Как работают летательные аппараты (текстовая версия лекции)

Завкафедрой аэродинамики Владимир Ципенко - почему самолет летает

В рамках проекта "Университетские субботы" в Московском государственном техническом университете гражданской авиации прошла лекция заведующего кафедрой аэродинамики, конструкций и прочности летательных аппаратов профессора Владимира Ципенко. Слушатели смогли посетить лабораторию динамики и аэродинамики полета, где увидели, как будущие летчики и авиамеханики учатся поднимать самолеты в небо. Сетевое издание M24.ru приводит текстовую версию выступления профессора.

- Давайте перейдем к нашей основной тематике, к полету летательных аппаратов: почему самолет летает - просто, доступно, на пальцах мы постараемся это с вами объяснить. Если возьмете толковый словарь русского языка, то там написано: "Полет – это быстро перемещаться, отвесно падать", такие определения в толковом русском словаре. Поэтому полетом называется всякое движение тела в воздухе или космосе. В последнем случае полет будут называть космическим. Значит, есть три особенности полета летательного аппарата. Первая особенность, что тело, которое летит в воздухе, должно быть твердым, то есть его плотность должна быть не ниже единицы. За единицу принимается что? Плотность воды. В плотности единица – вода, значит, тело должно быть тверже воды, тогда оно будет лететь в атмосфере. Вторая особенность полета заключается в том, что полет необязательно требует скорости. Всегда, если летишь, должна быть скорость (как гоняют наши автомобилисты по ночам)? Нет, не нужна для полета скорость. Вертолет садят в режиме висения. Мы висим, еще и груз на внешний подвес держим, а вертолет летит, скорость у него нулевая. То же самое: возьмем птичку, которая парит в восходящем потоке. Она кувыркается, трепыхается, а скорость ноль, над вами не двигается. Вот тоже, змей школьник пускает: он тоже пустил его, он летит вроде, а он над ним висит без скорости. Вот отличительная особенность нашей авиации от других транспортных систем, железнодорожного транспорта, транспорта автомобильного, водного транспорта - мы не имеем точки опоры. Они имеют точки опоры, а мы нет. У водников там даже Архимедова сила, как вы знаете, поддерживает корабли. Нас никто не поддерживает, поэтому вся наша жизнь в авиации была связана борьбой с этими тяготениями, гравитационными силами, которые притягивают тело к земле. Если мы ничто не предпримем, будет просто падение и катастрофа. Поэтому все усилия были направлены на создание этой силы балансирующей, чтобы она была направлена вверх, подъемная сила.

По способу создания подъемной силы мы различаем пять типов летательных аппаратов. Вот первый тип - аэростатический. Подъемная сила создается с помощью баллонов, наполненных инертным газом, более легким, чем воздух. Это красивые дирижабли, которые летают сейчас по Подмосковью, и так далее. Они тихоходные, у них в скорости недостаток, до 200 км/ч, но зато они очень экономически выгодны. Сейчас к ним тоже возвращаются и начинают их развивать.

Следующий самый современный способ – аэродинамический, за счет обтекания летательного аппарата потоком. Этот летательный аппарат тяжелее воздуха, и подъемная сила создается за счет обтекания, и каждый элемент, входящий в компоновку самолета или летательного аппарата, создает свою подъемную силу. Есть летательные аппараты, у которых подъемная сила создается только за счет крыльев. Остальные части самолета тоже создают подъемную силу. Даже фюзеляж считается крылом толстого удлинения. У него центр приложения подъемной силы находится на точке 10% от длинны фюзеляжа. Вот здесь она приложена таким образом, чтобы поток набегал все время, и был кабрирующий момент. Это также необходимо с точки зрения безопасности полета. А есть летательные аппараты, у которых подъемную силу создают не все элементы самолета, входящие в компоновку, а только отдельные элементы. Вот, вертолет: здесь только один элемент. Это винтокрылый летательный аппарат, у него только один винт создает подъемную силу.

Третий тип летательных аппаратов - у которых подъемная сила создается за счет струи, истекающей из двигателя. Это реактивные ракеты. Используют третий закон Ньютона: действие равно противодействию. Помните, такой есть закон. Истекающие струи создают ускорение у летательного аппарата. Соответственно, есть ракетно-баллистический способ: ракету запускают, проходит активный участок, затем двигатель сбрасывается, потом пассивный, и летит по траектории полета, по инерции, без двигателей. Вот такие типы летательных аппаратов. Они у нас задействованы при обтекании летательных аппаратов.

Вообще, теория полета включает в себя пять моделей обтекания летательных аппаратов. Первая модель – это молекулярная теория Ньютона. Ньютон у нас вообще был физик номер один, признан в категории всех ученых-физиков. Максвелл – номер два, признанный у нас физик. И Майкл Фарадей – номер три. Из них, этих трех ученых-физиков, мне больше нравится Майкл Фарадей. Если два были из обеспеченных семей, они получили хорошее образование, то Майкл Фарадей был из бедной семьи, школьник, подрабатывал в подвале, за книгами смотрел, пыль протирал, водохранилище от влажности и так далее, и так далее. Но при этом книги читал. Знаете, и начитался, третьим физиком в мире стал, электромагнетизм и так далее.

