Аэродинамическая труба

В основе аэродинамического эксперимента лежит принцип обратимости движения: аэродинамическая сила, действующая на тело, не зависит от того, движется ли тело с некоторой скоростью в неподвижной среде или же тело закреплено, а среда набегает на него с той же скоростью. Иначе говоря, важна лишь относительная скорость тела и потока. Это позволяет заменить трудновоспроизводимый натурный полёт удобным лабораторным экспериментом: модель неподвижно закреплена, а воздух прогоняется мимо неё вентилятором или компрессором.

Пересчёт полученных на модели сил и моментов на натурный объект осуществляется на основе теории подобия — прежде всего с использованием критериев подобия Рейнольдса (для дозвуковых течений) и Маха (для сжимаемых течений).

Первым экспериментальным устройством для измерения аэродинамических сил стал вращающийся рычаг (англ. whirling arm) — фактически карусель, на конце которой закреплялась исследуемая модель. Такой прибор в 1746 году построил английский математик Бенджамин Робинс; его установка имела рычаг длиной около 1,2 м и разгоняла модель до 3—6 м/с. В начале XIX века вращающийся рычаг для измерения подъёмной силы и сопротивления крыльев различного профиля использовал английский пионер авиации Джордж Кейли^[1].

Однако у карусели обнаружился принципиальный недостаток: рычаг закручивал окружающий воздух, и модель фактически «влетала в собственный след». Определить истинную относительную скорость и получить достоверные малые силы было невозможно. Именно эти трудности подтолкнули к отказу от карусели в пользу установки, реализующей принцип обратимости движения напрямую, — аэродинамической трубы.

Типовая аэродинамическая труба состоит из форкамеры с хонейкомбом(устройство для выравнивания потока жидкости или газа) и детурбулизирующими сетками, сужающегося сопла, рабочей части (открытой либо закрытой), диффузора и системы привода — одного или нескольких вентиляторов, компрессоров либо эжекторов. Трубы бывают замкнутыми (воздух циркулирует по кольцевому контуру) и разомкнутыми.

Первую аэродинамическую трубу в 1871 году построил член Совета Королевского авиационного общества Великобритании Фрэнсис Герберт Уэнхем; он использовал её для исследования несущих свойств крыла. Практически одновременно, в те же годы, аналогичная установка была создана в России военным инженером В. А. Пашкевичем для определения аэродинамических характеристик артиллерийских снарядов^[2].

В 1897 году К. Э. Циолковский построил в Калуге прототип аэродинамической трубы собственной конструкции, использовав поток воздуха центробежного вентилятора, — это был первый в России опыт систематического изучения обтекания тел воздушным потоком. В 1902 году под руководством Н. Е. Жуковского при механическом кабинете Московского университета была сооружена аэродинамическая труба, в которой осевой вентилятор создавал поток со скоростью до 9 м/с. Первую замкнутую аэродинамическую трубу построил в 1909 году в Гёттингене Людвиг Прандтль, а в том же году Гюстав Эйфель в Париже ввёл в эксплуатацию трубу со свободной струёй в рабочей части.

Логическим продолжением работ Н. Е. Жуковского стало создание в Советской России специализированного научного центра. 1 декабря 1918 года по инициативе Жуковского и его учеников был учреждён Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ)^[3]. Жуковский стал его первым руководителем, а после его смерти институт продолжил дело учителя, превратившись в мировой центр экспериментальной аэродинамики. Сегодня ЦАГИ располагает уникальным парком из 60 с лишним аэродинамических установок, охватывающих диапазон скоростей от 10 м/с до чисел Маха M ≈ 25. Отдельные установки с магнитогидродинамическим разгоном потока до 8000 м/с, и с давлением торможения до 5000 атм не имеют аналогов^[4].

Николай Егорович Жуковский - выдающийся ученый, основатель Центрального Аэрогидродинамического Института( ЦАГИ), один из основоположников отечественной школы аэродинамики.

К середине XX века развитие реактивной авиации потребовало испытаний моделей на околозвуковых скоростях. Долгое время считалось, что трансзвуковая труба принципиально невозможна: при приближении скорости потока к скорости звука модель, занимая часть поперечного сечения рабочей части, снижает эффективную площадь канала — на модели возникает критический режим течения (M = 1), и труба «запирается». Достоверные результаты не удавалось получить при M > 0,8.

