Техника и методы аэрофизического эксперимента


РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ»

д-р техн, наук, проф. (председатель) НВ. Пустовой д-р техн. наук, проф. (зам. председателя) ГИ Расторгуев

д-р техн. наук, проф. А.А. Батаев
д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов
д-р техн. наук, проф. В.И. Гужов
д-р техн. наук, проф. В.А. Гридчин
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г Дубровский
д-р экон. наук, проф. К.Т. Джурабаев
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев
д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков
д-р техн. наук, проф. В.И. Максименко
д-р техн. наук, проф. Х.М. Рахимянов
д-р техн. наук, проф. Ю.Г Соловейчик
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор
д-р экон. наук, проф. ВИ. Титова
д-р техн. наук, проф. А. Ф. Шевченко
д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров

А.М. ХАРИТОНОВ




ТЕХНИКА И МЕТОДЫ АЭРОФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА













НОВОСИБИРСК
2010

УДК 533.6.01(075.8)
     Х207





Рецензенты:
академик РАН, проф. Э.П. Волчков, канд. техн. наук, лауреат Государственной премии С.Г. Деришев


      Харитонов А.М.
X 207 Техника и методы агрофизического эксперимента: учебник / А.М. Харитонов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - 643 с. - (Серия «Учебники НГТУ»).
           ISBN 978-5-7782-1683-9
           Изложены основы моделирования условий полета летательных аппаратов в агрофизическом эксперименте и подробно рассматривается техника экспериментирования при дозвуковых, трансзвуковых, сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях. Обсуждаются основные принципы, схемные и конструктивные особенности современных аэродинамических труб и газодинамических установок. Детально описаны самые современные средства и методы измерений параметров потока и визуализации течений.
           В таком объеме эти проблемы рассмотрены лишь в монографиях, которые вышли из печати в 60-х годах прошлого столетия. С одной стороны, они уже стали библиографической редкостью, а с другой, за прошедшие почти 40 лет появились существенно отличающиеся, новые экспериментальные установки. Техника и методы агрофизического зксперимента обогатились новыми принципами и методологией исследований. Значительно ускорился процесс совершенствования измерительных средств и оборудования для азродинамических лабораторий. В практику зкспериментальной агро динамики все больше внедряются новые достижения физики и глектроники. Эти соображения послужили основанием для переиздания учебника, который был опубликован в двух частях: в 2005 г. - часть 1, а в 2007 г. - часть 2. Настоящее, второе, издание наряду с исправлениями и добавлениями включает обе части.
           Книга рассчитана на студентов старших курсов вузов, специализирующихся в области авиа- и ракетостроения, и будет полезной аспирантам, инженерам, а также научным работникам авиационно-космической и других отраслей промышленности.

УДК 533.6.01(075.8)

ISBN 978-5-7782-1683-9                          © Харитонов А.М., 2011
© Новосибирский государственный технический университет, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие...........................................................11

Введение...............................................................14

Основные обозначения.....................................23
Ч а с т ь 1. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ.........................................27

Глава 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ В АЭРОФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ.29

   1.1. Условия динамического подобия потоков........................29
     1.1.1. Условия подобия сил трения при ламинарном течении и сил инерции ...........................................................31
     1.1.2. Условия подобия сил трения и сил инерции при турбулентном течении........................................................33
     1.1.3. Условия подобия сил тяжести и сил инерции................34
     1.1.4. Условия подобия сил давления в несжимаемой жидкости и сил инерции........................................................35
     1.1.5. Условия подобия сил давления в сжимаемой жидкости и сил инерции........................................................36
     1.1.6. Условия подобия сил инерции при неустановившемся течении.38
     1.1.7. Условия подобия аэродинамических сил и сил упругости.....39
   1.2. Условия теплового подобия потоков............................41
   1.3. Метод размерностей. л-теорема................................44
   1.4. Полное и частичное подобие...................................47
   1.5. Трубы переменной плотности...................................49
   1.6. Моделирование при гиперзвуковых скоростях....................51
Глава 2. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ ДОЗВУКОВЫХ СКОРОСТЕЙ.................55

   2.1. Основные элементы аэродинамических труб малых скоростей.......56
   2.2. Форкамера.....................................................58
   2.3. Сопло.........................................................62

