Инженерное дело

Аэромеханика дирижабля
Научное издание

Грумондз В. Т., Семенчиков Н. В., Яковлевский О. В.

год издания — 2017, кол-во страниц — 424, ISBN — 978-5-02-039107-9, тираж — 500, язык — русский, тип обложки — твёрд. 7БЦ матов., масса книги — 790 гр., издательство — Наука

цена: 1400.00 руб

Р е ц е н з е н т ы:
акад. РАН С. Л. Чернышев
д-р тех. наук В. Т. Калугин

Формат 70x100 1/16. Печать офсетная

Рассматриваются вопросы аэродинамики и динамики полёта дирижабля. Расчёты аэродинамических воздействий на дирижабль проводятся методами вычислительной аэродинамики. Исследованы аэродинамические характеристики дирижабля с учётом влияния экрана, а также влияния винтовых движителей, аэродинамические характеристики в установившемся потоке с поперечным сдвигом вблизи экрана и при движении через области атмосферной неоднородности струйного типа, аэродинамические силы и моменты инерционной природы, действующие на дирижабль. Представлены общие пространственные математические модели движения, модели продольного и бокового движений дирижабля, математические модели установившихся движений. Рассмотрены вопросы анализа возмущённых движений, устойчивости и управляемости дирижабля. Представлены результаты решения задач динамики дирижабля, притягиваемого тросом к земле. Большая часть вопросов аэродинамики и динамики полёта дирижабля, рассмотренных в монографии, представлены в научной литературе впервые.

Для научных работников, инженеров и аспирантов.

Предисловие	3
Введение	5

Часть 1
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ ДИРИЖАБЛЕЙ

Глава 1. Условия полёта дирижабля, определяемые атмосферой Земли	12

1.1. Состав и структура атмосферы	12
1.2. Основные физические параметры воздушной среды, стандартная
атмосфера	15
1.3. Физические параметры реальной атмосферы	16
1.4. Опасные для полёта дирижабля атмосферные явления	17

Глава 2. Аэростатика дирижабля	19

2.1. Основной аэростатический закон и архимедова сила дирижабля	19
2.2. Характеристики несущих газов	21
2.3. Аэростатическая подъёмная сила дирижабля, её зависимость
от различных факторов	23
2.4. Аэростатическая балансировка	24
2.5. Максимальная высота аэростатического подъёма дирижабля	28

Глава 3. Методы определения аэродинамических характеристик дирижаблей	29

3.1. Силы и моменты, действующие на движущийся дирижабль	29
3.2. Краткий обзор методов определения параметров обтекания
и аэродинамических характеристик дирижаблей	29
3.3. Численный метод исследования пространственного обтекания
дирижабля вязким газом	32
3.3.1. Общие замечания	32
3.3.2. Система уравнений для описания течения вязкого газа около
дирижабля	33
3.3.3. Модели турбулентности	36
3.3.4. Граничные условия	37
3.3.5. Конечно-разностная аппроксимация системы уравнений	39
3.3.6. Расчет сил и моментов, действующих на обтекаемое тело	40
3.4. Примеры сравнения результатов численного моделирования с данными
экспериментальных исследований	41

Глава 4. Аэродинамические характеристики неоперённых корпусов дирижаблей при установившемся поступательном движении в спокойной атмосфере вдали от экрана	50

4.1. Картины течения при различных пространственных углах атаки,
отрывные явления и вихревые системы	50
4.2. Распределение сил давления и трения по неоперённому корпусу
дирижабля	53
4.3. Распределение локальных нормальных сил по длине корпуса	60
4.4. Влияние различных геометрических параметров и изменения числа
Рейнольдса на суммарные аэродинамические характеристики
неоперённых корпусов дирижаблей	61

Глава 5. Аэродинамические характеристики оперённых корпусов дирижаблей при установившемся поступательном движении в спокойной атмосфере вдали от экрана	74

5.1. Аэродинамические характеристики оперённых корпусов
с неотклонёнными рулями	74
5.2. Влияние оперения на аэродинамические характеристики корпуса
дирижабля	78
5.3. Аэродинамические характеристики корпуса в присутствии оперения	83
5.4. Влияние корпуса на аэродинамические характеристики оперения,
установленного на корпусе	91
5.5. Влияние расположения и геометрических параметров гондолы
на аэродинамические характеристики оперённого корпуса дирижабля
(без учёта отклонения рулей)	95
5.6. Аэродинамические характеристики дирижабля с корпусом кругового
поперечного сечения и отклонёнными рулями	103

