Мечта о покорении воздушного пространства человеком отображается в легендах и преданиях практически всех народов населяющих Землю. Первые документальные свидетельства попыток человека поднять в воздух летательный аппарат относятся к первому тысячелетию до нашей эры. Тысячи лет попыток, труда и размышлений привело к полноценному воздухоплаванию только в конце 18 века, вернее к его развитию. Сначала появились монгольфьер, а следом и шарльер. Это два вида летательного аппарата легче воздуха — аэростата, в дальнейшем развитие аэростатной техники привело к созданию — дирижаблей. А на смену этим воздушным левиафанам пришли и аппараты тяжелее воздуха.

Примерно в 400 году до н. э. в Китае массово стали применяться воздушные змеи не только для развлечения, но и в сугубо военных целей, в качестве средства сигнализации. Этот аппарат уже можно охарактеризовать как устройство тяжелее воздуха, имеющее жесткую конструкцию и использующее для поддержания в воздухе аэродинамическую подъемную силу набегающего потока за счет струйных воздушных течений.

Классификация летательных аппаратов

Летательный аппарат — это какое-либо техническое устройство, которое предназначается для полетов в воздушном или космическом пространстве. В общей классификации различают аппараты легче воздуха, тяжелее воздуха и космические. В последнее время все более широко развивается направления конструирования смежных аппаратов, особенно создания гибрида воздушно — космического аппарата.

ЛА классифицироваться могут и иначе, например по следующим признакам:

• по принципу действия (полета);
• по принципу управления;
• по предназначению и сферам применения;
• по типу двигателей, установленных на ЛА;
• по конструктивным особенностям, касающимся фюзеляжа, крыльев, оперения и шасси.

Кратко о летательных аппаратах.

1. воздухоплавательные ЛА. Считаются летательные аппараты легче воздуха. Воздушная оболочка наполнена легким газом. К ним относятся дирижабли, аэростаты и гибридные ЛА. Вся конструкция данного типа аппаратов всецело остается тяжелее воздуха, но из за разности плотностей газовых масс в и вне оболочки, создается разность давлений и как итог — выталкивающая сила, так называемая сила Архимеда.

2. ЛА, использующие аэродинамическую подъемную силу. Данный тип аппаратов считается уже тяжелее воздуха. Подъемная сила у них создается уже за счет геометрических поверхностей — крыльев. Крылья начинают поддерживать ЛА в воздушной среде только после того как вокруг их поверхностей начинают образовываться воздушные потоки. Таким образом крылья начинают работать после достижения ЛА определенной минимальной скорости «срабатывания» крыльев. На них начинает образовываться подъемная сила. Поэтому, например, чтобы подняться самолету в воздух или опуститься из него на землю, нужен пробег.

• Планеры, самолеты, экранолеты и крылатые ракеты - это аппараты, у которых подъемная сила образуется при обтекании крыла;
• Вертолеты и им подобные агрегаты, у них подъемная сила образуется за счет обтекания лопастей несущего винта;
• ЛА, имеющие несущий корпус, созданный по схеме «летающее крыло»;
• Гибридные - это аппараты вертикального взлета и посадки, как самолеты, так и винтокрылы, а также устройства совмещающие качества аэродинамических и космических ЛА;
• Аппараты на динамической воздушной подушке типа экраноплан;

3. ко смические ЛА. Эти аппараты созданные специально для работы в безвоздушном пространстве с ничтожной гравитацией, а так же для преодоления силы притяжения небесных тел, для выхода в космическое пространство. К их числу относятся спутники, космические корабли, орбитальные станции, ракеты. Перемещение и подъемная сила создается за счет реактивной тяги, путем отбрасывания части массы аппарата. Рабочее тело так же образуется благодаря преобразованию внутренней массы аппарата, которая до начала полета еще состоит из окислителя и топлива.