   2.4. Рабочая часть..................................................68
   2.5. Диффузор.......................................................70
   2.6. Вентиляторная установка и поворотные колена....................73
   2.7. Качество и экономичность труб..................................75
   2.8. Расчет аэродинамических труб малых скоростей...................76

Глава 3. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ...81

   3.1. Трансзвуковые аэродинамические трубы............................82
     3.1.1. Сверхзвуковое течение в рабочей части с камерой Эйфеля......86
     3.1.2. Течение в рабочей части с замкнутой камерой Эйфеля..........87
   3.2. Выравнивающее действие перфорированной границы в сверхзвуковых течениях..............................................................91
   3.3. Расчет течений в рабочей части с незамкнутой камерой Эйфеля.....95
   3.4. Течение в околозвуковой рабочей части при наличии в ней модели..98
   3.5. Трансзвуковые трубы криогенного типа...........................101

Глава 4. ИДЕАЛЬНОЕ ТЕЧЕНИЕ В СВЕРХЗВУКОВЫХ ТРУБАХ..107

   4.1. Сопла сверхзвуковых труб........................................
   4.2. Рабочие части сверхзвуковых аэродинамических труб...............
   4.3. Диффузоры сверхзвуковых аэродинамических труб...................
   4.4. Газовый эжектор.................................................
     4.4.1. Основные уравнения эжектора.................................
     4.4.2. Газовый эжектор с перфорированным соплом....................
   4.5. Осушка и подогрев воздуха.......................................
   4.6. Конденсация воздуха. Необходимость подогрева осушенного воздуха.
   4.7. Сверхзвуковая труба ИТПМ Т-313..................................

107
113
119
127
131
135
136
139
142

Глава 5. ГИПЕРЗВУКОВЫЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ.....147

  5.1. Трубы Людвига.........................................151
  5.2. Импульсные трубы с разрядной камерой..................153
  5.3. Ударные трубы.........................................163
  5.4. Ударные трубы с легким и тяжелым поршнем..............175
  5.5. Аэродинамические трубы адиабатического сжатия.........178
  5.6. Баллистические трассы.................................188
  5.7. Гиперскоростные аэродинамические трубы с МГД-ускорением потока воздуха...................................................193
Часть!. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АЭРОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ............197
Глава 6. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.......................................................199

   6.1. Механические весы..............................................202
   6.2. Весовые элементы аэродинамических весов........................210
   6.3. Аэродинамические весы механического типа АВ-313М................214
   6.4. Аэродинамические весы тензометрического типа...................220
     6.4.1. Тензодатчики сопротивления.................................221
     6.4.2. Принципы устройства тензометрических весов.................226
     6.4.3. Градуировка внутримодельных аэродинамических весов.........236

ОГЛАВЛЕНИЕ

7

   6.5. Комбинированные измерения аэродинамических характеристик.......240

   6.6. Электромагнитные весы........................................248

Глава 7. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ДАВЛЕНИЙ.................257

   7.1. Измерения статических давлений....................................257
      7.1.1. Измерения распределения статических давлений на моделях......258
      7.1.2. Приемники статических давлений...............................262

   7.2. Измерения полного давления...................................266
   7.3. Пневмометрические методы измерения скоростей.................273
   7.4. Источники погрешностей измерения давлений....................282
   7.5. Регистрирующие приборы для измерения давлений................286
     7.5.1. Жидкостные монометры.....................................287
     7.5.2. Механические монометры...................................292
     7.5.3. Электрические датчики давления...........................295
   7.6. Многоточечные измерения давлений в аэродинамическом эксперименте.303

Глава 8. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУР И ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ.311

   8.1. Методы и средства измерения температуры....................312
     8.1.1. Основные понятия и определения.........................312
     8.1.2. Контактные методы измерения температур.................315
     8.1.3. Бесконтактные методы измерения температуры.............321
     8.1.4. Оптическая пирометрия..................................323
     8.1.5. Термоиндикаторные покрытия.............................326
   8.2. Методы измерения тепловых потоков..........................331
     8.2.1. Калориметрический метод измерения тепловых потоков.....332
     8.2.2. Градиентные датчики теплового потока...................338
     8.2.3. Методика определения тепловых потоков с использованием термоиндикаторных покрытий....................................341
     8.2.4. Тепловизионный метод измерения тепловых потоков........345
     8.2.5. Оптический метод измерения тепловых потоков............350
Глава 9. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНИХ И МГНОВЕННЫХ СКОРОСТЕЙ..........................................................355

