Практическая аэродинамика

            Учебные издания для вузов




В. А. Пархимович, В. Г. Ципенко




ПРАКТИЧЕСКАЯ
АЭРОДИНАМИКА


Учебное пособие для вузов






Москва Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°» 2023

УДК 533.6+629.7(075.8)
ББК (22.253+39.5)я7
     П18

Рецензенты:
     Калугин Владимир Тимофеевич — доктор технических наук, профессор, декан факультета специального машиностроения МГТУ им. Н. Э. Баумана;
     Туркин Игорь Константинович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой № 602 МАИ.

     Пархимович, В. А.
П18 Практическая аэродинамика : учебное пособие для вузов / В. А. Пархимович, В. Г. Ципенко. — Москва : Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2023. — 326 с.
       ISBN 978-5-394-05456-3.
        В учебном пособии изложены теоретические и прикладные вопросы аэродинамики и динамики полета самолетов и вертолетов гражданской авиации. Основное внимание уделено объяснению физической сущности явлений и процессов, в наибольшей мере влияющих на безопасность полета. Рассмотрены основные режимы полета воздушных судов, их летно-технические характеристики, характеристики устойчивости, управляемости и балансировки, влияние на них эксплуатационных факторов и особые случаи в полете. Даны конкретные рекомендации пилоту по влиянию различных факторов на летные ограничения и обеспечение безопасности полета.
        Особо следует отметить хорошо освещенные и важные вопросы наземного и технического обслуживания воздушных судов, а также вопросы метеорологического обеспечения полетов гражданской авиации.
        Для студентов высших учебных заведений, изучающих дисциплины «Основы авиации» и «Основы аэродинамических и летнотехнических характеристик», курсантов летных училищ гражданской авиации, а также летного и инженерно-технического состава.



ISBN 978-5-394-05456-3

© Пархимович В. А., Ципенко В. Г., 2023
      © ООО «ИТК «Дашков и К°», 2023

            СОДЕРЖАНИЕ



ПРЕДИСЛОВИЕ.......................................6
ВВЕДЕНИЕ.........................................10
Глава 1. АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ КОМПОНОВКА САМОЛЕТА.........................................12
    1.1. Классификация самолетов.................12
    1.2. Устройство самолетов....................18
    1.3. Системы управления полетом самолета.....25
    1.4. Наблюдение за самолетом в полете........32
Глава 2. ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК И ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ..........................................34
    2.1. Атмосфера Земли и околоземное пространство.34
    2.2. Основные параметры и свойства воздуха в атмосфере..................................39
    2.3. Основные свойства и законы движения воздуха. Сопротивление воздуха.......................50
    2.4. Взаимосвязь между воздушными скоростями.59
    2.5. Международная стандартная атмосфера.....62
    2.6. Обтекание тел воздушным потоком.........65
    2.7. Взаимодействие среды и движущегося тела.68
Глава 3. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ АЭРОДИНАМИКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ............................70
    3.1. Основные законы аэродинамики............70
    3.2. Аэродинамические силы...................80
    3.3. Силы, влияющие на движение самолета в воздухе.83
    3.4. Силы, действующие на самолет в воздухе..87
    3.5. Аэродинамические характеристики самолета...103
    3.6. Аэродинамические перегрузки............111

3

Глава 4. ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ КРЫЛА САМОЛЕТА.............................................114
    4.1. Крыло и его назначение. Геометрические характеристики крыла..............114
    4.2. Аэродинамические характеристики крыла.......131
Глава 5. ПОЛЕТ САМОЛЕТА ПО ТРАЕКТОРИИ................136
    5.1. Классификация принципов полета..............136
    5.2. Взлет и посадка самолета....................137
    5.3. Равномерный прямолинейный горизонтальный полет........................................142
    5.4. Прямолинейный равномерный набор высоты..154
    5.5. Равномерное снижение с работающими двигателями..................................157
    5.6. Аварийное снижение..........................158
    5.7. Планирование................................159
    5.8. Разворот в горизонтальном полете............162
    5.9. Дальность и продолжительность полета........165
Глава 6. УСТОЙЧИВОСТЬ И УПРАВЛЯЕМОСТЬ САМОЛЕТА.............................................172
    6.1. Основные понятия и определения..............172
    6.2. Шарнирные моменты органовуправления самолета......................................189
    6.3. Продольная статическая устойчивость самолета по перегрузке и скорости......................191
    6.4. Характеристики статической управляемости самолета в продольном движении...............194
    6.5. Путевая статическая устойчивость самолета...196
    6.6. Поперечная статическая устойчивостью самолета.....................................197
    6.7. Боковая статическая устойчивостью самолета..199
    6.8. Поперечная и путевая управляемость самолета.200

