Khí động học là một lĩnh vực kiến thức nghiên cứu sự chuyển động của các dòng khí và ảnh hưởng của chúng đối với vật rắn. Nó là một tiểu mục của động lực học thủy và khí. Nghiên cứu trong lĩnh vực này có từ thời cổ đại, cho đến thời điểm phát minh ra mũi tên và giáo dự kiến, giúp có thể gửi một đường đạn đi xa hơn và chính xác hơn tới mục tiêu. Tuy nhiên, tiềm năng của khí động học đã được bộc lộ đầy đủ với việc phát minh ra các phương tiện bay nặng hơn không khí có khả năng bay hoặc lướt trên những khoảng cách đáng kể.
Từ ngàn xưa
Việc khám phá ra các quy luật khí động học trong thế kỷ 20 đã góp phần tạo nên bước nhảy vọt đáng kinh ngạc trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông vận tải. Dựa trên những thành tựu của nó, những chiếc máy bay hiện đại đã được tạo ra, giúp công chúng có thể tiếp cận hầu như mọi ngóc ngách trên hành tinh này.
Đề cập đầu tiên về nỗ lực chinh phục bầu trời được tìm thấy trong thần thoại Hy Lạp về Icarus và Daedalus. Cha và con xây dựng đôi cánh như chim. Điều này chỉ ra rằng hàng ngàn năm trước, người ta đã nghĩ về khả năng đi tắt đón đầu.
Một đợt tăng nữamối quan tâm đến việc chế tạo máy bay nảy sinh trong thời kỳ Phục hưng. Nhà nghiên cứu tâm huyết Leonardo da Vinci đã dành rất nhiều thời gian cho vấn đề này. Các ghi chú của ông đã được biết đến, giải thích nguyên lý hoạt động của một chiếc trực thăng đơn giản nhất.
Kỷ nguyên mới
Bước đột phá toàn cầu trong khoa học (và hàng không nói riêng) được thực hiện bởi Isaac Newton. Xét cho cùng, cơ sở của khí động học là một ngành khoa học toàn diện về cơ học, người sáng lập ra nó là một nhà khoa học người Anh. Newton là người đầu tiên coi môi trường không khí như một tập hợp các hạt, khi gặp chướng ngại vật, chúng dính vào nó hoặc bị phản xạ lại một cách đàn hồi. Năm 1726, ông trình bày lý thuyết về lực cản của không khí trước công chúng.
Sau đó, hóa ra môi trường thực sự bao gồm các hạt - phân tử nhỏ nhất. Họ đã học được cách tính toán hệ số phản xạ của không khí khá chính xác và hiệu ứng "dính" được coi là một giả định không thể chối cãi.
Đáng ngạc nhiên là lý thuyết này được áp dụng thực tế nhiều thế kỷ sau đó. Vào những năm 60, vào buổi bình minh của kỷ nguyên không gian, các nhà thiết kế Liên Xô phải đối mặt với vấn đề tính toán lực cản khí động học của các phương tiện có dạng hình cầu "cùn", vốn phát triển tốc độ siêu âm khi hạ cánh. Do thiếu máy tính mạnh nên việc tính toán chỉ số này gặp nhiều khó khăn. Thật bất ngờ, hóa ra có thể tính toán chính xác giá trị lực cản và thậm chí là sự phân bố áp suất trên phần phía trước bằng cách sử dụng công thức đơn giản của Newton về hiệu ứng "dính" các hạt vào một vật thể bay.
Phát triển khí động học
Người sáng lậpNăm 1738, nhà thủy động học Daniel Bernoulli đã mô tả mối quan hệ cơ bản giữa áp suất, mật độ và vận tốc đối với dòng chảy không nén được, ngày nay được gọi là nguyên lý Bernoulli, cũng được áp dụng cho các tính toán về lực nâng khí động học. Năm 1799, Sir George Cayley trở thành người đầu tiên xác định bốn lực khí động học của chuyến bay (trọng lượng, lực nâng, lực cản và lực đẩy) và mối quan hệ giữa chúng.
