АЭРОДИНАМИ́ЧЕСКАЯ ТРУБА́

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

А. т. со­дер­жит ра­бо­чую часть – пря­мо­уголь­ную или ци­лин­д­рич. ка­ме­ру, где раз­ме­ща­ет­ся мо­дель ис­сле­дуе­мо­го объ­ек­та, и ком­плекс уст­ройств, по­сред­ст­вом ко­то­рых в ра­бо­чей час­ти соз­да­ёт­ся рав­но­мер­ный, од­но­род­ный по­ток с за­дан­ны­ми ско­ро­стью, плот­но­стью и темп-рой га­за. По спо­со­бу об­ра­зо­ва­ния по­то­ка А. т. под­раз­де­ля­ют на ком­прес­сор­ные не­пре­рыв­но­го дей­ст­вия и бал­лон­ные; по ком­по­нов­ке кон­ту­ра (пу­ти дви­же­ния по­то­ка) – на замк­ну­тые и ра­зомк­ну­тые. В ком­прес­сор­ных А. т. по­ток га­за соз­даёт­ся ком­прес­со­ром; они име­ют вы­со­кий кпд и удоб­ны в экс­плуа­та­ции, но для них тре­бу­ют­ся мощ­ные ком­прес­со­ры с боль­шим рас­хо­дом га­за. В бал­лонных А. т. газ под дав­ле­ни­ем ис­те­ка­ет из бал­ло­нов; та­кие А. т. 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 неск. ми­нут) ог­ра­ни­че­на за­па­сом газa в бал­ло­нах. Замк­ну­тые А. т. по срав­не­нию с ра­зомк­ну­ты­ми име­ют бо­лее вы­со­кий кпд (за счёт ис­поль­зо­ва­ния зна­чит. час­ти ки­не­тич. энер­гии, ос­тав­шей­ся в га­зо­вом по­то­ке по­сле его про­хо­ж­де­ния че­рез ра­бо­чую часть тру­бы), но и боль­шие раз­ме­ры.

В за­ви­си­мо­сти от реа­ли­зуе­мо­го диа­па­зо­на Ма­ха чи­сел ($M$) раз­ли­ча­ют А. т. доз­ву­ко­вые ($M=$ 0,15–0,7), транс­зву­ко­вые ($M=$ 0,7–1,3), сверх­зву­ко­вые ($M=$ 1,3–5) и ги­пер­зву­ко­вые ($M=$ 5–25).

Рис. 1. Схема дозвуковой компрессорной аэродинамической трубы: 1 – хонейкомб; 2 – сетки; 3 – форкамера; 4 – конфузор; 5 – направление потока; 6 – рабочая часть с мо...

В доз­ву­ко­вых А. т. (рис. 1) ис­сле­ду­ют аэ­ро­ди­на­мич. ха­рак­те­ри­сти­ки доз­ву­ко­вых са­мо­лё­тов, вер­то­лё­тов, а так­же ха­рак­те­ри­сти­ки сверх­зву­ко­вых са­мо­лё­тов на взлёт­но-по­са­доч­ных ре­жи­мах; с их по­мо­щью изу­ча­ют ха­рак­тер об­те­ка­ния воз­душ­ным по­то­ком ав­то­мо­би­лей и др. на­зем­ных транс­порт­ных средств, зда­ний, мос­тов, ба­шен и др. объ­ек­тов. Ра­бо­чая часть та­ких А. т. 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 темп-ру га­за в ра­бо­чей час­ти. Эл­лип­тич. се­че­ние ра­бо­чей час­ти круп­ней­шей в Рос­сии до­зву­ко­вой А. т. име­ет раз­ме­ры 12×24 м². Мощ­ность ком­прес­со­ров доз­ву­ко­вых А. т. – от со­тен кВт до неск. де­сят­ков МВт.

Рис. 2. Схема баллонной трансзвуковой эжекторной аэродинамической трубы: 1 – хонейкомб; 2 – сетки; 3 – форкамера; 4 – конфузор; 5 – перфорированная рабочая часть с модель...

Транс­зву­ко­вая ком­прес­сор­ная А. т. 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. Пром. транс­зву­ко­вые А. т. име­ют по­пе­реч­ные раз­ме­ры ра­бо­чей час­ти до 3 м, мощ­ность ком­прес­со­ров дос­ти­га­ет 100 МВт и бо­лее. В бал­лон­ных транс­зву­ко­вых А. т. для соз­да­ния тре­буе­мо­го га­зо­во­го по­то­ка при­ме­ня­ют эжек­то­ры (рис. 2).

Рис. 3. Схема сверхзвуковой баллонной аэродинамической трубы: 1 – баллонсо сжатым воздухом; 2 – трубопровод; 3 – регулирующий дроссель; 4 – выравнивающие сетки; 5 – хоней...

