Исследовательский проект «Аэродинамика»

Руководитель проекта: Очкин Алексей Васильевич,

педагог дополнительного образования

МБОУ ДО ЦДО "Аэрокосмическая школа имени

Героя Социалистического Труда Гупалова В.К."

города Красноярска

Автор проекта: Царинных Андрей,

обучающийся МБОУ ДО ЦДО "Аэрокосмическая школа имени

Героя Социалистического Труда Гупалова В.К."

города Красноярска

Аэродинамика

исследовательский проект

Введение

Аэродинамика - раздел механики сплошных сред, в котором целью исследований является изучение закономерностей движения воздушных потоков и их взаимодействия с препятствиями и движущимися телами.

Современные исследования в аэродинамике связаны с определением таких характеристик потоков как скорость частиц среды, плотности, давления, температуры как функции пространства и времени.

Перечень практических проблем, при решении которых возникают и решаются конкретные задачи аэродинамики, достаточно длинный и включает не только проблемы авиации, но и проблемы ракетостроения, наземного и морского транспорта, метеорологии, экологии, сельского хозяйства, градостроительства и другие. Для получения ответа на вопрос в аэродинамике используются экспериментальные и теоретические методы.

Среди многих вопросов, на которые современная аэродинамика даёт содержательные ответы, познавательные и наиболее интересные, по выражению выдающегося учёного Т. Кармана - это вопросы: «Почему мы можем летать»? и «Как мы можем летать»?

Благодаря открытиям в области аэродинамики люди научились строить самолеты, вертолеты и ракеты. Именно поэтому аэродинамика является важной наукой, которую необходимо изучать и исследовать.

Актуальность проекта по данной теме заключается в том, чтобы выяснить условия, при которых воздушные судна могут летать, и изучить информацию об истории и законах аэродинамики, способах ее использования.

Поэтомуцелью проекта стало проведение исследований по развитию аэродинамики как одного из перспективных направлений в современной авиации.

Задачи проекта:

-изучить историю исследований фундаментальных аэродинамических концепций;

- исследовать информацию об основах аэродинамики, вариантах крыла в авиации и о современных авиаконструкторах;

-провести практические исследования о подъемной силе крыла, аэродинамике ракеты и воздушного винта вертолета.

Подготовка и проведение исследований

История исследования фундаментальных аэродинамических концепций

Ранние исследования фундаментальных аэродинамических концепций восходят к работам Аристотеля и Архимеда во 2-м и 3-м веках до нашей эры, но попытки разработать количественную теорию воздушного потока начались только в 18-м веке. В 1726 году Исаак Ньютон стал одним из первых ученых-аэродинамиков в современном смысле этого слова, когда он разработал теорию сопротивления воздуха, которая позже была подтверждена для низких скоростей потока.

Эксперименты по сопротивлению воздуха проводились исследователями на протяжении 18-го и 19-го веков, чему способствовало создание первой аэродинамической трубы в 1871 году.

В своей публикации 1738 года Гидродинамика Даниэль Бернулли описал фундаментальную взаимосвязь между давлением, скоростью и плотностью, которая теперь называется принципом Бернулли, который является одним из методов объяснения подъемной силы.

Аэродинамика развивалась на протяжении всего 19-го века и была направлена на достижение возможности полета аппаратов тяжелее воздуха. Джордж Кейли разработал концепцию современного самолета с неподвижным крылом в 1799 году, определив при этом четыре основных фактора полета - подъемную силу, тягу, сопротивление и вес. Разработка обоснованных прогнозов тяги, необходимой для осуществления полета, в сочетании с разработкой аэродинамических профилей с высокой подъемной силой и низким сопротивлением проложили путь к первому полету с двигателем. 17 декабря 1903 года братья Уилбур и Орвилл Райт совершили первый успешный полет на самолете с двигателем. Этот полет и вызванная им шумиха привели к более организованному сотрудничеству между авиаторами и специалистами по аэродинамике, что привело к развитию современной аэродинамики.

