Братья Райт и авиация
Младший из братьев Райт-Орвилл (1871-1948) — только в 1942 г. добился от правительства официального признания приоритета в создании первого в мире самолета. Для этого в знак протеста ему пришлось даже в 1928 году передать первый самолет в музей Великобритании, откуда он перекочевал в США только в 1948 г. Старший брат, Уилбер (1867-1912), скончался от тифа и в этих перепети- ях не участвовал. По сути дела, братья Райт создали не первый в мире самолет, а первый самолет, способный совершать управляемый установившийся длительный полет. Их самолет не имел пилотской кабины, а напоминал планер-бцплан О. Лилиенталя, но снабженный бензиновым поршневым двигателем их собственной конструкции мощностью 8,8 кВт с двумя толкающими винтами. Назывался самолет «Флайер-1» (рис. 10, а). Первый полет он совершил 17.12.1903 г., пролетев за 12 с расстояние в 36,5 м. Самолет пи-
дотировал Орвилл Райт. Взлетная масса самолета составляла 355 кг. Разгонялся он по направляющей длиной 18 м, а приземлялся на два полоза. В 1904 г. усовершенствованный самолет братьев Райт совершал полеты по кругу, в 1905 г. — по замкнутому 39-километровому маршруту (за 38 мин.), в 1908 г, за 2 я.18 мии. новая модель пролетала расстояние в 123,8 км и была продана военному ведомству США. В 1910 г. самолет достиг высоты 2998 м.
К этому времени в Европе уже эксплуатировались (с 1906 г.) самолеты Трояиа Вуя (Румыния), Луи Блерио, Эдуарда Ньюпора (Франция), Анри Фармана (Англия), работали школы летчиков, конструкторские бюро и заводы по изготовлению самолетов различного класса.
В 1910 г. поднялись в воздух первые отечественные самолеты А. С. Кудашева, И.И. Сикорского, Я. М. Гаккеля.
Американские ведомства ие зря сомневались в первенстве братьев Райт В том же 1903 г Сэмюэл Ленгли (18341906), до братьев Райт, то есть 7 октября и 8 декабря испытывал свой самолет «Аэродром» (стартовая масса 385 кг, поршневой двигатель мощностью 37 кВт, два толка-
ющих винта, два тандемно расположенных крыла, пилот У. Мэнли — создатель двигателя для этого самолета), заказанный ему правительством США для военных целей. Тот же самолет с бензиновым поршневым двигателем, но в масштабе 1/4 и в беспилотном варианте, прошел испытания в 1901 г., то есть за два года до полета самолета братьев Райт Эти натурные испытания «Аэродрома» удачными назвать было нельзя. Оба раза, стартуя с катапульты, помещенной на баржу, самолет не справлялся с управлением и вскоре после взлета падал в воду. Что же касается моделей самолетов с паровыми двигателями, испытанных С. Ленгли в 1896 г., то они совершали полеты на расстояние до 1280 м.
По той же причине — нетренированность первого в мире пилота и несовершенство системы управления — не смог совершить удачный полет самолет А. Ф. Можайского (1825-1890) (рис.10, б). Модель этого самолета с часовой пружиной успешно и устойчиво летала в 1876-1877 гг. Самолет представлял собой моноплан с крылом малого удлинения, лодкой-фюзеляжем и хвостовым оперением с рулями высоты и направления. В 1982 г. в ЦАГИ были определены его основные характеристики: размах крыла 23,2 м, площадь крыла 329 м2 удлинение крыла 1,64, площадь горизонтального оперения 41,4 м, длина самолета 25 м, высота 7,5 м, колея шасси 3 м, база 9,4 м, диаметр воздушных винтов 4,75 м, КДП винта 0,55, мощность паровых двигателей 22,36 кВт, масса двигателей с котлом, конденсатором и сепаратором 167,1 кг, взлетная масса самолета 1266 кг, нагрузка на крыло 3,85 кг/м2, энерговооруженность 0,0177 кВт/кг, аэродинамическое качество вдали от Земли 4,05, а у поверхности 4,6, центр масс — на расстоянии 38,6% средней аэродинамической хорды (САХ). Сейчас можно с уверенностью утверждать, что машина была работоспособной, но малая тяговооруженность, трудность и инерционность в управлении самолетом (спереди помещалось корабельное рулевое колесо управления курсом, сбоку по правому борту — такое же колесо управления тангажом, а управление креном, по-видимому, за счет перекоса крыла было вообще малоэффективным) привели к неминуемой его аварии. В июле 1885 г. в Красном селе под С. Петербургом была предпринята первая в мире попытка поднять самолет, управляемый пилотом. После долгого разогрева котлов и запуска паровых машин вращение четырехлопастных воздушных винтов стало ускоряться и достигло предельной величины — около трех оборотов в секунду ( с такой скоростью сейчас вращаются лопасти тяжелых вертолетов). Самолет медленно
покатился по деревянным рельсам, как бы нехотя оторвался от них, но, потеряв опору, тут же накренился и, ударившись крылом о грунт, поломался. Подобная ситуация тысячекратно повторялась затем в авиации с самолетами, имеющими трехточечное шасси. И только у самолетов с велосипедным двухточечным шасси этого не происходит, поскольку пилот вынужден балансировать аппарат по крену еще до отрыва колес от взлетно-посадочной полосы.