Самые распространенные летательные аппараты - это самолеты. При классификации они подразделяются по многим признакам:

На втором месте по распространенности находятся вертолеты. Они также классифицируются по разным признакам например, по количеству и расположению несущих винтов:

• имеющие одновинтовую схему, которая предполагает наличие дополнительного рулевого винта;
• соосная схема - когда два несущих винта находятся на одной оси друг над другом и вращаются в разные стороны;
• продольная - это когда несущие винты находятся на оси движения друг за другом;
• поперечная - винты располагаются по бокам от фюзеляжа вертолета.

1,5 — поперечная схема, 2 — продольная схема, 3 — одновинтовая схема, 4 — соосная схема

Кроме того вертолеты можно классифицировать по назначению:

• для пассажирских перевозок;
• для боевого применения;
• для применения в качестве транспортных средств при перевозке грузов различного назначения;
• для различных сельскохозяйственных нужд;
• для потребностей медицинского обеспечения и поисково-спасательных работ;
• для применения в качестве воздушно-крановых устройств.

Краткая история авиации и воздухоплавания

Люди, серьезно занимающиеся историей создания летательных аппаратов, определяют, что какое-то устройство является ЛА, в первую очередь исходя из способности подобного агрегата поднять человека в воздух.

Самый первый из известных в истории полетов относится к 559 году нашей эры. В одном из государств на территории Китая приговоренного к смерти человека закрепили на воздушном змее и после запуска он смог пролететь над городскими стенами. Этот змей был скорее всего первым планером конструкции «несущее крыло».

В конце первого тысячелетия нашей эры на территории мусульманской Испании арабский ученый Аббас ибн Фарнас сконструировал и построил деревянный каркас с крыльями, который имел подобие органов управления полетом. Он смог взлететь на этом прообразе дельтаплана с вершины небольшого холма, продержаться в воздухе около десяти минут и вернуться к месту старта.

1475 год — первыми серьезными с научной точки зрения чертежами летательных аппаратов и парашюта считаются эскизы сделанные Леонардо да Винчи.

1783 год — совершен первый полет с людьми на воздушном аэростате Монгольфье, в этом же году в воздух поднимается аэростат с гелиевым наполнением шара и выполняется первый прыжок с парашютом.

1852 год — первый дирижабль с паровым двигателем выполнил успешный полет с возвращением в точку старта.

1853 год — в воздух поднялся планер с человеком на борту.

1881 — 1885 года — профессор Можайский получает патент, строит и испытывает самолет с паровыми двигателями.

1900 год — построен первый дирижабль Цеппелина с жесткой конструкцией.

1903 год — братья Райт выполняют первые реально управляемые полеты на самолетах с поршневым двигателем.

1905 год — создана Международная авиационная федерация (ФАИ).

1909 год — созданный год назад Всероссийский аэроклуб вступает в ФАИ.

1910 год — с водной поверхности поднялся первый гидросамолет, в 1915 году русский конструктор Григорович дает старт летающей лодке М-5.

1913 год — в России создан родоначальник бомбардировочной авиации «Илья Муромец».

1918 год, декабрь — организован ЦАГИ, который возглавил профессор Жуковский. Этот институт многие десятилетия будет определять направления развития российской и мировой авиационной техники.

1921 год — зарождается российская гражданская авиация, перевозящая пассажиров на самолетах «Илья Муромец».

1925 год — совершает полет АНТ-4, двухдвигательный цельнометаллический самолет-бомбардировщик.

1928 год — принят к серийному производству легендарный учебный самолет У-2, на котором будет подготовлено не одно поколение выдающихся советских летчиков.

В конце двадцатых годов был сконструирован и успешно испытан первый советский автожир — винтокрылый летательный аппарат.

Тридцатые годы прошлого века — это период различных мировых рекордов установленных на ЛА разного типа.

1946 год — в гражданской авиации появляются первые вертолеты.

В 1948 году рождается советская реактивная авиация — самолеты МиГ-15 и Ил-28, в этом же году появляется первый турбовинтовой самолет. Через год в серийное производство запускается МиГ-17.