Первая модель: Ньютон сообразил, что, давайте поток представим из отдельно состоящих частей, частичек молекулярных, которые, сталкиваясь с самолетом, летательным аппаратом, создают и силу сопротивления и подъемную силу. Эта теория быстро у нас ушла, потому что разбежки большие были с экспериментом, поэтому сейчас вернулись на гиперзвуковых скоростях.

Поэтому Бернулли предложил другую модель обтекания. Давайте предложим, что поток из отдельных струек - как волосы, вот так идут - параллельных обтекает летательный аппарат, и у каждой струйки можно записать уравнение сохранения масс и сохранения энергии. И отсюда получилась связь между скоростью и давлением. Там, где больше скорость, там давление меньше, там, где скорость меньше, там давления больше, и так далее. Этим объяснялся процесс образования подъемной силы. Действительно, по профилю поток, уходящий по верху, должен ускориться, а по низу - замедлиться, и остается здесь одинаково. Поэтому здесь у нас давление меньше, а внизу больше, и за счет этого подъемная сила образуется.

Но дальше исследования показали, что струйка мимо обеспечивает обтекание самолета, но не учитывает струйки, которые вблизи тела. Они тормозятся здесь, есть пограничный слой, который затормаживается. И вот Рейнольдс и Прандтль в 1904 году сказали: "Давайте создадим теорию пограничного слоя. Маленький слой, который обтекается вблизи самолета, - его и будем учитывать. И теория сразу стала совпадать с практикой лучше. Потом наш Жуковский Николай Егорович говорит: "Ребята, струйки то идут не ровненько, они идут с завихрениями, они завихряются, идет циркуляция потока у самолета, давайте учитывать ту циркуляцию" - вихревую теорию предложил.

А сейчас у нас идет смешанная уже теория, она из разных теорий компонуется - общая такая теория, которая удобная для того или иного случая обтекания.

Сейчас посмотрим немножко. Вот первые летательные аппараты. Конечно, они были все направлены на то, чтобы как-то оторваться. Таких проектов было очень много. Мыслителей очень много было, и здесь иногда одновидовые, мы некоторые вам показываем, взяли. Давайте их посмотрим еще. Вот эти знаменитые этажерки, которые были. Раньше очень просто было: один человек мог такую этажерку сделать, он мог ее испытать, один-два прибора поставил, испытал - и все. Но с развитием авиации поняли, что одному человеку уже не под силу. Коллектив уже начал работать, а раз коллектив, то работа раздельная. Одни, которые проектируют самолет, а другие, которые его рассчитывают, помогают, какие ему размеры брать, какие толщины материала и так далее, так далее. Получилось, одна группа людей – проектанты, а вторая – расчетчики. А потом еще и расчетчики разделились.

Давайте посмотрим на то, что творится внутри самолета, какие нагрузки самолет испытывает при обтекании, какие у него изгибающие моменты, какие у него вибрации и так далее. Это прочнистая группа образовалась. Вторые – это аэродинамика динамики, они, соответственно, узнали, что же творится с самолетом при внешнем обтекании, и соответственно, какая устойчивость, управляемость, и балансировка самолета. Потом, когда КБ разрабатывают два самолета, они могут сказать, да, один прочнее самолет, который разрушает полностью его на стапелях, на экстентах, а вторые, аэродинамики, динамикк изучают соответственно (самолет в полете) и потом дают о концепте рекомендацию для серийного производства данного самолета. Поэтому от этажерок мы практически спокойно перешли вот к таким современным гидросамолетам, сверхзвуковым самолетам, которые сейчас у нас производят. Сейчас опять волна идет к сверхзвуковым самолетам, которые уже немножко успокоились, а сейчас опять стараются их тоже производить.

Есть такая у нас общая схема конфигурации самолетов, которая включает и транспортные, и специальные самолеты. И вот у нас и грузовые и пассажирские, магистральные. Вот ближние, средние и дальние магистральные самолеты, которые определяются массой самолета, длиной взлета и посадки и максимальным расстоянием перелета, на которое есть запас топлива.

У нас будет занятие по истории авиации. Я просто здесь отмечу те основные вехи, которые все-таки в авиации были. Первое, конечно, неудачные полеты в 1881-1883 гг. Первый самолет Можайского Александра Федоровича. Хотя он две попытки сделал, третью не успел. Но, как мы ни старались быть первооткрывателями в области авиации, мы все признали, что мы не взлетели. Мы не оторвались от земли. Мы признали это.

