Аэромеханика и аэродинамика

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ









АЭРОМЕХАНИКА
И АЭРОДИНАМИКА




            7-е издание










Москва Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°» 2024

УДК 629.735:533.6.01
ББК 39.5
    А99

Библиотека «Книга будущего инженера»



А99      Аэромеханика и аэродинамика / под ред. В. Г. Ци-
       пенко ; Московский государственный технический университет гражданской авиации. - 7-е изд. -Москва : Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2024. - 292 с.
          ISBN 978-5-394-05706-9.
          В данной книге подробно рассмотрены особенности движения самолета на основных этапах его полета: взлете, наборе высоты, крейсерском полете, вираже, снижении и посадке. В доступной и простой форме изложены вопросы устойчивости, управляемости и балансировки самолета в продольном и боковом каналах.
          Для учащихся инженерных классов общеобразовательных школ, учителей, ведущих занятия в этих классах, а также широкого круга читателей.


                         © Московский государственный технический университет гражданской авиации, 2018

ISBN 978-5-394-05706-9     © ООО «ИТК «Дашков и К°», 2018

Авторский коллектив



Елисеев Б.П., заслуженный юрист РФ, профессор, доктор технических наук, доктор юридических наук - главный редактор.

Ципенко В.Г., заслуженный деятель науки РФ, профессор, доктор технических наук - ответственный исполнитель.

Болелов Э.А., доцент, кандидат технических наук.

Гаранина О.Д., почетный работник науки и техники РФ, профессор, доктор философских наук.

Камзолов С.К., заслуженный работник высшей школы РФ, профессор, доктор технических наук.

Козлов А.И., заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор физико-математических наук.

Самохин А.В., почетный работник высшего профессионального образования РФ, профессор, доктор технических наук.


Сережкина А.А., доцент, кандидат философских наук.

   Библиотека «КНИГА БУДУЩЕГО ИНЖЕНЕРА»



I.  Элективный курс математики для инженерных классов

II. Физические основы технических систем и устройств

Ш. Аэромеханика и аэродинамика

IV. Радиолокация. Распространение радиоволн.
      Аэрорадионавигация

V.  Информационный мир XXI века

VI. Человек и техника

VII. Английский язык для будущих инженеров


4

Библиотека «Книга будущего инженера»
Аэромеханика и аэродинамика

Уважаемые читатели!

      Серия книг представляет собой попытку сделать первый шаг в формировании библиотеки для тех, кто уже обучается или хочет учиться в так называемых «инженерных классах» московских школ, инициатива создания которых принадлежит Департаменту образования г. Москвы. Мы очень надеемся, что книги окажутся в чем-то полезными также и учителям - как тем, кто ведет занятия в этих классах, так и тем, кто обучает школьников в других классах.
      Мы уже сами видим ряд упущений и недоработок, однако, как нам представляется, главное - это то, что такой труд написан. Мы уверены, что читатели найдут в нем достаточно много необычного как в подаче хорошо известного материала, так и в изложении новых подходов, иллюстрирующих воплощение «школьных формул» в технических системах.
      Мы назвали представляемую серию «Библиотека «Книга будущего инженера». Такое название дает возможность добавлять в эту серию новые и новые книги и, конечно, не только авторов настоящего издания.
      Настоящая серия состоит из 7 книг. В первых двух книгах, носящих названия «Элективный

5

Библиотека «Книга будущего инженера»
Аэромеханика и аэродинамика

курс математики для инженерных классов» и «Физические основы технических систем», авторы стремились показать, как общие законы и принципы физики и математики, носящие с первого взгляда достаточно абстрактный характер, «превращаются» в реальные технические системы и устройства.
      В следующих трех книгах предпринята попытка дать возможность читателю заглянуть и хотя бы немного увидеть, что собой представляет и какие возможности и ограничения дает инженерная наука по некоторым техническим направлениям: аэромеханике, аэродинамике, радиолокации, радионавигации, передачи и восстановления информации, защите информации и др.
      Современный инженер и инженер будущего должен быть не только классным специалистом, но и высокоинтеллектуальной личностью и гражданином, а поэтому в издаваемую серию органично входит книга «Человек и техника», дающая анализ проблемы взаимодействия человека и техники и проблемы безопасности системы «человек - техника». Материал, представленный в этой книге, наглядно проводит главную мысль, что мир техники -это органическая часть бытия человека, во многом меняющая многие старые понятия и принципы.

6

Библиотека «Книга будущего инженера»
Аэромеханика и аэродинамика

      Мир техники не может создаваться, совершенствоваться, да и вообще существовать изолировано вне взаимодействия с мировым сообществом. Нравится это кому-то или нет, но объективно сегодня английский язык - это язык международного научного и технического взаимодействия, а поэтому его роль в современной инженерии весьма значительна. Это определяет причину того, что этим вопросам посвящена специальная книга издаваемой серии.
      Содержание всех книг обсуждалось, корректировалось и исправлялось во время частых встреч членов авторского коллектива, а поэтому каждый из авторов оставил свой заметный «след» в каждой из книг издаваемой серии. Это дает нам возможность считать каждую из книг результатом коллективного труда всего авторского коллектива.
      Издание библиотеки «Книга будущего инженера» было бы невозможно без помощи и участия выпускников нашего Университета Пушкарева В.В., Лут-фуллина Р.Н., Кондрикова В.И., принявших на себя хлопоты по оформлению и выпуску этой серии книг.
Все замечания и пожелания авторский коллектив примет с большой благодарностью.