Глава 6. Полуэмпирический метод расчёта аэродинамических характеристик дирижабля в случае полёта в спокойной атмосфере вдали от экрана	109

6.1. Расчёт коэффициента продольной силы неоперённого корпуса
дирижабля с круговым поперечным сечением	109
6.2. Расчёт коэффициента продольной силы оперённого корпуса дирижабля
с круговым поперечным сечением	111
6.3. Расчёт коэффициента нормальной силы и момента тангажа
неоперённого корпуса дирижабля с круговым поперечным сечением	115
6.4. Расчёт коэффициента нормальной силы и момента тангажа оперённого
корпуса дирижабля с круговым поперечным сечением	118

Глава 7. Влияние работы винтовых движителей на аэродинамические характеристики дирижабля при установившемся полёте в спокойной атмосфере вдали от экрана	122

7.1. Основные аэродинамические параметры винтов, критерии подобия
при обтекании дирижабля с винтовыми движителями	122
7.2. Геометрические и кинематические параметры винтов и моделей
дирижаблей при численном моделировании	123
7.3. Влияние работы винтовых движителей на аэродинамические
характеристики малоразмерного дирижабля	125
7.3.1. Картины линий тока в окрестности дирижабля	125
7.3.2. Распределение коэффициентов давления и трения
по поверхности оперенного корпуса в присутствии работающих
винтов	125
7.3.3. Зависимости аэродинамических характеристик дирижабля
с работающими винтами от углов атаки и скольжения	127
7.4. Влияние корпуса на аэродинамические характеристики винтов
малоразмерного дирижабля	134

Глава 8. Аэродинамические характеристики дирижабля при неустановившемся движении в спокойной атмосфере вдали от экрана	138

8.1. Кинематические параметры, описание аэродинамических
характеристик дирижабля при неустановившемся движении	138
8.2. Неустановившееся продольное движение дирижабля. Демпфирование
колебаний	140
8.3. Неустановившееся боковое движение дирижабля. Производные
демпфирующих моментов рыскания	143

Глава 9. Аэродинамические характеристики дирижабля при установившемся полёте в спокойной атмосфере вблизи экрана	146

9.1. Аэродинамические характеристики дирижабля вблизи экрана
в спокойной атмосфере без учёта влияния работы винтов	146
9.1.1. Аэродинамические характеристики неоперённого корпуса
дирижабля	146
9.1.2. Аэродинамические характеристики оперённого корпуса
дирижабля вблизи экрана	153
9.2. Аэродинамические характеристики дирижабля вблизи экрана
в спокойной атмосфере c учётом влияния работы винтов	153
9.3. Влияние корпуса дирижабля на аэродинамические характеристики
винтов вблизи экрана	161

Глава 10. Аэродинамические характеристики дирижабля при установившемся полёте в потоке с поперечным сдвигом вдали от экрана	165

10.1. Аэродинамические характеристики дирижабля в потоке с поперечным
сдвигом вдали от экрана при отсутствии скольжения	166
10.2. Аэродинамические характеристики дирижабля в потоке с поперечным
сдвигом вдали от экрана при движении со скольжением	172

Глава 11. Аэродинамические характеристики дирижабля в установившемся потоке с поперечным сдвигом вблизи экрана	178

11.1. Аэродинамические характеристики дирижабля в потоке с поперечным
сдвигом вблизи экрана (без учёта работы винтов)	178
11.2. Влияние работы винтов на аэродинамические характеристики
дирижабля в потоке со сдвигом вблизи экрана	184
11.3. Влияние корпуса дирижабля на аэродинамические характеристики
винтов в потоке со сдвигом вблизи экрана	195

Глава 12. Аэродинамические характеристики дирижабля при движении через области атмосферной неоднородности струйного типа	198

12.1. Аэродинамические характеристики неоперённого корпуса дирижабля
при движении через область атмосферной неоднородности струйного
типа (без учёта работы винтов)	198
12.2. Аэродинамические характеристики оперённого корпуса дирижабля
при движении через область атмосферной неоднородности струйного
типа (без учёта работы винтов)	202
12.3. Влияние гондолы на аэродинамические характеристики дирижабля
при перемещении через атмосферные струйные течения (без учёта
работы винтов)	210
12.4. Влияние работы винтов на аэродинамические характеристики
оперённого корпуса дирижабля при его движении через области
атмосферной неоднородности струйного типа	216

Глава 13. Некоторые вопросы аэродинамического проектирования дирижаблей классического типа	222