Все-таки братья Райт 17 декабря 1903 года удачно на аэроплане оторвались на три с лишним метра от земли. Но самое интересное другое: они американские герои. А их американцы не признали. Когда старший брат в 1912 году умер, то младший стал доказывать: мы первооткрыватели. Мы те, кто взлетели. Так американцы своих не признали. Тогда, в 1928 году, младший брат продал самолет в музей Англии, насколько я помню. И только тогда американцы опомнились, 1948 году этот самолет выкупили обратно в свой музей.

А дальше такие вещи, как полеты Сикорского, образование наших основных подразделений ЦАГИ, академии Жуковского, и так далее. Первый рейс "Аэрофлота" мы отмечали в 1923 году: "Москва – Нижний Новгород", и наши последующие полеты и космонавтов, и КБ самолетов.

Вот общая структура науки "Аэромеханика". Это общая наука, которая есть везде и всюду. Наша кафедра входит в состав координационных советов кафедр аэродинамики, динамики полетов авиационных вузов страны. В любом вузе – Красноярском, Новосибирском – есть кафедра аэродинамики. Мы с ними породнены. Какие-либо отзывы, рецензии мы должны обязательно писать. У нас это организовал Краснов Николай Федорович, заведующий кафедрой аэродинамики Бауманского института. Он был замминистра высшего образования. Сейчас Юрий Алексеевич Рыжов в МАИ возглавляет этот координационный совет. Мы тоже туда входим.

Аэромеханика подпитывается математикой и физикой. Она базируется на этих предметах. Наша кафедра математическая, и у нас преподаватели в основном выпускники МАИ, физтеховцы, МГУ на кафедре. Поэтому мы математику очень любим. Аэромеханика, которая изучает три направления. Аэростатику, состояние газа обтекаемого: описывается уравнением состояния Менделеева-Клайперона – плотная связь давления, плотность и температура через газовую постоянную. Кинематика газа - это движение газа, которое изучается в этой дисциплине. Взаимодействие тела с газом – аэродинамика. Кто имеет все исходные данные, выдает на динамику, которая входит в правую часть уравнения.

Эти аэродинамические характеристики - почему они важны? Потому что они входят в правую часть динамики полетов. Если мы аэромеханику не знаем, то мы уравнение считать не можем. У нас нет правых частей. Вы представляете, у уравнения нет правых частей? Значит, мы решать не можем. Поэтому знать аэродинамические характеристики очень важно, и их стараются все получить. И каждое КБ ЦАГИ обязательно получает в продувочной на модели. Продувают в ЦАГИ и получают аэродинамические альбомы. Это двухтомник. Очень дорогой. Вы покупаете самолет, к примеру, а в те времена альбомы аэродинамических характеристик стоили 400-500 тысяч рублей, нам буржуи не дают альбомы аэродинамических характеристик: ни "Боинги", ни "Эйрбасы". Они нам все дают: и как самолет эксплуатировать, как кормить пассажиров… Все. Но только не дают аэродинамических характеристик. Мы поэтому не можем просчитать, как ведет себя "Боинг" или "Эйрбас" в наших условиях эксплуатации. В наших сложных, российских, условиях. Не там, где течет Гольфстрим, а именно в наших. Мы не можем. Они нам их не выдают. Поэтому аэродинамика здесь изучается. Это теоретическая аэродинамика, это математика, это системщики-программисты считают дозвуковое обтекание летательного аппарата. Это сложное уравнение эллиптического типа. Чтобы решить уравнение эллиптического типа, нужно ограничить условия: иметь данные до тела, сверху, снизу и сзади. Это очень сложные дозвуковые течения, которые программисты сидят и считают.

Дальше: трансзвуковые течения, когда скорость звука совпадает со скоростью обтекания газа. Здесь уравнения параболические. Лишние ограничения у нас снимаются, потому что противозвукового возмущения не идет. И только сверху, снизу и сзади.

Ну и гиперзвуковые течения - это гиперболическое уравнение. Если будете математикой заниматься, то это попроще уравнение. Почему ракетчики быстро догнали авиацию? Потому что авиация сидела всегда "в звуке", а ракетчики – сразу в сверхзвуки сели. У них уравнение попроще. Они быстро нашу авиацию догнали.

Следующее – про экспериментальную аэродинамику. Кто имеет аэродинамические трубы, умеет получать эти характеристики, кто вам вообще жестко даст требования в ЦАГИ, чтобы турбулентность потоков в трубе была почти нулевая, влияние стенок чтобы было минимальным. Державка, на которой сидит модель, тоже минимально влияла на измерения. Дренажный эксперимент, или весовой, мы вам сейчас покажем, как все это проводится и как исследуется. Поэтому иметь мощные трубы – это очень-очень важно.

ЦАГИ НИО-2 (научно-исследовательское отделение № 2) – это законодатель мод в нашей аэродинамике. Без их печати, без их разрешения ни один самолет не взлетит. И любой летательный аппарат, который кто-либо из вас ни придумал, может быть, махолет какой-нибудь, не пройдет, пока ЦАГИ не поставит свою печать, НИО-2.

