Техника - молодёжи 2002-11, страница 12

СМЕЛ

Георгий «ДРАЧЕВСКИЙ, кандидат технических наук

В будущем году исполнится 100 лет со времени первого полета братьев Райт на самолете — летательном аппарате тяжелее воздуха. За прошедший век авиация стала неотъемлемой частью нашей цивилизации, немало изменила жизнь человечества. Скорость самолетов возросла почти в 40 раз грузоподъемность — в тысячу, дальность на пять порядков. Что же до размеров, то ДЛИНА некоторых современных самолетов вдвое превосходит ДАЛЬНОСТЬ первого полета райтовского «Флаера».

Очевидно, что все эти успехи немыслимы без опережающего развития авиационной науки, в первую очередь — аэродинамики. И технические триумфы создают впечатление, что «здание аэродинамики» в значительной степени уже достроено и лишь в таких экзотических областях, как сверхвысокие скорости, проходит рубеж познанного и незнаемого. Так ли это?

Вспомним шок среди специалистов, вызванный появлением советских истребителей 4-го поколения и американских самолетов «stealth». А чему удивляться, спрашивается? Неужели столь долгое и успешное развитие аэродинамики не может позволить рассчитать компоновку машины, сочетающей высокое аэродинамическое качество и устойчивость на больших углах атаки и во всем диапазоне скоростей? Или трудно, опять-таки, рассчитать форму, совместно удовлетворяющую требованиям устойчивого дальнего полета и направленного переотражения радиоволн? Но мы знаем теперь, что МиГ-29 и Су-27, F-117 и В-2 родились в результате длительных и широкомасштабных экспериментальных программ, в которых единственно верные обводы определялись буквально «на ощупь».

И это только наиболее яркое проявление, мягко говоря, неблагополучия теоретической аэродинамики. Давайте попробуем разобраться, в чем причина такого положения и «как жить дальше»?

В ЧЕМ ОШИБЛИСЬ КЛАССИКИ? Все

основные уравнения, теоремы, правила и т.д. аэродинамики выведены, как известно, на базе фундаментальных законов механики. Но при их выводе из-за значительной сложности реальных процессов использован целый ряд упрощающих допущений и предположений. Очевидно, что они оказывают трудно оцениваемое влияние на точность и адекватность всех расчетных результатов и выводов.

Зато многие положения аэродинамики можно проверить опытным путем, в том числе — экспериментальными исследованиями в аэродинами

Ы Е

ГИПОТЕЗЫ

АЭРОДИНАМИКА

ческих трубах. Надо ожидать, что ре зультаты, полученные расчетным путем, должны совпадать с опытными данными. И как же при таком анализе выглядит классическая теория?

Основной теоремой аэродинамики принято считать теорему Кутта — Жуковского [1] о подъемной силе крыла бесконечного размаха (профиля крыла). Ее содержание может быть кратко выражено так: каждый единичный участок профиля крыла, обтекаемого установившимся, плоскопараллельным и бессрывным потоком жидкой или газообразной среды, создает подъемную силу Y, равную произведению плотности среды, скорости невозмущенного потока и циркуляции скорости вокруг него, но не имеет сопротивления X.

В исходном варианте она выведена для условий некоторой теоретически идеализированной (несжимаемой, невязкой и т.д.) среды. Тем не менее она в том же виде широко используется применительно к условиям реальных сред, в частности воздуха. Допущение о подобной ее применимости связано с двумя основными аргументами. Во-первых, на основании доказательства М.Келдыша и Ф.Франкля [2] принято считать, что сжимаемость среды не влияет на содержание указанной теоремы. Во-вторых, в соответствии с известной гипотезой Л.Прандтля [3] предполагается, что влияние вязкости реальной среды ощутимо сказывается на параметрах потока лишь в пределах тонкого пограничного слоя и, соответственно, может учитываться с помо-

воздуха (рис. 1). Обтекающий его поток имеет плавный и бессрывный характер. Для упрощения анализа можно даже воспользоваться допущением о том, что пограничный слой и силы трения пренебрежимо малы. Тогда каждый единичный участок такого профиля будет уравновешен в вертикальном направлении подъемной силой Y, с которой действуют на профиль обтекающие его массы воздуха, и F — силой, с которой сам профиль действует на такие массы воздуха.

Очевидно, что именно под действием F обеспечивается ускоренное и непрерывное перемещение в соответствующем направлении все новых и новых масс воздуха, набегающих на профиль (аналогично эффекту от работы вентилятора).

Следовательно, в процессе подобного перемещения воздуха в каждую единицу времени совершается некоторая, конечная по величине, работа. Но, в соответствии с фундаментальным законом сохранения энергии, такая работа должна непременно компенсироваться поступлением к профилю равной по величине внешней энергии. В рассматриваемом примере это обеспечивается за счет приложения к нему определенной силы тяги Р, действующей в направлении его движения. А из условия постоянства скорости V следует, что такая сила должна быть уравновешена равной ей по величине, но противоположно направленной силой, то есть соответствующим сопротивлением профиля (X).

щью самостоятельного показателя — сопротивления трения.

Однако использование указанной теоремы приводит к парадоксальным, противоречащим практике, результатам.

Рассмотрим тонкий симметричный профиль крыла, который установлен под небольшим углом атаки и перемещается с установившейся скоростью относительно неподвижного в целом

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 112 0 0 2

10

Даже на основании представленного качественного анализа нетрудно установить, что в условиях реального воздуха рассмотренный процесс должен сопровождаться некоторыми необратимыми энергозатратами. А они должны, соответственно, обусловить наличие у подобного несущего профиля указанного сопротивления, не связанного с пограничным слоем.