Решением стала перфорированная (или щелевая) рабочая часть: отверстия в стенках выпускают часть воздуха в окружающий плёнум, устраняя эффект запирания и одновременно гася отражения ударных волн от стенок. К этой идее независимо и практически одновременно пришли исследователи по обе стороны океана. В США теоретическое обоснование щелевой рабочей части предложил в 1946—1947 годах физик лаборатории NACA в Лэнгли Р. Х. Райт совместно с инженером В. Г. Уордом; работой руководил Дж. Стэк. В 1947 году идея была подтверждена на малой пилотной трубе, а в 1951 году Стэк с коллегами получил за создание трансзвуковой аэродинамической трубы премию Кольера — впервые в истории эта награда была присуждена именно за исследовательский инструмент^[5].

В СССР решение проблемы связано в первую очередь с именем академика С. А. Христиановича. Именно он предложил перфорировать стенки рабочей части единственной на тот момент в стране трубы, пригодной для испытаний моделей самолётов, и взял на себя ответственность за это рискованное решение, преодолев возражения со стороны А. Н. Туполева. К 1947 году в ЦАГИ были получены первые результаты испытаний на трансзвуковых режимах^[6]. Впоследствии перфорированная рабочая часть стала стандартом мировой практики трансзвуковых испытаний.

Испытания модели самолёта MD-11 в аэродинамической трубе Исследовательского центра Эймса

Введённая в строй в 1939 году, Т-101 — дозвуковая аэродинамическая труба замкнутой схемы с эллиптическим соплом размерами 24 × 14 м и скоростью потока в рабочей части до 40 м/с. Площадь рабочей части позволяет испытывать натурные летательные аппараты. В годы Великой Отечественной войны в Т-101 были продуты практически все советские серийные истребители, а также трофейные и ленд-лизовские машины; результаты продувок непосредственно влияли на боевые характеристики фронтовой авиации. По сей день Т-101 остаётся одной из крупнейших дозвуковых труб Европы^[7].

Т-105 введена в эксплуатацию 1 августа 1941 года и вошла в состав специальной лаборатории № 5 — лаборатории штопора самолётов. Это вертикальная труба замкнутой схемы с одним обратным каналом и открытой рабочей частью диаметром 4,5 м; поток направлен снизу вверх. Т-105 — единственная в России установка подобного типа; её младшие «родственники» широко известны как развлекательные аэротрубы^[8].

Вертикальная аэродинамическая труба ЦАГИ Т-105

Крупнейшая современная установка ЦАГИ, Т-128 построена в 1982 году под руководством О. В. Лыжина; официальной датой ввода в эксплуатацию считается 1983 год. Это трансзвуковая аэродинамическая труба переменной плотности с компрессорным приводом мощностью 100 МВт — крупнейшая в Восточном полушарии и третья в мире по размеру рабочей части (2,75 × 2,75 м при длине 12 м). Диапазон чисел Маха — от 0,15 до 1,75; достижимые числа Рейнольдса — до 20—40 × 10⁶. Впервые в мировой практике в Т-128 реализована схема четырёхсторонней многосекционной регулируемой перфорации стенок рабочей части: программное управление перфорацией позволяет практически исключить влияние границ потока и приблизить условия испытаний к свободному полёту. По сей день Т-128 остаётся единственной в мире установкой с регулируемой перфорацией и служит основной промышленной трубой для массовых продувок самолётов различных типов^[9][10].

Изготавливается дренированная модель: в её поверхности выполняются отверстия, соединённые шлангами с манометрами. В гидромеханике доказано, что давление без изменений передаётся поперёк пограничного слоя, что позволяет рассчитать сопротивление давления тела по результатам измерений. Модель подвешивают на многокомпонентном динамометре (аэродинамических весах) либо на системе растяжек, позволяющей измерять натяжение каждой из них. Пересчёт на натурный объект ведётся по критерию подобия Рейнольдса.

Для качественного анализа обтекания на поверхность модели наклеивают шерстяные нити (шелковинки) либо закрепляют их на проволочной сетке. Применяется также подача цветного дыма в характерные зоны потока, однако в трубах с рециркуляцией продолжительность такого опыта ограничена общим задымлением тракта. В современных исследованиях используются оптические методы — теневая съёмка, шлирен-визуализация, PIV (велосиметрия по изображениям частиц).