Есть прикладная аэродинамика. Это все, что обтекает. Все, на чем можно получить нагрузки с помощью аэродинамических больших формул, соотношений. Есть промышленная аэродинамика: обдувка зданий, какой этажности строить. Вот памятник "Родина-мать" в Киеве – женщина с саблей. Эти монументы – там столько проблем аэродинамических. Они все истыканы дырочками, чтобы уменьшить нагрузки. Там целая наука – прикладная аэродинамика. Автомобилисты – все модели сейчас продуваются в аэродинамических трубах. Знаете, некоторые сзади автомобиля ставят крылышки. Он думает, это из соображений, что образуется подъемная сила и переднее колесо прижимается к полосе, и сцепление лучше, и с точки зрения безопасности лучше. Ерунда. Поток, который идет в наших "Жигулях", идет после окошечка под углом 45 градусов. Там уже срыв потока. Прошло все. Это у буржуев может быть 10-15 градусов – еще поток сохраняется, он пользу приносит. А в наших "Жигулях" эти крылышки поставил умник – это нулевой эффект. Поэтому прикладная аэродинамика тоже очень большое значение имеет.

Я, может быть, вас уже уморил. Сейчас мы с нашими ведущими преподавателями, Константином Олеговичем и Юрием Анатольевичем, покажем работу. Лучше посмотреть, как работает труба, как делаются замеры, как получаются аэродинамические характеристики. И мы вам сейчас это покажем. Может быть, кому-то понравится.

Мы немножко проигрываем, я немного отклонюсь, в сравнении с ракетчиками. Я в КБ Королева работал лет 15, занимался трудными экспериментами. Так вот, почему в мы авиации немного проигрывали ракетчикам? Потому что у Королева есть ЦНИИМаш. У нас в авиации есть ЦАГИ, головная организация по авиации. ЦАГИ – без него никуда. Его не объедешь, пока он не даст законодательство на взлет, разрешение на самолеты. А вот у ракетчиков – ЦНИИМаш: Центральный научно-исследовательский институт машиностроения. Это город Королев, Подлипки. Так вот, у Королева – они дули в трубы, в своих трубах дули, и в ЦАГИ дули, и в Красноармейске трубы тоже были Королевские. У Королева были свои трубы. И всегда сделать сдачу изделия на взлет – садится ЦНИИМаш, садится ЦАГИ и садятся его специалисты из команды Королева и доказывали, почему то или иное плохо. А у нас, получается, в авиации, что нам авиапром сделает – ребята, летайте. Никто не проверял. Мы даже не можем сказать: "Ребята, это не то, не то". Мы проверить не можем их. У нас небольшие трубы были в институте. Потом они тоже исчезли. Поэтому мы все принимаем на веру. Мы проверить ничего не можем.

Рекламой начинал – рекламой закончу: вот наша кафедра. У нас своя эмблема придумана. У нас профиль крыла и на нем АКПЛА – кафедра аэродинамики, конструкции и прочности летательного аппаратов. Мы говорим: "Акапелла – хор девушек, которые весело пляшут и жалобно поют". АКПЛА – это мы. Мы читаем 15 дисциплин. Это дисциплины, которые идут в наборе первого факультета МАИ, бывшая потерянная нами Академия Жуковского, первого факультета. Все эти дисциплины читаются на этой кафедре. Раньше кафедры у нас были аэродинамики, динамики полета, и конструкции отдельно. Но нас в свое время объединили. И, в принципе, мы стали сейчас общей кафедрой, на которой читаем за весь факультет набор этих дисциплин. Сейчас начали выпуск со школой "Аэрофлота" пилотов коммерческой авиации. Мы тоже начали функционировать в этом направлении.

У нас есть три лаборатории: лаборатория аэродинамики, лаборатория конструкции и прочности, лаборатория гидравлики систем. У нас есть классы свои, дорогие, купленные. Есть учебный класс Як-40, у нас есть научная лаборатория. Уже на многих кафедрах нет научных лабораторий, а у нас есть. Мы сохранили науку и мы считаем, если кафедра не имеет науки, значит это инвалид без руки, без ноги. У нас есть это направление, научное, и оно развивается.

Вот лаборатория аэродинамики. Мы сейчас туда придем. У нас есть две трубы: одна учебная, вторая научная. Мы так были щедро одарены, когда научную трубу поставили себе, нам ее по ЦАГовским проектам Дубна изготовила. Их таких три трубы изготовили: нам, чехам и в Красноярск. Чтобы ее обслуживать, нужно 6 человек. Где в наше время найти 6 человек: например, электрик-механик. Начальник лаборатории – один инженер. Все. Конечно, мы сами немножко прошляпили, но разобрались: наши аспиранты, будущие ученые, – они же науку делают, – на малых оборотах, а трубе долго работать нельзя на малых оборотах, сожгли нам обмотки там. Туда мы покупали двигатели, и так далее, и так далее. Зато сами поучились и поумнели. Так что сейчас мы с вами запустим, посмотрим, как это делается.

