Аэродинамическая труба - установка, создающая поток газа (в большинстве случаев воздуха) с целью изучения воздействия его на обтекаемый объект – самолёт, ракету, автомобиль, корабль, спускаемый космический аппарат, мост, здание и другие, а также экспериментального изучения аэродинамических явлений. Аэродинамическая труба – основное оборудование аэродинамических центров и лабораторий. Принцип обратимости движения, согласно которому перемещение тела в неподвижном воздухе может быть заменено движением воздуха относительно неподвижного тела, при соблюдении условий подобия теории позволяет получать значение силовых и тепловых нагрузок, действующих на летательный аппарат, испытывая его модель в аэродинамической трубе.

Геометрически подобная натуральному изделию модель устанавливается в рабочую часть аэродинамической трубы. Для того чтобы безразмерные значения аэродинамических сил и моментов – аэродинамические коэффициенты, полученные в аэродинамической трубе, были аналогичными величинам для натурального объекта в полете, необходимо: исключить или максимально ослабить влияние ограниченности потока стенок аэродинамической трубы или границ свободной струи. Обеспечить в рабочей части аэродинамической трубы перед моделью равномерный, однородный поток и те же значения Критериев подобия Маха числа M=v/c, Рейнолъдса числа Re=vlρ/μ, а для полета на больших высотах – Кнудсена числа Kn, что и для натурального объекта (v - скорость движения газа, c - скорость звука,  ρ - плотность, μ - коэффициент динамической вязкости).

Существующие аэродинамические трубы можно разделить на группы по числу М перед моделью: дозвуковые с числами М<1, сверхзвуковые с числами М>1 и трансзвуковые с числами 0,8<M<1.2. Кроме того, иногда в особую группу выделяют ударные, импульсные и электродуговые аэродинамические трубы, обеспечивающие большие значения числа М при высоких температурах торможения рабочего газа, а также аэродинамические трубы, в которых моделируется обтекание тел на больших высотах.

Дозвуковые аэродинамические трубы. Дозвуковая А. т. постоянного действия (рис. 1) состоит из рабочей части 1, обычно имеющей вид цилиндра с поперечным сечением в форме круга или прямоугольника (иногда эллипса или многоугольника). Рабочая часть А. т. может быть закрытой или открытой (рис. 2, а и б), а если необходимо создать А. т. с открытой рабочей частью, статическое давление в которой не равно атмосферному, струю в рабочей части отделяют от атмосферы т. н. камерой Эйфеля (рис. 2) (высотной камерой). Исследуемая модель 2 (рис. 1) крепится державками к стенке рабочей части А. т. или к аэродинамическим весам 3. Перед рабочей частью расположено сопло 4, которое создаёт поток газа с заданными и постоянными по сечению скоростью, плотностью и температурой (6 — спрямляющая решётка, выравнивающая поле скоростей). Диффузор 5 уменьшает скорость и соответственно повышает давление струи, выходящей из рабочей части. Компрессор (вентилятор) 7, приводимый в действие силовой установкой 8, компенсирует потери энергии струи; направляющие лопатки 9 уменьшают потери энергии воздуха, предотвращая появление вихрей в поворотном колене; обратный канал 12 позволяет сохранить значительную часть кинетической энергии, имеющейся в струе за диффузором. Радиатор 10 обеспечивает постоянство температуры газа в рабочей части А. т. Если в каком-либо сечении канала А. т. статическое давление должно равняться атмосферному, в нём устанавливают клапан 11.

Размеры дозвуковых А. т. колеблются от больших А. т. для испытаний натурных объектов (например, двухмоторных самолётов) до миниатюрных настольных установок.

А. т., схема которой приведена на рис. 1, относится к типу т. н. замкнутых А. т. Существуют также разомкнутые А. т., в которых газ к соплу подводится из атмосферы или специальных ёмкостей. Существенной особенностью дозвуковых А. т. является возможность изменения скорости газа в рабочей части за счёт изменения перепада давления.

