Экспериментальные аэродинамические исследования

Взаимодействие летательных аппаратов с потоком воздуха изучают экспериментально в ходе летных испытаний. Для этого на борт аппарата устанавливается разнообразная аппаратура, фиксирующая аэродинамические нагрузки. Однако значительно больший объем информации удается получить при обдувании потоком воздуха летательного аппарата в натуральную величину или его уменьшенной геометрической копии (модели). Это осуществляется в аэродинамических трубах, схема которой изображена на рис. 4.40.

Рис. 4.40.

В замкнутом канале переменного сечения с помощью мощного вентилятора 1 создается поток воздуха в направлении, указанном стрелками. В узкой части канала (в сопле), где скорость потока наибольшая, помещается исследуемый объект 2 (или его модель). Этот объект связан с аэродинамическими весами 3, позволяющими измерять аэродинамические силы и моменты сил, действующие на объект. Кроме труб с замкнутым циклом существуют разомкнутые аэродинамические трубы, в которые газ подводится из специальных емкостей. Аэродинамическая труба для экспериментов с натуральными объектами является громадной, сложной и чрезвычайно дорогостоящей экспериментальной установкой. Первая аэродинамическая труба в мире была создана в 1897 г. К.Э. Циолковским при поддержке Н.Е. Жуковского. В ней он провел исследования моделей дирижаблей и самолетов в потоке, скорость которого была около 5 м/с. В 1902 г. Н.Е. Жуковский построил при механическом кабинете Московского университета первую аэродинамическую трубу с электрическим приводом. В 1904 г. под его руководством был создан первый в мире аэродинамический институт (ЦАГИ), оказавший огромное влияние на развитие авиации и космонавтики.
В настоящее время в мире существуют уникальные аэродинамические трубы, позволяющие проводить испытания летательных аппаратов в натуральную величину при сверхзвуковых скоростях потоков.
В менее дорогостоящих экспериментах с моделями возникает проблема перенесения результатов эксперимента на натуральные объекты. Ясно, что модель должна быть точной уменьшенной геометрической копией натурального объекта. Если, например, бугорки поверхности крыла реального самолета достигают нескольких микрон, то у модели, уменьшенной в 10 раз, крылья должны быть отполированы до долей микрона. Однако лишь геометрического подобия недостаточно. Надо также создать такие условия обтекания, при которых соотношение между силами инерции, давления и вязкости в модельных и натуральных условиях было бы одинаковым. Для дозвуковых скоростей критерием подобия натурных и модельных экспериментов является равенство чисел Рейнольдса в обоих случаях:

(4.52)

Здесь индексы "м" и "н" относятся к параметрам модельного и натурального экспериментов. Если, например, размер модели в 10 раз меньше размеров натурального объекта то подобие обтекания может быть достигнуто либо 10-кратным увеличением скорости потока, либо таким же увеличением плотности воздуха. Второе чаще оказывается предпочтительнее, поскольку скорость vм не может превзойти скорость звука, когда картина становится принципиально другой. Поэтому в аэродинамических трубах воздух сжимается до давления несколько десятков атмосфер, что позволяет обеспечить условие (4.52).
В качестве иллюстрации на рис. 4.41 показана распределение воздушных потоков, обдувающих модели зданий. Ясно, что такой эксперимент является чрезвычайно полезным при проектировке строительства зданий и расчете на них действующей ветровой нагрузки. При сверхзвуковых испытаниях модель помещается в сопло Лаваля, устанавливаемое в аэродинамической трубе. В этих трубах потери на образование ударных волн велики, поэтому используются мощные многоступенчатые компрессоры. Широкое распространение получили баллонные аэродинамические трубы, в которые воздух поступает из баллонов высокого давления (несколько тысяч атмосфер). В сверхзвуковом режиме помимо (4.52) необходимо выполнение и второго условия подобия - равенства чисел Маха:

Отметим, что в трубах, где М 1, возникает ряд технических проблем, связанных с предотвращением конденсации струи воздуха вследствие понижения температуры при прохождении через сопло Лаваля. С этой целью воздух предварительно подогревают до температур ~10³ К, либо используют газ гелий, конденсация которого происходит при достаточно низких температурах.