Аэродинамическая труба

АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА, экспериментальная установка для исследования явлений и процессов, сопровождающих обтекание тел потоком газа (обычно воздуха). Исследования в аэродинамической трубе основаны на принципе обратимости движения, согласно которому перемещение тела в неподвижном воздухе может быть заменено движением воздуха относительно неподвижного тела. Эксперименты в аэродинамической трубе проводят, как правило, на геометрически подобных моделях, реже на самих оригиналах. В аэродинамической трубе экспериментально определяют действующие на тело аэродинамические силы и моменты, исследуют распределение давлений и температуры по его поверхности, визуализируют процесс обтекания тела потоком, изучают аэроупругость и др.

Аэродинамическая труба содержит рабочую часть - прямоугольную или цилиндрических камеру, где размещается модель исследуемого объекта, и комплекс устройств, посредством которых в рабочей части создаётся равномерный, однородный поток с заданными скоростью, плотностью и температурой газа. По способу образования потока аэродинамические трубы подразделяют на компрессорные непрерывного действия и баллонные; по компоновке контура (пути движения потока) — на замкнутые и разомкнутые. В компрессорных аэродинамических трубах поток газа создаётся компрессором; они имеют высокий кпд и удобны в эксплуатации, но для них требуются мощные компрессоры с большим расходом газа. В баллонных аэродинамических трубах газ под давлением истекает из баллонов; такие аэродинамические трубы проще компрессорных по конструкции, но менее экономичны из-за потери части энергии потока при его регулировании, кроме того, продолжительность их работы (от десятков секунд до нескольких минут) ограничена запасом газа в баллонах. Замкнутые аэродинамические трубы по сравнению с разомкнутыми имеют более высокий кпд (за счёт использования значительной части кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую часть трубы), но и большие размеры.

В зависимости от реализуемого диапазона Маха чисел (М) различают аэродинамические трубы дозвуковые (М = 0,15-0,7), трансзвуковые (М = 0,7-1,3), сверхзвуковые (М =  1,3-5) и гиперзвуковые (М = 5-25).

В дозвуковых аэродинамических трубах (рис. 1) исследуют аэродинамические характеристики дозвуковых самолётов, вертолётов, а также характеристики сверхзвуковых самолётов на взлётно-посадочных режимах; с их помощью изучают характер обтекания воздушным потоком автомобилей и других наземных транспортных средств, зданий, мостов, башен и других объектов. Рабочая часть таких аэродинамических труб обычно имеет вид цилиндра с поперечным сечением в форме круга, прямоугольника или эллипса. Перед рабочей частью находятся форкамера и сопло - конфузор, обеспечивающие высокую равномерность воздушного потока. В начале форкамеры стоит решётка из калиброванных трубок для устранения скосов потока и размельчения крупных вихрей - хонейкомб. За решёткой располагаются сетки, выравнивающие скорости в поперечном сечении потока и уменьшающие турбулентные пульсации. Из рабочей части через диффузор и колена с поворотными лопатками, уменьшающими потери энергии, поток поступает в компрессор. Далее располагаются обратный канал с диффузором, колена поворотных лопаток и воздухоохладитель, поддерживающий постоянную температуру газа в рабочей части. Эллиптическое сечение рабочей части крупнейшей в России дозвуковой аэродинамической трубы имеет размеры 12х24 м². Мощность компрессоров дозвуковых аэродинамических труб — от сотен кВт до нескольких десятков МВт.

Трансзвуковая компрессорная аэродинамическая труба по схеме аналогична дозвуковой. Для реализации непрерывного перехода через скорость звука в ней используется дозвуковое сопло и рабочая часть с щелевыми или перфорированными стенками; подбирая форму и размер перфорации, можно предотвратить отражение от стенок волн сжатия и разрежения, возникающих при обтекании модели. Промышленные трансзвуковые аэродинамические трубы имеют поперечные размеры рабочей части до 3 м, мощность компрессоров достигает 100 МВт и более. В баллонных трансзвуковых аэродинамических трубах для создания требуемого газового потока применяют эжекторы (рис. 2).

В сверхзвуковых аэродинамических трубах для получения требуемых скоростей газа используют сверхзвуковое сопло (так называемое сопло Лаваля), состоящее из сужающейся (дозвуковой) и расширяющейся (сверхзвуковой) частей; в минимальном (критическом) сечении сопла скорость газа равна скорости звука. Число М, получаемое в рабочей части, определяется отношением площадей сечения рабочей части и критического сечения сопла. Торможение сверхзвукового потока после рабочей части сопровождается волновыми потерями полного давления, связанными с образованием скачков уплотнения. Мощности компрессоров крупных сверхзвуковых аэродинамических труб с характерными размерами поперечного сечения рабочей части 1,5 х 2,5 м² составляют 50-100 МВт. В незамкнутой прямоточной баллонной сверхзвуковой аэродинамической трубе (рис. 3) нет обратного канала, заданное давление в форкамере (по мере истечения газа из баллонов) поддерживается с помощью регулирующего дросселя.

