Jabarkan Sejarah dari Aerodinamika

Gagasan mula-mula – zaman kuno sampai abad ke-17

Manusia telah memanfaatkan gaya-gaya aerodinamik selama ribuan tahun berupa kapal layar dan kincir angin. Gambar-gambar dan kisah-kisah penerbangan telah muncul sepanjang sejarah ditulis, misalnya kisah legendaris Icarus dan Daedalus. Meskipun pengamatan beberapa efek aerodinamik seperti hambatan angin (misalnya gaya geser) telah ditulis oleh Aristoteles, Leonardo da Vinci, dan Galileo Galilei, sangat sedikit usaha telah dilakukan untuk mengembangkan teori kuantitatif yang menyeluruh mengenai aliran udara sebelum abad ke-17.

Pada tahun 1505, Leonardo da Vinci menulis Kodeks tentang Penerbangan Burung, salah satu risalah terawal mengenai aerodinamika. Dia menulis untuk kali pertama bahwa pusat massa seekor burung yang sedang terbang tidaklah koinsiden dengan pusat tekanannya, dan dia menjelaskan konstruksi ornitopter, dengan sayap yang mengepak, serupa sayap burung.

Sir Isaac Newton ialah orang pertama yang mengembangkan teori kelembaman udara, membuatnya menjadi salah satu aerodinamikawan perdana. Sebagai bagian dari teori itu, Newton memandang bahwa pergeseran disebabkan oleh dimensi benda, kerapatan fluida, dan kecepatan pangkat dua. Ini semua terbukti benar untuk laju aliran rendah. Newton juga mengembangkan sebuah hukum untuk gaya geser pada lempengan datar yang condong ke arah aliran fluida. Dengan menggunakan F untuk gaya geser, ρ untuk kerapatan, S untuk luas lempengan datar, V untuk kecepatan aliran, dan θ untuk sudut kecondongan, hukum ini disajikan sebagai

Persamaan ini tidak benar untuk perhitungan pergeseran dalam sebagian besar kasus. Pergeseran pada lempengan datar mendekati linear dengan sudut kecondongan, berkebalikan kuadratik dengan tindakan pada sudut kecil. Rumus Newton dapat menggiring seseorang untuk percaya bahwa penerbangan lebih sukar daripada yang sebenarnya, karena salah memperkirakan pergeseran ini dan dengan demikian juga gaya dorong yang diperlukan, dan keadaan ini ikut serta menunda penerbangan manusia. Meski demikian, rumus ini lebih tepat digunakan untuk lempengan yang sangat ramping ketika sudut membesar dan pemisahan aliran terjadi, atau jika laju aliran tergolong supersonik.

Permulaan modern – abad ke-18 sampai ke-19

Pada tahun 1738 matematikawan Belanda-Swiss, Daniel Bernoulli menerbitkan Hydrodynamica, yang di dalamnya dia menjelaskan hubungan mendasar antara tekanan, kerapatan, dan kecepatan; khususnya prinsip Bernoulli, yakni metode untuk menghitung gaya angkat aerodinamik. Persamaan-persamaan aliran fluida yang lebih umum - persamaan-persamaan Euler - diterbitkan oleh Leonhard Euler pada tahun 1757. Persamaan-persamaan Euler diperluas untuk menggabungkan efek-efek viskositas pada paro pertama dasawarsa 1800-an, menghasilkan persamaan-persamaan Navier–Stokes.

Sir George Cayley diakui sebagai orang pertama yang mengenali empat gaya aerodinamik dalam penerbangan; yakni gaya berat, gaya angkat, gaya hambat, dan gaya dorong—dan hubungan di antara mereka. Cayley percaya bahwa gaya hambat pada mesin terbang harus "dilawan", dalam artian oleh tenaga penggerak untuk memunculkan taraf penerbangan. Cayley juga memperhatikan sifat bangun-bangun aerodinamik dengan gaya hambat yang rendah. Di antara bangun yang dia selidiki adalah penampang ikan forel (trout). Ini boleh muncul secara melawan intuisi; tetapi, tubuh-tubuh ikan dibentuk untuk menghasilkan hambatan yang sangat rendah ketika mereka bergerak dan berpindah-pindah di air. Penampang-penampang mereka kadang-kadang sangat dekat dengan airfoil modern bergaya hambat rendah.