13.1. Вопросы аэродинамического проектирования неоперённого корпуса	222
13.2. Выбор расположения и геометрических параметров оперения
дирижабля классического типа	226
13.3. К выбору места расположения на дирижабле винтовых движителей	229

Литература к части 1	229

Часть 2
ДИНАМИКА ПОЛЁТА ДИРИЖАБЛЯ

Глава 14. Аэродинамические силы и моменты инерционной природы. Присоединённые массы и моменты инерции дирижабля	234

14.1. Общие вопросы расчёта присоединённых масс и моментов инерции
дирижабля	234
14.1.1. Кинетическая энергия идеальной жидкости. Общие выражения
для присоединённых масс	235
14.1.2. Общие выражения сил и моментов инерционной природы,
действующих на дирижабль в воздухе вдали от земли	242
14.2. Методы определения присоединённых масс и моментов инерции
дирижабля	245
14.2.1. Точные аналитические методы для простейших тел
и трёхосных эллипсоидов	245
14.2.2. Приближённые методы расчёта присоединённых масс дирижабля	247
14.2.2.1. Метод эквивалентного эллипсоида	247
14.2.2.2. Метод, основанный на гипотезе плоских сечений	248
14.2.3. Экспериментальные методы определения присоединённых масс
и моментов инерции дирижабля	250
14.3. Влияние земной поверхности (экрана) на присоединённые массы
дирижабля	252

Глава 15. Общие уравнения движения дирижабля в свободном полёте	255

15.1. Системы координат и углы, используемые в задачах механики
полёта дирижабля	255
15.2. Общие уравнения пространственного движения дирижабля
в свободном полёте	260
15.3. Уравнения продольного движения дирижабля	268
15.4. Уравнения бокового движения дирижабля	269

Глава 16. Установившиеся движения дирижабля	271

16.1. Общая математическая модель пространственных установившихся
движений дирижабля	271
16.2. Установившиеся движения дирижабля в вертикальной плоскости	274
16.2.1. Общий случай установившихся движений дирижабля
в вертикальной плоскости	274
16.2.2. Полёт дирижабля по пологим траекториям	275
16.2.3. Прямолинейный крейсерский полёт дирижабля на постоянной
высоте с заданной постоянной скоростью	276
16.2.4. Прямолинейный полёт дирижабля по наклонным траекториям
при немалом постоянном угле наклона траектории к горизонту
и учёте некоторых нелинейных составляющих аэродинамических
характеристик	277
16.3. Установившиеся движения дирижабля в горизонтальной плоскости	280
16.3.1. Установившаяся горизонтальная циркуляция в общем случае	280
16.3.2. Горизонтальная циркуляция дирижабля при учёте
составляющих аэродинамических характеристик, нелинейных
по углу скольжения	283
16.3.3. Определение окружной скорости при нелинейной зависимости
коэффициента лобового сопротивления от воздушной скорости
и угла отклонения рулей	286
16.4. Установившиеся движения дирижабля по пространственной спирали	287
16.5. Статическая устойчивость дирижабля в установившемся полёте	289

Глава 17. Динамика возмущённого движения дирижабля	291

17.1. Уравнения первого приближения продольного возмущённого движения	291
17.2. Условия устойчивости продольного движения дирижабля	293
17.3. Управляемость дирижабля в продольном движении	296
17.4. Условия устойчивости бокового движения	301

Глава 18. Динамика дирижабля на этапе его притягивания тросом к земле (швартовки) с помощью лебёдки	303

18.1. Математическая модель равновесия дирижабля на стоянке	303
18.2. Динамика пространственного движения дирижабля, прикреплённого
тросом к причальному устройству на земле, в квазистационарной
постановке	307
18.2.1. Постановка задачи	307
18.2.2. Математическая модель движения троса в квазистационарной
постановке	308
18.2.3. Математическая модель движения дирижабля с учётом наличия
троса	311
18.2.4. Математическая модель ветра в приземном слое атмосферы	313
18.2.5. Математическая модель притягивающего устройства (лебёдки)	317
18.2.6. Математическая модель демпфера	317

Глава 19. Алгоритм расчёта и некоторые результаты численного моделирования динамики дирижабля, прикреплённого тросом к причальному устройству на земле, в квазистационарном приближении	319