Вплоть до середины сороковых годов XX столетия основным строительным материалом для ЛА были дерево и ткань. Но уже в первые годы второй мировой войны на смену деревянным конструкциям приходят цельнометаллические конструкции из дюралюминия.

Конструкция самолета

У всех летательных аппаратов есть схожие конструкционные элементы. Для воздушных аппаратов легче воздуха — одни, для аппаратов тяжелее воздуха — другие, для космических — третьи. Самая развитая и многочисленная ветка летательных аппаратов — это устройства тяжелее воздуха для полетов в атмосфере Земли. Для всех летательных аппаратов тяжелее воздуха есть основные общие черты, так как все аэродинамическое воздухоплавание и дальнейшие полеты в космос исходили с самой первой конструктивной схемы — схемы аэроплана, самолета по другому.

Конструкция такого ЛА как самолет, независимо от его типа или предназначения, имеет ряд общих элементов, обязательных для того, чтобы это устройство могло летать. Классическая схема выглядит следующим образом.

Планер самолета.

Этим термином называют цельную конструкцию, состоящую из фюзеляжа, крыльев и хвостового оперения. На самом деле — это отдельные элементы, имеющие разные функции.

а) Фюзеляж - это основная силовая конструкция самолета, к которой крепятся крылья, хвостовое оперение, двигатели и взлетно-посадочные устройства.

Корпус фюзеляжа собранный по классической схеме состоит из:
— носовой части;
— центральной или несущей части;
— хвостовой части.

В носовой части этой конструкции, как правило, располагается радиолокационное и радиоэлектронное самолетное оборудование и кабина экипажа.

Центральная часть несет основную силовую нагрузку, к ней крепятся крылья самолета. Кроме того, в ней располагаются основные топливные баки, проложены центральные электрические, топливные, гидравлические и механические магистрали. В зависимости от предназначения ЛА внутри центральной части фюзеляжа могут располагаться салон для перевозки пассажиров, транспортный отсек для размещения перевозимых грузов или отсек для размещения бомбового и ракетного вооружения. Возможны также варианты для топливозаправщиков, самолетов разведчиков или других специальных ЛА.

Хвостовая часть имеет также мощную силовую конструкцию, так как она предназначена для крепления к ней хвостового оперения. В некоторых модификациях самолетов на ней располагаются двигатели, а у бомбардировщиков типа ИЛ-28, ТУ-16 или ТУ-95 в этой части может располагаться кабина воздушного стрелка с пушками.

С целью уменьшения сопротивления трения фюзеляжа о набегающий воздушный поток выбирается оптимальная форма фюзеляжа с заостренными носом и хвостом.

Учитывая большие нагрузки на эту часть конструкции во время полета, он выполняется цельнометаллическим из металлических элементов по жесткой схеме. Основным материалом при изготовлении этих элементов является дюралюминий.

Основными элементами конструкции фюзеляжа являются:
— стрингеры — обеспечивающие жесткость в продольном отношении;
— лонжероны — обеспечивающие жесткость конструкции в поперечном отношении;
— шпангоуты — металлические элементы швеллерного типа, имеющие вид замкнутой рамы разного сечения, скрепляющие стрингеры и элероны в заданную форму фюзеляжа;
— внешняя обшивка — заранее заготовленные по форме фюзеляжа металлические листы из дюралюминия или композиционных материалов, которые крепятся на стрингеры, лонжероны или шпангоуты в зависимости от конструкции ЛА.

В зависимости от заданной конструкторами формы фюзеляж может создавать подъемную силу от двадцати до сорока процентов всей подъемной силы ЛА.

Подъемная сила, за счет которой ЛА тяжелее воздуха держится в атмосфере — это реально существующая физическая сила, образующаяся при обтекании набегающим воздушным потоком крыла, фюзеляжа и других элементов конструкции ЛА.

Подъемная сила прямо пропорциональна плотности среды, в которой образуется воздушный поток, квадрату скорости с которым движется ЛА и углу атаки, который образуют крыло и другие элементы относительно набегающего потока. Она также пропорциональна площади ЛА.