В лаборатории конструкции прочности - та лаборатория, в которой мы здесь находимся, за этой стеной - там есть стенды, которые нагружают отдельные элементы, нагрузки, изгибающие моменты. Здесь и вибрация, и так далее. Датчики навешенных элементов конструкции, входящих в компоновку самолета или вертолета. И студенты проходят эти лабораторные занятия. У нас в этой лаборатории есть аэродинамический комплекс УЛАК-1. Вот сейчас мы на него тоже посмотрим, мы его запустим вам, покажем. ЦАГИ его сейчас доводит. Вся аппаратура была куплена нами в Харькове: и математическое обеспечение, и блоки. Но потом оказалось, что Харьков – это заграница. И сейчас наше руководство выделило деньги, 1,5 миллиона, и нам всю аппаратуру сейчас ЦАГИ поменял на новую, компактную, современную. Сейчас мы запустим и вам покажем.

Что изучают в лаборатории динамики и аэродинамики полета

Вы сейчас находитесь в лаборатории аэродинамики и динамики полета – в учебной лаборатории, в которой проходят лабораторные работы студентов, можно сказать, всех специальностей, потому что у нас кафедра базовая, дисциплины базовые для всех специальностей, поэтому в той или иной степени студенты всех специальностей здесь оказываются. Естественно, самую большую нагрузку лаборатория воспринимает от механиков-студентов, потому что у них тут проходят и лабораторные по аэродинамике - порядка восьми работ, - здесь проходят работы по динамике полета, когда изучается устойчивость, управляемость летательных аппаратов. У других специальностей лабораторных работ меньше, но, как я говорил, практически все в них участвуют: и электрики, и радисты, и даже связь с общественностью, экономисты - все проходят, потому что у нас авиационная специфика, как летает самолет, должен знать каждый студент.

Данная труба классифицируется как труба малых звуковых скоростей, в принципе этого достаточно для того, чтобы обеспечивать учебный процесс. Максимальная скорость, которая здесь обеспечивается на лабораторных занятиях, – это 30м/с, то есть это порядка 110км/ч. Но, опять же, мы же не производим какие-то серьезные научные вычисления на этой трубе, поэтому подобие по скорости здесь не так важно.

Сейчас у вас в рабочей части трубы (часть, которая располагается за соплом трубы, называется рабочей частью аэродинамической трубы) представлены фактически лабораторные установки, на которых проходят лабораторные занятия. Это лабораторная работа, которую проходят все специальности, называется «приемник воздушного давления». Что такое приемник воздушного давления? Может быть, вы наблюдали: у всех летательных аппаратов есть такого вида насадки в носовых частях (или сейчас они расположены по борту фюзеляжа), у некоторых на крыле устройство для измерения воздушной скорости. Если у автомобиля есть опора на поверхность земли, при вращении колес мы можем пересчитать вращение колес через обороты на скорость. Но тут тоже есть тонкость, потому что колеса проскальзывают, мы получаем неправильные значения скорости, так как, когда колеса срываются в пробуксовку или наоборот затормаживаются при резком торможении, спидометр – прибор для измерения скорости – показывает именно скорость вращения колес фактически. Поэтому, например, в автоспортивных соревнованиях тоже используют приемники воздушного давления, там комбинированный способ измерения скорости.

Приемник воздушного давления (ПВД) основан на принципе замера давления. Владимир Григорьевич упоминал фамилию Бернулли. Есть уравнение Бернулли, которое связывает полное давление, которое возникает в точке, с так называемым статическим давлением (это давление неподвижного потока) и динамическим давлением (это давление, которое создается при движении воздуха).

Принцип ПВД основан на том, что мы с помощью определенных приборов можем снять полное давление в потоке отверстием вначале. Приемник воздушного давления - торцевое отверстие - воспринимает все давление, которое у нас есть в потоке, и статическое давление, то есть давление атмосферы – фактически то самое 760 миллиметров ртутного столба, если мы говорим о стандартном давлении на уровне моря, - и то давление, которое создает движущийся поток. Затем у нас на приемнике воздушного давления отверстие, которое расположено по поверхности (в данном случае это приемник только полного давления), а здесь у нас есть прорезь, и, соответственно, составляющую скорость он же воспринимать не может (такое отверстие не может): мимо проходит поток, но статическое давление воспринимается. Благодаря этому мы можем из полного давления, вычитая статическое давление, получить так называемый скоростной напор - это и есть динамическое давление, - и по формулам с учетом плотности, то есть высоты полета, мы можем получить скорость полета.

Естественно, он имеет определенное ограничение по углу атаки. При изменении угла атаки у нас возникает погрешность, потому что поток уже не под нулевым углом обтекает приемник воздушного давления, поэтому студенты при этой лабораторной работе... Здесь, естественно, все делается вручную. Вообще, вот эта труба как раз отличается тем, что здесь ничего не компьютеризировано: здесь вручную устанавливаются обороты трубы, вычисляется скорость потока, определяется либо с помощью приемника воздушного давления, либо с помощью чашечного анемометра (такой прибор, может быть, видели, используется в метеорологии). Это делается на любой лабораторной работе, поэтому эта лабораторная работа с ПВД обычно первая всегда, чтобы люди поняли, как измерять скорость воздушного потока. А уже непосредственно с установками студенты работают руками.