                                   Козлов Анатолий Иванович vilandes@yandex.ru


7

Библиотека «Книга будущего инженера»
Аэромеханика и аэродинамика

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ....................................13

Часть I. ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ ЛА

1. Основные понятия и определения............15
  1.1. Вводные замечания .....................15
  1.2. Строение атмосферы.....................16
  1.3. Основные параметры и свойства воздуха..19
  1.4. Стандартная атмосфера .................26
  1.5. Принцип обращения движения и гипотеза сплошности среды............................28
  1.6. Термины механики сплошной среды .......30
2. Основные уравнения аэродинамики ЛА.........33
  2.1. Закон сохранения массы (уравнение неразрывности) ..................33
  2.2. Закон сохранения энергии (уравнение Бернулли) .......................35
  2.3. Уравнение количества движения..........40
  2.4. Уравнение момента количества движения .42
3. Теория подобия физических явлении .........44
  3.1. Аэродинамическое подобие и его составляющие ...............................45
  3.2. Критерии подобия ......................46
4. Скачки уплотнения .........................48
5. Пограничный слои...........................53
  5.1. Понятие пограничного слоя .............53


8

Библиотека «Книга будущего инженера»
Аэромеханика и аэродинамика

  5.2. Ламинарный и турбулентный ПС.............55
  5.3. Характеристики ПС........................59
  5.4. Сопротивление трения плоской пластины ...60
  5.5. Влияние шероховатости поверхности на характеристики ПС .........................62
  5.6. Отрыв ПС ................................64
  5.7. Парадокс Даламбера - Эйлера..............67
6. Основы аэродинамики самолета ................70
  6.1. Геометрические характеристики основных частей самолета ..............................70
    6.1.1. Крыло ...............................71
    6.1.2. Оперение.............................80
    6.1.3. Фюзеляж .............................80
  6.2. Системы координат........................83
  6.3. Аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет .......................88
    6.3.1. Подъемная сила.......................94
    6.3.2. Сила лобового сопротивления..........99
    6.3.3. Аэродинамическое качество. Поляра ..105
    6.3.4. Аэродинамическая интерференция......107
    6.3.5. Моментные характеристики ...........108
    6.3.6. Центр давления и фокус профиля .....109
    6.3.7. Теорема Н.Е. Жуковского о подъемной силе крыла ................................110
  6.4. Аэродинамические рули самолета..........112
  6.5. Механизация крыла.......................115
    6.5.1. Распределение давления по профилю с отклоненной механизацией.................120
    6.5.2. Аэродинамические характеристики крыла
    с    отклоненной механизацией..............121

9

Библиотека «Книга будущего инженера»
Аэромеханика и аэродинамика

Часть II. ОСНОВЫ АЭРОМЕХАНИКИ. ДИНАМИКА ПОЛЕТА ЛА

Вводные замечания............................124
Раздел I. ПОЛЕТ САМОЛЕТА ПО ТРАЕКТОРИИ .... 126
1. Основные понятия. Системы координат ......126
  1.1. Положение самолета............................126
  1.2. Ориентация самолета...........................128
  1.3. Скорость самолета.............................130
  1.4. Направление движения ЛА ......................133
2. Уравнения движения самолета ..............137
  2.1. Уравнения движения самолета в векторной форме .....................................137
  2.2. Уравнения движения самолета как материальной точки ................................143
  2.3. Разделение движения самолета на продольное и боковое .........................................144
3. Горизонтальный полет .............................146
  3.1. Уравнения движения............................146
  3.2. Потребная скорость горизонтального полета.....149
  3.3. Кривые Жуковского. Потребная тяга.............152
  3.4. Характерные режимы горизонтального полета ... 161
  3.5. Диаграмма диапазона истинных скоростей........162
  3.6. Эксплуатационные ограничения скоростей полета ............................................169
  3.7. Диаграмма диапазона индикаторных скоростей..........................................170
4. Набор высоты .....................................173
  4.1. Уравнения движения............................173

10

Библиотека «Книга будущего инженера»
Аэромеханика и аэродинамика

  4.2. Особенности набора высоты ..............176
  4.3. Характерные режимы набора высоты .......179
  4.4. Влияние высоты полета на скорость набора высоты и максимальную вертикальную скорость .182
  4.5. Барограмма подъема самолета и дальность набора высоты ...............................185
5. Снижение самолета...........................186
  5.1. Уравнения движения и их анализ .........186
  5.2. Планирование самолета...................188
  5.3. Поляра скоростей планирования ..........191
6. Дальность и продолжительность полета .......194
  6.1. Техническая и практическая дальность ...194
  6.2. Часовой и километровый расходы топлива..197
  6.3. Дальность и продолжительность горизонтального полета......................198
  6.4. Влияние скорости на дальность и продолжительность полета .................200
  6.5. Влияние высоты на дальность и продолжительность полета ..................203
7. Криволинейное движение .....................208
  7.1. Условия возникновения криволинейного полета самолета .............................208
  7.2. Правильный вираж .......................210
  7.3. Уравнения движения и их анализ .........214
  7.4. Предельные виражи.......................217
8. Взлет и посадка самолета ...................220
  8.1. Основные этапы взлета...................220
  8.2. Расчет взлетной дистанции...............226
  8.3. Посадка самолета. Основные этапы .......230

