НВ, а также изобрел автомат перекоса для упраления вертолетом в продольном и поперечном направлениях. В 1912г. по проекту Б.Н. Юрьева был построен первый в мире вертолет одновинтовой схемы.

В 1920-1930 г.г. во Франции, Испании, США были построены вертолеты различных схем, которые могли летать на высоте нескольких метров в течение нескольких минут.

Первым отечественным вертолетом был вертолет ЦАГИ 1-ЭА, который совершил первый полет в 1930г., пилотировал его конструктор Алексей Михайлович Черемухин.

В 1940 г. под руководством И.П. Братухина были созданы первые советские вертоле-ты поперечной схемы: Омега-І, Омега-ІІ, Б-3, Б-5 и др. Разработкой вертолетов занима-лось и КБ Яковлева: вертолеты Як-100, Як-24.

В ЦАГИ с работ над автожирами начинали свой конструкторский путь прославлен-ные ученные Н.И. Камов и М.Л. Миль. Деятельность возглавляемых ими коллективов обеспечила создание нескольких поколений первоклассных советских вертолетов соосной и одновинтовой схем: Ка-8, Ка-10, Ка-18, Ка-26, Ка-22, Ка-25, Ка-27, Ка-29, Ка-32, Ка-60, а также Ми-1, Ми-4, Ми-2, Ми-8, Ми-6, Ми-10, Ми-12, Ми-26, Ми-24, Ми-28, Ми-35.

За рубежом после второй мировой войны началось бурное развитие вертолетострое-ния. Особенно большие успехи были достигнуты в США, пионером вертолетостроения явился И.И. Сикорский, который занимался ветолетами одновинтовой схемы с одним рулевым винтом. В 1942 г. были построены первые вертолеты Сикорского VS-300 и R-4. В последующие годы и в настоящее время фирма Сикорского продолжает занимать веду-щее место в мировом вертолетостроении.

В настоящее время почти в каждой высокоразвитой стране мира производятся верто-леты собственных конструкций и которые успешно конкурируют на мировых рынках.

В Украине в 90-х годах было создано ОКБ «Аэрокоптер», которое начало производ-ство отечественных вертолетов АК 1-3.

ЛЕКЦИЯ 1.2 ПРИНЦИПЫ ПОЛЕТА ЛА, ВИДЫ И ТИПЫ ВС.

СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

План:

1.2.1 Принципы полёта ЛА, виды и типы ВС

Дата добавления: 2013-12-12