19.1. Алгоритм решения задачи динамики системы «трос–дирижабль»	319
19.2. Некоторые вычислительные особенности алгоритма	324
19.3. Некоторые результаты численного анализа динамики движения
дирижабля, прикреплённого тросом к причальному устройству
на земле	325
19.3.1. Исходные данные и некоторые предварительные замечания	325
19.3.2. Переход системы «трос–дирижабль» из произвольного
состояния в установившееся	328
19.3.3. Движение системы «трос–дирижабль» после резкого
изменения плавучести дирижабля	328
19.3.4. Движение системы «трос–дирижабль» при порывах ветра	329
19.3.5. Движение дирижабля при притягивании его лебёдкой к земле
в режиме причаливания	331
19.3.6. Усилия в точке крепления троса к дирижаблю в моменты
резкого натяжения и влияние демпфера на них	331

Глава 20. Математическая модель движения дирижабля, прикреплённого тросом к причальному устройству на земле, в динамической постановке	333

20.1. Математическая модель движения троса в динамической постановке	333
20.2. Выбор количества элементов троса в расчётной схеме	338

Глава 21. Динамика полёта «малого» гипотетического дистанционно пилотируемого дирижабля	339

21.1. Схема и геометрические характеристики гипотетического «малого»
дистанционно пилотируемого дирижабля Д1	340
21.2. Масса, центровка и момент инерции J_z дирижабля Д1	342
21.3. Экспериментальные аэродинамические характеристики дирижабля Д1
в продольном движении	342
21.4. Вращательные производные в продольном движении	343
21.5. Присоединённые массы и присоединённые моменты инерции
в продольном движении	346
21.6. Параметры установившихся движений дирижабля Д1 в вертикальной
плоскости по горизонтальным траекториям	348
21.7. Параметры установившихся движений дирижабля Д1 в вертикальной
плоскости по прямолинейным наклонным траекториям	354
21.8. Параметры траекторий взлёта и посадки дирижабля Д1	354
21.8.1. Взлёт с отклонением вектора тяги	357
21.8.2. Траектории посадки дирижабля Д1 с положительной
и отрицательной плавучестью	361

Глава 22. Динамика полёта «большого» гипотетического дирижабля с различными вариантами кормового оперения	366

22.1. Схема гипотетического «большого» дирижабля Д2. Схемы Д2.1
и Д2.2 дирижабля Д2 с различными параметрами кормового оперения.
Геометрические характеристики дирижабля Д2	366
22.2. Масса, центровка и моменты инерции дирижаблей Д2.1 и Д2.2	368
22.3. Экспериментальные аэродинамические характеристики дирижаблей
Д2.1 и Д2.2 в продольном движении	368
22.4. Вращательные производные в продольном движении	371
22.5. Присоединённые массы и присоединённые моменты инерции
дирижаблей Д2.1 и Д2.2 в продольном движении	371
22.6. Суммарные выражения для аэродинамических коэффициентов
дирижаблей Д2.1 и Д2.2	371
22.7. Параметры установившихся движений в вертикальной плоскости
по горизонтальным траекториям	372
22.8. Параметры установившихся движений в вертикальной плоскости
по наклонным траекториям	377
22.9. Продольная устойчивость дирижабля Д2 в модификациях Д2.1 и Д2.2	381
22.10. Устойчивость углового продольного движения дирижабля Д2
в модификациях Д2.1 и Д2.2	384
22.11. Продольная управляемость дирижаблей Д2.1 и Д2.2	387

Глава 23. Динамика полёта аэростатического дистанционно пилотируемого летательного аппарата гибридной схемы	391

23.1. Математическая модель движения гибридного аэростатического
летательного аппарата как аэротросовой системы	391
23.2. Алгоритм и некоторые результаты численного исследования свойств
гибридной аэротросовой системы	394
23.3. Численный анализ в квазистатической постановке устойчивости
по высоте установившегося движения гибридной аэротросовой системы	394
23.4. Оптимизация параметров гибридной аэротросовой системы
по критерию максимума относительной полезной нагрузки	396

Литература к части 2	398

Книги на ту же тему

Прикладная газовая динамика. — 2-е изд., перераб., Абрамович Г. Н., 1953
Сдвиговое течение сжимаемой жидкости. Численный расчёт пограничного слоя, Хиршель Э. Х., Кордулла В., 1987
Применение метода расщепления в задачах аэродинамики, Ковеня В. М., Тарнавский Г. А., Чёрный С. Г., 1990
Методы математической физики и задачи гидроаэродинамики. Учебное пособие для втузов, Котляр Я. М., 1991
Дирижабли на войне, 2000

http://knigoprovod.ru

/Наука и Техника/Инженерное дело

ОГЛАВЛЕНИЕ

Книги на ту же тему