Аеродинамічна сила, її склад та причини

Виникнення

Політ більшості літальних апаратів здійснюється у повітряному просторі (атмосфері). Під час руху у цьому просторі на всі ЛА діють одні й ті ж самі – аеродинамічні.

Саме слово аеродинаміка – складне та походить від грецьких слів, що в перекладі означають повітря та сила (сила повітря).

Наука, що вивчає взаємодію повітряного середовища з літальним апаратом, називається аеродинамікою. Крім того, аеродинаміка є складовою частиною іншої науки – механіки, яка займається вивченням будь-якого руху взагалі. Аеродинаміка є теоретичною основою авіаційної, ракетно-космічної та артилерійської техніки, фундаментом аеродинамічних розрахунків усіх сучасних літальних апаратів.

Повітря як середовище, у якому відбуваються всі аеродинамічні процеси, поводиться по-різному залежно від швидкостей руху у ньому. Виходячи з цього, аеродинаміку домовилися розподіляти на такі області:

– аеродинаміка дозвукових швидкостей;

– аеродинаміка навколо (транс) та надзвукових швидкостей;

– аеродинаміка гіперзвукових (дуже великих надзвукових) швидкостей.

Головним завданням прикладної аеродинаміки є визначен ня величини та точки прикладання аеродинамічної сили, а такожпошукнайвигіднішоїдляданих умов форми літального апарата. Поштовхом до розвитку аеродинаміки як науки були практичні завдання, що постали перед людиною у зв'язку з польотами на апаратах, важчих за повітря. Ці завдання були пов'язані з визначенням діючих на тіла, що рухаються, сил і моментів (так званих аеродинамічних сил і моментів).

Розглянемо загальні відомості про атмосферу, як середовище, в якому відбувається політ ЛА.

Аеродинамічна сила, або сила опору повітря, діє на ЛА лише під час його польоту у щільних шарах атмосфери (до 80 км). Цю висоту дуже часто називають ефективною межею атмосфери. Вище опір повітря можемо не враховувати та вважати, що ЛА або ракета рухається у пустоті.

Атмосферою називають зовнішню газову оболонку, що оточує нашу планету, яка утворена сумішшю газів, об'єднаних загальною назвою – повітря. Нижній шар атмосфери, який тягнеться до висоти 11км, називають тропосферою. У тропосфері міститься ~ 75% всієї маси атмосфери і основна частина водяного пару. Для тропосфери характерне інтенсивне змішування повітря вздовж поверхні Землі та по висоті. Температура повітря у цьому шарі атмосфери із зростанням висоти падає. Так, у верхній частині тропосфери температура повітря у середньому становить мінус 5 6°С.

Наступний за тропосферою шар повітря (від 11 до 40 км) називають стратосферою. Цей шар характеризується стабільністю температури, відсутністю хмар та сухим повітрям. Але саме у стратосфері може бути вітер, швидкість якого сягає близько 500 км/год.

Шар атмосфери між тропосферою та стратосферою називається тропопаузою. Це перехідний шар з висотою приблизно в один кілометр.

Над стратосферою лежить шар атмосфери, що має назву мезосфера. Цей шар повітря поширюється до висоти 80 км та характеризується значним підвищенням температури по вертикалі у нижній своїй частині та спаданням у верхній. Крім того, густина повітря у цьому шарі дуже мала. Так, наприклад, на нижній межі шару вона приблизно в 1000 разів менша, ніж біля поверхні Землі, а на верхній – у 100000 разів.

Перехідний шар від стратосфери до мезосфери називають стратопаузою.

Шар повітря від 80 до 800 км називається термосферою (іоносфера). Цей шар характеризується безперервним зростанням температури з висотою, великою кількістю іонів та невеликим значенням густини повітря.

За термосферою лежить останній зовнішній шар атмосфери – екзосфера, який фактично не має верхньої межі.

Як бачимо, параметри дійсної атмосфери (густина, тиск, температура) непостійні та змінюються з висотою, часом та вздовж поверхні Землі. Крім того, вони важко піддаються опису та аналізу. Тому для уникнення цих незручностей домовилися використовувати деякі осереднені значення тиску, щільності та температури повітря, які залежать тільки від висоти над рівнем моря і не залежать від пори року, доби, широти місцевості та інших факторів. Ці осереднені залежності, подані у вигляді формул, графіків та таблиць, і мають назву стандартної атмосфери. У СА за нульову висоту взято рівень Балтійського моря з тиском на нульовій висоті у 760 мм. рт. ст. та температурою повітря 288, 15⁰ К (~15⁰ С).

Залежності параметрів повітря від висоти підібрані таким чином, що СА ближче всього підходить до умов середніх широт північної півкулі у літню пору року. Крім того, в СА не враховуються всі ті фактори, які або мало впливають на траєкторію руху ракети, або за своєю природою мають випадковий характер.

Для прикладу, в таблиці 4.2 поданий фрагмент таблиці стандартної атмосфери (ГОСТ - 4401- 64).

 

Таблиця 4.2 – Параметри стандартної атмосфери

Геометрична висота, Н (км)	Температура повітря, Т(^0К)	Вагова густина повітря, ρ (кг/м^2)	Швидкість звуку α (м/с)
0	288.15	1.225465	340.28
4	262.13	0.819703	324.56
6	249.13	0.660448	316.41
8	236.14	0.526090	308.05
10	223.15	0.413707	299.45
12	216.66	0.311908	295.07
16	216.66	0.166456	295.07
20	216.66	0.088901	295.07
26	219.40	0.034347	296.93
28	224.87	0.024709	300.61
30	230.35	0.017907	304.25
35	244.01	0.008286	313.14
40	257.66	0.004002	321.78
45	271.28	0.002009	330.17
50	274.00	0.001076	331.82
60	253.40	0.0003317	319.11
70	219.15	0.00009278	296.76
80	185.00	0.00002099	272.66
90	185.00	0.000003474	272.66

Розглянемо склад та причини виникнення повної аеродинамічної сили. Якщо помістити у потік повітря, що рухається зі швидкістю V, деяке тіло або примусити тіло рухатися з цією швидкістю (принцип оберненого руху), то у результаті взаємодії потоку повітря з тілом на останнє починає діяти деяка сила К, яка отримала назву аеродинамічної сили.

Повна аеродинамічна сила, або сила опору повітря dS, що діє на поверхню літального апарата у польоті (рис. 4.9), по суті, складається з двох складових:

– сили тиску (сила від нормальної напруги R);

– сили тертя (сила від дотичної напруги R_т).

 

 

Рисунок 4.9 – Сили, що діють на ЛА

 

Ураховуючи це, результуючу силу  (повну аеродинамічну) можна знайти за правилом складання двох векторів: .

Сила тертя викликана насамперед в'язкістю повітря. В результаті цієї в'язкості на поверхні літального апарата утворюється тонкий шар повітря (приграничний), у межах якого й проявляються дії сил від дотичної напруги як сил щеплення частинок повітря з поверхнею літального апарата та між собою. На подолання цих сил витрачається частина кінетичної енергії літального апарата, що можна вважати енергетичною основою сили тертя.

Ця сила незначна під час малих швидкостей і значно більша при великих (поняття малих та великих швидкостей з'ясуємо дещо пізніше). Але головним фактором, що впливає на величину повної аеродинамічної сили, є все ж таки сила тиску.