Аэродинамические трубы

Часть аэродинамики, изучающая движение тел в воздухе непосредственно опытным путём, называется экспериментальной (опытной) аэродинамикой. В экспериментальной аэродинамике изучение законов обтекания производится с помощью особой установки, называемой аэродинамической трубой, или с помощью летающих моделей.

Впервые аэродинамическая труба была построена в России в 1897 г. знаменитым учёным К. Э. Циолковским и названа им «воздуходувкой». Позднее проф. Н. Е. Жуковским были созданы аэродинамические трубы (лаборатории) при МВТУ, сыгравшие большую роль в развитии русской авиации. В 1918 г., по инициативе В. И. Ленина, Н. Е. Жуковский с группой своих учеников создаёт ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт), являющийся мировым центром аэродинамических исследований. В настоящее время наша страна располагает большой сетью аэродинамических лабораторий, как для практических, так и для учебных целей. Современное развитие самолётной и ракетной техники во многом обязано исследованиям, проводимым в аэродинамических трубах. Все вновь проектируемые самолёты, ракеты, вертолёты перед тем, как быть построенными, обязательно проходят стадию тщательного исследования в аэродинамических трубах. Из этого ясно, с какими трудностями приходилось сталкиваться первым конструкторам самолётов до постройки аэродинамических труб. Аэродинамические трубы стали верными помощниками учёных и конструкторов.

Для аэродинамических исследований изготовляют из дерева или из металла в уменыпённом масштабе модель (маленькую копию) будущего самолёта или другого аппарата и продувают её в аэродинамической трубе. В аэродинамических трубах используется принцип обратимости движения. В них движущийся поток воздуха набегает на неподвижно закреплённое тело.

Производить практические исследования обтекания на движущемся теле, например на крыле летящего самолёта, в большинстве случаев затруднительно. Проще крыло закрепить неподвижно и на него направить поток воздуха. При этом картина обтекания не меняется и величины действующих аэродинамических сил как в том, так и в другом случае остаются одинаковыми. Для убедительности этого положения уместно провести аналогию с воздушным змеем. Чтобы змей держался в воздухе при отсутствии ветра, необходимо бежать с ним. При наличии же ветра можно спокойно стоять на месте, и змей будет также держаться в воздухе. Принцип, по которому всё равно движется ли тело в неподвижной среде, или, наоборот, среда движется относительно неподвижного тела, называется принципом обратимости движения (принцип относительности Галилея).

Ознакомимся с устройством простейшей аэродинамической трубы (рис. 22, а). Она состоит из открытой с двух сторон трубы переменного сечения. Её передняя часть называется всасывающим коллектором, средняя, самая узкая часть, — рабочей частью, задняя — диффузором (постепенно расширяющийся раструб). В конце диффузора размещается электромотор, приводящий в действие вентилятор. Вентилятор, засасывая воздух, создаёт в трубе искусственный воздушный поток. В этом потоке, в рабочей части трубы, помещается испытываемое тело, например модель самолёта в уменьшенном масштабе. 

Аэродинамические  трубы

 

Аэродинамические  трубы

Рис. 22. а) Схема простейшей аэродинамической трубы:

1 — всасывающий коллектор; 2 — рабочая часть трубы;

3 — диффузорная часть; 4 — вентилятор с электромотором;

5 — испытуемая модель.

б) Схема простейших аэродинамических весов:

1 — испытуемая модель; 2 —трос для удерживания модели от действия силы лобового сопротивления;

3 — трос для удерживания модели от действия подъёмной силы; 4 — ролик; 5 — чашка весов.

Модель крепится к специальным весам (рис. 22, б). При наличии в трубе воздушного потока возникающие на модели аэродинамические силы будут передаваться весам. Весы покажут величины действующих сил, Эти весы называются аэродинамическими весами. Они измеряют силу лобового сопротивления, подъёмную силу и поворотное действие потока на модель, т. е. моменты сил. Все эти величины можно получить при различном положении модели по отношению к потоку, т. е. под различными углами атаки.

Помимо замера аэродинамических сил и моментов, действующих на модель, в аэродинамических трубах можно замерить распределение давления воздуха на отдельных участках поверхности модели, например крыла (рис. 23). Для этого в теле испытываемой модели крыла прокладываются тоненькие резиновые или

металлические трубочки, которые с одной стороны подводятся к отверстиям, просверленным на поверхности крыла, где желательно замерить воздушное давление, с другой стороны присоединяются к обычным манометрам воздушного давления.

Кроме того, если стенка рабочей части трубы выполнена из прозрачного материала, то через неё можно видеть и фотографировать картину обтекания, называемую аэродинамическим спектром. На картине обтекания видно, в каком месте модели нарушается плавное течение струек воздуха и как оторвавшиеся от тела струйки образуют вихри.

Аэродинамические  трубы

Рис. 23. Схема замера распределения давления по поверхности крыла.

