Aerodynamik ist ein Wissensgebiet, das die Bewegung von Luftströmungen und ihre Auswirkungen auf feste Körper untersucht. Es ist ein Teilgebiet der Hydro- und Gasdynamik. Die Forschung auf diesem Gebiet reicht bis in die Antike zurück, in die Zeit der Erfindung von Pfeilen und Planungsspeeren, die es ermöglichten, ein Projektil weiter und genauer auf ein Ziel zu schicken. Das Potenzial der Aerodynamik wurde jedoch mit der Erfindung von Fahrzeugen, die schwerer als Luft sind und in der Lage sind, über beträchtliche Entfernungen zu fliegen oder zu gleiten, vollständig offenbart.
Seit der Antike
Die Entdeckung der Gesetze der Aerodynamik im 20. Jahrhundert hat zu einem fantastischen Sprung in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie beigetragen, insbesondere im Verkehrssektor. Basierend auf seinen Errungenschaften wurden moderne Flugzeuge geschaffen, die es ermöglichten, praktisch jeden Winkel des Planeten Erde für die Öffentlichkeit zugänglich zu machen.
Die erste Erwähnung eines Versuchs, den Himmel zu erobern, findet sich im griechischen Mythos von Ikarus und Dädalus. Vater und Sohn bauten vogelähnliche Flügel. Dies weist darauf hin, dass die Menschen vor Tausenden von Jahren über die Möglichkeit nachgedacht haben, vom Boden abzuheben.
Ein weiterer AnstiegDas Interesse am Bau von Flugzeugen entstand während der Renaissance. Der leidenschaftliche Forscher Leonardo da Vinci widmete diesem Problem viel Zeit. Bekannt sind seine Notizen, die das Funktionsprinzip des einfachsten Helikopters erklären.
Neue Ära
Der weltweite Durchbruch in der Wissenschaft (und insbesondere der Luftfahrt) wurde von Isaac Newton gemacht. Schließlich ist die Grundlage der Aerodynamik eine umfassende Wissenschaft der Mechanik, deren Begründer ein englischer Wissenschaftler war. Newton betrachtete als erster das Medium Luft als ein Konglomerat von Teilchen, die beim Auftreffen auf ein Hindernis entweder daran haften bleiben oder elastisch reflektiert werden. 1726 stellte er der Öffentlichkeit die Theorie des Luftwiderstands vor.
Anschließend stellte sich heraus, dass die Umwelt wirklich aus kleinsten Teilchen besteht - Molekülen. Sie lernten, das Reflexionsvermögen von Luft recht genau zu berechnen, und der „Klebeeffekt“g alt als unh altbare Annahme.
Überraschenderweise fand diese Theorie Jahrhunderte später praktische Anwendung. In den 60er Jahren, zu Beginn des Weltraumzeit alters, standen sowjetische Designer vor dem Problem, den Luftwiderstand von Abstiegsfahrzeugen mit "stumpfer" Kugelform zu berechnen, die bei der Landung Überschallgeschwindigkeiten entwickeln. Aufgrund des Mangels an leistungsfähigen Computern war es problematisch, diesen Indikator zu berechnen. Unerwarteterweise stellte sich heraus, dass es möglich ist, den Widerstandswert und sogar die Druckverteilung über den vorderen Teil mit Newtons einfacher Formel bezüglich des Effekts des „Anhaftens“von Partikeln an einem fliegenden Objekt genau zu berechnen.
Entwicklung der Aerodynamik
GründerDer Hydrodynamiker Daniel Bernoulli beschrieb 1738 die grundlegende Beziehung zwischen Druck, Dichte und Geschwindigkeit für inkompressible Strömungen, die heute als Bernoulli-Prinzip bekannt ist und auch auf Berechnungen des aerodynamischen Auftriebs anwendbar ist. 1799 identifizierte Sir George Cayley als Erster die vier aerodynamischen Flugkräfte (Gewicht, Auftrieb, Luftwiderstand und Schub) und die Beziehungen zwischen ihnen.