4

    6.9. Маневренность самолета....................205
    6.10. Критическиережимы полета самолета........213
Глава 7. ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ И ДИНАМИКИ ПОЛЕТА ВЕРТОЛЕТА....................................247
    7.1. Устройство вертолета.......................247
    7.2. Классификация вертолетов...................249
    7.3. Общие сведения о воздушном винте вертолета.252
    7.4. Особенности управления полетом вертолета...253
    7.5. Принципуправления вертолетами различных схем........................................259
Глава 8. НАЗЕМНОЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ. АЭРОПОРТ. БЕЗОПАСНОСТЬ ПОЛЕТОВ......................262
    8.1. Наземное обслуживание и подготовка воздушного судна к полету...................262
    8.2. Техническое обслуживание воздушного судна.267
    8.3. Искусственная внешняя среда................269
    8.4. Обеспечение регулярности полетов...........271
    8.5. Роль авиадиспетчера........................272
    8.6. Рекомендации по безопасности...............280
Глава 9. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОЛЕТОВ.............................................282
    9.1. Метеорологическое обеспечение полетов гражданской авиации (МОП)...................282
    9.2. Порядок метеорологического обеспечения полетов гражданской авиации.................284
    9.3. Виды авиационных прогнозов погоды..........289
    9.4. Влияние ветра на полет самолета............291
    9.5. Организационная работа авиационных метеорологических станций...................310
ОПРЕДЕЛЕНИЯ.........................................313
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................320

5

            ПРЕДИСЛОВИЕ



    Развитие авиации во многом зависит от открытий и изобретений в различных областях науки и техники. Среди авиационных наук особое место принадлежит аэродинамике. Формально изучение аэродинамики началось в XVIII столетии, хотя основные понятия, например «сила сопротивления», появились значительно раньше.
    Аэродинамика как наука заложена русскими учеными. Так, Л. Эйлер и швейцарский физик Д. Бернулли положили начало науки о движении тел в воздушном пространстве, Н. Е. Жуковский и С. А. Чаплыгин — авторы фундаментальных работ в области аэродинамики, И. В. Мещерский разработал основы механики тел переменной массы, на базе его теорем построены уравнения движения самолета. Метод теоретического определения летных характеристик самолета создал Н. Е. Жуковский.
    Н. Е. Жуковский не только открыл законы, лежащие в основе теории полета, но и подготовил почву для развития авиации. Он связал теоретическую аэродинамику с практической и дал возможность инженерам использовать достижения ученых-теоретиков.
    Современная теория устойчивости движения самолета основывается на исследованиях А. М. Ляпунова, русского математика и механика, немецкихученыхЛ. Прандтля, Т. Кармана и др.
    Неоценимое значение для развития реактивной авиации и ракетной техники имели работы К. Э. Циолковского (1857-1935), который разработал теорию реактивного движения, обосновал возможность полетов в межпланетном пространстве.
    Последующее поколение аэродинамиков — М. В. Келдыш, Н. Е. Кочин, С. А. Христианович, В. В. Струминский, Я.М.Сереб-рийский, А. А. Дородницын и другие — успешно продолжило и развило работы Н. Е. Жуковского.