Самое простое и популярное объяснение возникновения подъемной силы это образование разницы давлений в нижней и верхней части поверхности.

б) Крыло самолета - это конструкция имеющая несущую поверхность для образования подъемной силы. В зависимости от типа самолета крыло может быть:
— прямым;
— стреловидным;
— треугольным;
— трапециевидным;
— с обратной стреловидностью;
— с переменной стреловидностью.

Крыло имеет центроплан, а также левую и правую полуплоскости, еще их можно называть консолями. В случае, если фюзеляж выполнен в виде несущей поверхности как у самолета типа Су-27, то имеются только левая и правая полуплоскости.

По количеству крыльев могут быть монопланы (это основная конструкция современных самолетов) и бипланы (примером может служить Ан-2) или трипланы.

По расположению относительно фюзеляжа крылья классифицируются как низкорасположенные, среднерасположенные, верхнерасположенные, «парасоль» (то есть крыло расположено над фюзеляжем). Основными силовыми элементами конструкции крыла являются лонжероны и нервюры, а также металлическая обшивка.

К крылу крепится механизация, обеспечивающая управление самолетом — это элероны с триммерами, а также имеющая отношение к взлетно-посадочным устройствам — это закрылки и предкрылки. Закрылки после их выпуска увеличивают площадь крыла, изменяют его форму, увеличивая возможный угол атаки на малой скорости и обеспечивают увеличение подъемной силы на режимах взлета и посадки. Предкрылки — это устройства для выравнивания воздушного потока и недопущения завихрений и срыва струи на больших углах атаки и малых скоростях. Кроме того, на крыле могут интерцепторы-элероны — для улучшения управляемости ЛА и интерцепторы-спойлеры — как дополнительная механизация уменьшающая подъемную силу и тормозящая ЛА в полете.

Внутри крыла могут размещаться топливные баки, например как у самолета МиГ-25. В законцовках крыла располагаются сигнальные огни.

в) Хвостовое оперение.

К хвостовой части фюзеляжа самолета крепятся два горизонтальных стабилизатора — это горизонтальное оперение и вертикальный киль — это вертикальное оперение. Эти элементы конструкции ЛА обеспечивают стабилизацию самолета в полете. Конструктивно они выполнены также как и крылья, только имеют значительно меньший размер. К горизонтальным стабилизаторам крепятся рули высоты, а к килю — руль поворота.

Взлетно-посадочные устройства.

а) Шасси — основное устройство относящиеся к этой категории.

Стойка шасси. Задняя тележка

Шасси самолета — это специальные опоры предназначенные для взлета, посадки, руления и стоянки ЛА.

Конструкция их достаточно проста и включает стойку с амортизаторами или без них, систему опор и рычагов обеспечивающих устойчивое положение стойки в выпущенном положении и быструю уборку ее после взлета. Также имеются колеса, поплавки или лыжи в зависимости от типа самолета и взлетно-посадочной поверхности.

В зависимости от расположения на планере возможны различные схемы:
— шасси с передней стойкой (основная схема для современных самолетов);
— шасси с двумя основными стойками и хвостовой опорой (примером может служить Ли-2 и Ан-2, в настоящее время практически не применяется);
— велосипедное шасси (такое шасси установлено на самолете Як-28);
— шасси с передней стойкой и выпускающейся при посадке задней штангой с колесиком.

Самой распространенной схемой для современных самолетов является шасси с передней стойкой и двумя основными. На очень тяжелых машинах основные стойки имеют многоколесные тележки.

б) Тормозная система. Торможение самолета после посадки осуществляется с помощью тормозов в колесах, спойлеров-интерцептеров, тормозных парашютов и реверса двигателей.

Двигательные силовые установки.

Самолетные двигатели могут размещаться в фюзеляже, подвешены на крыльях с помощью пилонов или размещены в хвостовой части самолета.