Теоретические И экспериментальные основы авиации разрабатывали Леонардо да Винчи (1452-1519): сопротивление тел встречному потоку, подъемная сила плоской пластины под углом атаки к потоку, тело наименьшего сопротивления с тупой носовой и заостренной хвостовой частью, трактат "О летании птиц" (1505), конструкция искусственных крыльев, парашют пирамидальной формы, махолет или орнитоптер и геликоптер с винтом Архимеда (1475) — прообраз вертолета, И. Ньютон (1643-1727): сила сопротивления тел встречному потоку, теория обтекания, М. В. Ломоносов (1711-1765): модель «аэродинамической машины» (1754) — прообраз вертолета с соосными винтами, трактат «Размышления об упругой силе воздуха» (1745), Джордж Кейли (1773-1857): концепция ЛА с фиксированным крылом и отдельным движителем (1799), экспериментальная модель планера с крестообразным управляемым хвостовым оперением и скользящим балансировочным грузом (1804), стабилизирующий эффект V-образного крыла (1805), влияние кривизны профиля и перемещение центра давления крыла, двигатели на горячем воздухе и пороховых газах (1807-1809), основные принципы полета планера и самолета (1809-1811), колесное шасси со спицами, натурные планеры, иа которых впервые выполнялись короткие полеты человека (1853) и т. д., братья Монгольфье предложили, разработали, участвовали в изготовлении и применении для спуска человека с аэростата парашюта (1797). Швейцарец Д. Бернулли (1700-1782), немец Л. Эйлер (1707-1783) и француз Ж. Лагранж (1736-1813) получили фундаментальные уравнения гидродинамики, применяемые при решении задач об обтекании ЛА. Уравнения гидродинамики вязкой жидкости получили француз А. Навье (1785-1836) и англичанин Дж. Стокс (1819-1903). Англичанин О. Рейнольдс (1842-1912) экспериментально установил наличие двух режимов течения вязкой жидкости — ламинарного и турбулентного, что сыграло большую роль при создании теории моделирования обтекания ЛА. Д. И. Менделеев (1834-1907) опубликовал в 1880 г. классический труд «О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании», изобрел высотомер, пред-
ложил герметичную кабину высотного аэростата (1875), предсказал большое будущее «аэродинамам», то есть аппаратам тяжелее воздуха. Н. Е. Жуковский (1847-1921) создал современную гидроаэродинамику, руководил сооружением аэродинамической трубы — одной из первых в Европе (1902), а в 1904 г. в Кучино, под Москвой, создал первый в мире аэродинамический институт и организовал воздухоплавательную секцию, создал и прочитал курс лекций «Теоретические основы воздухоплавания» в Императорском техническом училище (ныне МГТУ им. Н. Э. Баумана), разработал теорию бомбометания, в 1918 г. по его предложению был учрежден ЦАГИ (Центральный аэрогидродииамический институт), а сам он был назначен первым его руководителем, в 1920 г. при участии Н. Е.Жуковского был создай Институт инженеров Красного Воздушного Флота, ныне Военно-воздушная инженерная академия, носящая имя ученого. Его перу принадлежит большое количество теоретических трудов по аэромеханике, динамике и устойчивости полета аэропланов и геликоптеров, по методам расчета воздушных винтов, крыльев и других элементов ЛА. Им написана масса учебников и учебных пособий. В. И. Ленин назвал Н. Е.Жуковского «отцом русской авиации». Имя ученого увековечено премиями его имени, стипендиями для студентов МАИ, МГУ и МГТУ, его именем назван город в Московской области, ЦАГИ, ВВИА в г. Москве и т, д. Кроме Н. Е.Жуковского, основополагающие труды по аэродинамике, теории крыла конечного размаха, теории пограничного слоя принадлежат С. Н.Чаплыгину (1869-1942), Ф. Ланчестеру (1868-1946), Л. Прандтлю (1875-1953), Т. Карману (1881-1963), К. Э. Циолковскому (1857-1935) и др. Для развития теории и конструкции вертолета большое значение имели работы братьев Л. и Ж. Бреге, Ш. Рише, а также П. Кар’ию, которые в 1907 г. продемонстрировали первые полеты с людьми иа вертолетах. Б. Н. Юрьев разработал одновинтовую схему вертолета с рулевым винтом, изобрел автомат перекоса, внес значительный вклад в теорию воздушного виита. В 1913 г. И. Сикорский создал первые в мире тяжелые четырехдвигательные самолеты «Русский витязь» и «Илья Муромец», которые выпускались серийно.
