Самолеты

Основные идеи и краткая история

Попробуем ответить на самый главный вопрос: почему самолеты не падают на землю, несмотря на то что на них действует сила тяжести?

Ограничимся упрощенной схемой, в которой воздух будем приближенно считать несжимаемой жидкостью. Тогда для горизонтального потока воздуха, обтекающего самолет, будет справедливо уравнение Бернулли:

    ρν2/2 + p = const,          (1)

где ρ — плотность воздуха, p — давление, а ν — скорость воздуха, обтекающего самолет.

Из формулы (1) следует, что чем больше скорость воздуха, тем меньше его давление, и, наоборот, чем меньше скорость воздуха, тем больше давление.

Крыло самолета, если посмотреть на него сбоку, имеет вид, показанный на рис. 1.

Рис. 1. Крыло самолета, вид сбоку
Рис. 1. Крыло самолета, вид сбоку

Верхняя часть крыла более «выпуклая», чем нижняя. Из-за этого воздух, который обтекает верхнюю и нижнюю части крыла, за одно и то же время, движется быстрее НАД крылом, чем ПОД крылом: время-то одно и то же, а путь сверху больше, чем путь снизу.

Поэтому давление воздуха на крыло сверху, согласно уравнению Бернулли, оказывается меньше, чем давление снизу. Из-за разности этих давлений и возникает подъемная сила, которая уравновешивает в полете силу тяжести.

Еще один «подъемный эффект» возникает за счет того, что крыло располагают под определенным углом α к направлению встречного потока воздуха, который называется углом атаки (рис. 2).

Рис. 2. Крыло самолета, вид сбоку. ЦД — центр давления, α — угол атаки, R — сила давления на крыло со стороны встречного потока воздуха
Рис. 2. Крыло самолета, вид сбоку. ЦД — центр давления, α — угол атаки, R — сила давления на крыло со стороны встречного потока воздуха

За счет этого сила давления на крыло со стороны встречного потока воздуха (сила R на рис. 2) направлена под некоторым углом к горизонту. Вертикальная составляющая этой силы (Y, рис. 2) вносит свой «вклад» в формирование подъемной силы крыла.

А горизонтальная составляющая (X, рис. 2) — это так называемая сила лобового сопротивления, которую «преодолевает» сила тяги самолета, развиваемая двигателями.

Ясно, что сила лобового сопротивления действует не только на крыло, но и на корпус самолета.

При обтекании крыла воздухом направление движения воздуха отклоняется от первоначального. Воздух как бы «поворачивает» под действием крыла. Н. Е. Жуковский показал, что крыльевой профиль можно заменить эквивалентным вихрем или вращающимся цилиндром. Направление вращения вихря (цилиндра) такое, что нижняя половина движется навстречу потоку, а верхняя по потоку. Данный эффект носит название «Эффект Магнуса». Желающие могут изготовить воздушный винтороторный (или «вингроторный»; «вингротор» в переводе с английского — «вращающееся крыло») змей «Ротоплан» и лично убедиться в существовании аналогии (рис. 3).

Змей Магнуса
Рис. 3. Слева: вингроторный змей в полете. В центре: схема движения ветра в полуцилиндрах. Справа: способ выверки вингроторного змея

Кроме этого, из подобной аналогии следует, что каждое крыло рождает вихрь, стекающий с конца крыла. Энергия вихря рассеивается в пространстве. Например, вихрь можно обнаружить, если самолет пролетает в облачности.

Другие варианты «Змеев Магнуса» и инструкции по их изготовлению можно найти здесь.

Центром давления (ЦД, рис. 2) называется точка приложения равнодействующей сил давления воздуха, распределенных по всей поверхности крыла. Иными словами, все силы, действующие со стороны воздуха на самолет, можно теоретически заменить одной силой, приложенной к самолету в точке, называемой центр давления. При этом характер движения самолета от такой замены не изменится.