Моделирование гиперзвукового полёта требует воспроизведения в аэродинамической трубе давления торможения до сотен МПа и температуры торможения до 10⁴ К. При числе М>4,5 воздух в аэродинамической трубе необходимо нагревать для предотвращения его конденсации, отчего существенно изменяются свойства потока, вытекающего из сопла, и он становится практически непригодным для проведения аэродинамического эксперимента. Обычно исследования гиперзвуковых ЛА проводят на комплексе экспериментальных установок, поскольку не существует аэродинамической трубы, которая одна обеспечила бы все необходимые для моделирования такого полёта условия.

Гиперзвуковые баллонные аэродинамические трубы «классического типа» подобны сверхзвуковым баллонным аэродинамическим трубам со временем действия порядка десятков секунд. В таких трубах подогрев воздуха осуществляется в омических, электродуговых или кауперных подогревателях. Мощность подогревателей для труб с сечением рабочей части 1 м² составляет более 10 МВт. Максимальное давление в аэродинамической трубе с дуговым подогревателем порядка 20 МПа, что позволяет моделировать полёт гиперзвуковых ЛА только на больших высотах. Большой перепад давлений, необходимый для гиперзвуковых аэродинамических труб, обеспечивается системой эжекторов или вакуумной ёмкостью (рис. 4).

Ряд важнейших особенностей гиперзвукового полёта моделируется в различных специальных газодинамических установках. Для исследований при больших давлениях торможения и натурных Рейнольдса числах широко применяют ударные и импульсные аэродинамические трубы со временем действия 0,005-0,1 с. Теплозащитные покрытия исследуют в тепловых аэродинамических трубах с электродуговыми подогревателями. Полёты на очень больших высотах моделируют в вакуумных аэродинамических трубах, обеспечивающих давление порядка 10^-3 Па и длительность эксперимента до 1 часа. Аэроакустические аэродинамические трубы предназначены для исследования влияния акустических полей на прочность конструкции изучаемого объекта, работу приборных отсеков и др. От обычных аэродинамических труб они отличаются тем, что их рабочая часть защищена от внешних шумов (работающих силовых установок и вентиляторов аэродинамической трубы), а её стенки покрыты материалом, поглощающим звуковые волны, возникающие при обтекании модели и работе установленных на ней двигателей.

Управление аэродинамической трубой и обработка данных, получаемых в ходе экспериментов с натурными объектами или их моделями, осуществляется с помощью ЭВМ.

Появление и развитие аэродинамической трубы тесно связано с развитием авиации. Первые аэродинамические трубы построены в 1871 году В. А. Пашкевичем в России и Ф. Уэнхемом в Великобритании, несколько позднее К. Э. Циолковским (1897), братьями У. и О. Райт (1901), Н. Е. Жуковским (1902) и др. В 1920-30-х годах развитие аэродинамических труб шло в основном по пути увеличения их мощности и размеров рабочей части. В 1925 году в ЦАГИ введена в действие крупнейшая для того времени аэродинамическая труба. С середины 1940-х годов начала быстрыми темпами развиваться реактивная авиация, что обусловило создание крупных трансзвуковых и сверхзвуковых аэродинамических труб. В 1946 году в ЦАГИ создана первая в мире трансзвуковая аэродинамическая труба с перфорированной рабочей частью, обеспечившая принципиально новые возможности для проведения исследований в области перехода через скорость звука. Развитие гиперзвуковых аэродинамических труб и создание специальных гиперзвуковых газодинамических установок связано с появлением в 1960-х годах баллистических ракет и спускаемых космических аппаратов. С целью увеличения чисел Рейнольдса в аэродинамической трубе для приближения к натурным значениям в 1980-е годы была реализована концепция криогенной аэродинамической трубы.

Лит.: Пэнкхёрст Р. Холдер Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах. М., 1955; Горлин С. М., Слезингер И. И. Аэромеханические измерения. Методы и приборы. М., 1964; Поуп А., Гойн К. Аэродинамические трубы больших скоростей. М., 1968; Основные данные иностранных аэродинамических труб и газодинамических установок. М., 1968; Криогенные аэродинамические трубы. М., 1990.