Aerodünaamika on teadmiste valdkond, mis uurib õhuvoogude liikumist ja nende mõju tahketele kehadele. See on hüdro- ja gaasidünaamika alajaotis. Selle valdkonna uurimused ulatuvad iidsetesse aegadesse, noolte ja plaaniodade leiutamise aega, mis võimaldas mürsku sihtmärgile kaugemale ja täpsem alt saata. Aerodünaamika potentsiaal ilmnes aga täielikult õhust raskemate sõidukite leiutamisega, mis suudavad lennata või libiseda märkimisväärseid vahemaid.
Iidsetest aegadest peale
Aerodünaamika seaduste avastamine 20. sajandil aitas kaasa fantastilisele hüppele paljudes teaduse ja tehnoloogia valdkondades, eriti transpordisektoris. Selle saavutustele tuginedes on loodud kaasaegsed lennukid, mis võimaldasid muuta avalikkusele ligipääsetavaks peaaegu kõik planeedi Maa nurgad.
Esmakordselt mainitakse taeva vallutamise katset kreeka müüdis Ikarusest ja Daedalusest. Isa ja poeg ehitasid linnulaadsed tiivad. See näitab, et tuhandeid aastaid tagasi mõtlesid inimesed võimalusele maapinnast lahti saada.
Järjekordne tõushuvi lennukite ehitamise vastu tekkis renessansiajal. Kirglik uurija Leonardo da Vinci pühendas sellele probleemile palju aega. Tema märkmed on teada, mis selgitavad kõige lihtsama helikopteri tööpõhimõtteid.
Uus ajastu
Ülemaailmse läbimurde teaduses (ja eriti aeronautikas) tegi Isaac Newton. Aerodünaamika aluseks on ju kõikehõlmav mehaanikateadus, mille rajajaks oli inglise teadlane. Newton oli esimene, kes käsitles õhukeskkonda osakeste konglomeraadina, mis takistusele sattudes kas kinni jäävad või elastselt peegelduvad. 1726. aastal esitas ta avalikkusele õhutakistuse teooria.
Seejärel selgus, et keskkond koosneb tõesti kõige väiksematest osakestest – molekulidest. Nad õppisid õhu peegeldusvõimet üsna täpselt arvutama ja kleepuvat efekti peeti vastuvõetamatuks eelduseks.
Üllatuslikult leidis see teooria praktilise rakenduse sajandeid hiljem. 60ndatel, kosmoseajastu koidikul, seisid Nõukogude disainerid silmitsi probleemiga arvutada "nüri" sfäärilise kujuga laskumissõidukite aerodünaamiline takistus, mis maandumisel arendavad hüperhelikiirust. Võimsate arvutite puudumise tõttu oli selle näitaja arvutamine problemaatiline. Ootamatult selgus, et Newtoni lihtsa valemi abil on võimalik täpselt välja arvutada takistuse väärtus ja isegi rõhu jaotus üle esiosa.
Aerodünaamika arendamine
AsutajaHüdrodünaamik Daniel Bernoulli kirjeldas 1738. aastal kokkusurumatu voolu rõhu, tiheduse ja kiiruse vahelist fundamentaalset seost, mida tänapäeval tuntakse Bernoulli põhimõttena, mis on rakendatav ka aerodünaamilise tõstejõu arvutamisel. Aastal 1799 sai Sir George Cayleyst esimene inimene, kes tuvastas lennu neli aerodünaamilist jõudu (kaal, tõstejõud, takistus ja tõukejõud) ning nendevahelised seosed.
1871. aastal lõi Francis Herbert Wenham esimese tuuletunneli aerodünaamiliste jõudude täpseks mõõtmiseks. Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh välja töötanud hindamatud teaduslikud teooriad. 1889. aastal sai prantsuse lennuinsener Charles Renard esimeseks inimeseks, kes arvutas teaduslikult välja püsivaks lennuks vajaliku võimsuse.
Teooriast praktikani
19. sajandil vaatasid leiutajad tiiba teaduslikust vaatenurgast. Ja tänu lindude lennumehhanismi uurimisele hakati uurima aerodünaamikat, mida hiljem rakendati tehislennukite puhul.
Otto Lilienthal paistis silma eelkõige tiivamehaanika uurimisel. Saksa lennukikonstruktor lõi ja katsetas 11 tüüpi purilennukeid, sealhulgas biplaani. Samuti tegi ta esimese lennu õhust raskema aparaadiga. Suhteliselt lühikese eluea jooksul (46 aastat) tegi ta umbes 2000 lendu, täiustades pidev alt disaini, mis meenutas pigem deltaplaani kui lennukit. Ta suri järgmisel lennul 10. augustil 1896, saades pioneeriksaeronautika ja esimene lennuõnnetuse ohver. Muide, Saksa leiutaja andis ühe purilennuki isiklikult üle Nikolai Jegorovitš Žukovskile, õhusõidukite aerodünaamika uurimise pioneerile.
Žukovski ei katsetanud ainult lennukite disainiga. Erinev alt paljudest tolleaegsetest entusiastidest käsitles ta õhuvoolude käitumist eelkõige teaduslikust vaatenurgast. 1904. aastal asutas ta Moskva lähedal Cachinos maailma esimese aerodünaamilise instituudi. Alates 1918. aastast juhtis ta TsAGI-t (Central Aerohydrodynamic Institute).