Центровкой называется взаимное расположение центра тяжести и центра давления. Обычно применяется «передняя центровка», то есть центр тяжести стараются расположить перед центром давления (рис. 4 и 5). Но иногда центр тяжести располагают за центром давления (рис. 6 и 7). Такая конструкция называется «уткой».

aviation

Для устойчивости полета необходимо, чтобы при малом повороте корпуса самолета в вертикальной плоскости возникал «возвращающий» момент сил, который бы возвращал самолет в исходное положение, причем такая «саморегуляция» должна проходить в автоматическом режиме, без участия пилота.

Эту задачу решает хвостовое «оперение» самолета, которое называется стабилизатором. При небольшом отклонении хвоста самолета вверх или вниз в стабилизаторе возникает дополнительная сила, поворачивающая самолет в исходное состояние.

Летательный аппарат имеет шесть степеней свободы: три перемещения (вверх-вниз, вправо-влево, вперед-назад) и три вращательных движения (курс — в горизонтальной плоскости, тангаж — в вертикальной плоскости, крен — в плоскости, перпендикулярной оси летательного аппарата).

aviation

По мере развития авиации видоизменялись как очертания самолета, так и механизмы управления самолетом. Назовем важнейшие из них.

Элероны — поверхности на задней кромке крыла, способные отклоняться на небольшой угол относительно поверхности крыла. Служат для выполнения разворотов в плоскости, перпендикулярной оси самолета.

Рули высоты — поверхности на задней кромке стабилизаторов, также способные отслоняться на небольшой угол служат для выполнения разворотов в вертикальной плоскости.

Руль направления — поверхность на задней кромке киля самолета, служит для выполнения разворотов в горизонтальной плоскости.

Известны следующие типы крыльев самолета (геометрии крыла): «прямое», «стреловидное», «треугольное» и «интегрированное».

Прямое крыло — характерно для первых самолетов, а также современных самолетов, летающих на скоростях меньше 700 км/ч. Для самолетов со скоростью движения меньше 160 км/ч применялись и применяются до сих пор парные прямые крылья, расположенные одно над другим, — так называемый «биплан», а иногда и три прямые крыла, расположенные одно над другим, — так называемый «триплан».

Стреловидное крыло — появилось при приближении скорости полета к величинам порядка 800–900 км/ч. Стреловидные крылья напоминают наконечник стрелы, то есть крылья образуют с корпусом самолета острые углы. Современные самолеты, летающие с большими скоростями, например Ту-160, выполняются с крылом изменяемой стреловидности, что позволяет развивать большую скорость в полете со «сложенными крыльями» и иметь низкую взлетно-посадочную скорость с прямыми крыльями.

Треугольное крыло — в настоящее время редко применяемая схема, использовавшаяся на самолетах со скоростью полета около 2000 км/ч. Треугольные крылья по форме напоминают треугольник.

В современных аппаратах применяется «интегрированное» крыло, когда корпус самолета является частью аэродинамической поверхности и также создает подъемную силу.

Этапы развития аппаратов тяжелее воздуха

Можно выделить следующие этапы развития аппаратов тяжелее воздуха.

1. Аппараты с грубыми аэродинамическими формами

Этап охватывает период со дня первого полета самолета братьев Райт до некоторой условной границы — 20–30-е годы XX века.

Понимание того, какие требования нужно предъявлять к конструкции и форме самолета, чтобы осуществить желание человека перемещаться в пространстве быстро и в любом направлении, пришло к конструкторам и испытателям самолетов не сразу. В процессе развития авиации пришлось придать самолету «аэродинамические формы», то есть убрать все выступающие части (такие, например, как шасси) и сделать обтекаемыми те детали, которые убрать не представляется возможным. Наконец, потребовалось создать для летчика комфортные условия полета. Для всего этого авиации пришлось проделать долгий и небезопасный путь.