Конструктивные особенности других летательных аппаратов

1. Вертолет. Способность взлетать вертикально и вертеться вокруг своей оси, зависать на месте и летать боком и задом. Все это характеристики вертолета и все это обеспечивается благодаря подвижной плоскости, создающая подъемную силу — это винт, который имеет аэродинамическую плоскость. Винт постоянно находится в движении, не зависимо от того с какой скоростью и в каком направлении происходит полет непосредственно вертолета.
2. Винтокрыл. Особенностью этого ЛА является то, что взлет аппарата осуществляется за счет несущего винта, а набор скорости и горизонтальный полет — за счет классически расположенного пропеллера, установленного на ТВД, как у самолета.
3. Конвертоплан. Эту модель ЛА можно отнести к аппаратам с вертикальным взлетом и посадкой, которые обеспечиваются поворотными ТВД. Они закреплены на концах крыльев и после взлета поворачиваются в самолетное положение, в котором создается тяга для горизонтального полета. Подъемная сила обеспечивается крыльями.
4. Автожир. Особенность данного ЛА заключается в том, что во время полета он опирается на воздушную массу за счет свободно вращающегося винта в режима авторотации. В данном случае винты заменяют собой статичное крыло. Но для поддержания полета необходимо постоянно вращать винт, а он вращается от набегающего воздушного потока, поэтому аппарата, не смотря на винт необходима минимальная скорость для полета.
5. Самолет вертикального взлета и посадки. Взлетает и садится при нулевой горизонтальной скорости, используя тягу реактивных двигателей, которая направлена в вертикальном направлении. В мировой авиационной практике это такие самолеты как Харриер и Як-38.
6. Экраноплан. Это аппарат способный передвигаться на большой скорости, используя при этом эффект аэродинамического экрана, который позволяет этому ЛА держаться на высоте нескольких метров над поверхностью. При этом площадь крыла у этого аппарата меньше, чем у аналогичного самолета. ЛА использующий этот принцип, но способный подниматься на высоту в несколько тысяч метров называется экранолет. Особенностью его конструкции является более широкие фюзеляж и крыло. Такой аппарат имеет большую грузоподъемность и дальность полета до тысячи километров.
7. Планер, дельтаплан, параплан. Это ЛА тяжелее воздуха, как правило безмоторные, которые для полета используют подъемную силу за счет обтекания воздушным потоком крыла или несущей поверхности.
8. Дирижабль. Это аппарат легче воздуха, использующий для управляемого движения двигатель с винтом. Он может быть с мягкой, полужесткой и жесткой оболочкой. В настоящее время используется в военных и специальных целях. Однако целый ряд преимуществ, таких как дешевизна, большая грузоподъемность и ряд других, дают повод к дискуссиям о возврате этого вида транспорта в реальный сектор экономики.

Основным признаком классификации летательных аппаратов является способ летания. Существуют два основных способа летания аппаратов тяжелее воздуха – аэродинамический и баллистический .

Аэродинамический способ заключается в том, что летательный аппарат удерживается в воздухе при помощи аэродинамической, так называемой подъемной силы, возникающий от взаимодействия тела с потоком воздуха. Условием образования аэродинамической силы является относительное перемещение воздуха и тела.

К летательным аппаратам, использующим аэродинамический принцип полета, относятся самолеты, крылатые ракеты и вертолеты.

Средством, создающим необходимую для полета аэродинамическую силу у крылатых летательных аппаратов, является крыло, а у вертолетов – несущий винт. Так как крыло присоединено к корпусу летательного аппарата неподвижно, то для создания аэродинамической силы всему летательному аппарату придается поступательное движение при помощи двигателя.

У вертолета роль крыла играет несущий винт, приводимый во вращение двигателем. При этом аэродинамическая сила создается без поступательного движения всего вертолета.

Баллиститический способ летания есть полет свободно брошенного тела, происходящий в основном под действием силы земного притяжения. Такой полет может совершатся только за счет предварительно накопленной кинетической энергии.

Существует промежуточный класс летательных аппаратов – ракетопланы, для которых применяются оба принципа полета – аэродинамический и баллистический.

