აეროდინამიკა არის ცოდნის დარგი, რომელიც შეისწავლის ჰაერის ნაკადების მოძრაობას და მათ გავლენას მყარ სხეულებზე. ეს არის ჰიდრო- და გაზის დინამიკის ქვეგანყოფილება. ამ სფეროში კვლევები თარიღდება უძველესი დროიდან, ისრების გამოგონებისა და დაგეგმარების შუბების დროიდან, რამაც შესაძლებელი გახადა ჭურვის შემდგომი და ზუსტი გაგზავნა სამიზნეზე. თუმცა, აეროდინამიკის პოტენციალი სრულად გამოვლინდა ჰაერზე მძიმე სატრანსპორტო საშუალებების გამოგონებით, რომლებსაც შეეძლოთ ფრენა ან სრიალი დიდ მანძილზე.
ძველი დროიდან
მე-20 საუკუნეში აეროდინამიკის კანონების აღმოჩენამ ხელი შეუწყო ფანტასტიკურ ნახტომს მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ბევრ სფეროში, განსაკუთრებით ტრანსპორტის სექტორში. მის მიღწევებზე დაყრდნობით შეიქმნა თანამედროვე თვითმფრინავები, რამაც შესაძლებელი გახადა პლანეტა დედამიწის პრაქტიკულად ნებისმიერი კუთხე საზოგადოებისთვის ხელმისაწვდომი ყოფილიყო.
პირველი ნახსენები ცის დაპყრობის მცდელობის შესახებ გვხვდება ბერძნულ მითში იკაროსისა და დადალუსის შესახებ. მამა-შვილმა ჩიტის ფრთები ააშენა. ეს იმაზე მეტყველებს, რომ ათასობით წლის წინ ადამიანები ფიქრობდნენ მიწიდან ჩამოსვლის შესაძლებლობაზე.
კიდევ ერთი ზრდათვითმფრინავების მშენებლობისადმი ინტერესი გაჩნდა რენესანსის დროს. მგზნებარე მკვლევარმა ლეონარდო და ვინჩიმ დიდი დრო დაუთმო ამ პრობლემას. ცნობილია მისი ჩანაწერები, რომლებიც ხსნის უმარტივესი ვერტმფრენის მუშაობის პრინციპებს.
ახალი ერა
გლობალური გარღვევა მეცნიერებაში (და განსაკუთრებით აერონავტიკაში) განხორციელდა ისააკ ნიუტონმა. ყოველივე ამის შემდეგ, აეროდინამიკის საფუძველია მექანიკის ყოვლისმომცველი მეცნიერება, რომლის დამფუძნებელი იყო ინგლისელი მეცნიერი. ნიუტონმა პირველმა განიხილა ჰაერის გარემო, როგორც ნაწილაკების კონგლომერატი, რომელიც, დაბრკოლებას შეეჯახა, ან ელასტიურად აირეკა. 1726 წელს მან საზოგადოებას წარუდგინა ჰაერის წინააღმდეგობის თეორია.
შემდგომში აღმოჩნდა, რომ გარემო მართლაც შედგება უმცირესი ნაწილაკებისგან - მოლეკულებისგან. მათ ისწავლეს ჰაერის არეკვლის გამოთვლა საკმაოდ ზუსტად და „დაწებება“ითვლებოდა დაუსაბუთებელ ვარაუდად.
გასაკვირველია, რომ ამ თეორიამ პრაქტიკული გამოყენება საუკუნეების შემდეგ იპოვა. 60-იან წლებში, კოსმოსური ეპოქის გარიჟრაჟზე, საბჭოთა დიზაინერებს შეექმნათ "ბლაგვი" სფერული ფორმის დაშვების მანქანების აეროდინამიკური წინააღმდეგობის გაანგარიშების პრობლემა, რომლებიც დაშვებისას ავითარებენ ჰიპერბგერით სიჩქარეს. მძლავრი კომპიუტერების არარსებობის გამო პრობლემური იყო ამ ინდიკატორის გამოთვლა. მოულოდნელად, აღმოჩნდა, რომ შესაძლებელია ზუსტად გამოვთვალოთ წევის მნიშვნელობა და წნევის განაწილებაც კი შუბლის ნაწილზე ნიუტონის მარტივი ფორმულის გამოყენებით მფრინავ ობიექტზე ნაწილაკების „დაწებების“ეფექტის შესახებ..