Что еще? Дальше в центральной части трубы расположена модель на, так скажем, аэродинамических весах. Эти аэродинамические весы механического типа, и их принцип работы аналогичен обычным весам, медицинским. То есть у нас есть некие уровни с грузами, расположенными на них, и при обтекании летательного аппарата воздушным потоком возникает сила - аэродинамическая в общем случае, - которая делится на подъемную и силу сопротивления (есть еще боковая сила, но у нас равномерное прямолинейное движение, поэтому мы рассматриваем только две составляющие: составляющую подъемной силы и составляющую лобового сопротивления). Естественно, при обтекании эта сила возникает, летательный аппарат стремится изменить свое положение, но, так как он прикреплен к весам, у нас происходит отклонение этих уровней соответственно, и, возвращая эти шкалы в горизонтальные положения с помощью грузиков и выравнивая их, мы можем снять данные по силам, действующим на… перевернутые весы для человека фактически.

В принципе, существует автоматизированная система получения аэродинамических характеристик, вы сейчас будете ее наблюдать в аэродинамической трубе УЛАК-1, которая находится напротив, фотографии которой вы уже видели. Там применяются тензовесы, в которых модель устанавливается на специальную державку. И вот это силовое воздействие, которое модель оказывает на державку, приводится в электрический сигнал, и этот электрический сигнал воспринимается вычислительной техникой и соответствующим образом обрабатывается. Уже существует модель описания этого явления, и по аналитическим формулам все это уже пересчитывается непосредственно в коэффициенты силы и моментов. Еще хотел сказать, что мы в аэродинамике, из-за того что пользуемся моделями, нам не выгодно пользоваться абсолютными величинами, такими как сила, момент, измерять ее в килограммах, в Ньютонах или моменты в килограммах на метр, или Ньютон на метр… Здесь нам нужно пользоваться безразмерными величинами, которые можно будет перевести на натурный аппарат, потому что, если мы естественно получим на этой модели подъемную силу полтора килограмма, то нам это ничто не скажет. Мы не будем знать, если построим летательный аппарат с размахом крыла 50 метров, какая потом там будет сила. Нельзя просто геометрически умножить и получить, какая подъемная сила будет там. Поэтому всегда пытаются получить не абсолютные величины, а коэффициенты. Так называемые коэффициенты подъемной силы CY и центрового сопротивления CX и коэффициента моментов.

Чтобы из сил получить коэффициенты, нужно пользоваться так называемой теорией подобий. Это подобие может быть геометрическим, аэродинамическим, массовым и прочие виды. Есть по скорости, это число маха, то есть учет влияния сжимаемости, и прочие есть. По вязкости - число Рейнольдса – и прочие критерии. В принципе, всегда получать подобие по всем критериям, фактически невозможно, поэтому эксперименты всегда делят на определенные участки, чтобы получать нужные нам величины, используя нужные нам критерии подобий.

Тут у вас еще расположен профиль - в данном случае часть крыла, тоже модель части крыла - дренированный. Что это значит? Это значит, что в центральной части этого профиля, если вы близко подойдете, есть сечение, которое дренировано. То есть, есть отверстие, перпендикулярное местной поверхности. Благодаря этому мы можем получать распределение давления по этому профилю. В каждой точке мы можем измерять давление с помощью батарейного манометра. Здесь есть трубочки, каждой трубочке соответствует соответствующее отверстие на нижней и верхней поверхности, там жидкость. При обтекании возникает изменение давления, которое приводит либо к поднятию столба жидкостей, если идет разряжение в верхней части, где есть сообщение с воздушной средой, либо, если там повышенное давление, столб жидкости уменьшается. За счет этого можно даже визуально наблюдать картину распределения давления. Если вы откроете любой учебник аэродинамики, то там эта картина есть. Может быть, даже на плакатах можем что-нибудь такого вида наблюдать. Так, на первый взгляд не видно. Можно в любом случае сказать, вот такого вида нечто, но здесь это уже более, это уже большие скорости полета, здесь скачки уплотнения возникают, вот они, перепады давления идут. Но в общем случае да, можно и так сказать.

Почему я не включаю? Потому что, когда мы включим, будет очень шумно. И тут, в общем-то, можно только что-то показать вручную, и то надо смотреть на приборы, потому что визуально вы вряд ли сможете что-то увидеть. У нас нет визуализации, генераторов дыма, если бы они были, можно было бы, включая генераторы дыма, обтекая модель, наблюдать именно изменения, искривления потока, соответственно, какие-то эффекты визуальные. Поэтому мы можем включить трубу для того, чтобы просто вы услышали, как это работает, в каких условиях у нас проходят лабораторные работы. Давайте сейчас включим. Можете подойти, если интересно. Ну и вот, можете вот сюда смотреть.