Percobaan-percobaan yang menyelidiki hambatan udara dilakukan oleh para peneliti pada abad ke-18 dan ke-19.

Teori-teori gaya hambat dikembangkan oleh Jean le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, dan Lord Rayleigh. Persamaan-persamaan untuk aliran fluida beserta gaya gesek dikembangkan oleh Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes. Untuk menyimulasikan aliran fluida, ada banyak percobaan yang melibatkan benda tenggelam di dalam arus air atau hanya dengan menjatuhkan benda-benda itu dari puncak gedung tinggi. Menjelang akhir periode ini, Gustave Eiffel menggunakan Menara Eiffel-nya untuk membantunya dalam uji jatuh pelat rata.

Cara yang lebih saksama untuk mengukur gaya hambat adalah dengan menempatkan sebuah benda di dalam arus udara buatan yang diatur seragam, di mana kecepatan diketahui. Orang pertama yang melakukan percobaan ini ialah Francis Herbert Wenham, yang juga membangun percobaan terowongan angin pada tahun 1871. Wenham ialah juga anggota organisasi profesional pertama yang mengabdi untuk urusan aeronautika, Royal Aeronautical Society, di United Kingdom. Benda yang ditempatkan di dalam model terowongan angin hampir selalu lebih kecil daripada yang terjadi dalam keadaan sebenarnya, jadi metode ini diperlukan untuk menghubungkan model-model berskala kecil dengan analoginya di kehidupan nyata. Hal ini dicapai melalui penemuan bilangan Reynolds yang tanpa dimensi oleh Osborne Reynolds. Reynolds juga melakukan percobaan peralihan aliran, dari aliran laminar ke aliran turbulensi pada tahun 1883.

Pada akhir abad ke-19, diketahuilah dua persoalan sebelum terwujudnya penerbangan benda yang lebih berat daripada udara. Yang pertama adalah penciptaan sayap aerodinamik yang rendah gaya hambatnya, tetapi tinggi gaya angkatnya. Persoalan kedua adalah cara menentukan daya yang diperlukan untuk mempertahankan keadaan melayang. Pada masa ini, landasan pengetahuan telah dirintis untuk ilmu yang kini dikenal sebagai dinamika fluida dan aerodinamika, dengan berbagai macam uji mesin terbang yang tidak terlalu ilmiah dan tidak terlalu sukses juga.

Pada tahun 1889, Charles Renard, seorang insinyur penerbangan Prancis, menjadi orang pertama yang secara masuk akal meramalkan daya yang diperlukan untuk mempertahankan keadaan melayang. Renard dan fisikawan Jerman, Hermann von Helmholtz, mengeksplorasi muatan sayap burung (perbandingan bobot terhadap luas kepakan sayap), yang sebenarnya menyimpulkan bahwa manusia tidak akan mampu melayang dengan kekuatannya sendiri hanya dengan menempelkan sayap pada lengannya. Otto Lilienthal, mengikuti karya Sir George Cayley, merupakan orang pertama yang cukup berjaya dengan penerbangan peluncurnya. Lilienthal percaya bahwa foil udara yang tipis dan berkurva akan menghasilkan gaya angkat yang tinggi dan gaya hambat yang rendah.

Octave Chanute memberikan jasa yang hebat bagi mereka yang berminat dalam bidang aerodinamika dan mesin terbang dengan menerbitkan buku yang memuat semua penelitian yang dilakukan di dunia sampai tahun 1893.