აეროდინამიკის განვითარება
დამფუძნებელიჰიდროდინამიკოსმა დანიელ ბერნულმა 1738 წელს აღწერა ფუნდამენტური ურთიერთობა წნევას, სიმკვრივესა და სიჩქარეს შორის შეკუმშვადი ნაკადისთვის, რომელიც დღეს ცნობილია როგორც ბერნულის პრინციპი, რომელიც ასევე გამოიყენება აეროდინამიკური ამწევის გამოთვლებისთვის. 1799 წელს სერ ჯორჯ კეილი გახდა პირველი ადამიანი, ვინც დაადგინა ფრენის ოთხი აეროდინამიკური ძალა (წონა, აწევა, წევა და ბიძგი) და მათ შორის ურთიერთობა.
1871 წელს ფრენსის ჰერბერტ ვენჰემმა შექმნა პირველი ქარის გვირაბი აეროდინამიკური ძალების ზუსტად გაზომვის მიზნით. ფასდაუდებელი სამეცნიერო თეორიები შემუშავებული ჟან ლე რონდ დ'ალმბერის, გუსტავ კირხოფის, ლორდ რეილის მიერ. 1889 წელს ჩარლზ რენარი, ფრანგი აერონავტიკის ინჟინერი, გახდა პირველი ადამიანი, რომელმაც მეცნიერულად გამოთვალა მდგრადი ფრენისთვის საჭირო სიმძლავრე.
თეორიიდან პრაქტიკამდე
მე-19 საუკუნეში გამომგონებლები ფრთას მეცნიერული თვალსაზრისით უყურებდნენ. და ფრინველების ფრენის მექანიზმის შესწავლის წყალობით შეისწავლეს აეროდინამიკა მოქმედებაში, რომელიც მოგვიანებით გამოიყენეს ხელოვნურ თვითმფრინავებზე.
ოტო ლილიენტალი განსაკუთრებით გამოირჩეოდა ფრთების მექანიკის კვლევაში. გერმანელმა ავიაკონსტრუქტორმა შექმნა და გამოსცადა 11 ტიპის პლანერი, მათ შორის ბიპლანი. მან ასევე განახორციელა პირველი ფრენა ჰაერზე მძიმე აპარატით. შედარებით ხანმოკლე ცხოვრების განმავლობაში (46 წელი) მან განახორციელა დაახლოებით 2000 ფრენა, მუდმივად აუმჯობესებდა დიზაინს, რომელიც უფრო ჰგავდა პლანერს, ვიდრე თვითმფრინავს. იგი გარდაიცვალა მომდევნო ფრენისას 1896 წლის 10 აგვისტოს, პიონერი გახდააერონავტიკა და ავიაკატასტროფის პირველი მსხვერპლი. სხვათა შორის, გერმანელმა გამომგონებელმა ერთ-ერთი პლანერი პირადად გადასცა თვითმფრინავის აეროდინამიკის შესწავლის პიონერ ნიკოლაი ეგოროვიჩ ჟუკოვსკის.
ჟუკოვსკიმ არ ჩაატარა ექსპერიმენტები თვითმფრინავების დიზაინზე. იმდროინდელი მრავალი ენთუზიასტისგან განსხვავებით, მან პირველ რიგში განიხილა ჰაერის დინების ქცევა მეცნიერული თვალსაზრისით. 1904 წელს მან დააარსა მსოფლიოში პირველი აეროდინამიკური ინსტიტუტი კაჩინოში მოსკოვის მახლობლად. 1918 წლიდან ხელმძღვანელობდა TsAGI-ს (ცენტრალური აეროჰიდროდინამიკური ინსტიტუტი).