Почему современные самолеты могут летать на больших скоростях

Вот видите, есть шкала водяная, вот она заканчивается, видите? И вот смотрите, я буду сейчас перемещать приемник в потоке, изменять угол, и будет изменяться положение этой шкалы. Видите? Я увеличиваю угол атаки, давление падает, потому что поток уже обтекает не под углом ноль, а больше ноля. Это приемник воздушного давления. Зная это изменение давления, мы и находим скорость. Изменяя угол атаки здесь, мы увидим изменения, перемещение этих шкал, благодаря этому снимем данные. Здесь дело в том, что достаточно далеко стоит сам профиль, его обычно ставят, непосредственно вот как сейчас приемник воздушного давления. Дело в том, что краситель, видимо, какой-то нужен. Мы пробовали различные красители, они всегда оседают на стенках, поэтому невозможно ими пользоваться, потому что они, единожды куда-то попав, уже оставят свой след, и невозможно будет увидеть, поэтому приходится приглядываться таким вот образом.

Раз мы с вами перешли к потоку, я хотел бы сказать пару слов, о том, почему труба для научных исследований выглядит именно так. Она имеет намного большие размеры, намного более тяжелая, сложная и шумная, с более мощной системой управления электродвигателем. Электродвигатель стоит непосредственно вот здесь (если снять этот кок, там он расположен). Там электродвигатель - это уже отдельно стоящий элемент, через муфту которого момент подает на вентилятор.

В чем проблема измерений? Почему здесь нельзя получить достаточно точные для нас измерения? Если у нас здесь стоит вентилятор, он вот в этом сечении трубы закручивает поток, потому что он вращается. Поток движется сюда, здесь сечение уменьшается для того, чтобы увеличить скорость, и здесь у нас стоят - вот в этом сечении где-то - стоят выпрямляющие решетки, которые пытаются его выпрямить. Но, естественно, на таком плече и с помощью одной решетки выпрямить поток абсолютно нельзя, а нам, из-за того что мы пытаемся моделировать условия полета, более-менее спокойную атмосферу, необходимо поток выровнять, чтобы поле скоростей по сечению трубы было равномерным. Примерно схожим и по оси X и по оси Y, и в пространстве в принципе, по длине рабочей части. Здесь, естественно, как только поток выходит из рабочей части, начинается перетекание, то есть тут будет не такой жгут, а намного более широкий конус, и здесь уже идет потеря скорости, поэтому здесь у решетки образуется вихрь, который отклоняет поток вверх, и соответственно приходится все эти модели ставить как можно ближе к трубе, потому что очень большие потери идут сразу при выходе потока из трубы. Поэтому эта труба, как я уже говорил, используется для лабораторных. Здесь важно: установки, как я уже говорил, таким образом созданы, чтобы студент, чтобы он понимал физику, чтобы он чувствовал. Сейчас, к сожалению, у нас тут все заставлено, каждую лабораторную работу надо проводить отдельно, щупать, устанавливать в разных положениях модели, те же самые приемники, профили, и таким образом снимать показания. Все это требует приборов, визуализации тут нет. Но с помощью механических весов непосредственно можно наблюдать изменение усилий на весах. То есть можно непосредственно почувствовать возникновение подъемной силы.

Сейчас весы находятся на реконструкции, и это фактически система управления только скоростью потока. Вот скорость потока, которую мы сейчас можем задать вручную. Можем по оборотам управлять, можем по скорости - и он показывает давление (в данном случае он показывает "дельта T"), фактически изменения давления и, естественно, параметры атмосферы, потому что это очень важно в аэродинамике, это фактически свойство воздуха, которое определяет то, как он будет взаимодействовать с телом и с обтеканием в трубе. Видите, труба – написано - готова к запуску, все у нас вроде бы включено и можно запускать. Переходим к управлению по скоростям, давайте зададим какую-то последовательность изменения скорости. Это уже метры в секунду непосредственно, можно до 20 дойти и обратно, давайте 4 и 0.

Давайте запустим такую систему. У нас начинается рост скорости. Красные шкалы - это заданные значения. По скорости управлять сложнее, потому что каким-то оборотам соответствует какая-то скорость, то должно идти постоянное сравнение, то есть методом интерации мы управляем по скорости, потому что непосредственно управляется по оборотам. Вот он достиг фактически скорости 5 м/с с заданной погрешностью. Как только мы выходим на режим, загорается возможность перейти на следующий режим, что мы и выполняем.

Следующая заданная скорость – 9 м/с. Можете наблюдать красную стрелку. Он выходит на следующий режим. Чем выше скорость, тем сложнее ему подстроиться, поэтому тем дольше он будет выходить на следующий режим, поэтому, видите, он уже по чуть-чуть добавляет в систему управления.

