Аэродинамика больших скоростей (Аржаников Н.С., Садекова Г.С., 1965 - Аэродинамика больших скоростей)

— Н.С.А~жЛниксв, г.с.сАьсковА Попущено Министерством высшеео и среднего специпльного образования СССР в кпчестве учгбника для студентов авиационник вуэов и факультетов Книга написана в соответствии с утвержденной программой курса аэродинамики для авиационных вузов и факультетов.

В работе изложены основы аэродинамики больших скоростей. Рассмотрены дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые течения, методы определения аэродинамических характеристик профилей, крыльев конечного размаха и тел вращения при этих скоростях потока. На конкретных примерах показано изменение параметров потока с учетом реальных свойств газа при гиперзвуковых скоростях.

Изложены основы аэродинамики разреженных газов, теории пограничного слоя и некоторые вопросы аэродинамического нагрева тел и магнитной газодинамики. Предисловие Основой настоящей книги послужил курс лекций по теоретической и прикладной газовой динамике, читаемый в Московском ордена Ленина авиационном институте им.

Серго Орджоникидзе. В связи с огромным развитием ракетной и авиационной техники за последние несколько лет в программу курса бьли внесены коренные изменения, отражающие новейшие исследования в области теоретической н экспериментальной аэродинамики прн больших скоростях (газодинамики). Книга предназначена для студентов факультетов летательных аппаратов, а также смежных специальностей. Одновременно она может служить пособием для работников конструкторских бюро и научно-исследовательских институтов.

Авторы выражают глубокую признательность и благодарность рецензентам — зав. кафедрой аэродинамики МВТУ им. Баумана доктору технических наук профессору Н. Ф. Краснову, доцентам кафедры В. Н. Кошевому и А. Н. Данилову, а также доктору технических наук профессору Г. Ф. Бураго — за ряд замечаний и ценных советов при просмотре рукописи. Всем товарищам, которые сделают какие-либо замечания или укажут на отдельные недостатки, авторы будут весьма признательны, так как в дальнейшем это поможет улучшению книги в случае ее переиздания. Введение А э р од и н а м и к а — наука, изучающая законы движения газов (воздуха), законы взаимодействия между воздушной средой и движущимся в этой среде твердым телом.

Определение сил и моментов, действующих на твердое тело при его движении в воздушной среде, — одна нз основных задач аэродинамики. Предположение, что скорости движения воздушных потоков, а следовательно, и разности давления (плотности) в различных точках потоков сравнительно невелики, позволяло считать в классической аэродинамике плотность воздуха постоянной величиной и применять к исследованию его движения обычные методы гидро- механики, не учитывая эффекта сжимаемости воздуха. Рассмотрение воздуха при малых скоростях как несжимаемой жидкости приводит к тому, что в аэродинамике существует ряд законов, методов и уравнений, общих с гидродинамикой, изучающей законы движения несжимаемой жидкости.

Современная авиация, а тем более ракетная техника характеризуются большими скоростями движения летательных аппаратов. При течении воздуха с большими скоростями, соизмеримыми со скоростью звука, необходимо учитывать изменение плотности воздуха. В противном случае получаемые результаты могут не только сильно отличаться от действительных, но и вовсе им не соответствовать. Движение воздуха (газа) с большими скоростями сопровождается 'также большими изменениями давления, что в свою.. очередь вызывает значительное изменение плотности и температуры.

Законы движения воздуха с большими скоростями, изучаемые в газовой динамике, отличны от законов движения прн небольших скоростях Г а з о д и н а м и к а — раздел аэродинамики, в котором изучаются законы движения газа (воздуха) при больших дозвуковых или сверхзвуковых скоростях, законы взаимодействия между воздушной средой и телом, движущимся в ней с большой дозвуковой нли сверхзвуковой скоростью.

Успехи, достигнутые в создании мощных ракетных двигателей, позволили увеличить скорости полета летательного аппарата до космических — первой космической скорости, равной примерно 8 км/сек, и второй космической скорости — 11,2 км/сек. Запуск искусственного спутника Земли, осуществленный впервые в СССР в 1957 г., открыл новую эру в освоении космического пространства.