Аэродинамические  трубы

Рис. 24. По поведению наклеенных шелковинок и переносного шарика ваты можно судить о плавности обтекания.

Для получения наглядности обтекания к воздушному потоку аэродинамической трубы подмешивают цветной дым или на испытываемую модель наклеивают длинные цветные шелковинки (рис. 24). По поведению дыма или

шелковинок судят о характере обтекания. Для тех же целей можно сделать аэродинамический щуп — переносную палочку с ниткой, на конце которой укреплён маленький шарик ваты. По положению и поведению шарика можно судить о характере потока в данной точке.

Размеры современных аэродинамических труб позволяют продувать в них не только маленькие модели, но и уже построенные самолёты, вертолёты и автомобили

Аэродинамические  трубы

Рис. 25. Продувка автомобилей в больших аэродинамических трубах.

(рис. 25). В этом случае аэродинамические трубы называются натурными и достигают в своей рабочей части диаметра более 20 м. Скорость воздушного потока в таких трубах может достигать 200÷300 км в час.

В лабораториях с помощью аэродинамических труб производятся большие исследовательские работы по отысканию наиболее совершенных форм будущих самолётов, ракет, вертолётов, парашютов и автомобилей. С каждым годом всё больше растёт круг разнообразных опытов в аэродинамических трубах и к их услугам прибегают не только авиастроители. Строители метро хотят знать сопротивление, оказываемое воздухом при движении в тоннеле поезда, а также степень вентиляции вагонов; спортсмены-горнолыжники хотят с помощью моделей подробнее знать о воздушных силах, действующих на лыжника при спуске с трамплина со скоростью 100 км/час; изучающих полёт птиц интересуют результаты продувок чучел птиц в аэродинамической трубе; строители высотных зданий хотят знать силы давления урагана (скорость 120 км/час) на их здания; проектировщики ветряных двигателей продувают модели ветряков; специалистов вентиляционной техники интересует совершенство их вентиляторов (рис. 26).

Аэродинамические  трубы

Рис. 26. Аэродинамические трубы позволяют продувать различные модели.

Экспериментальная аэродинамика, наряду с изучением обтекания неподвижно закреплённой модели в аэродинамической трубе, изучает обтекание воздуха на летающих аппаратах. Это достигается с помощью специальных летающих моделей или самолётов, носящих название «летающие лаборатории».

Вначале мы сказали, что этот способ сложнее, тем не менее к нему прибегают, особенно при изучении обтекания тела околозвуковым и сверхзвуковым потоком. Этот способ позволяет сверять правильность данных, полученных в аэродинамической трубе и в полёте летающей модели.

Способ исследования обтекания с помощью летающей модели заключается в следующем. Изготовляется модель, деревянная или металлическая, какого-нибудь будущего самолёта, причём масштаб берётся значительно больший, чем для продувки в аэродинамической трубе. Модель оборудуется комплектом саморегистрирующей аппаратуры, записывающей по времени возникающие в полёте ускорения, скорость, высоту, угол атаки, давления в отдельных точках модели и т. д. Летающая модель, подвешенная под самолёт, поднимается им на высоту 10÷12 км. С этой высоты лётчик сбрасывает модель в свободный полёт (рис. 27). Под действием собственного веса она планирует с очень большой скоростью, близкой к скорости звука. Если модель оснащена сравнительно маленьким ракетным двигателем, то она может разгоняться, достигая сверхзвуковых скоростей. Во время полёта модели приборы всё время записывают свои показания. В конце полёта движение модели замедляется, и она может спуститься на землю на парашюте. Иногда записи приборов передаются по радио на наблюдательные пункты. По записям приборов определяют силы и моменты сил, возникающие в полёте на летающей модели.

Аэродинамические  трубы

Рис. 27. Исследование обтекания с помощью летающих моделей.

Опыты, проводимые с продувками моделей высокоскоростных летательных аппаратов, будут тем точнее, чем ближе скорость воздушного потока в аэродинамической трубе к скорости летательного аппарата в действительных условиях. Поэтому в настоящее время, когда скорость самолётов, оснащённых реактивными двигателями, достигла звуковой и сверхзвуковой, а скорости ракет и снарядов стали в несколько раз превышать скорость звука, получили большое применение трубы больших скоростей.

Для того чтобы создать в таких трубах воздушный поток со сверхзвуковой скоростью, необходимо затрачивать на вентиляторную установку громадную мощность, в несколько раз большую, чем в трубах обычного типа. Поэтому такие трубы делаются меньшего поперечного сечения и, следовательно, в них могут помещаться модели незначительных размеров.

Сложность эксперимента в скоростных трубах объясняется особенностями течения воздуха при приближении к скорости звука. Эти особенности заключаются в сжимаемости воздуха на таких скоростях и в появлении различного вида скачков уплотнения воздуха. Такие трубы надо тщательно изготовлять, ибо малейшая неровность на стенках трубы может быть источником преждевременного возникновения уплотнения воздуха.

Смотрите также