   9.1. Методы, основанные на измерении скорости введенных в поток частиц.356
     9.1.1. Измерение скорости посредством трассирования потока ионами....357
     9.1.2. Измерение скорости с помощью светящихся частиц.............358
     9.1.3. Лазерные доплеровские измерители скорости (ЛДИС)..............359
   9.2. Измерение средних и мгновенных скоростей с помощью термоанемометра...............................................................365
     9.2.1 . Градуировка термоанемометрических зондов..................373
     9.2.2 Тепловые потери нити при сверхзвуковых скоростях............377
     9.2.3 Метод измерения напряжений Рейнольдса.......................385

9.3. Другие методы измерения скоростей.........................389
     9.3.1. Акустический анемометр................................389
     9.3.2. Методы, основанные на измерении подъемной силы и сопротивления.......................................................394
     9.3.3. Метод рассеянного света для измерения пульсационных характеристик ламинарных и турбулентных течений жидкостей..........396
     9.3.4. Электроискровой метод измерения скорости.............399
Глава 10. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОГО ТРЕНИЯ.................403

   10.1 Прямые методы измерения поверхностного трения................405
     10.1.1. Метод плавающего элемента...............................405
     10.1.2. Метод лазерной интерферометрии масляной пленки..........411
   10.2. Косвенные методы измерения поверхностного трения............416
     10.2.1. Методы, основанные на универсальности профилей скорости в турбулентном пограничном слое.................................416
         10.2.1.1. Поверхностные трубки полного напора...............421
         10.2.1.2. Метод Престона....................................424
     10.2.2. Методы, основанные на обтекании препятствий в пограничном слое............................................................427
     10.2.3. Метод аналогий между поверхностным трением и теплопередачей ............................................................431
     10.2.4. Методы поверхностных линий тока.........................436
   10.3. Электродиффузионный метод измерения поверхностного трения...441
Глава 11. МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЙ................................445

   11.1. Методы визуализации течений капельных жидкостей и газовых потоков..............................................................
     11.1.1. Красящие вещества (введение красителей и/или электрохимия)...
     11.1.2. Метод водородных пузырьков.............................
     11.1.3. Введение в поток твердых частиц........................
     11.1.4. Введение в поток дыма..................................
   11.2. Методы визуализации течений в пристенных областях моделей..
     11.2.1. Метод шелковинок.......................................
     11.2.2. Маслосажевая визуализация поверхностных линий тока.....
     11.2.3. Метод стробоскопической визуализации потоков...........
     11.2.4. Метод визуализации полей скорости по изображениям движущихся частиц.............................................
     11.2.5. Метод визуализации поверхностных давлений..............
   11.3. Оптические методы визуализации течений.....................
     11.3.1. Теневые методы исследований газовых потоков............
     11.3.2. Интерференционные методы...............................
     11.3.3. Голографические методы.................................

447
447
450
452
455
458
458
460
463

466
470
472
473
481
485

ОГЛАВЛЕНИЕ

9

     11.3.4. Метод «лазерного ножа».......................................487
     11.3.5. Электронно-пучковая диагностика..............................493

Глава 12. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА......................................497