Penerbangan praktis – awal abad ke-20

Dengan informasi yang termuat dalam bukunya Chanute, bantuan pribadi dari Chanute sendiri, dan penelitian yang dilakukan dalam terowongan angin yang mereka ciptakan, Wright Bersaudara mendapatkan cukup pengetahuan aerodinamika untuk menerbangkan pesawat terbang pertama pada 17 Desember 1903. Penerbangan Wright Bersaudara mengabsahkan sebagian teori-teori aerodinamika dan membatalkan sebagian lainnya. Teori gaya hambat Newton pada akhirnya terbukti keliru. Penerbangan pertama ini yang diumumkan secara luas telah memicu upaya yang lebih tersusun antara penerbang dan ilmuwan, memandu jalan menuju aerodinamika modern.

Pada saat penerbangan pertama, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta, dan Nikolai Zhukovsky secara terpisah menyusun teori-teori yang menghubungkan sirkulasi aliran fluida dengan gaya angkat. Kutta dan Zhukovsky mengembangkan teori sayap berdimensi-dua. Memperluas karya Lanchester, Ludwig Prandtl dihargai atas pengembangan matematika yang menyokong teori-teori tentang foil udara tipis dan garis gaya angkat, juga bersesuaian dengan lapisan perbatasan. Prandtl, seorang guru besar di Universitas Göttingen, menginstruksikan kepada banyak mahasiswa yang akan berperan penting dalam pengembangan aerodinamika, seperti Theodore von Kármán dan Max Munk.

Isu-isu desain dengan laju yang semakin tinggi

Kompresibilitas merupakan faktor penting dalam aerodinamika. Pada kecepatan rendah, kompresibilitas udara tidak signifikan dalam kaitannya dengan desain pesawat, tetapi sebagai aliran udara mendekati dan melebihi kecepatan suara, sejumlah efek aerodinamis baru menjadi penting dalam desain pesawat. Efek ini, sering beberapa dari mereka pada suatu waktu, membuat sangat sulit untuk pesawat era Perang Dunia II untuk mencapai kecepatan lebih jauh 800 km / h (500 mph).

Beberapa efek minor meliputi perubahan pada aliran udara yang menyebabkan masalah dalam kontrol. Misalnya, P-38 Lightning dengan tebal yang tinggi angkat sayap punya masalah tertentu dalam penyelaman berkecepatan tinggi yang menyebabkan kondisi hidung-down. Pilot akan memasuki menyelam, dan kemudian menemukan bahwa mereka tidak bisa lagi mengendalikan pesawat, yang terus hidung atas sampai jatuh. Masalahnya diperbaiki dengan menambahkan "menyelam penutup" di bawah sayap yang mengubah pusat distribusi tekanan sehingga sayap tidak akan kehilangan angkat nya.

Masalah serupa dipengaruhi beberapa model dari Supermarine Spitfire. Pada kecepatan tinggi aileron bisa menerapkan torsi lebih dari sayap tipis Spitfire yang bisa menangani, dan seluruh sayap akan memutar dalam arah yang berlawanan. Ini berarti bahwa pesawat akan roll di arah berlawanan dengan apa yang pilot dimaksudkan, dan menyebabkan sejumlah kecelakaan. Model sebelumnya yang tidak cukup cepat untuk ini menjadi masalah, dan sehingga tidak melihat sampai Spitfires kemudian model seperti Mk.IX mulai muncul. Hal ini diatasi dengan menambahkan cukup kekakuan torsi ke sayap, dan sepenuhnya sembuh ketika Mk.XIV diperkenalkan.

Messerschmitt Bf 109 dan Mitsubishi Zero memiliki masalah sebaliknya di mana kontrol menjadi tidak efektif. Pada kecepatan yang lebih tinggi pilot hanya tidak bisa bergerak kontrol karena ada terlalu banyak aliran udara di atas permukaan kontrol. Pesawat akan menjadi sulit untuk manuver, dan pada kecepatan yang cukup tinggi pesawat tanpa masalah ini bisa keluar-mengubahnya.

Masalah-masalah ini akhirnya diselesaikan sebagai pesawat jet mencapai transonik dan kecepatan supersonik. Ilmuwan Jerman dalam Perang Dunia II bereksperimen dengan sayap menyapu. Penelitian mereka diaplikasikan pada MiG-15 dan F-86 Sabre dan pembom seperti B-47 Stratojet digunakan sayap menyapu yang menunda timbulnya gelombang kejut dan mengurangi drag.