Кластерный анализ (классификация) атмосферных летательных аппаратов тяжелее воздуха представлен в табл. 3. Полная ^класси — фикация включает не четыре, а восемь уровней — вплоть до марок ЛА (Ми-ЮК, Ту-144 и т. д.).
Определение: авиация — это полеты в пределах атмосферы (условная высота до 100 км) аппаратов тяжелее воздуха, включающая
|
Классификация атмосферных ЛА тяжелее воздуха
|
сами ЛА, наземное обеспечение, личный состав и информацию по специальным отраслям знаний, действующая как сложный человеко-машинный организм.
Относится ли к авиации полет брошенного камня или выпущенного из орудия артиллерийского снаряда?
Иначе говоря, является ли камень или артиллерийский снаряд летательным аппаратом? Для этого надо дать определение летательному аппарату: ЛА — это техногенная система, предназначенная для полета или левитации (неподвижного висения) в поле силы тяжести. Различают аэростатические (воздухоплавательные), аэродинамические (авиационные), реактивные (ракетные) и баллистические (артиллерия, космонавтика) ЛА.
Таким образом, камень или артиллерийский снаряд — это тоже ЛА, но ЛА не авиационного, а баллистического типа. При этом камень, падающий с горы, имеет не техногенное происхождение, как и огромная каменная бомба, вылетевшая из жерла вулкана, а поэтому их нельзя причислить к огромному семейству ЛА. И, напротив, огромный пушечный снаряд, иа котором герои Ж. Верна отправились на Луну, является типичным ЛА, ио разумеется, не имеющим ничего общего с авиацией.
Аэродинамическая сила сопротивления, действующая на этот снаряд, не противодействует силе тяжести, а суммируется с ней. В авиации же сила сопротивления (у парашюта) или подъемная сила крыла или винта (планеры, самолеты, вертолеты и т. д.) действу-
ет, как правило, против силы тяжести и создается за счет атмосферы, характеристики которой в связи с этим тщательно изучаются. Основные характеристики атмосферы приведены в табл.4. На практике пользуются подробным сводом разнообразных данных об атмосфере, называемых Международной стандартной атмосферной, или MSA, а также дополнительными (отраслевыми или территориальными) стандартами, содержащими данные о ветрах, турбулентности, колебаниях термодинамических параметров и т. д.
|
Таблица 4 Основные термодинамические параметры атмосферы
|
Летно-технические характеристики (ЛХТ) авиационных ЛА в известной степени стандартизованы (табл. 5). Они бпределяются в процессе летно-доводочных испытаний и предъявляются в комиссию ИКАО (Международную организацию гражданской авиации) для получения сертификата на эксплуатацию и соответствие ЛТХ нормам летной годности (НЛГ). Для боевых ЛА ЛТХ называются летно-тактическими характеристиками, либо пользуются ТТХ, тактико-техническими характеристиками.
Максимальная скорость полета — основная ЛТХ подавляющего числа ЛА. На рис. 11 представлены данные по увеличению скорости полета самолетов серии МиГ (Микоян и Гуревич).
В числе главных проблем современного авиационного строительства ЛА следует отметить увеличение их транспортной эффективности (отношение массы транспортируемого на заданную даль-
|
Некоторые летно-технические характеристики авиационных ЛА
* Длина, высота и размах крыла самолета. м. |
|
|
ность коммерческого груза к взлетной массе) и увеличение скорости полета. Первая задача решается конструктивно-схемными методами, включая и повышение термодинамических и массовых характеристик двигателей, использование композитных материалов, освоение новых сплавов и т. д. Вторая задача решается в основном теплофизическими методами, так как преодоление теплового барьера вслед за барьером звуковым требует как совершенствования методов теплофизических расчетов, так и методов и средств теплофизического эксперимента.