11

Библиотека «Книга будущего инженера»
Аэромеханика и аэродинамика

  8.4. Расчет посадочной дистанции............240
  8.5. Влияние различных факторов на взлетнопосадочные характеристики самолета .........241
Раздел 2. УСТОЙЧИВОСТЬ И УПРАВЛЯЕМОСТЬ САМОЛЕТА ....................................247
9. Равновесие, устойчивость и управляемость самолета .....................................247
  9.1. Основные понятия и определения .......247
  9.2. Центровка самолета....................251
10. Продольные равновесие, устойчивость и управляемость самолета ....................254
  10.1. Продольное равновесие ...............254
  10.2. Продольная устойчивость..............258
     10.2.1. Продольная статическая устойчивость по перегрузке ...........................259
     10.2.2. Продольная статическая устойчивость по скорости..............................265
  10.3. Продольная управляемость самолета....270
  10.4. Демпфирующие моменты.................272
11. Боковое равновесие, устойчивость и управляемость самолета .....................275
  11.1. Боковое равновесие ..................275
  11.2. Боковая устойчивость ................278
  11.3. Боковая управляемость ...............285
  11.4. Обратная реакция по крену ...........288
ЛИТЕРАТУРА ...................................291

12

Библиотека «Книга будущего инженера»
Аэромеханика и аэродинамика


        ВВЕДЕНИЕ

     Цель дисциплины «Аэромеханика и аэродинамика» - раскрыть основополагающие понятия и идеи законов аэродинамики, исследования траектории движения, устойчивости и управляемости летательных аппаратов (ЛА) с целью обеспечения безопасности и регулярности их полетов, а также высоких экономических показателей авиационных перевозок. Данная дисциплина необходима для подготовки авиационных специалистов, способных решать проблемы летной эксплуатации, связанные с аэродинамикой и динамикой полета воздушных судов (ВС), и является базой для изучения и освоения технологии управления воздушным движением.
     В целом аэромеханика изучает законы движения и равновесия газов и их взаимодействия с обтекаемыми твердыми телами. Она состоит из трех частей:
     -      аэростатика (изучает равновесие газа и твердых тел в газе);
     -      кинематика (изучает законы движения газа без воздействия на него каких-либо тел);
     -      аэродинамика (изучает взаимодействие между газом и обтекаемым телом, она включает в себя теоретическую, экспериментальную и прикладную аэродинамику).

13

Библиотека «Книга будущего инженера»
Аэромеханика и аэродинамика

     Из этих трех частей аэромеханики основной является аэродинамика, базирующаяся на основных законах физики и теоремах математики. Знание и умение определять основные аэродинамические характеристики ЛА позволяет изучать их динамику полета, которая исследует движение тел под действием приложенных к ним сил и моментов (она включает в себя изучение траекторных задач и задач устойчивости, управляемости, равновесия и балансировки этих тел).
     Задачей изучения дисциплины «Аэромеханика и аэродинамика» является понимание взаимосвязи аэродинамики и динамики движения ВС со средствами бортовой автоматики и управлением воздушным движением (УВД), использование прикладных программ для решения задач летной эксплуатации конкретных типов ВС ГА.
     Данное методическое пособие состоит из двух частей общей дисциплины «Аэромеханика и аэродинамика»: «Основы аэродинамики ЛА» и «Основы динамики полета ЛА», на которых остановимся ниже.

14

Библиотека «Книга будущего инженера»
Аэромеханика и аэродинамика





                Часть I. ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ ЛА




    1. Основные понятия и определения

    1.1. Вводные замечания

    Аэродинамика - это наука об общих законах движения газа (преимущественно воздуха), а также о взаимодействии газа с движущимися в нем телами. Это взаимодействие может быть механическим и тепловым, в результате чего на ЛА в процессе его полета в атмосфере действуют аэродинамические силы, происходит нагрев его поверхности. Именно благодаря аэродинамическим силам возможен полет самолета или вертолета, т.е. аппаратов тяжелее воздуха. Однако аэродинамические силы не только поднимают ЛА в воздух, но и создают вредное сопротивление его движению, а нагрев поверхности ЛА приводит к изменению прочностных характеристик его конструкции. Величины аэродинамических и тепловых нагрузок зависят от формы ЛА и режимов его полета (скорости, высоты). В связи с этим основной задачей аэродинамики является выбор рациональной внешней формы ЛА с целью получения заданных летно-технических характеристик (ЛТХ), а также определение аэродинамических нагрузок и тепловых потоков, действующих на поверхность ЛА, для прочностных расчетов.


15