   12.1. Основные понятия автоматизированного эксперимента...........497
     12.1.1. Цели и задачи автоматизации экспериментальных исследований.498
     12.1.2. Типовая схема системы автоматизации экспериментальных исследований......................................................499
   12.2. Измерительная система.......................................501
     12.2.1. Сигналы в измерительной системе.........................501
     12.2.2. Электронные компоненты измерительной системы............502
   12.3. Подключение экспериментального оборудования к ЭВМ...........505
     12.3.1. Непосредственное подключение оборудования к компьютеру..505
     12.3.2. Магистрально-модульные системы сбора данных. Система КАМАК...........................................................506
   12.4. Автоматизированные комплексы сбора экспериментальных данных.510
     12.4.1. Автоматизация сбора данных медленно протекающих процессов..510
     12.4.2. Системы сбора данных быстро протекающих процессов.......511
     12.4.3. Автоматизация весовых испытаний.........................512
   12.5. Системы сбора и обработки экспериментальных данных..........514
     12.5.1. Типовой измерительный комплекс в стандарте КАМАК........514
     12.5.2. Встраиваемые системы сбора экспериментальных данных.....515
     12.5.3. Одно- и многоуровневые системы автоматизации...............517
     12.5.4. Системы ввода и обработки панорамных изображений........519
12.6. Информационные технологии в системах автоматизации эксперимента................................................................520
     12.6.1. Хранение экспериментальных данных в ЭВМ.................520
     12.6.2. Сетевые технологии в автоматизированном эксперименте....524
   12.7. Программное обеспечение систем автоматизации................527
     12.7.1. Использование штатного программного обеспечения.........528
     12.7.2. Разработка специализированного программного обеспечения.529
     12.7.3. Система графического программирования LabVIEW...........531
     12.7.4. Использование системы MATLAB для обработки данных.......533
Глава 13. ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА..................537

   13.1. Погрешности средств измерений и результатов измерений.......538
     13.1.1. Классификация погрешностей средств и результатов измерений.538
     13.1.2. Методы нормирования погрешностей средств измерений......543
     13.1.3. Классы точности.........................................544
     13.1.4. Оценка погрешности результатов измерения по паспортным данным средств измерений...........................................546

13.1.5. Правила округления значения результата измерения и его погрешности .........................................................547
     13.1.6. Оценка погрешности косвенных измерений.....................548
     13.1.7. Погрешности определения числа Маха в аэродинамическом эксперименте ........................................................553
13.2. Методы вероятностного описания результатов измерений и их погрешностей..........................................................557
     13.2.1. Описание случайных величин с помощью функции распределения ..............................................................559
     13.2.2. Математическое ожидание и дисперсия........................564
     13.2.3. Нормальный закон распределения случайных величин...........569
     13.2.4. Точечные оценки............................................573
     13.2.5. Оценки параметров с помощью интервалов.....................577
   13.3. Математическая обработка исправленных результатов измерений....588
     13.3.1. Обнаружение грубых погрешностей............................588
     13.3.2. Способы обнаружения систематических погрешностей...........590
     13.3.3. Проверка нормальности распределения результатов измерений..594
     13.3.4. Обработка результатов прямых измерений.....................597
     13.3.5. Обработка результатов косвенных измерений..................602

Приложение.......................................................607

П1. Таблица для расчета изоэнтропических течений.........................607
П2. Таблица для расчета соотношений на прямом скачке.....................613
П3. Углы распространения слабых возмущений «о и функции Прандтля-Майера f (М).........................................................618
П4.1-П4.3. Таблицы к главе 13............................................621

Библиографический список

625

            Предисловие







основу книги положен цикл лекций, который тридцать лет читается студентам четвертого курса факультета летательных аппаратов

Новосибирского государственного технического университета, специализирующимся по гидроаэромеханике. Этот цикл включает два самостоятельных раздела и призван ознакомить студентов с разнообразием аэродинамических труб и газодинамических установок, а также с методами и средствами измерений параметров потока и характеристик обтекания моделей летательных аппаратов во всем диапазоне от малых дозвуковых до гиперзвуковых скоростей.

В книгу включены также две главы, которые являются предметом отдельных курсов, но вместе с тем дополняют общую методологию экспериментирования: глава 12 «Средства автоматизации аэродинамического эксперимента» написана доцентом, канд. физ.-мат. наук В.М. Гилевым и глава 13 «Основы обработки результатов эксперимента» - доцентом, канд. физ.-мат. наук И.И. Мажуль.
     В таком объеме эти проблемы рассмотрены лишь в монографиях [1, 2, 68, 70], которые вышли из печати в середине 60-х - 70-х годов прошлого столетия. С одной стороны, они уже стали библиографической редкостью, а с другой - за прошедшие 40 лет и техника, и методы аэрофизического эксперимента обогатились новыми принципами и методологией исследований. Что же касается большого числа книг по аэрогазодинамике, изданных как в России, так и в других странах, то в них упомянутые выше проблемы обсуждаются избирательно и/или весьма конспективно. Эти соображения послужили основанием для переиздания двух книг, опубликованных в разные годы в серии «Учебники НГТУ»: часть 1 - в 2005 г., часть 2 - в 2007 г. Настоящее, второе, издание этого учебника, наряду с исправлениями и добавлениями объединяет обе части в один том. В нем использован материал некоторых учебников, монографий и статей, опубликованных в последние годы, список которых приве