პირველი თვითმფრინავები
აეროდინამიკა არის მეცნიერება, რომელმაც ადამიანს ცის დაპყრობის საშუალება მისცა. მისი შესწავლის გარეშე შეუძლებელი იქნება საჰაერო ხომალდის აგება, რომელიც სტაბილურად მოძრაობს ჰაერის ნაკადებში. პირველი თვითმფრინავი ჩვენი ჩვეულებრივი გაგებით შეიქმნა და ჰაერში აიყვანეს 1903 წლის 7 დეკემბერს ძმებმა რაიტებმა. თუმცა ამ მოვლენას წინ უძღოდა ფრთხილი თეორიული მუშაობა. ამერიკელებმა დიდი დრო დაუთმეს საჰაერო ჩარჩოს დიზაინის გამართვას საკუთარი დიზაინის ქარის გვირაბში.
პირველი ფრენების დროს ფრედერიკ ვ. ლანჩესტერმა, მარტინ ვილჰელმ კუტამ და ნიკოლაი ჟუკოვსკიმ წამოაყენეს თეორიები, რომლებიც ხსნიდნენ ჰაერის დინების ცირკულაციას, რომლებიც ქმნიან ამწევს. კუტამ და ჟუკოვსკიმ განაგრძეს ფრთის ორგანზომილებიანი თეორიის შემუშავება. ლუდვიგ პრანდტლს მიეწერება დახვეწილი აეროდინამიკური და ამწე ძალების მათემატიკური თეორიის შემუშავება, ასევე სასაზღვრო ფენებთან მუშაობა.
პრობლემები და გადაწყვეტილებები
თვითმფრინავების აეროდინამიკის მნიშვნელობა გაიზარდა მათი სიჩქარის მატებასთან ერთად.დიზაინერებმა დაიწყეს პრობლემები ჰაერის შეკუმშვისას ხმის სიჩქარით ან მის მახლობლად. ამ პირობებში ნაკადის განსხვავებამ გამოიწვია თვითმფრინავების მართვასთან დაკავშირებული პრობლემები, გაზრდილი წინააღმდეგობა დარტყმითი ტალღების გამო და აეროელასტიური ფრიალის გამო სტრუქტურული უკმარისობის საფრთხე. დინების სიჩქარის შეფარდებას ბგერის სიჩქარესთან ეწოდა მახის რიცხვი ერნსტ მახის მიხედვით, რომელიც ერთ-ერთმა პირველმა გამოიკვლია ზებგერითი დინების თვისებები.
უილიამ ჯონ მაკკუორნ რენკინმა და პიერ ჰენრი გუგონიოტმა დამოუკიდებლად შეიმუშავეს ჰაერის ნაკადის თვისებების თეორია დარტყმის ტალღამდე და მის შემდეგ, ხოლო ჯეიკობ აკერეტმა შეასრულა საწყისი სამუშაო ზებგერითი საჰაერო ხომალდის აწევისა და წევის გამოთვლაზე. თეოდორ ფონ კარმანმა და ჰიუ ლატიმერ დრაიდენმა შექმნეს ტერმინი "ტრანსონიკური" მახის 1 საზღვარზე (965-1236 კმ/სთ) სიჩქარის აღსაწერად, როდესაც წინააღმდეგობა სწრაფად იზრდება. პირველი ხმის ბარიერი დაირღვა 1947 წელს Bell X-1 თვითმფრინავზე.
ძირითადი მახასიათებლები
აეროდინამიკის კანონების მიხედვით, ნებისმიერი მოწყობილობის დედამიწის ატმოსფეროში ფრენის უზრუნველსაყოფად, მნიშვნელოვანია იცოდეთ:
- აეროდინამიკური წევა (X-ღერძი) ობიექტზე ჰაერის დენებისაგან. ამ პარამეტრის საფუძველზე შეირჩევა ელექტროსადგურის სიმძლავრე.
- აწევის ძალა (Y-ღერძი), რომელიც უზრუნველყოფს ასვლას და საშუალებას აძლევს მოწყობილობას ჰორიზონტალურად აფრინდეს დედამიწის ზედაპირზე.