6

    Всякое движение обязательно связано с сопротивлением среды, в которой это движение происходит. При этом выделяют три характерные особенности силы сопротивления:
    •      величина сопротивления зависит от плотности той среды, в которой движется тело;
    •     сопротивление зависит от скорости движения;
    •      сопротивление зависит от формы тела, его величины и положения относительно направления движения.
    Аэродинамика — раздел механики сплошных сред, в котором изучаются равновесие и закономерности движения воздуха и других газов, а также характеристики тел, движущихся в воздухе.
    К аэродинамическим характеристикам тел относятся:
    •     подъемная сила;
    •     сила сопротивления;
    •     их распределение по поверхности тела;
    •      тепловые потоки к поверхности тела, вызванные его движением в воздухе.
    Прикладные задачи аэродинамики включают:
    •     определение сил, действующих на обтекаемое газом тело;
    •     распределение давления на поверхность тела;
    •     распределение скоростей в газе, обтекающем тело.
    В целом аэродинамика включает в себя:
    •      Теоретическую аэродинамику (фундаментальная научная база. Описывает средствами математики явления при обтекании тел).
    •      Экспериментальную аэродинамику (изучает качественные закономерности и количественные соотношения между формой, размерами тел и кинематическими параметрами потока: скоростью, плотностью, вязкостью. Основной метод — эксперимент. Средства: аэродинамические трубы, экспериментальные полеты).
    •      Прикладную аэродинамику (на основе теоретической и экспериментальной аэродинамики определяются силы и моменты, действующие на крыло и летательный аппарат в целом.

7

Исходный материал для расчета динамики полета в реальных условиях).
    Аэродинамика является теоретической основой авиации. На ней базируются: теория крыла, теория воздушного винта, динамика полета, аэродинамический расчет, устойчивость и управляемость самолета. Она является научной основой для создания всех типов летательных аппаратов (ЛА), осуществляющих полеты в пределах земной атмосферы.
    Конструкторы ЛА, используя законы и методы аэродинамики, создают самолеты с наилучшими формами и размерами, рассчитывают их летные характеристики.
    Специалисты, руководящие эксплуатацией и обслуживанием самолетов, должны понимать зависимость летных свойств самолетов от условий их эксплуатации, ремонта и наземного обслуживания.
    Пилот обязан овладеть аэродинамикой для сознательного управления самолетом, умения анализировать летные свойства самолетов и принимать правильные решения.
    Понимание аэродинамики, летно-тактических и пилотажных свойств позволяют более полно использовать возможности самолета.
    Теоретические труды по аэродинамике и динамике полета сложны для восприятия. В этом учебном пособии делается попытка изложить общий курс аэромеханики ЛА как можно проще, при помощи доступных и простых объяснений. Учебное пособие предназначено для начинающих обучение полетам на ЛА, в нем математические расчеты сведены к минимуму. Надеемся, что опытный авиатор сочтет труд слишком очевидным, а начинающемуавиаторуон будет весьма полезным.
    Структура учебного пособия составлена так, чтобы по окончании этого курса теории и нескольких месяцев практики обучаемый знал, что он должен делать с самолетом. Обучаемому важно понять и запомнить материал, для того чтобы, сев за рычаги управления самолетом, понимать, чем и как нужно им

8

управлять. Изучение курса аэродинамики поможет избежать ошибок, которые могут дорого стоить.
    Авторы поставили цель — вызвать у читателя интерес к предмету. Полагаем, что интерес будет удовлетворен в полной мере благодаря использованию отечественных и зарубежных трудов по аэродинамике, учету мнения пилотов, механиков и диспетчеров.
    Полагаем, что труд будет также полезен для будущих техников, специалистов по управлению и эксплуатации самолетов.
    Особо выражаем благодарность М. М. Ермолаеву за сопровождение издания на всех его этапах. Также благодарим коллег и друзей за полезные советы и рекомендации по содержанию учебного пособия.
    В заключение необходимо сообщить очень печальную весть: после завершения рукописи данного учебного пособия скоропостижно скончался один из ее авторов, Виктор Антонович Пархимович, который являлся основным идеологом и организатором подготовки к изданию данного учебного пособия. Светлая ему память!

9

            ВВЕДЕНИЕ



    Пилот — одна из популярных профессий из списка мальчишеских мечтаний в реальной жизни. Пилот — сильный, надежный, с высоким самообладанием человек. Это профессия, в которой нет и не может быть права на ошибку.
    Получение лицензии коммерческого пилота CPL (A) — это оптимальный выбор для тех, кто решил сделать пилотирование своей профессией. Курс адаптирован к Программе теоретического обучения пилота коммерческой авиации в учебных заведениях гражданской авиации Российской Федерации и Программе подготовки пилота многочленного экипажа (MPL), утвержденным Федеральным агентством транспорта Российской Федерации.
    Курс подготовки коммерческого пилота состоит из трех блоков: наземной (теоретической), тренажерной и летной подготовок.
    Теоретическая подготовка проводится по девяти дисциплинам. Курсанты изучают дисциплины, связанные с воздушным судном (ВС) и не связанные с ним. К связанным с ВС дисциплинам относятся: «Эксплуатация ВС», «Летные характеристики ВС и подготовка к полету», «Эксплуатационные процедуры», «Принципы полета. Практическая аэродинамика». К не связанным с ВС дисциплинам относятся: «Воздушное право», «Навигация», «Метеорология», «Человеческий фактор» и «Радиотелефония».
    Теоретический курс предусматривает изучение аэродинамики, навигации и самолетовождения, метеорологии, устройства самолета и авиационного законодательства. Особое внимание уделяется вопросам, связанным с безопасностью полетов (БП).