Аэродинамический принцип полета может осуществляться только в пределах атмосферы, от свойств и состояния которой зависит характер движения летательного аппарата. Поэтому знакомство с аэродинамикой самолета необходимо начинать с изучения свойств атмосферы.

Атмосфера земли

Атмосферой называется газовая оболочка, окружающая земной шар. Газ, составляющий эту оболочку, называется воздухом.

Высота газовой оболочки Земли велика и составляет более 2000 км . В пределах околоземного пространства до высоты 20 км находится около 95% всей массы атмосферного воздуха. Атмосфера разделяется на тропосферу , стратосферу и ионосферу (Рисунок1.1).

Рисунок 1.1. Строение атмосферы

Тропосферой называется нижний слой атмосферы. Толщина ее над полюсами 7 - 8 км , над экватором 16 - 18 км . Температура воздуха в тропосфере с подъемом на высоту падает (6,5° на каждые 1000 м ) (Рисунок1.2). Изменение температуры приводит к перемещению воздушных масс. Вследствие этого образуются облака, выпадают осадки, дуют ветры.

Состав воздуха тропосферы практически постоянен. В нем содержится 78% азота, 21% кислорода и около 1% других газов (аргон, углекислый газ, водород, неон, гелий). В тропосфере сосредоточен почти весь водяной пар. Содержание водяного пара и пыли приводит к ухудшению видимости.

Рисунок 1.2. Изменение температуры воздуха по высотам

Стратосфера - слой воздуха, лежащий непосредственно над воздушными слоями тропосферы. В ней наблюдается полное отсутствие облаков, дуют сильные ветры.. В стратосфере до высоты 25...30 км температура постоянна и составляет -56°С . С высоты 30 км до 55 км температура воздуха повышается до + 75°С . На высоте 82...83 км температура воздуха составляет - 35°С (Рисунок 1.2).

Ионосфера - слой воздуха, лежащий непосредственно над воздушным слоем стратосферы. Высоты ионосферы от 85 до 500 км . Из-за наличия в ионосфере огромного количества ионов (заряженных молекул и атомов атмосферных газов, воздух сильно нагревается. В ионосфере наблюдаются полярные сияния, магнитные бури.

Аэродинамический принцип создания подъемной силы (отбрасывание вниз части воздуха) можно технически реализовать либо за счет движения всего аппарата, снабженного неподвижной несущей поверхностью (крыло), либо за счет движения отдельных несущих частей аппарата (несущий винт, вентилятор и т. д.) относительно воздушной среды. И в том и в другом случае образование подъемной силы основано на законе механики о количестве движения (второй закон Ньютона, по имени английского математика, механика, астронома и физика И. Ньютона):

m(V 2 – V 1) = Pt ,

Следовательно, Р = m (V 2 – V 1) / t .
В соответствии с третьим законом Ньютона подъемная сила Y будет приложена к несущей поверхности и направлена вверх (против силы P , приложенной к воздуху и направленной вниз):

= – .

В дальнейшем при обозначении сил, имеющих аэродинамическую природу, будем применять индекс а (Y а, X а ) .
Подробно механизм возникновения аэродинамической подъемной силы будет рассмотрен в разделе 5.2. Здесь еще раз подчеркнем, что движущаяся в воздухе несущая поверхность, создающая подъемную силу Y а , совершает работу по преодолению действующей на нее силы лобового сопротивления X а . Поэтому для создания подъемной силы необходимо затрачивать энергию.
Очевидно, что энергетические затраты ЛА, использующего аэродинамический принцип полета, будут тем меньше, чем меньше будет сила лобового сопротивления X а , возникающая при создании необходимой для полета подъемной силы Y а , т. е. чем больше будет значение аэродинамического качества ЛА, определяемого отношением подъемной силы к силе лобового сопротивления:

K а = Y а / X а .

Далее будет показано, что аэродинамическое качество является свойством ЛА, определяемым в основном его геометрическими параметрами.
Среди ЛА, реализующих аэродинамический принцип полета, наибольшее распространение получили планеры (франц. planeur , от planer – парить), самолеты и вертолеты.

