РУП Лицея31, курс Физ. осн. авиации и космонавтики

(1998 г.)

МОУ Лицей №31 г.Челябинска с углублённым изучением математики, физики и информатики


Спецкурс
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АВИАЦИОННОЙ И КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Горшков Алексей Владимирович
Инженер-физик, вып. факультета аэрофизики и космических исследований МФТИ 1991 г.,
сп. "прикладная математика и физика"
и асп. МФТИ 1995 г., сп. "физика и химия плазмы".
Старш. преп. каф. инф. ЮУрГУ с 1998 г.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА

Ознакомить старшеклассников ФМЛ № 31 с физическими явлениями, являющимися основой для создания авиакосмической техники, с основными законами механики сплошных сред, термодинамики, физической кинетики, а в особенности – гидродинамики, аэродинамики, течений разреженного газа, физики плазмы, теплопроводности, механики деформируемого твёрдого тела.

ТРЕБОВАНИЯ К ПОСТУПАЮЩИМ НА КУРС

Желание познавать новое, не только "теоретически", но и "экспериментально".
Курс планируется на учащихся 7–11 классов МОУ СОШ №31. Поэтому руководитель курса будет стараться избегать применения "старшеклассных" тем математики, но понимать графики функций и уметь решать алгебраические уравнения учащимся обязательно придётся. Учащимся 11 классов полезно (хотя и не обязательно) уже сейчас уметь дифференцировать, а к концу учебного года – также интегрировать.
Также приветствуется умение «делать руками» из подручного материала всякие устройства. Мы будем делать, разумеется, не игрушки-безделушки, а лабораторные («исследовательские») установки.

Также полезно (но не обязательно) уметь пользоваться ЭВМ (текстовые редакторы, электронные таблицы, графические редакторы, программирование на каком-либо из алгоритмических языков).

ЧТО НОВОГО ПРИОБРЕТУТ УЧАЩИЕСЯ

Школьники будут ознакомлены с основными понятиями и явлениями из области классической механики, теории упругости, гидродинамики идеальной и вязкой жидкостей, аэродинамики, течений разреженного газа, теплопроводности, фазовых превращений, физики плазмы, ядерной физики, релятивистской механики.

Будет проведён обзор применений этих явлений, свойств и закономерностей для создания воздушных и космических летательных аппаратов, их оборудования и практического использования. В том числе будут представлены основные варианты конструкций таких аппаратов и сравнены их достоинства и недостатки.

Будут прорешаны соответствующие задачи, в том числе с целью оптимизации технических характеристик устройства, проектируемого учащимся.

Опыт конструирования простейших лабораторно-экспериментальных устройств и измерения параметров соответствующих испытываемых устройств и их частей.

СВЯЗЬ СО ШКОЛЬНЫМИ ПРЕДМЕТАМИ

Механика, термодинамика и молекулярная физика, электричество и магнетизм,  оптика, основы ядерной физки, релятивистская механика.

Алгебра и начала математического анализа, основы теории вероятностей, программирование.

СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ

1. ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ ЛЕГЧЕ ВОЗДУХА

Разновидности ЛА легче воздуха. Закон Архимеда. Закон Паскаля. Уравнение Менделеева–Клапейрона. Уравнение теплопроводности. Уравнение температуропроводности. Уравнение теплоотдачи. Удельная теплота сгорания. Барометрическая формула. Ламинарные и турбулентные течения. Формула Стокса. Коэффициент лобового сопротивления. Конвекция. Механическая напряжённость. Формула Гука. Свойства конструкционных материалов.
Расчёт монгольфьера. Изготовление монгольфьера. Уравнение диффузии. Расчёт шарльера. Изготовление шарльера.
Измерение прочности. Измерение теплопроводности. Измерение конвекции. Измерение диффузии.

2. САМОЛЁТЫ, ВЕРТОЛЁТЫ, ЭКРАНОПЛАНЫ

Разновидности ЛА (атмосферных) тяжелее воздуха. Идеальная жидкость. Неидеальные жидкости. Вакуум. Адиабата. Скорость звука. Число Маха. Вакуум. Число Кнудсена. Уравнение Бернулли. Формула Пуазёйля–Гагена–Стокса. Циркуляция. Формула Жуковского. Кинематическая и динамическая вязкость. Число Рейнольдса. Коэффициент подъёмной силы. Аэродинамическое качество. Зависимость подъёмной силы дозвукового крылового профиля от угла и скорости. Подъёмная сила пластины в свободномолекулярном потоке. Ударная волна. Подъёмная сила пластины в сверхзвуковом потоке. Аэродинамический нагрев. Теплообмен в жидкости и газе. Число Прандтля. Спектр турбулентности. Простейшие результаты теории Колмогорова–Обухова.
Расчёт воздушного змея. Расчёт крыла. Расчёт винта ветрогенератора. Расчёт винта воздуходувки данного давления. Расчёт винта воздушного насоса наибольшего давления. Расчёт винта вертолёта для режима зависания. Расчёт винта самолёта. Расчёт воздушной подушки. Расчёт экраноплана. Расчёт антикрыла.
Наблюдение и фотографирование ламинарных течений, вихревых течений и течений с развитой турбулентностью. Измерение свойств ламинарных течений жидкости. Измерение свойств турбулентных течений жидкости. Измерение свойств винта. Измерение свойств крыла.
Конструкции ЛА (атмосферных) тяжелее воздуха и их оборудование. Изготовление крылатых летательных аппаратов. Их практическое использование.

3. РЕАКТИВНЫЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ

Уравнение Мещерского. Формула Циолковского. Основы баллистики и космической механики. Разновидности космических траекторий. Удельный импульс, удельная тяга и другие характеристики реактивных движителей. Разновидности реактивных движителей, их достоинства и недостатки (в сравнении). Эжектирование. Атмосферные реактивные ЛА.
Химические РД. Константы химического процесса. Химическое равновесие. Скорость химической реакции. Устойчивость и неустойчивость. Горючее и окислитель. Конструкции химических РД и их характеристики.
Ядерные РД. Рабочее тело. Конструкции ядерных РД и их характеристики. Область применения.
Электрореактивные РД. Источник энергии. Рабочее тело. Конструкции электрореактивных РД и их характеристики. Область применения. Оптимизация основных параметров электрореактивных РД.
Фотонные, ЭМИ и прочие РД, их конструкции, свойства и область применения.
Особенности «силовой» части конструкции реактивных ЛА. Расчёт РД. Изготовление РД.

4. ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Система ориентации,  стабилизации и управления. Система жизнеобеспечения пилотируемых ЛА. Защита от космического излучения, метеоритов, космического мусора, актов диверсионно-военного направления. Система связи. Спускаемые аппараты. Тепловая защита. Бортовые источники и преобразователи энергии.
Прикладное оборудование. Особенности атмосферной оптики. Спектр. Разрешение. Способы улучшения изображения. Фотоаппаратура. Видеоаппаратура.


ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

№ Тема Лекционных часов Реше-ние задач Лабо-ратор-ных Самостоятельное чтение, решение и творчество

1 Летательные аппараты легче воздуха 18 9 4 18
2 Самолёты, вертолёты, экранопланы 18 9 14 45
3 Реактивные летательные аппараты 18 9 10 45
4 Оборудование летательных аппаратов 18 9 8 36
ВСЕГО 72 36 36 144

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, РЕКОМЕНДУЕМОЙ УЧАЩИМСЯ

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.1. Механика.
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика.
3. Матвеев. Молекулярная физика.
4. Седов. Механика жидкости и газа.
5. Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы.
6. Белонучкин. Относительно относительности.
7. Раушенбах. Основы космической механики.
8. Космонавтика. Энциклопедия. Гл.ред. В.П. Глушко. М., "Советская энциклопедия". 1985.
9. Клушанцев П. Дом на орбите. М., «Детская литература».
10. Зигель Ф.Ю. Города на орбитах. М., "Детская литература". 1980. С.223.
11. Шибанов А.С. Заботы космического архитектора. М., "Детская литература". 1982. С.142.
12. Мелькумов Т.М. и др. Ракетные двигатели. М. "Машиностроение". 1976. С.400.
13. Ваничев. Техническая термодинамика.
14. Ракеты-носители. Под общей ред. проф. С.О. Осипова. М., "Военное издательство министерства обороны СССР". 1981. С.315.
15. Космические аппараты. Под общей ред. проф. К.П. Феоктистова. М., "Военное издательство". 1983. С.319.
16. Космические двигатели : состояние и перспективы. Под ред. Л.Кейвни. Пер. с англ. под ред. А.С. Коротеева. М., "Мир". 1988. С.454.
17. Феоктистов К.П. Перспективы космической техники. М., 2000.

ФОРМЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ УЧАЩИХСЯ
1. Чтение рекомендованной литературы, журналов, а также поиск в Internet.
2. Решение домашних задач.
3. Конструирование лабораторных устройств и летательных аппаратов.
4. Составление отчётов об исследованиях, подготовка плакатов, докладов.

ФОРМЫ ПРОВЕРКИ УСВОЕНИЯ СПЕЦКУРСА
1. Устный опрос.
2. Решение задач.
3. Проверка выполнения лабораторных заданий.
4. Защита отчётов о выполненных конструкциях и исследованиях.

(1998 г.)