10

    Летная подготовка осуществляется на одно- и многодвигательных ЛА. При этом в подготовку включено обучение на процедурном пилотажно-навигационном тренажере, а также тренировки в кабине самолета. Тренажерная подготовка проводится на процедурном пилотажно-навигационном тренажере.
    Учащимся летных училищ авторы учебного пособия желают успешного вступления в мир авиации и предлагают со всей серьезностью отнестись к изучению летной подготовки, которая поможет стать командиром воздушного судна (КВС), ответственным за себя и пассажиров.




11

            Глава 1. АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ КОМПОНОВКА САМОЛЕТА


    В данной главе изложены основные сведения об одном из изучаемых объектов — самолетах, используемых в гражданской авиации. Особое внимание уделено объяснению их классификации, основным конструктивным особенностям и современным системам управления. На основании представленных материалов в главе рассмотрен вопрос физической сущности явлений и процессов, происходящих при полетах самолетов, в наибольшей мере влияющих на безопасность полетов.

        1.1. Классификация самолетов

    Самолет — летательный аппарат (ЛА) тяжелее воздуха, предназначенный для полетов в атмосфере с помощью силовой установки, создающей тягу, и неподвижного относительно дру-гихчастей аппарата крыла, создающего подъемную силу.
    Самолеты представляют собой сложные технические устройства, состоящие из взаимосвязанных по назначению, месту и функционированию агрегатов, частей и элементов. Рассматривая самолет как сложную систему с развитой иерархической структурой, в нем можно выделить подсистемы создания подъемной и движущей сил, обеспечения устойчивости и управляемости, жизнеобеспечения, обеспечения выполнения целевой функции и др.
    Авиастроители при создании ЛА опираются на знания законов движения воздуха, придают им формы, отвечающие требованиям и условиям эксплуатации.
    Крыло служит для создания подъемной силы, фюзеляж — для размещения полезной нагрузки, хвостовое оперение — для обеспечения устойчивости, управляющие поверхности — для

12

изменения направления движения, а двигатели приводят самолет в движение.
    При создании самолета конструкторы, опираясь на знания законов движения воздуха, придают ему такие формы, чтобы он отвечал определенным требованиям заказчика. Расположение и форма крыла и оперения выбираются исходя из задач, которые будет выполнять данный самолет.
    Самолет, как и любое тело, имеет массу. При стоянке в аэропорту на него действует сила, направленная вертикально вниз, — сила тяжести. В полете сила тяжести сбалансирована подъемной силой. Для создания подъемной силы самолет должен двигаться вперед, что обеспечивается за счет силы тяги двигателей. Перемещаясь в воздухе, самолет преодолевает силу лобового сопротивления.
    Таким образом, на летящий в воздухе ЛА действуют четыре основные силы: сила тяжести, подъемная сила, сила тяги двигателей и сила лобового сопротивления.
    Эти силы взаимосвязаны между собой определенными зависимостями:
    •      чем больше сила тяжести, тем больше требуемая подъемная сила;
    •      чем больше подъемная сила, тем больше лобовое сопротивление;
    •      чем больше лобовое сопротивление, тем больше требуемая тяга двигателей и т. д.
    Из физики известно, что свойства воздуха меняются с высотой. Как влияют эти изменения на самолет, очень важно знать для понимания основ полета.
    Самолеты классифицируются по различным признакам двигателей, по летно-техническим параметрам и т. д.
    Классифицируются также летные, технические характеристики и типы применяемых двигателей, учитываются различные особенности, которые и подразделяют самолеты на типы (рис. 1.1).

13