Năm 1871, Francis Herbert Wenham đã tạo ra đường hầm gió đầu tiên để đo chính xác lực khí động học. Các lý thuyết khoa học vô giá được phát triển bởi Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. Năm 1889, Charles Renard, một kỹ sư hàng không người Pháp, trở thành người đầu tiên tính toán một cách khoa học công suất cần thiết cho chuyến bay bền vững.
Từ lý thuyết đến thực hành
Vào thế kỷ 19, các nhà phát minh đã nhìn cánh từ quan điểm khoa học. Và nhờ nghiên cứu cơ chế bay của chim, khí động học trong hoạt động đã được nghiên cứu, sau này được áp dụng cho máy bay nhân tạo.
Otto Lilienthal đặc biệt xuất sắc trong việc nghiên cứu cơ học cánh. Nhà thiết kế máy bay người Đức đã tạo ra và thử nghiệm 11 loại tàu lượn, bao gồm cả một loại máy bay hai tầng cánh. Anh cũng đã thực hiện chuyến bay đầu tiên trên một thiết bị nặng hơn không khí. Trong cuộc đời tương đối ngắn ngủi (46 năm), ông đã thực hiện khoảng 2000 chuyến bay, không ngừng cải tiến thiết kế, giống như một chiếc máy bay lượn hơn là một chiếc máy bay. Ông chết trong chuyến bay tiếp theo vào ngày 10 tháng 8 năm 1896, trở thành người đi tiên phonghàng không, và là nạn nhân đầu tiên của một vụ tai nạn máy bay. Nhân tiện, nhà phát minh người Đức đã đích thân bàn giao một trong những tàu lượn cho Nikolai Yegorovich Zhukovsky, người tiên phong trong việc nghiên cứu khí động học máy bay.
Zhukovsky không chỉ thử nghiệm với các thiết kế máy bay. Không giống như nhiều người đam mê thời đó, ông chủ yếu xem xét hành vi của các dòng không khí theo quan điểm khoa học. Năm 1904, ông thành lập viện khí động học đầu tiên trên thế giới tại Cachino gần Moscow. Từ năm 1918, ông đứng đầu TsAGI (Viện Khí động học Trung ương).
Máy bay đầu tiên
Khí động học là khoa học cho phép con người chinh phục bầu trời. Nếu không nghiên cứu nó, sẽ không thể chế tạo máy bay di chuyển ổn định trong các luồng không khí. Chiếc máy bay đầu tiên theo cách hiểu thông thường của chúng tôi được chế tạo và cất cánh vào ngày 7 tháng 12 năm 1903 bởi anh em nhà Wright. Tuy nhiên, sự kiện này đã được đi trước bởi công việc lý thuyết cẩn thận. Người Mỹ đã dành rất nhiều thời gian để gỡ lỗi thiết kế của khung máy bay trong một đường hầm gió do chính họ thiết kế.
Trong các chuyến bay đầu tiên, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta và Nikolai Zhukovsky đã đưa ra các lý thuyết giải thích sự luân chuyển của các dòng không khí tạo ra lực nâng. Kutta và Zhukovsky tiếp tục phát triển lý thuyết hai chiều về cánh. Ludwig Prandtl được ghi nhận là người đã phát triển lý thuyết toán học về lực nâng và khí động học tinh tế, cũng như làm việc với các lớp ranh giới.
Vấn đề và Giải pháp
Tầm quan trọng của khí động học máy bay tăng lên khi tốc độ của chúng tăng lên. Các nhà thiết kế bắt đầu gặp vấn đề với việc nén không khí bằng hoặc gần tốc độ âm thanh. Sự khác biệt về lưu lượng trong những điều kiện này đã dẫn đến các vấn đề xử lý máy bay, tăng lực cản do sóng xung kích và nguy cơ phá vỡ cấu trúc do rung đàn hồi. Tỷ số giữa vận tốc dòng chảy và tốc độ âm thanh được gọi là số Mach sau Ernst Mach, người là một trong những người đầu tiên nghiên cứu các đặc tính của dòng siêu âm.
