книга (Аржаников Н.С., Мальцев В.Н., 1956 - Аэродинамика)

Н. С. АРЖАНИКОВ и В. Н. МАЛЪЦЕВ АЭРОДИНАМИКА ВТОРОЕ ИЗДАНИЕ Допущено Главным управлением нолитехнических и машиностроительных вузов Министерства высшего образования СССР в качестве учебника для авиационных вузов ГОСУЛАРСТВЕННОЕ ИЗЛАТЕЛЬСТВО ОБОРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Москва 1956 Книга представляет собой учебник по теоретической аэро динамике, Книга написана в соответствии с программой, утвержденной МВО СССР для авиационных институтов В первой части излагаются основные понятия и положения аэродинамики несжимаемой жидкоста Вторая часть посвящена аэродинамике больших скоростей (газадинами хе) . Книга предназначена для студентов старших курсов авиационных институтов и будет также полезна для инженернотехнических работников аваационных заводов и конструкторских бира.

Рецензенты: докт. техн. наук проф. Г. Ф. Бураго, канд. техн. наук доцент В. Д. Вотяков, канл. техн. наук Б. Я. Шумяцкий Редактор канд. техн. наук Я. М. Котляр Заа. редакцией инж. А. Гг' Солопов ПРЕДИСЛОВИЕ Основой первого издания настоящей книги, вышедшей в 1952 г., послужил курс лекций по «Аэро. и газодинамике», читанный на самолетостроительном факультете Московского ордена Ленина авиационного института им. Серго Орджоникидзе. В связи с ростом скоростей самолетов авиационная наука и в первую очсредь аэродинамика получила исключительное ~развитие как в области теоретических исследований, так и экспериментальных, Исходя из этого в программу курса «Аэро- и газодинамика» за последние несколько лет были внесены существенные пламенения, отражающие новейшие результаты исследований в области теоретической и экспериментальной аэродинамики.

При подготовке второго издания были учтены критические замечания и отзывы, полученные авторами, и несколько уточнены отдельные сведения. Книга соответствует программе н предназначена для студентов самолетостроительных факультетов авиационных институтов. Одновременно она может быть полезной для студентов родственных специальностей, а также служить пособием для работников конструкторских бюро авиационных заводов и научно-исследовательских институтов. Авторы выражают глубокую признательность и благодарность рецензентам — проф.

Г, Ф. Бураго, доценту В. Д. Вотякову и канд. техн. наук Б. Я. Шумяцкому, давшим ценные указания прн просмотре рукописи второго издания. Одновременно авторы выражают благодарность канд. техн. наук Я. М. Котляру и Г. С, Садековой за помощь, которую они оказали при подготовке книги к печати. Всем товарищам, которые сделают какие-либо замечания или укажут на отдельные недостатки, авторы будут весьма признательны, так как это поможет в дальнейшем улучшению книги. ВВЕДЕНИЕ Аэродинамика является наукой, изучающей законы движения как несжимаемой, так и сжимаемой жидкости, к которой можно отнести и воздух.

Изучение законов движения воздуха, изучение силового воздействия, которое воздух оказывает на обтекаемые нм тела, составляет предмет аэродинамики. Рассмотрение воздуха как несжимаемой жидкости приводит к тому, что в аэродинамике существует ряд общих законов, методов и уравнений с гидродинамикой, изучающей законы движения~ несжимаемой жидкости.

В связи с этим эта область аэродинамики часто именуется гидроаэродинамикой. Современная авиация характеризуется большими скоростями полета самолетов. При больших скоростях движения, сравнимых со скоростью звука, сжнмаемость воздуха существенно влияет на характер его движения. Вследствие этого законы движения воздуха с большими скоростями отличны от законов движения при небольших скоростях. Аэродинамика больших скоростей часто именуется газовой динамикой и является, следовательно, наукой, изучающей движение сжимаемых жидкостей — газов.

Аэродинамика является теоретической основой авиации, фундаметом основных аэродинамических расчетов современных самолетов и других летательных аппаратов. Глава 1 ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР й К КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ГИДРОАЭРОДИИАМИКИ В ХЧИ вЂ” Х!Х вв. Характеризовать в кратких чертах историческое развитие гидро- аэродинамики — это значит прежде всего осветить историю решения главнейшей ее проблемы — определения силы сопротивления, оказываемого жидкостью движущимся в ней телам. Первые успехи теории сопротивления, относящиеся к ХЧП в., были вызваны необходимостью изучить закон падения тел, а также проблему маятника, который служил в то время инструментом для измерения времени. Одновременно изучение этих проблем было необходимо для подтверждения учения Коперника о вращении Земли.