Планер не имеет силовой установки, поэтому его полет (рис. 4.4) в спокойной атмосфере возможен только с постоянным снижением под некоторым углом Q к горизонту со скоростью планирования V , которая может быть представлена векторной суммой скорости снижения V y и горизонтальной скорости полета V x . Движение планера вперед происходит под действием составляющей G sinQ силы тяжести , которая уравновешивает силу лобового сопротивления , возникающую вместе с подъемной силой крыла , уравновешивающей составляющую G cosQ силы тяжести. Таким образом, при полете планера на создание подъемной силы и преодоление силы лобового сопротивления с потерей высоты расходуется потенциальная энергия, которой обладал планер, доставленный на высоту начала планирования с помощью наземной лебедки или самолета-буксировщика . Увеличить запас энергии для полета планер может, набирая высоту за счет энергии «термиков » – восходящих потоков теплого воздуха.
Рассматривая схему сил, действующих на планер при планировании (см. рис. 4.4), запишем:

Y a = G cosQ; X a = G sinQ .

Отсюда tgQ = X a / Y a = 1 / K a , т. е. планер, имеющий большее аэродинамическое качество, будет планировать по более пологой траектории и дальность полета его при прочих равных условиях будет больше, следовательно, он более эффективно использует начальный запас энергии. Для современных планеров аэродинамическое качество K a = 40 ¸ 50.

Самолет совершает полет в атмосфере за счет силы тяги, создаваемой силовой установкой, и подъемной силы, создаваемой неподвижным относительно других частей самолета крылом.
Двигатель самолета создает силу тяги воздушным винтом или реакцией струи выхлопных газов, расходуя при этом химическую энергию топлива, находящегося в топливных баках, на совершение работы против сил аэродинамического сопротивления или сопротивления трения при разбеге самолета по ВПП на взлете.
При полете самолета со скоростью V (рис. 4.5) возникает подъемная сила , противостоящая гравитационной силе (силе тяжести) ; вместе с тем возникает и сила, оказывающая сопротивление движению самолета , которая преодолевается силой тяги двигателя .
Таким образом, для совершения горизонтального полета самолета необходимо выполнить условия:

G = Y a ; P = X a .

Отсюда сила тяги двигателя, потребная для совершения горизонтального полета,

Р потр = G X a / Y a = G / K a = mg / K a .

Очевидно, что энергетические затраты ЛА, реализующего аэродинамический принцип полета, на преодоление силы земного тяготения существенно меньше затрат ЛА, реализующего ракетодинамический принцип полета (где Р потр = mg ). У современных дозвуковых самолетов аэродинамическое качествоK a =15 ¸18, у сверхзвуковых самолетов K a = 8 ¸12.
Однако самолет (в традиционной конфигурации) не способен совершать вертикальный взлет и посадку, поскольку неподвижное крыло создает подъемную силу только при поступательном движении самолета.
Вертолет , устаревшее название – геликоптер (от греч. helix (helikos) – спираль, винт и pteron – крыло), совершает полет за счет подъемной силы и силы тяги, создаваемых одним или несколькиминесущими винтами , способными создавать подъемную силу без поступательного движения ЛА.
Несущий винт 1 вертолета (рис. 4.6,а) состоит из нескольких лопастей , которые представляют собой крылья, приводимые во вращение двигателем. За счет вращения лопастей возникает аэродинамическая подъемная сила (сила тяги винта ) , которая в режиме висения уравновешивает силу тяжести ( = – ).

И их воздействия на твердые тела. Является подразделом гидро- и газодинамики. Исследования в этой области восходят к глубокой древности, ко времени изобретения стрел и планирующих копий, позволявших дальше и точнее посылать снаряд в цель. Однако потенциал аэродинамики полностью был раскрыт с изобретением аппаратов тяжелее воздуха, способных летать либо планировать на значительные расстояния.

С древних времен

Открытие законов аэродинамики в 20 веке способствовало фантастическому скачку во многих областях науки и техники, особенно в транспортной сфере. На ее достижениях созданы современные летательные аппараты, позволившие сделать общедоступным фактически любой уголок планеты Земля.