Esimesed lennukid
Aerodünaamika on teadus, mis võimaldas inimesel taeva vallutada. Ilma seda uurimata oleks võimatu ehitada õhuvooludes stabiilselt liikuvaid lennukeid. Esimese lennuki meie tavapärases mõistes valmistasid ja tõstsid õhku 7. detsembril 1903 vennad Wrightid. Sellele sündmusele eelnes aga hoolikas teoreetiline töö. Ameeriklased pühendasid palju aega lennukikere konstruktsiooni silumisele enda disainitud tuuletunnelis.
Esimeste lendude ajal esitasid Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta ja Nikolai Žukovski teooriaid, mis selgitasid tõusu tekitavate õhuvoolude ringlust. Kutta ja Žukovski jätkasid kahemõõtmelise tiiva teooria väljatöötamist. Ludwig Prandtli tunnustatakse peente aerodünaamiliste ja tõstejõudude matemaatilise teooria väljatöötamise eest, samuti piirkihtidega töötamise eest.
Probleemid ja lahendused
Lennukite aerodünaamika tähtsus suurenes nende kiiruste kasvades. Disaineritel tekkis probleeme õhu kokkusurumisega helikiirusel või selle lähedal. Voolu erinevused nendes tingimustes on toonud kaasa probleeme õhusõidukite käsitsemisega, lööklainete tõttu suurenenud takistust ja aeroelastsest laperdamisest tingitud konstruktsioonitõrgete ohtu. Voolukiiruse ja heli kiiruse suhet nimetati Machi numbriks Ernst Machi järgi, kes oli üks esimesi, kes uuris ülehelikiiruse omadusi.
William John McQuorn Rankine ja Pierre Henri Gougoniot töötasid iseseisv alt välja õhuvoolu omaduste teooria enne ja pärast lööklaine, samal ajal kui Jacob Akeret tegi esialgse töö ülehelikiirusega tiibade tõstejõu ja takistuse arvutamiseks. Theodor von Karman ja Hugh Latimer Dryden võtsid kasutusele termini "transooniline", et kirjeldada kiirust Mach 1 piiril (965-1236 km/h), kui takistus kasvab kiiresti. Esimene helibarjäär purustati 1947. aastal Bell X-1 lennukil.
Põhifunktsioonid
Vastav alt aerodünaamika seadustele on mis tahes seadme lennu tagamiseks maakera atmosfääris oluline teada:
- Aerodünaamiline takistus (X-telg), mida õhuvoolud objektile avaldavad. Selle parameetri alusel valitakse elektrijaama võimsus.
- Tõstejõud (Y-telg), mis tagab tõusu ja võimaldab seadmel lennata horisontaalselt maapinnale.
- Lendavale objektile mõjuvate aerodünaamiliste jõudude hetked piki kolme koordinaattelge. kõige tähtsamon õhusõidukile (tinglikult piki tiivajoont) suunatud Z-telje (Mz) külgjõu moment. See määrab pikisuunalise stabiilsuse astme (kas seade "sukeldub" või tõstab lennates nina üles).
Klassifikatsioon
Aerodünaamiline jõudlus klassifitseeritakse õhuvoolu tingimuste ja omaduste, sealhulgas kiiruse, kokkusurutavuse ja viskoossuse järgi. Väline aerodünaamika on voolu uurimine erineva kujuga tahkete objektide ümber. Näiteks lennuki tõstejõu ja vibratsiooni ning raketi nina ees tekkivate lööklainete hindamine.
Siseaerodünaamika uurib õhuvoolu, mis liigub läbi tahkete objektide avade (käikude). Näiteks hõlmab see reaktiivmootorit läbivate voolude uurimist.
Aerodünaamilist jõudlust saab liigitada ka voolukiiruse järgi:
- Alhelikiirust nimetatakse helikiirusest väiksemaks kiiruseks.
- Transonic (transonic) – kui on nii helikiirusest madalamaid kui ka suuremaid kiirusi.
- Ülehelikiirus – kui voolukiirus on suurem kui heli kiirus.
- Hüsooniline – voolukiirus on palju suurem kui heli kiirus. Tavaliselt tähendab see määratlus kiirusi, mille Machi numbrid on üle 5.
Helikopteri aerodünaamika
Kui lennuki lennu põhimõte põhineb tiivale avaldatava translatsiooniliikumise ajal tekkival tõstejõul, siis kopter tekitab aksiaalses puhumisrežiimis labade pöörlemise tõttu tõstejõu justkui iseenesest (see tähendab ilma tõlkekiiruseta). TänuSelle funktsiooni abil saab helikopter paigal õhus hõljuda ja sooritada energilisi manöövreid ümber telje.
Muud rakendused
Loomulikult ei kehti aerodünaamika ainult õhusõidukite puhul. Õhutakistust kogevad kõik gaasis ja vedelas keskkonnas ruumis liikuvad objektid. On teada, et vees elavatel elanikel – kaladel ja imetajatel – on voolujooneline kuju. Nende näitel saate jälgida aerodünaamikat tegevuses. Loomamaailmale keskendudes muudavad inimesed ka veetranspordi teravatipuliseks või pisarakujuliseks. See kehtib laevade, paatide ja allveelaevade kohta.
Sõidukitel on märkimisväärne õhutakistus: see suureneb kiiruse kasvades. Parema aerodünaamika saavutamiseks antakse autodele voolujooneline kuju. See kehtib eriti sportautode kohta.