Согласно теории подобия, для того чтобы аэродинамические коэффициенты у модели и натуры (самолёта, ракеты и т. п.) были равны, необходимо, кроме геометрического подобия, иметь одинаковые значения чисел М и Рейнольдса числа Re в А. т. и в полёте (Re = rvl/m, r — плотность среды, m — динамич. вязкость, l — характерный размер тела). Чтобы обеспечить эти условия, энергетическая установка, создающая поток газа в А. т., должна обладать достаточной мощностью (мощность энергетической установки пропорциональна числу М, квадрату числа Re и обратно пропорциональна статическому давлению в рабочей части p_c.

Сверхзвуковые аэродинамические трубы. В общих чертах схемы сверхзвуковой и дозвуковой А. т. аналогичны (рис. 1 и 3). Для получения сверхзвуковой скорости газа в рабочей части А. т. применяют т. н. сопло Лаваля, которое представляет собой сначала сужающийся, а затем расширяющийся канал. В сужающейся части скорость потока увеличивается и в наиболее узкой части сопла достигает скорости звука, в расширяющейся части сопла скорость становится сверхзвуковой и увеличивается до заданного значения, соответствующего числу М в рабочей части. Каждому числу М отвечает определённый контур сопла. Поэтому в сверхзвуковых А. т. для изменения числа М в рабочей части применяют сменные сопла или сопла с подвижным контуром, позволяющим менять форму сопла.

В диффузоре сверхзвуковой А. т. скорость газа должна уменьшаться, а давление и плотность возрастать, поэтому его делают, как и сопло, в виде сходящегося — расходящегося канала. В сходящейся части сверхзвуковая скорость течения уменьшается, а в некотором сечении возникает скачок уплотнения (ударная волна), после которого скорость становится дозвуковой. Для дальнейшего замедления потока контур трубы делается расширяющимся, как у обычного дозвукового диффузора. Для уменьшения потерь диффузоры сверхзвуковых А. т. часто делают с регулируемым контуром, позволяющим изменять минимальное сечение диффузора в процессе запуска установки.

В сверхзвуковой А. т. потери энергии в ударных волнах, возникающих в диффузоре, значительно больше потерь на трение и вихреобразование. Кроме того, значительно больше потери при обтекании самой модели, поэтому для компенсации этих потерь сверхзвуковые А. т. имеют многоступенчатые компрессоры и более мощные силовые установки, чем дозвуковые А. т.

В сверхзвуковом сопле по мере увеличения скорости воздуха уменьшаются его температура Т и давление р, при этом относительная влажность воздуха, обычно содержащего водяные пары, возрастает, и при числе М » 1,2 происходит конденсация пара, сопровождающаяся образованием ударных волн — скачков конденсации, существенно нарушающих равномерность поля скоростей и давлений в рабочей части А. т. Для предотвращения скачков конденсации влага из воздуха, циркулирующего в А. т., удаляется в специальных осушителях 11.

Одним из основных преимуществ сверхзвуковых А. т., осуществляемых по схеме рис. 3, является возможность проведения опытов значительной продолжительности. Однако для многих задач аэродинамики это преимущество не является решающим. К недостаткам таких А. т. относятся: необходимость иметь энергетические установки большой мощности, а также трудности, возникающие при числах М > 4 вследствие быстрого роста требуемой степени сжатия компрессора. Поэтому широкое распространение получили т. н. баллонные А. т., в которых для создания перепада давлений перед соплом помещают баллоны высокого давления, содержащие газ при давлении 100 Мн/м2 (1000 кгс/см2), а за диффузором — вакуумные ёмкости (газгольдеры), откачанные до абсолютного давления 100—0,1 н/м2 (10-3—10-6 кгс/см2), или систему эжекторов (рис. 4).

Одной из основных особенностей А. т. больших чисел М (М > 5) является необходимость подогрева воздуха во избежание его конденсации в результате понижения температуры с ростом числа М. В отличие от водяных паров, воздух конденсируется без заметного переохлаждения. Конденсация воздуха существенно изменяет параметры струи, вытекающей из сопла, и делает её практически непригодной для аэродинамического эксперимента. Поэтому А. т. больших чисел М имеют подогреватели воздуха. Температура T₀, до которой необходимо подогреть воздух, тем больше, чем больше число М в рабочей части А. т. и давление перед соплом p0. Например, для предотвращения конденсации воздуха в А. т. при числах М » 10 и p₀ » 5 Мн/м² (50 кгс/см²) необходимо подогревать воздух до абсолютной температуры T0 » 1000 К.

