Az aerodinamika egy olyan tudományterület, amely a légáramlások mozgását és azok szilárd testekre gyakorolt hatását vizsgálja. Ez a víz- és gázdinamika egyik alszaka. Az ezen a területen végzett kutatások egészen az ókorig nyúlnak vissza, a nyilak és a terveződárdák feltalálásának idejéig, amelyek lehetővé tették a lövedék célpontra való távolabbi és pontosabb küldését. Az aerodinamikában rejlő lehetőségek azonban teljesen feltárultak a levegőnél nehezebb járművek feltalálásával, amelyek képesek jelentős távolságokat repülni vagy sikolni.
Ősidők óta
Az aerodinamika törvényeinek 20. századi felfedezése fantasztikus ugráshoz járult a tudomány és a technológia számos területén, különösen a közlekedési szektorban. Eredményei alapján olyan modern repülőgépeket hoztak létre, amelyek lehetővé tették, hogy a Föld szinte bármely szegletét elérhetővé tegyék a nyilvánosság számára.
Az ég meghódítására tett kísérlet első említése Ikarosz és Daidalosz görög mítoszában található. Apa és fia madárszerű szárnyakat épített. Ez azt jelzi, hogy több ezer évvel ezelőtt az emberek gondolkodtak azon, hogy felszállhatnak a talajra.
Újabb hullámA repülőgép-építés iránti érdeklődés a reneszánsz idején támadt. Leonardo da Vinci szenvedélyes kutató sok időt szentelt ennek a problémának. Ismeretesek jegyzetei, amelyek a legegyszerűbb helikopter működési elveit magyarázzák.
Új korszak
A tudományban (és különösen a repüléstechnikában) a globális áttörést Isaac Newton hozta meg. Hiszen az aerodinamika alapja egy átfogó mechanika tudomány, amelynek alapítója egy angol tudós volt. Newton volt az első, aki a levegőt részecskék konglomerátumának tekintette, amelyek akadályba ütközve vagy hozzátapadnak, vagy rugalmasan visszaverődnek. 1726-ban bemutatta a nagyközönségnek a légellenállás elméletét.
Ezután kiderült, hogy a környezet valóban a legkisebb részecskékből – molekulákból – áll. Megtanulták, hogyan kell meglehetősen pontosan kiszámítani a levegő visszaverő képességét, és a „tapadó” hatást tarthatatlan feltételezésnek tartották.
Meglepő módon ez az elmélet évszázadokkal később gyakorlati alkalmazásra talált. A 60-as években, az űrkorszak hajnalán a szovjet tervezők azzal a problémával szembesültek, hogy kiszámítsák a „tompa” gömb alakú leszálló járművek aerodinamikai ellenállását, amelyek leszálláskor hiperszonikus sebességet fejlesztenek ki. A nagy teljesítményű számítógépek hiánya miatt problémás volt ennek a mutatónak a kiszámítása. Váratlanul kiderült, hogy Newton egyszerű képletével pontosan kiszámítható a légellenállás értéke, sőt a nyomáseloszlás is a frontális részen a részecskék repülő tárgyhoz való "tapadásának" hatására.
Aerodinamika fejlesztése
AlapítóDaniel Bernoulli hidrodinamikus 1738-ban leírta a nyomás, a sűrűség és a sebesség közötti alapvető összefüggést összenyomhatatlan áramlás esetén, amelyet ma Bernoulli-elvként ismernek, és amely az aerodinamikai emelés számításaira is alkalmazható. 1799-ben Sir George Cayley volt az első ember, aki azonosította a repülés négy aerodinamikai erőjét (súly, emelés, légellenállás és tolóerő) és a köztük lévő kapcsolatokat.
1871-ben Francis Herbert Wenham létrehozta az első szélcsatornát az aerodinamikai erők pontos mérésére. Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh által kidolgozott felbecsülhetetlen értékű tudományos elméletek. 1889-ben Charles Renard francia repülőmérnök volt az első ember, aki tudományosan kiszámította a tartós repüléshez szükséges teljesítményt.
Elmélettől gyakorlatig
A 19. században a feltalálók tudományos szempontból nézték a szárnyat. A madarak repülési mechanizmusának tanulmányozásának köszönhetően pedig az aerodinamikát is tanulmányozták, amelyet később mesterséges repülőgépeken is alkalmaztak.
Lilienthal Ottó különösen a szárnymechanika kutatásában jeleskedett. A német repülőgép-tervező 11 típusú vitorlázórepülőt készített és tesztelt, köztük egy kétfedelű repülőgépet is. Az első repülést a levegőnél nehezebb készüléken is végrehajtotta. Viszonylag rövid életen át (46 év) mintegy 2000 repülést hajtott végre, folyamatosan fejlesztve a dizájnt, ami inkább hasonlított egy sárkányrepülőre, mint egy repülőgépre. A következő repülés közben, 1896. augusztus 10-én h alt meg, úttörő lettrepülés, és egy repülőgép-szerencsétlenség első áldozata. A német feltaláló egyébként személyesen adta át az egyik vitorlázórepülőt Nyikolaj Jegorovics Zsukovszkijnak, a repülőgépek aerodinamikája tanulmányozásának úttörőjének.
Zsukovszkij nem csak kísérletezett repülőgép-tervekkel. Sok akkori rajongóval ellentétben ő elsősorban a légáramlatok viselkedését vette figyelembe tudományos szempontból. 1904-ben megalapította a világ első aerodinamikai intézetét a Moszkva melletti Cachinóban. 1918 óta a TsAGI (Central Aerohydrodynamic Institute) vezetője.
