Аэродинамическая труба

Аэродинами́ческая труба́ — техническое устройство, предназначенное для моделирования воздействия среды на движущиеся в ней тела. Применение труб в аэродинамике базируется на принципе обратимости движений и теории подобия физических явлений. Объектами испытаний в аэродинамических трубах являются модели натурных летательных аппаратов или их элементов (геометрически подобные, упруго подобные, термически подобные и т. д.), натурные объекты или их элементы, образцы материалов (унос материалов, каталитичность поверхности и т. д.).

Аэродинамическая труба (ГУМРФ) с открытой рабочей частью

Вертикальная аэродинамическая труба Т-105 в Центральном аэрогидродинамическом институте в Подмосковном Жуковском, построенная в 1941 году для испытаний моделей самолётов на штопор

Аэродинамическая труба состоит из одного или нескольких вентиляторов (или других устройств нагнетания воздуха), которые нагнетают воздух в трубу, где находится модель исследуемого тела, тем самым создаётся эффект движения тела в воздухе с большой скоростью (принцип обращения движения).

Аэродинамические трубы классифицируют по диапазону возможных скоростей потока (дозвуковые, трансзвуковые, сверхзвуковые, гиперзвуковые), размеру и типу рабочей части (открытая, закрытая), а также поджатию — соотношению площадей поперечных сечений сопла трубы и форкамеры. Также существуют отдельные группы аэродинамических труб:

• Высокотемпературные — дополнительно позволяют изучать влияние больших температур и связанных с ними явлений (диссоциации) и ионизации газов.
• Высотные — для исследования обтекания моделей разреженным газом (имитация полёта на большой высоте).
• Аэроакустические — для исследования влияния акустических полей на прочность конструкции, работу приборов и т. п.

Исследование характеристик надводных и подводных частей корпуса судов приходится выполнять с использованием дублированных моделей, что позволяет удовлетворить условию непротекания по поверхности раздела сред. В качестве альтернативы возможно использование специального экрана, имитирующего поверхность воды.

Центральный аэродинамический институт имеет 60 различных аэродинамических труб для скоростей от 10 м/с до M=25, некоторые из них (СМГДУ с (магнитогидродинамическим) разгоном до 8000 м/с, УСГД с давлением торможения 5000 атм) уникальны.

«Типовые» эксперименты

Импеллер (рабочее колесо) аэродинамической трубы (ГУМРФ)

Дублированная модель надводной части судна в аэродинамической трубе (ГУМРФ)

Измерение давлений по поверхности тела

Для исследования необходимо изготовить дренированную модель тела — в поверхности модели выполняются отверстия, которые соединяются шлангами с (манометрами).

В гидромеханике доказано, что давление без изменений передается поперек пограничного слоя, что позволяет рассчитать тела по результатам измерения давлений.

Измерение сил и моментов, действующих на тело

Для исследования необходимо подвесить модель на многокомпонентном (динамометре) ((аэродинамические весы)) либо на системе растяжек, позволяющей измерять натяжение каждой растяжки.

Пересчет сил и моментов, действующих на тело, осуществляется в соответствии с критерием подобия Рейнольдса.

Визуализация течений

Для решения этой задачи используют шерстяные нити (шелковинки), наклеенные на поверхность модели либо закрепленные на проволочной сетке. Возможна постановка эксперимента с подачей цветного дыма в характерные зоны потока, но продолжительность такого эксперимента (в трубах с повторной циркуляцией воздуха), как правило, весьма мала вследствие общего задымления всего аэродинамического тракта.

История

Первая в мире аэродинамическая трубы была построена 1871 году членом Совета Королевского авиационного общества Великобритании (Фрэнсисом Гербертом Уэнхемом) (англ. Francis Herbert Wenham). Уэнхем использовал свою аэродинамическую трубу для исследований несущих свойств крыла.

В 1897 году К. Э. Циолковский построил прототип аэродинамической трубы собственной конструкции, использовав поток воздуха на выходе из центробежного вентилятора, и впервые в России применил этот агрегат для изучения эффектов, проявляющихся при обтекании твёрдых тел (самолётов, автомобилей, ракет) воздушным потоком.

Под руководством (Н. Е. Жуковского) при механическом кабинете Московского университета в 1902 году была сооружена аэродинамическая труба, в которой осевым вентилятором создавался воздушный поток со скоростью до 9 м/с.

Первая аэродинамическая труба разомкнутой схемы была создана Т. Стантоном в Национальной физической лаборатории в Лондоне в 1903 году., вторая — Н. Е. Жуковским в Москве в 1906 году.

Первая замкнутая аэродинамическая труба построена в 1909 году в Гёттингене (Людвигом Прандтлем), вторая — в 1910 году Т. Стантоном.

Первая аэродинамическая труба со свободной струёй в рабочей части была построена (Гюставом Эйфелем) в Париже на (Марсовом поле) в 1909 году.

Дальнейшее развитие шло преимущественно по пути увеличения их размеров и повышения скорости потока в рабочей части (где помещается модель).

В 1934 году в районе Берлина построена (Большая аэродинамическая труба (Адлерсхоф)) для аэродинамического моделирования. В трубе диаметром от 8,5 до 12 м размещались части самолётов и изучалось воздействие на них горизонтальных воздушных потоков. Особенностью данной аэродинамической трубы является бетонное сооружение «Zeiss-Dywidag» с толщиной стенок всего 8 сантиметров. В настоящее время сохраняется как памятник промышленной архитектуры в составе (Аэродинамического парка).

Впервые человек взлетел в вертикальной аэродинамической трубе в 1964 году на авиабазе ^[англ.] в Огайо.

Испытание макета самолёта (MD-11) в аэродинамической трубе в Исследовательском центре Эймса.

См. также

• (Вертикальная аэродинамическая труба)
• (Исследования на баллистической трассе)
• (АДТ-128)
• (Ландшафтная аэродинамическая труба Крыловского государственного научного центра)

Примечания

1. ЦАГИ — Экспериментальная база  (неопр.). Дата обращения: 28 октября 2012. 30 октября 2012 года.
2. Соболев Д. А. История самолётов. Начальный период. — М.: РОССПЭН, 1995. — 343 с.

Литература

• Гофман А. Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна. — Л.: , 1988.
• Справочник по теории корабля. В трёх томах / Я.И. Войткунский. — Л.: , 1987. — Т. 1.
• Физическая энциклопедия / А.М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 161—164. — 704 с. — 100 000 экз.

Ссылки

• Аэродинамическая труба // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Аэродинамическая труба в Физической энциклопедии
• Опыты с аэродинамической трубой на YouTube
• Первый полет в аэродинамической трубе в России на YouTube