Развитие техники идёт в направлении дальнейшего увеличения скоростей полёта. Спускаемые космические аппараты «Восток» и «Восход» входят в атмосферу Земли с первой космической скоростью v1кос » 8 км/сек (т. е. М > 20). Космические корабли, возвращающиеся на Землю с Луны и др. планет, будут входить в атмосферу со второй космической скоростью v_2кос ³ 11 км/сек (М > 30). При таких скоростях полёта температура газа за ударной волной, возникающей перед летящим телом, превыщает 10000 К, молекулы азота и кислорода диссоциируют (распадаются на атомы), и становится существенной ионизация атомов. Необходимо исследовать влияние этих процессов на силы, возникающие при обтекании тела, и тепловые потоки, поступающие к его поверхности. Для этого в А. т. необходимо получить не только натурные значения чисел М и Re, но и соответствующие температуры T0. Это привело к созданию новых типов А. т., работающих с газом, нагретым до высоких температур, значительно превышающих температуру, необходимую для предотвращения конденсации воздуха при данном числе М. К установкам этой группы относятся ударные трубы, импульсные установки, электродуговые установки и т. п.
 

Перечислим основные области применения аэродинамических труб.

  - Измерение давлений по поверхности тела.

Для исследования необходимо изготовить дренированную модель тела — в поверхности модели выполняются отверстия, которые соединяются шлангами с манометрами.

В гидромеханике доказано, что давление без изменений передается поперек пограничного слоя, что позволяет рассчитать сопротивление давления тела по результатам измерения давлений.

 - Измерение сил и моментов, действующих на тело.

Для исследования необходимо подвесить модель на многокомпонентном динамометре либо на системе растяжек, позволяющей измерять натяжение каждой растяжки. Пересчет сил и моментов, действующих на тело осуществляется в соответствии с критерием подобия Рейнольдса.

 - Визуализация течений.

Для решения этой задачи используют шерстяные нити, наклеенные на поверхность модели либо закрепленные на проволочной сетке. Возможна постановка эксперимента с подачей цветного дыма в характерные зоны потока, но продолжительность такого эксперимента (в трубах с повторной циркуляцией воздуха), как правило, весьма мала вследствие с общего задымления всего аэродинамического тракта.

Дозвуковые аэродинамические трубы (АТ). Дозвуковая АТ постоянного действия (рисунок 1) состоит из рабочей части 1, обычно имеющей вид цилиндра с поперечным сечением в форме круга или прямоугольника (иногда эллипса или многоугольника).

Исследуемая модель 2 крепится специальными держалками к стенке рабочей части АТ или к аэродинамическим весам 3. Перед рабочий частью расположено сопло 4, обеспечивающее поток газа с заданными и постоянными по сечению величинами скорости, плотности и температуры. Для выравнивания потока перед соплом, гашения вращательных скоростей и уменьшения турбулентности служит выравнивающая решетка (хонейкомб) 5. Диффузор 6 уменьшает скорость и повышает давление потока, выходящего из рабочей части. Компрессор (вентилятор) 7, приводимый в действие силовой установкой 8, компенсирует потери энергии; направляющие лопатки 9 уменьшают потери; 12 – обратный канал. Радиатор 10 обеспечивает постоянство температуры газа в рабочей части. Если в сечении канала АТ статическое давление должно равняться атмосферному, в нем устанавливается клапан 11.

Если статическое давление потока после диффузора ниже атмосферного, то воздух выпускается в газголъдер низкого давления или его давление повышается до атмосферного компрессором или эжектором. Размер сечения рабочей части дозвуковых АТ колеблется в широком диапазоне – от больших АТ для испытаний натурных объектов до миниатюрных настольных установок. На малых моделях в АТ невозможно обеспечить подобие по числу Rе, так как пропорционально уменьшению линейного размера необходимо увеличивать плотность или скорость потока. Существенная особенность дозвуковых АТ – возможность изменения скорости газа в рабочей части за счет изменения перепада давления, даваемого компрессором.