Сама система управления двигателя – это шкаф, который справа от вас расположен, там стоят блоки управления: схемы, платы, конденсаторы, и прочее. После выключения трубы в следующий раз ее можно запускать не менее чем через полчаса, пока разрядятся конденсаторы, - и она опять войдет в рабочее состояние. Сейчас он зацепится. Вот, вышли на режим, соответственно, можно идти на следующий режим.

Пользуясь ручным управлением, можно более активно изменять параметры работы вентилятора, но непосредственно по оборотам, а не по скорости. Но с помощью компьютера он, конечно, более аккуратно работает с трубой. При работающих весах - у нас двухпозиционные они, то есть мы можем изменять угол атаки с помощью вот этой зубчатой передачи, то есть, если мы на этот мотор подаем сигнал, он проворачивает передачу, соответственно, меняется угол атаки, то есть положение самолета в трубе. И угол рыскания аналогично, то есть вот такое положение самолета. Раньше несколько таких шкафов синего цвета были фактически системой управления весами, сейчас это все пытаются засунуть, оставить фактически пару блоков и оцифровать, потому что там все аналоговое, а здесь все будет цифровое.

Вот у нас вышел на режим 13м/с. Давайте до максимальной заданной мною скорости мы дойдем и затем уже будем отключаться. Сейчас пройдем резонанс. В-общем, принцип управления трубой вот такой. Можно нажать «стоп», и тогда он сам уже на отметке ноль. После остановки мы можем перейти в ручной режим, могу показать вам приемистость трубы, это именно аэродинамические характеристики, потому что компьютер аккуратно с ней работает.

Видите, труба остановилась, поток еще продолжал двигаться, поэтому скорость еще была, и здесь, соответственно, его надо выключить и включить снова, для того чтобы у нас уже смогла работать на ручном режиме. Тут намного интенсивнее можно работать с трубой, скоростью. Можно сейчас посмотреть, дождаться, пока самолетик начнет трепыхаться, потому что он не абсолютно жесткое тело, и у него могут возникать колебания, в том числе крыла, и посмотрите, на какой скорости это будет происходить у нас. Видите, крыло начинает. Вот, 37 м/c.

Мы сейчас с вами могли наблюдать так называемое явление Флаттера, это вынужденные колебания крыла. Это связано с тем, что крыло не абсолютно жесткое, и, мало того, там есть такое понятие, как центр давления, центр жесткости и центр масс. У любой системы, которая обтекается воздушным потоком, и они не совпадают, в связи с этим возникают колебания, потому что все вращается относительно центра масс, а подъемная сила действует в центре давления. И любое воздушное судно имеет максимальное ограничение скорости по факту. То есть обычно все современные воздушные суда магистральные, они имеют такую высокую тягу, что могут летать с большими скоростями, с которыми они летают в данный момент, но из-за того, что конструкция не является цельной (она полая, имеет достаточно ажурную силовую конструкцию, для того чтобы иметь минимальную массу, соответственно она не абсолютно жесткая)...

Максимальная скорость ограничивается флаттером, если летательный аппарат увеличит режим работы двигателя на крейсерской высоте, крейсерском полете, он может разогнаться до такой степени, когда начнутся такого рода явления. Это касается и снижения этапов, поэтому самолет обычно заходит на посадку, снижается с меньшей скоростью, потому что там еще составляющая скорости, которая разгоняет, появляется от силы тяжести. В принципе, такие колебания… если их вовремя не заставить затухнуть, то это может привести к разрушению конструкции, потому что это накопление усталостных повреждений идет очень быстро, амплитуда растет, и может доходить до того, что у нас может и отрыв консоли произойти, и разрушение всей конструкции самолета. Так что мы вполне можем сказать, что критической скоростью возникновения флаттера для данной модели можно считать 35 м/с примерно, потому что на 37 он уже достаточно сильно колебался.

Вот на базовом уровне тот спектр задач, который здесь можем наблюдать. Как я уже сказал, все в процессе модернизации. Труба аттестована ЦАГИ по полю скоростей, это тоже отдельная работа. Вот она сама. Из-за того что мы с компьютером с ней перестали работать, она сама закрылась, потому что мы уже перешли на ручное управление. Такие трубы в большем размере используются в ЦАГИ. Если вы были в Жуковском, может быть, видели там: труба даже стоит вне здания, вертикальная, пристроена к зданию. Она в общем-то является частью конструкции здания. Там модель вешается вертикально, так как нам в принципе это даже в какой-то степени, с точки зрения проведения эксперимента лучше, потому что нет той составляющей силы тяжести, которая действует на летательный аппарат. То есть подъемная сила будет возникать горизонтально, так скажем, будет вертикально висеть, и тогда нам не надо учитывать составляющую силу тяжести и вычитать, чтобы получить непосредственно подъемную силу. Но это больше из компоновочных соображений, потому что если трубу делать горизонтальной, то она больше места будет занимать, чем вертикально. Там тоже циркулирует воздух по всему тракту, для того чтобы обеспечивать равномерное обтекание.