Теоретические достижения в области аэродинамики развивались параллельно с практическими разработками. Было установлено, что соотношение, описанное Бернулли, справедливо только для несжимаемого и невязкого потока. В 1757 году Леонард Эйлер опубликовал уравнения Эйлера, распространив принцип Бернулли на режим сжимаемого потока. В начале 19-го века уравнения Навье-Стокса расширили уравнения Эйлера, чтобы учесть вязкие эффекты. Во времена первых полетов несколько исследователей разработали независимые теории, связывающие циркуляцию потока с подъемной силой. Людвиг Прандтль стал одним из первых ученых, исследовавших граничные слои в то время.

Исследование 1. Основы аэродинамики, крыло, принципы создания подъёмной силы

При организации исследования важно разобраться в самом главном – подъёмной силе. Подъёмную силу можно создавать разными способами. Дирижабль и воздушный шар удерживаются в воздухе за счёт того, что у них есть оболочка с тёплым воздухом или лёгким газом. У насекомых и птиц оболочек с газом нет. Но природа дала им крыло. А потом крыло приобрели: самолёт, вертолёт, планер.

Исследование 2. Основы авиации, первые попытки полёта

Основоположниками авиации считаются братья Райт, они первые изготовили летающий экземпляр летающего самолёта. Бипланы заняли нишу, но перед Второй мировой войной их почти полностью сместили монопланы. Так же перед войной были востребованы двигатели водяного охлаждения. После войны появились реактивные двигатели, и поршневые самолёты почти полностью ушли в прошлое. Скорости росли и крыло приобрело стреловидность. Это привело к увеличению ВПП, и авиаконструкторы решили сделать крыло изменяемой стреловидности.

Исследование 3. Современные представители отечественной авиации

В наше в нашей стране известны 6 опытно-конструкторских бюро. ОКБ МиГ и ОКБ Су специализируются на истребителях. ОКБ Як - на пассажирских и спортивных самолётах. ОКБ Ту - на пассажирских самолётах и бомбардировщиках. ОКБ Ан - на грузовых самолётах. ОКБ Ил - на пассажирских и грузовых самолётах. И только вместе они образуют непобедимый авиапарк непобедимой страны.

Исследование 4. Подъёмная сила крыла

При изучении эпюры давления крыла (рисунок 1), видно, что фиолетовые зоны с минусом обозначают отрицательное давление, а красные с плюсом – положительное.

Рисунок 1. Эпюра давления.

И из-за разности давлений создаётся подъёмная сила. При проведении исследования берется пластина и обдувается под разными углами. Потом под разными углами продувается профиль, похожий на каплю в горизонтальном положении, а подъёмная сила вырабатывается только при положительном угле. Так был изобретен новый, и в последствии привычный нам профиль: выпуклый сверху и плоский снизу. Он мог создавать подъёмную силу даже при отрицательном угле, и на этом основан принцип полёта самолёта (рисунок 2).

Рисунок 2. Принцип обтекания крыла.

Исследование 5. Аэродинамика ракеты

Ракета – очень интересный летательный аппарат. Она может взлететь как в воде, так и с космодрома на земле и в космосе. Реактивная сила у ракеты создаётся только за счёт работы двигательной установки (отброса собственной массы). В отличии от самолёта, который своими воздухозаборниками забирает кислород из окружающей среды, ракета и горючее, и окислитель несёт с собой. При проектировании ракет используется принцип статической устойчивости – центр тяжести должен быть как можно ближе к носовому обтекателю, а точка куда приложена, сила аэродинамическая давления – центр давления – как можно ниже.

Исследование 6. Воздушный винт в вертолёте

У корня лопасти вертолёта скорость меньше, чем на конце. Из-за этого у корня профиль большой, а у конца он сужается и закручивается. А если его не сужать, то получиться избыточная масса и нагрузка на корневую часть.

Заключение

Таким образом, проеденные исследования показали, что развитие аэродинамики является одним из перспективных направлений в современной авиации.

Используемые материалы и Интернет-ресурсы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki

2. Теодор фон Карман, Аэродинамика. Избранные темы в их историческом развитии. — Москва-Ижевск, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001.

3. Документальный сериал «Крылья России», 2008.

4. https://masteraero.ru/lp-1.php

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/590887-issledovatelskij-proekt-ajerodinamika