Поэтому наряду с дальнейшим развитием газодинамики умеренных сверхзвуковых скоростей возникла и начала интенсивно развиваться аэродинамика больших сверхзвуковых (гиперзвуковых) скоростей и больших высот (аэродинамика разреженных газов). В основе газовой динамики лежит известная гипотеза о неразрывности или сплашиости движущейся среды, пренебрегающая межмолекулярными промежутками и молекулярными движениями и позволяющая рассматривать непрерывные изменения основных параметров газовой среды в пространстве и во времени. В связи с проникновением современных летательных аппаратов в верхние слои атмосферы, т.

е. в область весьма разреженной среды, гипотеза неразрывности перестает иметь место. Такую среду следует рассматривать как дисконтинуум, состоящий из отдельных частиц. Для изучения законов движения этой среды необходимо привлекать методы молекулярной физики, что и составляет предмет газодинамики разреженных газов. При обтекании тел гиперзвуковым потоком температура воздуха вблизи поверхности тела значительно повышается.

При очень больших значениях температуры (выше 6000' К) происходит ионизация воздуха, в связи с чем он становится электропроводящйм. В этом случае, кроме газодинамических сил, необходимо учитывать и электромагнитные силы, что становится особенно существенным при высоких скоростях движения воздуха и является объектом изучения нового раздела газодинамики — м а г н и т о г а з о д ин а м и к и. В магнитогазодинамике комбинируются газодинамические и электромагнитные уравнения, в которых появляются члены, устанавливающие связь между газодинамическими и электромагнитными явлениями. Магнитогазодинамика, краткому изложению основ которой посвящена последняя глава настоящей книги, получила развитие за последнее десятилетие в связи с решением проблем астрофизики, космических полетов и термоядерных реакций.

Глава 1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ГАЗОВОИ ДИНАМИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ 1. 1. Свойства газовой среды В классической аэродинамике н в гидродинамике изучение движения жидкости или движущихся в ней тел основано на предположении, что жидкость является несжимаемой. Однако, приступая к изучению свойств движения газов, приходится учитывать, что плотность газов существенно изменяется с изменением скорости и температуры. Таким образом, при исследовании течения газа с большими скоростями или при больших температурных градиентах в потоке следует изучать влияние сжимаемости, т.

е. изменение плотности. Установлено, что изменение плотности в результате как сжатия, так и расширения газа сопровождается изменением температуры. Это означает, что при исследовании движения газа следует привлекать методы термодинамического анализа. Истинное строение газа — молекулярное, т. е. газ состоит из большого числа отдельных молекул, хаотически движущихся друг относительно друга с большими скоростями. Однако при изучении практических вопросов силового взаимодействия между газом и находящимся в нем твердым телом, в чем и состоит основная задача аэродинамики, можно рассматривать газ как сплошную среду, в которой отсутствуют пустоты, межмолекулярные промежутки н молекулярное движение.

Это предположение называется г и п отезой непрерывности, или сплошности, газовой среды. Гипотеза сплошности крайне полезна, так как дает возможность рассматривать кинематические и динамические элементы движущегося газа (скорость, давление и др.) как непрерывные функции некоторых аргументов (например, декартовых координат х, у, г — 9— !. 2.

Методы описания движения газа Задача кинематического изучения движения газа заключается в определении в каждой точке движущегося газа для любого момента времени значений скорости. Зная величины скоростей, можно найти распределение давления, а следовательно, и силы, действующие в газе. Движение газа можно изучать двумя способами: или методом Эйлера, или методом Лагранжа. В методе Эйлера фиксируется не частица газа, а точка пространства с координатами х, у, г и исследуется изменение скорости частиц в этой точке с течением времени. Таким образом, метод Эйлера заключается в выражении скоростей частиц в функции от времени г и координат х, у, г точек пространства.