ден в конце книги.
     В последние два десятилетия появились новые экспериментальные установки, существенно отличающиеся от прежних. Значительно ускорился процесс совершенствования измерительных средств и оборудования для аэроди-

намических лабораторий. В практику экспериментальной аэродинамики все больше внедряются новые достижения физики и электроники. Особенно активно экспериментальные установки оснащаются новыми оптическими методами и средствами, такими как лазерные, голографические, томографические и др. Освоение и дальнейшее развитие методологии аэрофизического эксперимента являются предпосылкой решения новых задач аэрогазодинамики, которые возникают перед создателями будущей аэрокосмической техники.
     Поэтому каждый инженер-авиаракетостроитель независимо от его узкой специальности должен уметь правильно поставить эксперимент, оценить точность полученных в опытах результатов и сделать правильные выводы. Наряду с этим для валидации развивающихся численных методов исследований необходимы достоверные и полные экспериментальные данные. И в этом случае вычислитель, научный сотрудник должен понимать условия, в которых они получены, уметь оценить доверительный интервал, с тем чтобы выявить чувствительность принятых допущений к вариации тех или иных параметров.
     С целью более глубокого усвоения курса студентам предлагается выполнить курсовой проект, включающий выбор и обоснование аэродинамического контура дозвуковой, сверхзвуковой или гиперзвуковой трубы. При этом студент должен провести необходимые расчеты, позволяющие определить потребную мощность на валу привода для труб непрерывного действия или при заданном давлении и времени рабочего режима вычислить необходимый объем газгольдеров. В случае эжекторных труб проводится расчет основных параметров газовых эжекторов. Для гиперзвуковых труб следует также определить температуру подогрева во избежание конденсации компонентов воздуха. Курсовая работа завершается выполнением эскизного проекта одного из элементов выбранного контура трубы.
     Более глубокому усвоению методологии измерений, изложенной во второй части учебника, способствует проведение на экспериментальных установках цикла лабораторных работ по измерению различных характеристик потока.
     Таким образом, эта книга состоит из двух частей двухсеместрового курса лекций.
     Первая часть включает следующие главы.
     1. Моделирование в аэрофизическом эксперименте.
     2. Аэродинамические трубы дозвуковых скоростей.
     3. Высокоскоростные аэродинамические трубы.
     4. Идеальное течение в сверхзвуковых трубах.
     5. Гиперзвуковые трубы.

ПРЕДИСЛОВИЕ

13

     Вторая часть учебника включает следующие главы.
     6. Методы измерений аэродинамических характеристик.
     7. Методы измерений давлений.
     8. Методы измерений температур и тепловых потоков.
     9. Методы измерения средних и мгновенных скоростей.
     10. Методы измерений поверхностного трения.
     11. Методы визуализации течений.
     12. Средства автоматизации аэродинамического эксперимента.
     13. Основы обработки результатов эксперимента.
     Учебник полностью соответствует Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования по подготовке дипломированных инженеров по специальности 652500 «Гидроаэродинамика и динамика полета».
     Настоящее издание может быть полезным также аспирантам, инженерам и научным сотрудникам, выполняющим экспериментальные исследования в аэродинамических трубах и/или занимающимся вопросами авиационной и космической техники.

     Выражаю свою признательность академику РАН, профессору Э.П. Волчкову и канд. техн. наук С.Г. Деришеву, сделавшим ряд ценных замечаний при рецензировании работы, а также профессору А.А. Кураеву за полезные советы и пожелания.
     В течение трех десятилетий я читаю упомянутый выше курс лекций, постоянно общаясь с коллегами, с которыми я работал и обсуждал эти проблемы все эти годы. Считаю своим долгом выразить всем им безмерную благодарность.
     При подготовке рукописи к печати неоценимую помощь автору оказали Т.В. Ветровская, М.Г. Рудакова, Л.И. Каюкова. Всем автор выражает искреннюю признательность.