Dalam rangka untuk mempertahankan kontrol dekat dan di atas kecepatan suara itu sering perlu untuk menggunakan listrik yang dioperasikan tailplanes semua terbang (stabilator), atau sayap delta dilengkapi dengan listrik yang dioperasikan elevons. Operasi daya mencegah gaya aerodinamik menimpa input kontrol pilot.

Akhirnya, masalah umum lain yang cocok ke dalam kategori ini adalah Aeroelasticity bergetar. Di beberapa kecepatan aliran udara di atas permukaan kontrol akan menjadi turbulen, dan kontrol akan mulai bergetar. Jika kecepatan berkibar adalah dekat dengan harmonik gerakan kontrol, para resonansi bisa mematahkan kontrol sepenuhnya. Ini adalah masalah serius pada Zero. Ketika masalah dengan kontrol yang buruk dengan kecepatan tinggi pertama kali ditemui, mereka ditangani dengan merancang gaya baru permukaan kontrol dengan kekuatan lebih. Namun ini memperkenalkan mode resonan baru, dan sejumlah pesawat yang hilang sebelum ini ditemukan.

Semua efek ini sering disebutkan dalam hubungannya dengan istilah "kompresibilitas", tetapi dalam cara berbicara, mereka salah digunakan. Dari sudut pandang ketat aerodinamis pandang, istilah harus merujuk hanya kepada mereka efek samping yang timbul sebagai akibat dari perubahan aliran udara dari fluida mampat (mirip berlaku untuk air) untuk cairan kompresibel (bertindak sebagai gas) sebagai kecepatan suara didekati. Ada dua efek pada khususnya, gelombang tarik dan mach kritis.

Gelombang drag peningkatan mendadak dalam drag pada pesawat, yang disebabkan oleh bangunan air di depannya. Pada kecepatan rendah udara ini memiliki waktu untuk "keluar dari jalan", dipandu oleh udara di depannya yang ada di kontak dengan pesawat. Tetapi pada kecepatan suara ini tidak bisa lagi terjadi, dan udara yang sebelumnya mengikuti arus, di sekitar pesawat terbang sekarang hits langsung. Jumlah daya yang dibutuhkan untuk mengatasi efek ini cukup besar. The mach kritis adalah kecepatan di mana beberapa dari aliran udara yang melewati sayap pesawat menjadi supersonik.

Pada kecepatan suara dengan cara yang mengangkat dihasilkan perubahan secara dramatis, dari yang didominasi oleh Prinsip Bernoulli kepada pasukan yang dihasilkan oleh gelombang kejut. Karena udara di bagian atas sayap bepergian lebih cepat daripada di bagian bawah, karena efek Bernoulli, dengan kecepatan mendekati kecepatan suara udara di bagian atas sayap akan dipercepat untuk Supersonic. Ketika ini terjadi distribusi angkat berubah secara dramatis, biasanya menyebabkan trim hidung-down yang kuat. Sejak pesawat biasanya mendekati kecepatan ini hanya dalam menyelam, pilot akan melaporkan pesawat mencoba untuk hidung lebih ke dalam tanah.

Disosiasi menyerap banyak energi dalam proses reversibel. Hal ini sangat mengurangi suhu termodinamika gas hipersonik melambat di dekat sebuah kendaraan ruang angkasa. Di daerah transisi, di mana tekanan disosiasi ini tergantung tidak lengkap, baik diferensial, kapasitas panas tekanan konstan dan beta (volume / tekanan rasio diferensial) akan sangat meningkat. Yang terakhir ini memiliki efek diucapkan pada aerodinamika kendaraan termasuk stabilitas.