Im Jahr 1871 schuf Francis Herbert Wenham den ersten Windkanal zur genauen Messung aerodynamischer Kräfte. Unschätzbare wissenschaftliche Theorien entwickelt von Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. Im Jahr 1889 berechnete Charles Renard, ein französischer Luftfahrtingenieur, als erster Mensch wissenschaftlich die für einen Dauerflug erforderliche Leistung.
Von der Theorie zur Praxis
Im 19. Jahrhundert betrachteten Erfinder den Flügel aus wissenschaftlicher Sicht. Und dank der Untersuchung des Mechanismus des Vogelflugs wurde die Aerodynamik in Aktion untersucht, die später auf künstliche Flugzeuge angewendet wurde.
Otto Lilienthal hat sich besonders in der Erforschung der Flügelmechanik hervorgetan. Der deutsche Flugzeugkonstrukteur entwarf und testete 11 Segelflugzeugtypen, darunter einen Doppeldecker. Er machte auch den ersten Flug mit einem Gerät, das schwerer als Luft ist. Für ein relativ kurzes Leben (46 Jahre) machte er ungefähr 2000 Flüge und verbesserte ständig das Design, das eher einem Hängegleiter als einem Flugzeug ähnelte. Er starb beim nächsten Flug am 10. August 1896 und wurde PionierLuftfahrt und das erste Opfer eines Flugzeugabsturzes. Eines der Segelflugzeuge übergab der deutsche Erfinder übrigens persönlich an Nikolai Yegorovich Zhukovsky, einen Pionier in der Erforschung der Aerodynamik von Flugzeugen.
Zhukovsky experimentierte nicht nur mit Flugzeugdesigns. Anders als viele Enthusiasten dieser Zeit betrachtete er das Verh alten von Luftströmungen in erster Linie aus wissenschaftlicher Sicht. 1904 gründete er in Cachino bei Moskau das erste aerodynamische Institut der Welt. Seit 1918 leitete er das TsAGI (Central Aerohydrodynamic Institute).
Erste Flugzeuge
Aerodynamik ist die Wissenschaft, die es dem Menschen ermöglicht hat, den Himmel zu erobern. Ohne es zu studieren, wäre es unmöglich, Flugzeuge zu bauen, die sich stabil in Luftströmungen bewegen. Das erste Flugzeug in unserem üblichen Sinne wurde am 7. Dezember 1903 von den Gebrüdern Wright hergestellt und in die Luft gehoben. Diesem Ereignis ging jedoch sorgfältige theoretische Arbeit voraus. Die Amerikaner verbrachten viel Zeit damit, das Design der Flugzeugzelle in einem selbst entworfenen Windkanal zu debuggen.
Während der ersten Flüge stellten Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta und Nikolai Zhukovsky Theorien auf, die die Zirkulation von Luftströmungen erklärten, die Auftrieb erzeugen. Kutta und Zhukovsky entwickelten eine zweidimensionale Theorie des Flügels weiter. Ludwig Prandtl wird die Entwicklung der mathematischen Theorie subtiler aerodynamischer und Auftriebskräfte sowie die Arbeit mit Grenzschichten zugeschrieben.
Probleme und Lösungen
Die Bedeutung der Flugzeugaerodynamik nahm mit zunehmender Geschwindigkeit zu. Designer begannen, Probleme mit dem Komprimieren von Luft mit oder nahe der Schallgeschwindigkeit zu bekommen. Strömungsunterschiede unter diesen Bedingungen haben zu Handhabungsproblemen des Flugzeugs, erhöhtem Luftwiderstand aufgrund von Stoßwellen und der Gefahr eines strukturellen Versagens aufgrund aeroelastischen Flatterns geführt. Das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit wurde nach Ernst Mach, der als einer der ersten die Eigenschaften der Überschallströmung untersuchte, Machzahl genannt.
