Лекция № 17 Аэродинамические силы и моменты

Аэродинамической силой называется сила воздействия воздуха на движущееся в нем тело (ракету). Характер взаимодействия воздуха и твердого тела, а также законы, описывающие сущность возникающих при этом явлений, не изменяются, если считать, что неподвижное тело обтекается движущимся воздухом.

Аэродинамические силы появляются в результате возникновения областей повышенного и пониженного давления на различных частях поверхности ракеты, летящей в воздухе. Кроме того, в формировании этих сил участвуют силы трении частиц воздуха о поверхность ракеты, поскольку воздух обладает вязкостью.

Из механики известно, что если на твердое тело действуют силы, распределенные по его поверхности, они могут быть сведены к одной силе, так называемой равнодействующей. Равнодействующая всех аэродинамических сил, действующих на ракету в полете, называется полной аэродинамической силой. Точка ее приложения называется центром давления. Обычно эта точка лежит на продольной оси ракеты, но не совпадает с ее центром тяжести (рисунок 1). Величина полной аэродинамической силы зависит от размеров и формы ракеты, скорости и высоты се полета, а также от углов, под которыми ракета обтекается окружающим воздухом.

Рисунок 1 – Силы, действующие на ракету в полете:

Р – тяга; О.; R – полная аэродинамическая сила; ЦТ – центр тяжести; ЦД – центр давления

Моментом аэродинамической силы относительно какой-либо точки называется произведение величины этой силы на плечо, т. е. на расстояние от точки приложения до направления действия силы. Направление момента (или его знак) определяется направлением действия силы.

Сила, приложенная к центру тяжести ракеты, стремится переместить ракету в пространстве без изменения ее ориентации, т. е. углового положения. Момент относительно центра тяжести стремится провернуть ракету вокруг оси, перпендикулярной плоскости его действия и проходящей через центр тяжести. Положение центра тяжести при этом не меняется. По законам механики сила, приложенная к какой-либо точке ракеты, может быть приведена к равной ей по величине и параллельной по направлению силе, приложенной к центру тяжести, но при этом добавляется момент, равный произведению величины этой силы на плечо относительно центра тяжести.

Исходя из этого, полная аэродинамическая сила, приложенная к ракете в центре давления, может быть приведена к центру тяжести. Тогда кроме полной аэродинамической силы R на ракету будет действовать и полный аэродинамический момент М.