Lebih cepat daripada suara – sebelum abad ke-20

Seperti pesawat mulai melakukan perjalanan lebih cepat, para ahli aerodinamika menyadari bahwa densitas udara mulai berubah seperti itu datang ke dalam kontak dengan objek, yang mengarah ke sebuah divisi dari aliran cairan ke mampat dan aliran kompresibel rezim. Dalam aerodinamika kompresibel, kepadatan dan tekanan baik perubahan, yang merupakan dasar untuk menghitung kecepatan suara Newton adalah orang pertama yang mengembangkan model matematika untuk menghitung kecepatan suara, tetapi itu tidak benar sampai Pierre-Simon Laplace menyumbang perilaku molekul gas dan memperkenalkan panas rasio kapasitas. Rasio kecepatan aliran dengan kecepatan suara bernama bilangan Mach setelah Ernst Mach, yang merupakan salah satu yang pertama untuk menyelidiki sifat-sifat supersonik aliran yang termasuk Schlieren fotografi teknik untuk memvisualisasikan perubahan densitas. William John Macquorn Rankine dan Pierre Henri Hugoniot secara independen mengembangkan teori untuk sifat aliran sebelum dan setelah gelombang kejut. Jakob Ackeret memimpin pekerjaan awal pada menghitung lift dan drag pada airfoil supersonik. Theodore von Karman dan Hugh Latimer Dryden memperkenalkan istilah transonik untuk menggambarkan kecepatan aliran sekitar Mach 1 di mana tarik meningkat pesat. Karena peningkatan tarik mendekati Mach 1, para ahli aerodinamika dan penerbang tidak setuju pada apakah pesawat supersonik itu dicapai.

Pada September 30, 1935 konferensi eksklusif diadakan di Roma dengan topik penerbangan kecepatan tinggi dan kemungkinan melanggar hambatan suara. Para peserta termasuk Theodore von Karman, Ludwig Prandtl, Jakob Ackeret, Eastman Jacobs, Adolf Busemann, Geoffrey Ingram Taylor, Gaetano Arturo Crocco, dan Enrico Pistolesi. Ackeret disajikan desain untuk supersonik terowongan angin. Busemann memberikan presentasi pada kebutuhan untuk pesawat dengan sayap menyapu untuk penerbangan kecepatan tinggi. Eastman Jacobs, bekerja untuk NACA, disajikan airfoil nya dioptimalkan untuk kecepatan subsonik tinggi yang menyebabkan beberapa pesawat Amerika performa tinggi selama Perang Dunia II. Propulsi Supersonic juga dibahas. Hambatan suara rusak dengan menggunakan Bell X-1 pesawat dua belas tahun kemudian, sebagian berkat orang-orang.

Pada saat hambatan suara rusak, banyak pengetahuan aerodinamika supersonik subsonik dan rendah telah jatuh tempo. Perang Dingin memicu garis pernah berkembang pesawat kinerja tinggi. Dinamika fluida komputasi dimulai sebagai upaya untuk memecahkan sifat aliran di sekitar objek yang kompleks dan telah dengan cepat berkembang ke titik di mana seluruh pesawat dapat dirancang dengan menggunakan komputer, dengan tes terowongan angin diikuti dengan tes penerbangan untuk mengkonfirmasi komputer prediksi.

Dengan beberapa pengecualian, pengetahuan tentang hipersonik aerodinamis telah jatuh tempo antara tahun 1960-an dan dekade ini. Oleh karena itu, tujuan dari aerodynamicist telah bergeser dari pemahaman perilaku aliran fluida untuk memahami bagaimana insinyur kendaraan untuk berinteraksi secara tepat dengan aliran fluida. Sebagai contoh, sementara perilaku aliran hipersonik dipahami, membangun scramjet pesawat untuk terbang dengan kecepatan hipersonik telah melihat keberhasilan sangat terbatas. Seiring dengan membangun pesawat scramjet sukses, keinginan untuk meningkatkan efisiensi aerodinamis pesawat saat ini dan sistem propulsi akan terus mendorong penelitian baru di aerodinamis. Namun, masih ada masalah penting dalam teori aerodinamis dasar, seperti dalam memprediksi transisi ke turbulensi, dan keberadaan dan keunikan solusi untuk persamaan Navier-Stokes.