В сверх­зву­ко­вых А. т. для по­лу­че­ния тре­буе­мых ско­ро­стей га­за ис­поль­зу­ют сверх­зву­ко­вое со­пло (т. н. со­пло Ла­ва­ля), со­стоя­щее из су­жаю­щей­ся (доз­ву­ко­вой) и рас­ши­ряю­щей­ся (сверх­зву­ко­вой) час­тей; в ми­ни­маль­ном (кри­ти­че­ском) се­че­нии со­пла ско­рость га­за рав­на ско­рости зву­ка. Чис­ло $M$, по­лу­чае­мое в ра­бо­чей час­ти, оп­ре­де­ля­ет­ся от­но­ше­ни­ем пло­ща­дей се­че­ния ра­бо­чей час­ти и кри­тич. се­че­ния со­пла. Тор­мо­же­ние сверх­зву­ко­во­го по­то­ка по­сле ра­бо­чей час­ти со­про­во­ж­да­ет­ся вол­но­вы­ми по­те­ря­ми пол­но­го дав­ле­ния, свя­зан­ны­ми с об­ра­зо­вани­ем скач­ков уп­лот­не­ния. Мощ­но­сти ком­прес­со­ров круп­ных сверх­зву­ко­вых А. т. с ха­рак­тер­ны­ми раз­ме­ра­ми по­пе­реч­но­го се­че­ния ра­бо­чей час­ти 1,5 × 2,5 м² со­став­ля­ют 50–100 МВт. В не­замк­ну­той пря­мо­точ­ной бал­лон­ной сверх­зву­ко­вой А. т. (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 А. т. дав­ле­ния тор­мо­же­ния до со­тен МПа и темп-ры тор­мо­же­ния до 10⁴ К. При чис­ле МO 4,5 воз­дух в А. т. не­об­хо­ди­мо на­гре­вать для пре­дот­вра­ще­ния его кон­ден­са­ции, от­че­го су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­ют­ся свой­ст­ва по­то­ка, вы­те­каю­ще­го из со­пла, и он ста­но­вит­ся прак­ти­че­ски не­при­год­ным для про­ве­де­ния аэ­ро­ди­на­мич. экс­пе­ри­мен­та. Обыч­но ис­сле­до­ва­ния ги­пер­зву­ко­вых ЛА про­во­дят на ком­плек­се экс­пе­рим. ус­та­но­вок, по­сколь­ку не су­ще­ст­ву­ет А. т., ко­то­рая од­на обес­пе­чи­ла бы все не­об­ходи­мые для мо­де­ли­ро­ва­ния та­ко­го по­лё­та ус­ло­вия.

Рис. 4. Схема баллонной гиперзвуковой аэродинамической трубы: 1 – баллонс высоким давлением; 2 – трубопровод; 3 – регулирующий дроссель; 4 – подогреватель; 5 – форкамерас...

Ги­пер­зву­ко­вые бал­лон­ные А. т. «клас­сич. ти­па» по­доб­ны сверх­зву­ко­вым бал­лон­ным А. т. 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 cоставляет бо­лее 10 MBт. Макс. давлениe в А. т. с ду­го­вым по­до­гре­ва­телем по­ряд­ка 20 МПа, что по­зво­ля­ет мо­де­ли­ро­вать по­лёт ги­пер­зву­ко­вых ЛА толь­ко на боль­ших вы­со­тах. Боль­шой пе­ре­пад дав­ле­ний, не­об­хо­ди­мый для ги­пер­зву­ко­вых А. т., обес­пе­чи­ва­ет­ся сис­те­мой эжек­то­ров или ва­ку­ум­ной ём­ко­стью (рис. 4).

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

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

По­яв­ле­ние и раз­ви­тие А. т. тес­но свя­за­но с раз­ви­ти­ем авиа­ции. Пер­вые А. т. по­строе­ны в 1871 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 гг. раз­ви­тие А. т. шло в осн. по пу­ти уве­ли­че­ния их мощ­но­сти и раз­ме­ров ра­бо­чей час­ти. В 1925 в ЦАГИ вве­де­на в дей­ст­вие круп­ней­шая для то­го вре­ме­ни А. т. С сер. 1940-х гг. на­ча­ла бы­ст­ры­ми тем­па­ми раз­ви­вать­ся ре­ак­тив­ная авиа­ция, что об­ус­ло­ви­ло соз­да­ние круп­ных транс­зву­ко­вых и сверх­зву­ко­вых А. т. В 1946 в ЦАГИ соз­да­на пер­вая в ми­ре транс­зву­ко­вая А. т. с пер­фо­ри­ро­ван­ной ра­бо­чей ча­стью, обес­пе­чив­шая прин­ци­пи­аль­но но­вые воз­мож­но­сти для про­ве­де­ния ис­сле­до­ва­ний в об­лас­ти пе­ре­хо­да че­рез ско­рость зву­ка. Раз­ви­тие ги­пер­зву­ко­вых А. т. и соз­да­ние спец. ги­пер­зву­ко­вых га­зо­ди­на­мич. ус­та­но­вок свя­за­но с по­яв­ле­ни­ем в 1960-х гг. бал­ли­стич. ра­кет и спус­кае­мых кос­мич. ап­па­ра­тов. С це­лью уве­ли­че­ния чи­сел Рей­нольд­са в А. т. для при­бли­же­ния к на­тур­ным зна­че­ни­ям в 1980-е гг. бы­ла реа­ли­зо­ва­на кон­цеп­ция крио­ген­ной аэ­ро­ди­на­мич. тру­бы.