William John McQuorn Rankine và Pierre Henri Gougoniot đã độc lập phát triển lý thuyết về các đặc tính của luồng không khí trước và sau một sóng xung kích, trong khi Jacob Akeret thực hiện công việc ban đầu về tính toán lực nâng và lực cản của các cánh máy bay siêu thanh. Theodor von Karman và Hugh Latimer Dryden đặt ra thuật ngữ "transonic" để mô tả tốc độ ở biên giới Mach 1 (965-1236 km / h), khi lực cản gia tăng nhanh chóng. Hàng rào âm thanh đầu tiên bị phá vỡ vào năm 1947 trên máy bay Bell X-1.
Tính năng chính
Theo quy luật khí động học, để đảm bảo thiết bị bay trong bầu khí quyển của trái đất, điều quan trọng là phải biết:
- Lực cản khí động học (trục X) do dòng không khí tác động lên một vật thể. Dựa trên thông số này, công suất của nhà máy điện được chọn.
- Lực nâng (trục Y), cung cấp khả năng leo và cho phép thiết bị bay theo chiều ngang lên bề mặt trái đất.
- Mômen của lực khí động học dọc theo ba trục tọa độ tác dụng lên vật thể bay. quan trọng nhấtlà mômen của lực bên dọc theo trục Z (Mz) hướng qua máy bay (có điều kiện dọc theo đường cánh). Nó xác định mức độ ổn định theo chiều dọc (liệu thiết bị sẽ "lặn" hay nâng mũi lên khi bay).
Phân loại
Hiệu suất khí động học được phân loại theo điều kiện và đặc tính của luồng khí, bao gồm tốc độ, khả năng nén và độ nhớt. Khí động học bên ngoài là nghiên cứu dòng chảy xung quanh các vật thể rắn có hình dạng khác nhau. Ví dụ như đánh giá lực nâng và độ rung của máy bay, cũng như sóng xung kích hình thành trước mũi tên lửa.
Khí động học bên trong là nghiên cứu luồng không khí di chuyển qua các khe hở (đường dẫn) trong các vật thể rắn. Ví dụ, nó bao gồm nghiên cứu về các dòng chảy qua một động cơ phản lực.
Hiệu suất khí động học cũng có thể được phân loại theo tốc độ dòng chảy:
- Cận âm được gọi là tốc độ nhỏ hơn tốc độ âm thanh.
- Transonic (chuyển âm) - nếu có tốc độ cả dưới và trên tốc độ âm thanh.
- Siêu âm - khi tốc độ dòng chảy lớn hơn tốc độ âm thanh.
- Hypersonic - tốc độ dòng chảy lớn hơn nhiều so với tốc độ âm thanh. Thông thường định nghĩa này có nghĩa là tốc độ với số Mach trên 5.
Khí động học trực thăng
Nếu nguyên tắc bay của máy bay dựa trên lực nâng trong chuyển động tịnh tiến tác dụng lên cánh, thì máy bay trực thăng, như nó vốn có, tự tạo lực nâng do chuyển động quay của các cánh ở chế độ thổi dọc trục (nghĩa là, không có tốc độ tịnh tiến). Nhờ vàoVới tính năng này, máy bay trực thăng có thể bay lơ lửng trên không tại chỗ và thực hiện các thao tác cơ động quanh trục.
Ứng dụng khác
Đương nhiên, khí động học không chỉ áp dụng cho máy bay. Lực cản của không khí được thực hiện bởi tất cả các vật thể chuyển động trong không gian trong môi trường khí và lỏng. Người ta biết rằng các cư dân thủy sinh - cá và động vật có vú - có hình dạng sắp xếp hợp lý. Trên ví dụ của họ, bạn có thể theo dõi khí động học đang hoạt động. Tập trung vào giới động vật, người ta còn chế tạo các phương tiện giao thông đường thủy có hình nhọn hoặc hình giọt nước. Điều này áp dụng cho tàu, thuyền, tàu ngầm.
Xe chịu lực cản không khí đáng kể: nó tăng lên khi tốc độ tăng. Để đạt được tính khí động học tốt hơn, những chiếc xe được thiết kế có hình dáng hợp lý. Điều này đặc biệt đúng với xe thể thao.