William John McQuorn Rankine und Pierre Henri Gougoniot entwickelten unabhängig voneinander die Theorie der Luftströmungseigenschaften vor und nach einer Schockwelle, während Jacob Akeret die anfängliche Arbeit zur Berechnung des Auftriebs und Widerstands von Überschalltragflächen leistete. Theodor von Karman und Hugh Latimer Dryden prägten den Begriff "transsonisch", um Geschwindigkeiten an der Mach-1-Grenze (965-1236 km/h) zu beschreiben, wenn der Widerstand schnell zunimmt. Die erste Schallmauer wurde 1947 in einem Bell X-1-Flugzeug durchbrochen.
Hauptmerkmale
Nach den Gesetzen der Aerodynamik ist es wichtig zu wissen, um den Flug in der Erdatmosphäre mit jedem Gerät zu gewährleisten:
- Luftwiderstand (X-Achse), der von Luftströmungen auf ein Objekt ausgeübt wird. Basierend auf diesem Parameter wird die Leistung des Kraftwerks ausgewählt.
- Auftriebskraft (Y-Achse), die den Aufstieg ermöglicht und es dem Gerät ermöglicht, horizontal zur Erdoberfläche zu fliegen.
- Momente aerodynamischer Kräfte entlang dreier Koordinatenachsen, die auf ein Flugobjekt einwirken. am wichtigstenist das Moment der seitlichen Kraft entlang der Z-Achse (Mz), die über das Flugzeug (bedingt entlang der Flügellinie) gerichtet ist. Sie bestimmt den Grad der Längsstabilität (ob das Gerät beim Fliegen „abtaucht“oder die Nase nach oben hebt).
Klassifizierung
Die aerodynamische Leistung wird nach Luftströmungsbedingungen und -eigenschaften klassifiziert, einschließlich Geschwindigkeit, Kompressibilität und Viskosität. Äußere Aerodynamik ist die Untersuchung der Strömung um feste Objekte verschiedener Formen. Beispiele sind die Bewertung des Auftriebs und der Vibrationen eines Flugzeugs sowie der Schockwellen, die sich vor der Nase einer Rakete bilden.
Innere Aerodynamik ist die Untersuchung des Luftstroms, der sich durch Öffnungen (Durchgänge) in festen Objekten bewegt. Beispielsweise behandelt es die Untersuchung von Strömungen durch ein Strahltriebwerk.
Aerodynamische Leistung kann auch nach Strömungsgeschwindigkeit klassifiziert werden:
- Unterschallgeschwindigkeit nennt man eine Geschwindigkeit kleiner als die Schallgeschwindigkeit.
- Transonic (transonic) - wenn es Geschwindigkeiten sowohl unter als auch über der Schallgeschwindigkeit gibt.
- Überschall - wenn die Strömungsgeschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit ist.
- Hyperschall - die Strömungsgeschwindigkeit ist viel größer als die Schallgeschwindigkeit. Normalerweise bedeutet diese Definition Geschwindigkeiten mit Machzahlen über 5.
Hubschrauber-Aerodynamik
Beruht das Prinzip des Flugzeugfluges auf der auf den Flügel ausgeübten Auftriebskraft bei translatorischer Bewegung, dann erzeugt der Helikopter durch die Rotation der Blätter im axialen Anblasmodus gewissermaßen von selbst Auftrieb (ohne Translationsgeschwindigkeit). Dank anMit dieser Funktion kann der Hubschrauber auf der Stelle in der Luft schweben und energische Manöver um die Achse ausführen.
Andere Anwendungen
Aerodynamik ist natürlich nicht nur auf Flugzeuge anwendbar. Luftwiderstand erfahren alle Objekte, die sich in einem gasförmigen und flüssigen Medium im Weltraum bewegen. Es ist bekannt, dass Wasserbewohner - Fische und Säugetiere - stromlinienförmige Formen haben. An ihrem Beispiel können Sie die Aerodynamik in Aktion nachvollziehen. Mit Fokus auf die Tierwelt gest alten Menschen auch Wassertransporter spitz oder tropfenförmig. Dies gilt für Schiffe, Boote, U-Boote.
Fahrzeuge erfahren einen erheblichen Luftwiderstand: Er steigt mit zunehmender Geschwindigkeit. Um eine bessere Aerodynamik zu erreichen, erh alten Autos eine Stromlinienform. Dies gilt insbesondere für Sportwagen.