А.М. Харитонов

        Введение







     (1 Састоящий курс лекций преследует цель ознакомить читателей с сок/ L временной техникой и методологией аэрогазодинамического эксперимента. К технике эксперимента обычно относят аэродинамические трубы и измерительные средства, которые применяются для исследования характеристик механического взаимодействия между средой и твердым или упругим телом, движущимся в этой среде. Методология аэродинамического эксперимента охватывает круг вопросов, связанных с измерениями широкого спектра характеристик, определением точности измерений и обработкой полученных результатов, методами планирования эксперимента на основе теории моделирования изучаемых явлений, теорий ошибок и математической статистики.
     Аэродинамическими трубами называются лабораторные установки, которые создают эталонный поток заданных параметров для изучения характеристик обтекания твердых тел. Помещая в этот поток исследуемое тело (модель летательного аппарата, автомобиля, локомотива и т. п.), можно определять действующие на него аэродинамические нагрузки. Нагревая этот поток, можно также изучать тепловое воздействие омывающего газа на тело, законы изменения формы этого тела под влиянием уноса массы с поверхности. С помощью различных оптических средств можно сделать видимой картину обтекания (вихревые следы, скачки уплотнения, местные зоны сжатия и разрежения, пограничные слои и т. п.).
     Методы и средства измерений, рассматриваемые в этом курсе, главным образом ориентированы на аэродинамическое проектирование и расчет летательных аппаратов. Но их следует воспринимать значительно шире и распространять на задачи газотурбинного, автомобильного и локомотивного машиностроения, а также градостроения и др. Таким образом, подобные методы и средства применяются всюду, где изучается силовое взаимодействие среды и тела, движущегося в этой среде. Для определения скорости, высоты и дальности полета, длины разбега при посадке, летных качеств аппарата (устойчивости, маневренности и других характеристик) необходимо знать результирующие аэродинамические силы и моменты при различных скоростях и

ВВЕДЕНИЕ

15

направление его движения. Определение сил и моментов составляет одну из основных задач аэродинамического эксперимента. Сюда входят вопросы измерения углов атаки, крена и скольжения, лобового сопротивления, подъемной силы и аэродинамических моментов, действующих на крылья и оперения самолета, и т. п.
     Для расчета летательных аппаратов на прочность, вибрации и деформации необходимы данные по распределению аэродинамических сил по поверхности в различных условиях движения.
     Эта более сложная и трудоемкая задача имеет большое значение при изучении структуры и условий формирования результирующих сил и моментов.
     При полете со скоростью, значительно превышающей скорость распространения звука, поверхность летательного аппарата (ЛА) подвергается существенному нагреву вследствие сжатия среды и ее трения. Поэтому для расчета прочности и деформации ЛА, а также систем охлаждения необходимы измерения распределений температуры и тепловых потоков на поверхности моделей.
     При проектировании ЛА возникают также задачи:
     1)     выбора внешних форм крыла, фюзеляжа и других частей в зависимости от назначения, скорости полета, грузоподъемности и других ограничений;
     2)     наиболее рационального размещения и взаимного расположения частей ЛА.
     Дело в том, что всякая надстройка, находящаяся в потоке, изменяет скорости, углы атаки, а следовательно, и аэродинамические силы, действующие на другие части ЛА. Например, если хвостовые оперения расположены в следе вихрей за крылом, то их эффективность сильно снижается. Поэтому возникает задача измерения интерференционных составляющих аэродинамических характеристик элементов ЛА, знание которых позволяет взаимно располагать элементы наиболее выгодно с аэродинамической точки зрения. Все эти измерения выполняются с помощью комплекса измерительных средств, сопряженных с автоматизированными системами сбора и обработки информации.
     При этом программа и результаты измерений должны проводиться в полном соответствии с метрологией и теорией ошибок. Известно, что метрология -это наука об измерениях и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Единство измерений - такое состояние измерений, при которых их результаты выражены в узаконенных единицах и их погрешности известны с заданной вероятностью. Это необходимо для сопоставления