- აეროდინამიკური ძალების მომენტები სამი კოორდინატული ღერძის გასწვრივ, რომლებიც მოქმედებენ მფრინავ ობიექტზე. ყველაზე მნიშვნელოვანიარის გვერდითი ძალის მომენტი Z-ღერძის გასწვრივ (Mz) მიმართული თვითმფრინავის გასწვრივ (პირობითად ფრთის ხაზის გასწვრივ). ის განსაზღვრავს გრძივი მდგრადობის ხარისხს (ჩაყვინთავს თუ არა ცხვირს ფრენისას მოწყობილობა).
კლასიფიკაცია
აეროდინამიკური შესრულება კლასიფიცირდება ჰაერის ნაკადის პირობებითა და თვისებებით, მათ შორის სიჩქარე, შეკუმშვა და სიბლანტე. გარე აეროდინამიკა არის ნაკადის შესწავლა სხვადასხვა ფორმის მყარი ობიექტების გარშემო. მაგალითებია თვითმფრინავის აწევისა და ვიბრაციის შეფასება, ისევე როგორც დარტყმითი ტალღები, რომლებიც წარმოიქმნება რაკეტის ცხვირის წინ.
შიდა აეროდინამიკა არის ჰაერის ნაკადის შესწავლა, რომელიც მოძრაობს მყარი ობიექტების ღიობებში (გადასასვლელებში). მაგალითად, ის მოიცავს რეაქტიული ძრავის ნაკადების შესწავლას.
აეროდინამიკური შესრულება ასევე შეიძლება კლასიფიცირდეს ნაკადის სიჩქარის მიხედვით:
- ქვებგერითი ეწოდება სიჩქარეს ხმის სიჩქარეზე ნაკლები.
- ტრანსონური (ტრანსონიკური) - თუ არის სიჩქარები ხმის სიჩქარის ქვემოთ და ზემოთ.
- სუპერბგერითი - როცა დინების სიჩქარე მეტია ხმის სიჩქარეზე.
- ჰიპერბგერითი - დინების სიჩქარე ბევრად აღემატება ხმის სიჩქარეს. ჩვეულებრივ, ეს განმარტება ნიშნავს სიჩქარეს 5-ზე მეტი მახის რიცხვებით.
ვერტმფრენის აეროდინამიკა
თუ თვითმფრინავის ფრენის პრინციპი ემყარება ამწევ ძალას ფრთაზე განხორციელებული მთარგმნელობითი მოძრაობის დროს, მაშინ ვერტმფრენი, როგორც ეს იყო, თავისთავად ქმნის აწევას ღერძული აფეთქების რეჟიმში პირების ბრუნვის გამო (ანუ თარგმანის სიჩქარის გარეშე). მადლობაამ ფუნქციით, ვერტმფრენს შეუძლია ჰაერში გადაადგილება და ენერგიული მანევრების შესრულება ღერძის გარშემო.
სხვა აპლიკაციები
ბუნებრივია, აეროდინამიკა ვრცელდება არა მხოლოდ თვითმფრინავებზე. ჰაერის წინააღმდეგობას განიცდის ყველა ობიექტი, რომელიც მოძრაობს სივრცეში გაზსა და თხევად გარემოში. ცნობილია, რომ წყლის ბინადრებს - თევზებსა და ძუძუმწოვრებს - აქვთ გამარტივებული ფორმები. მათ მაგალითზე შეგიძლიათ თვალყური ადევნოთ აეროდინამიკას მოქმედებაში. ცხოველთა სამყაროზე ფოკუსირებით, ადამიანები წყლის ტრანსპორტირებას წვეტიან ან ცრემლის ფორმას ატარებენ. ეს ეხება გემებს, ნავებს, წყალქვეშა ნავებს.
მანქანები განიცდიან მნიშვნელოვან ჰაერის წინააღმდეგობას: ის იზრდება სიჩქარის მატებასთან ერთად. უკეთესი აეროდინამიკის მისაღწევად, მანქანებს ეძლევა გამარტივებული ფორმა. ეს განსაკუთრებით ეხება სპორტულ მანქანებს.
