2.5. Обтікання тіл потоком повітря [1], c. 34-37
2.5.1. Принцип оборотності
При русі будь якого тіла в нерухомому повітрі виникає сила опору R1, яка залежить від швидкості V переміщення тіла щодо повітря (рис. 2.12, а).
Рис. 2.12. Принцип оборотності.
Якщо закріпити тіло нерухомо і направити на нього потік повітря, зберігши таку саму швидкість V, то сила опору R2 буде така ж (рис. 2.12, б), що і в першому випадку (рис. 2.12, а). Такий прийом називається зверненням руху. Отже, принцип оборотності полягає в тому, що величина, напрям і точка додатка аеродинамічних сил не залежать від того, чи обтикається тіло потоком повітря, або рухається в нерухомому повітрі.
Принцип оборотності дає можливість проводити аеродинамічні дослідження в лабораторних умовах, коли тіло нерухомо закріплене в аеродинамічній трубі, а повітряний потік, що створюється трубою, обтікає тіло з необхідною швидкістю. Це значно спрощує вимір аеродинамічних сил і моментів, які діють на тіло.
До історії аеродинаміки увійшов так званий парадокс Дюбуа. Він поставив під сумнів справедливість принципу оборотності, оскільки виявив, що опір тіла, що покоїться в каналі з рухомою водою, більше, ніж опір того ж тіла, що протягається в нерухомій воді з тією ж швидкістю. М. Є. Жуковський довів, що причиною парадоксу є система вихорів, що утворюються на стінках каналу, при русі в нім води.
2.5.2. Аеродинамічні спектри
Аеродинамічним спектром називається видима картина обтікання тіла потоком повітря. Спектри обтікання тіл повітряним потоком отримують за допомогою димових труб, гідроканалів або методом „шовковинок”, в'язких покриттів, оптичним методом.
У димових трубах візуалізація течії забезпечується введенням в потік повітря струйок диму. Димовий спектр дозволяє досліджувати ламінарні й турбулентні течії, відрив межового шару, управління межовим шаром. Картини обтікання різних профілів крила при різних кутах атаки α, отримані в аеродинамічної димової трубі, приведені на фотографіях (рис. 2.13).
Рис. 2.13. Фотографії димових спектрів обтікання профілю крила.
Метод „шовковинок” дозволяє виявити „дефекти” обтікання. При безвідривному режимі течії шовковинки, прикріплені одним кінцем до обтічної поверхні, спокійні і орієнтовані у напрямі потоку. При зриві потоку вони коливаються і міняють напрям.
На в'язкому покритті обтічного тіла при достатньо тривалому продуванні його в аеродинамічній трубі прокреслюються „лінії струменя”, що виявляють картину обтікання.
Оптичні методи отримання аеродинамічних спектрів використовують ефект зміни густини повітря (стисливості) при великих швидкостях потоку. При зміні густини повітря плоскопаралельний пучок світла відхиляється, утворюючи на екрані світлі або темні смуги.
На великій відстані від тіла потік не деформований, струйки течуть прямолінійно з однаковою швидкістю. Такий потік називається незбуреним. Поблизу тіла струйки змінюють свій напрям і площу поперечного перетину. Від цього змінюються швидкості повітря в струйках. Потік, струйки якого деформовані присутнім в нім тілом, називається збуреним.
Аеродинамічний спектр будь-якого тіла складається з незбуреного і збуреного потоків. Збурений потік у свою чергу складається із зовнішнього нев'язкого (потенційного) шару 1, межового шару 2 і супутнього струменя 3 (рис. 2.14, а). Аеродинамічні спектри дають можливість зрозуміти фізичну суть обтікання тіла потоком повітря. За своєю будовою аеродинамічні спектри бувають плавні і віхрьові (рис. 2.14, б), симетричні і несиметричні.
Рис. 2.14. Аеродинамічні спектри:
а) елементи спектру; б) види спектру.
Чим більше збурення потоку, тим більший опір випробовує тіло. Таким чином, дослідження аеродинамічних спектрів дає можливість вибрати найбільш зручнообтічні форми, визначити дефекти в обтіканні тієї або іншої частини літального апарату, визначити характер взаємодії близько розташованих частин ЛА одна на одну і багато що інше.
Вчені і авіаконструктори знайшли засоби направленої дії на спектри обтікання частин ЛА з метою поліпшення його льотних характеристик і забезпечення безпеки польотів.