2. «Эра поршневых двигателей»

Этап характеризуется развитием военной и возникновением почтово-пассажирской авиации. Начался с окончанием Первой мировой войны.

Начиная с 1918 года были запущены два процесса. Первый — фактическое начало подготовки новой войны, что привело к стремительному качественному и количественному росту военно-воздушных сил крупнейших стран мира (Франции, Англии, США, позднее Германии). Достаточно сказать о таком параметре, как скорость полета, которая возросла со 140 км/ч, характерных для самолетов первого периода, до 300–400 км/ч, то есть в 2–3 раза.

Второй процесс — демилитаризации авиации. Начался во Франции. Для почтовых перевозок использовались сначала оставшиеся не у дел военные самолеты, а позднее — специально проектируемые. Вслед за почтовым сообщением появилось и пассажирское. На одной из почтовых линий в Северной Африке работал Антуан де Сент-Экзюпери.

3. Завершение развития самолетов с поршневыми двигателями, появление реактивной авиации

Этап начался условно с 1940 года. В это время в СССР, Германии и Англии проводились работы по реактивным летательным аппаратам. В СССР и Германии разрабатывали самолет с ракетным двигателем, а в Англии — с газотурбинным двигателем (ГТД). Позднее в Германии приступили к разработке своего самолета с ГТД.

Одновременно совершенствовались самолеты с поршневыми двигателями. Испытание новых скоростных самолетов выявило новые, неизвестные ранее, явления. Например, флаттер — возбуждение колебаний элементов конструкции самолета под действием аэродинамических сил, что приводило в ряде случаев к разрушению самолета в воздухе.

Неожиданный «сюрприз» преподнесли первые реактивные самолеты. При достижении некоторой скорости самолет произвольно переходил в пикирование, иначе говоря «опускал нос», и из этого положения аппарат вывести не удавалось. Потребовались дополнительные теоретические и экспериментальные исследования, в результате чего современные самолеты приобрели привычный для нас облик.

4. Реактивная эра

Современный этап развития. Появление реактивных двигателей привело к увеличению высот и скоростей полета в несколько раз — с предельной для самолетов второй мировой войны скорости 700 км/ч и высоты полета до 10 км до скорости более 2000 км/ч и высот полета более 20 км.

Был преодолен так называемый «звуковой барьер». Современные самолеты летают со скоростями, превышающими скорость звука в 2–3 раза (отношение скорости полета самолета к скорости звука, равной примерно 340 м/с, обычно обозначают М — «число Маха»).

Был преодолен «тепловой барьер», связанный с полетом на сверхзвуковой скорости, когда повышение температуры корпуса самолета оказывалось больше допустимого. Для решения проблемы потребовалось применение новых материалов и специальных мер. Например, на Ту-144 применялось охлаждение корпуса топливом.

Наконец, современные самолеты освоили космические высоты, ранее недостижимые для подобных летательных аппаратов.

Интересно, что...

  • Первыми движение с шестью степенями свободы (как у самолета) освоили цирковые акробаты, у акробатов же была подсмотрена и знаменитая фигура высшего пилотажа — «Петля Нестерова».
  • Совершенствование аэродинамики и применение оригинальных решений в управлении полетом рождает совершенно невообразимые фигуры, одна из них так и называется «Абракадабра».
  • Как ни печально, но именно войны стимулировали развитие авиации.
  • Введение брони в конструкцию самолета Ил-2 до сих пор считается блестящим примером инженерно-технического решения и включено во все учебники по Теории решения изобретательских задач (ТРИЗ).
  • При преодолении самолетом звукового барьера раздается сильный хлопок, и можно видеть конус более плотного воздуха, сформированный ударной волной.
  • Для каждого самолета существует своя высота, на которой он может развить максимальную скорость.

Далее: Первый реализованный проект, однако достоверных сведений о полете нет. Самолет Можайского (Россия), 1882 г.


0
Написать комментарий

    Элементы

    © 2005-2017 «Элементы»