До конца ХЧП в. в науке господствовала аристотелевская точка зрения: предполагалось, что время падения тел обратно пропорционально их весу, т. е. что тяжелое тело падаег быстрее, чем легкое. Учение Аристотеля впервые опроверг Галилей, производивший опыты над падением тел в Пизанском соборе в 1638 г. Иезуит Риччиоли, старавшийся библией доказать лживость учения Коперника, повторил в 1640 †16 гг. эти опыты на башне Азинелли в Болонье, но к своему удивлению обнаружил, что они вполне подтверждают результаты Галилея, В результате опытов Галилей впервые в истории показал, что соп|ротивление, испытываемое телами, движущимися в жидкой сре.

де, возрастает с увеличением плотности среды и скорости. Количественную оценку величины сопротивления Галилей не произвел. Ее впервые дал в 1686 г, ученый Марриот, определивший сопротивление прямоугольной пластинки, помещенной нормально к направлению течения воды в реке. В конце ХП1 и начале ХУ!П века проблеме сопротивления посвятил многочисленные исследования английский ученый Исаак Ньютон (1642 — 1727). Изучая падение шара в различных средах, Ньютон установил, что сопротивление шара Я пропорционально величине раЮв, где р — плотность среды, и — скорость движения шара, Х> — диаметр шара. Таким образом, был открыт основной закон сопротивления !',1=Срыва Глава д Исторический обзор при этом для шара величина С оказалась равной С=0,50, что неплохо согласуется с современными данными.

Наряду с экспериментальными исследованиями сопротивления Ньютон разработал теорию взаимодействия движущихся твердых тел с некоторыми несуществующими гипотетическими жидкостями. Эти схематизированные модели жидкости, во многом отличающиеся по своим свойствам от действительных жидких сред, были рассмотрены Ньютоном для доказательства того, что межпланетное или межзвездное пространство не заполнено какой бы то ни было средой, существование которой вытекало из неверной теории Аристотеля.

Особенно подробно Ньютон исследовал движение гипотетической разреженной жидкости, состоящей из отдельных (дискретных) частиц — корпускул и лишенной трения. Применительно к ней Ньютон создал так называемую ударную теорию сопротивления пластинки, движущейся под некоторым углом. Ньютон считал, что набегаюший на пластинку поток состоит из большого числа твердых неупругих частиц, которые, ударяясь о пластинку, полностью теряют свою скорость. Применяя теорему о количестве движения, Ньютон определил величину силы сопротивления.

Именно, полагая, что масса жидкости, набегаюшая в единицу времени под углом атаки а на пластинку, имеюшую площадь 8, равна р5о з!па, а скорость частиц жидкости, нормальная к пластинке, равна о з!и а и полностью теряется при ударе жидкости о пластинку, Ньютон получил следующую формулу для силы сопротивления Й, нормальной к поверхности пластинки: !с = раве з!и' а, Уже после смерти Ньютона многие ученые пытались применить эту его теорию к движению тел в воздухе и неизбежно приходили к неправильным выводам, Величина подъемной силы крыла, подсчитанная в соответствии с законом «квадрата синуса», получалась настолько малой, что долгое время этот факт приводился как доказательство неосуществимости полета на аппаратах тяжелее воздуха.

В ХЧ1П в. учение о сопротивлении развивалось главным образом под влиянием развития мореплавания, гидроэнергетики и артиллерии. Так, при решении артиллерийских задач необходимо было точно знать сопротивление пушечного ядра, В связи с этим в 1746 г. английский ученый Робин поставил опыты по определению сопротивления шара, применив для этой цели, коловратную машину, врашаюшую шар. Вес груза Р подбирался таким, чтобы вращение шара' было равномерным, В этом случае имело место равенство моментов Юй=РГ, где 1Р" — сопротивление шара; 1с и г — соответствующие плечи. Затем шар снимался и подбирался наименьший груз р, который давал бы то же число оборотов, что и груз Р в й 1.