результатов измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием различных методов и средств. Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины.
     Таким образом, важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства и приемлемой точности измерений. Поэтому метрология имеет большое значение для прогресса естественных наук, к которым относится и экспериментальная аэродинамика. Многообразие методов и средств, применяемых в ней, нуждается в постоянном повышении точности измерений. Хорошо известно, что точные измерения неоднократно позволяли сделать фундаментальные открытия. Так, например, Майкельсон поставил опыт с целью обнаружения ожидаемого небольшого смещения интерференционной картины, вызываемого, по существовавшему тогда мнению, взаимным движением источника и приемника света. Однако весьма точные измерения показали, что такого смещения нет. Результаты этого эксперимента были использованы А. Эйнштейном при создании теории относительности.
     Другим наглядным примером является повышение точности измерения плотности воды, которое в 1932 г. привело к открытию тяжелого изотопа -дейтерия.
     Хорошо известно, что к началу XX столетия трудами Л. Эйлера, Д. Бернулли, О. Рейнольдса, Н.Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина и других был создан научный фундамент воздухоплавания. Однако природа подъемной силы крыла все еще была не ясна, а обтекание крыла и самолета в целом недоступно расчету.
     Экспериментальная аэродинамика зарождалась в начале XX столетия вместе с началом бурного развития авиации. Уже в 1903 г. братья Райт осуществили свой первый полет на расстояние 36 м и с длительностью 3,5 с на аэроплане с бензиновым мотором (8 л.с.). Тем самым они доказали возможность полета на аппаратах тяжелее воздуха. Это стало возможным благодаря тому, что они впервые еще в 1901 г. построили аэродинамическую трубу (АТ) и использовали ее для экспериментального определения подъемной силы и других аэродинамических характеристик модели аэроплана. Н.Е. Жуковский задолго до этого понимал необходимость развития экспериментальной базы, но отсутствие необходимых средств привело к тому, что лишь в 1902 г. в Московском университете с помощью студентов ему удалось построить АТ с закрытой рабочей частью размером 75x75 см и скоростью 10 м/с. С тех пор испытания моделей будущих летательных аппаратов в аэродинамических трубах стали неотъемлемым стилем развития авиации, и сейчас мы не можем представить себе

ВВЕДЕНИЕ

17

полет нового ЛА без многочасовых испытаний моделей в трубах. Ярким примером является сверхзвуковой пассажирский самолет «Конкорд», созданию которого предшествовало более 50 000 часов испытаний в аэродинамических трубах. Так что параллельное развитие теоретических основ аэродинамики, экспериментальной техники и методов исследования дало мощный толчок бурному росту авиационной науки и соответственно прогрессу авиации. Знаменитый постулат Жуковского-Чаплыгина о точке схода вихревой пелены с задней кромки крыла позволил до конца вычислить подъемную силу и выявить влияние на нее характерных параметров профиля крыла. Эти теоретические результаты были многократно подтверждены экспериментально в трубах, что способствовало созданию С.А. Чаплыгиным еще в 1913 г. основ теории крыла конечного размаха. Позднее, в 20-е годы, в ЦАГИ был создан ряд крупных АТ, многие из которых до сих пор успешно функционируют. Параллельно развивались методы и измерительные средства, применяемые и сегодня в экспериментальной аэродинамике. В настоящее время под влиянием все более усложняющихся задач авиации и космонавтики методология агрофизического эксперимента достигла высокой степени развития и не только стала основополагающей при конструировании скоростных самолетов и воздушных винтов, но широко используется при проектировании паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и ракет, артиллерийских снарядов и т. п.
     Общими методами экспериментальной аэромеханики являются:
     1) летный эксперимент;
     2) опыты на моделях (в лабораторных условиях);
     3) всевозможные аналогии.
     1.      Натурный эксперимент хотя и дает наиболее достоверные зависимости между изучаемыми параметрами, но очень сложен и требует больших затрат труда, времени и средств. Более того, в ряде случаев необходимы оценки до того как объект существует. Летные испытания могли бы приводить к непоправимым последствиям, если бы экспериментальные исследования начинались с натурных условий. Поэтому опыты в натурных условиях обычно являются заключительными во всем ряде расчетно-теоретических работ, экспериментов на моделях или аналогиях, которые предшествуют созданию того или иного аэромеханического объекта.
     2.      Метод аналогий основан на адекватности общих теоретических, а чаще математических моделей разнородных физических явлений и по существу является методом создания «модели моделей». Иными словами, имеется ряд различных физических явлений, которые описываются одинаковыми математическими уравнениями. Если при этом выбрать в качестве эквивалентной