Első repülőgépek
Az aerodinamika az a tudomány, amely lehetővé tette az ember számára, hogy meghódítsa az eget. Ennek tanulmányozása nélkül lehetetlen lenne légáramlatokban stabilan mozgó repülőgépeket építeni. A szokásos értelemben vett első repülőgépet 1903. december 7-én a Wright fivérek készítették és emelték a levegőbe. Ezt az eseményt azonban gondos elméleti munka előzte meg. Az amerikaiak sok időt szenteltek a repülőgépváz tervezésének hibakeresésére egy saját tervezésű szélcsatornában.
Az első repülések során Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta és Nikolai Zhukovsky elméleteket terjesztett elő, amelyek megmagyarázzák a felhajtóerőt létrehozó légáramok keringését. Kutta és Zsukovszkij folytatta a szárny kétdimenziós elméletének kidolgozását. Ludwig Prandtl nevéhez fűződik a finom aerodinamikai és emelőerők matematikai elméletének kidolgozása, valamint a határrétegekkel való munka.
Problémák és megoldások
A repülőgépek aerodinamikájának jelentősége a sebesség növekedésével nőtt. A tervezők problémákba ütköztek a hangsebességgel vagy ahhoz közeli levegő sűrítésével. Az ilyen körülmények között tapasztalható áramlási különbségek repülőgépkezelési problémákhoz, lökéshullámok következtében megnövekedett légellenálláshoz és az aeroelasztikus lebegés miatti szerkezeti meghibásodás veszélyéhez vezettek. Az áramlási sebesség és a hangsebesség arányát Mach-számnak nevezték Ernst Mach után, aki az elsők között vizsgálta a szuperszonikus áramlás tulajdonságait.
William John McQuorn Rankine és Pierre Henri Gougoniot egymástól függetlenül dolgozta ki a légáramlási tulajdonságok elméletét lökéshullám előtt és után, míg Jacob Akeret végezte el a kezdeti munkát a szuperszonikus szárnyszárnyak felhajtóerejének és légellenállásának kiszámításában. Theodor von Karman és Hugh Latimer Dryden megalkotta a „transzonikus” kifejezést, hogy leírja a sebességet a Mach 1 határánál (965-1236 km/h), amikor az ellenállás gyorsan növekszik. Az első hangsorompót 1947-ben törték át egy Bell X-1 repülőgépen.
Főbb jellemzők
Az aerodinamika törvényei szerint bármely eszköz földi légkörében való repülés biztosításához fontos tudni:
- Aerodinamikai ellenállás (X-tengely), amelyet a légáramlatok gyakorolnak egy tárgyra. Ez a paraméter alapján kerül kiválasztásra az erőmű teljesítménye.
- Emelőerő (Y-tengely), amely emelkedést biztosít, és lehetővé teszi, hogy az eszköz vízszintesen repüljön a föld felszínére.
- A repülő tárgyra ható aerodinamikai erők pillanatai három koordinátatengely mentén. legfontosabba Z tengely (Mz) mentén fellépő oldalirányú erő nyomatéka, amely a repülőgépre irányul (feltételesen a szárnyvonal mentén). Meghatározza a hosszirányú stabilitás mértékét (hogy az eszköz "merül-e" vagy felemeli-e az orrát repülés közben).
Osztályozás
Az aerodinamikai teljesítményt a légáramlási feltételek és tulajdonságok szerint osztályozzák, beleértve a sebességet, az összenyomhatóságot és a viszkozitást. A külső aerodinamika a különböző alakú szilárd tárgyak körüli áramlás tanulmányozása. Példaként említhető a repülőgép emelésének és rezgésének, valamint a rakéta orra előtt kialakuló lökéshullámok felmérése.
A belső aerodinamika a szilárd tárgyak nyílásain (járatain) áthaladó légáramlás tanulmányozása. Például lefedi a sugárhajtóműveken áthaladó áramlások tanulmányozását.
Az aerodinamikai teljesítmény az áramlási sebesség szerint is osztályozható:
- Szubsonicnak nevezzük a hangsebességnél kisebb sebességet.
- Transonic (transonic) – ha vannak hangsebesség alatti és feletti sebességek is.
- Supersonic – amikor az áramlási sebesség nagyobb, mint a hangsebesség.
- Hiperszonikus – az áramlási sebesség sokkal nagyobb, mint a hangsebesség. Ez a meghatározás általában 5 feletti Mach-számú sebességet jelent.
Helikopter aerodinamika
Ha a repülőgép repülési elve a szárnyra kifejtett transzlációs mozgás során fellépő emelőerőn alapul, akkor a helikopter axiális fúvó üzemmódban a lapátok forgása miatt mintegy magától hozza létre az emelést (vagyis transzlációs sebesség nélkül). KöszönetEzzel a funkcióval a helikopter képes a helyén lebegni a levegőben, és energikus manővereket végrehajtani a tengely körül.
Egyéb alkalmazások
Az aerodinamika természetesen nem csak a repülőgépekre vonatkozik. A légellenállást minden, a térben gáz- és folyékony közegben mozgó tárgy tapasztalja. Ismeretes, hogy a vízi lakosok - halak és emlősök - áramvonalas formájúak. Példájukon nyomon követheti az aerodinamikát működés közben. Az állatvilágra összpontosítva az emberek a vízi közlekedést is hegyessé vagy könnycsepp alakúvá teszik. Ez a hajókra, csónakokra és tengeralattjárókra vonatkozik.
A járművek jelentős légellenállást tapasztalnak: a sebesség növekedésével nő. A jobb aerodinamika elérése érdekében az autók áramvonalas formát kapnak. Ez különösen igaz a sportautókra.