Первые упоминания о попытке покорения неба встречаются в греческом мифе об Икаре и Дедале. Отец с сыном соорудили крылья, похожие на птичьи. Это указывает на то, что еще тысячелетия назад люди задумывались о возможности оторваться от земли.

Очередной всплеск интереса к сооружению летательных аппаратов возник в эпоху Возрождения. Страстный исследователь Леонардо да Винчи много времени посвятил этой проблеме. Известны его записи, в которых объяснены принципы работы

Новая эпоха

Глобальный прорыв в науке (и аэронавтике в частности) совершил Исаак Ньютон. Ведь в основе аэродинамики лежит всеобъемлющая наука механика, родоначальником которой стал английский ученый. Ньютон первым рассмотрел воздушную среду как конгломерат частиц, которые, набегая на препятствие, либо прилипают к нему, либо упруго отражаются. В 1726 году он представил публике теорию сопротивления воздуха.

Впоследствии выяснилось, что среда действительно состоит из мельчайших частиц - молекул. Отражающую способность воздуха рассчитывать научились достаточно точно, а эффект «прилипания» считали несостоятельным предположением.

Удивительно, но данная теория нашла практическое применение спустя столетия. В 60-х, на заре космической эры, советские конструкторы столкнулись с проблемой расчета аэродинамического сопротивления спускаемых аппаратов «затупленной» сферической формы, при приземлении развивающих гиперзвуковые скорости. Из-за отсутствия мощных ЭВМ вычислить данный показатель было проблематично. Неожиданно выяснилось, что достаточно точно рассчитать величину сопротивления и даже распределение давления по лобовой части можно по простой формуле Ньютона, касающейся эффекта «прилипания» частиц к летящему объекту.

Развитие аэродинамики

Основатель гидродинамики Даниэль Бернулли описал в 1738 году фундаментальную взаимосвязь между давлением, плотностью и скоростью для несжимаемого потока, известную сегодня как принцип Бернулли, который также применителен к расчетам силы аэродинамического подъема. В 1799 году сэр Джордж Кэли стал первым человеком, который идентифицировал четыре аэродинамических силы полета (вес, подъемную силу, сопротивление и тягу), а также отношения между ними.

В 1871 году Фрэнсис Герберт Уэнам создал первую аэродинамическую трубу, позволяющую точно измерять аэродинамические силы. Неоценимые научные теории разработаны Жаном Ле Рондом Даламбером, Густавом Кирхгофом, лордом Рэлеем. В 1889 году Чарльз Ренард, французский инженер по аэронавтике, стал первым человеком, который научно рассчитал мощность, необходимую для устойчивого полета.

От теории к практике

В 19 веке изобретатели взглянули на крыло с научной точки зрения. И благодаря исследованиям механизма полета птиц была изучена аэродинамика в действии, которую позже применили к искусственным летательным аппаратам.

Особо в исследованиях механики крыла преуспел Отто Лилиенталь. Немецким авиаконструктором создано и испытано 11 типов планеров, в том числе биплан. Им же совершен первый полет на аппарате тяжелее воздуха. За относительно недолгую жизнь (46 лет) он совершил порядка 2000 полетов, постоянно совершенствуя конструкцию, которая скорее напоминала дельтаплан, чем самолет. Он погиб во время очередного полета 10 августа 1896 года, став и первопроходцем аэронавтики, и первой жертвой авиакатастрофы. Кстати, один из планеров немецкий изобретатель лично передал пионеру в изучении аэродинамики самолетов Жуковскому Николаю Егоровичу.

Жуковский не просто экспериментировал с В отличие от многих энтузиастов того времени, прежде всего он рассматривал поведение воздушных потоков с научной точки зрения. В 1904 году он основал первый в мире аэродинамический институт в Качино под Москвой. С 1918 года возглавлял ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт).

Первые самолеты

Аэродинамика - это наука, позволившая человеку покорить небо. Без ее изучения было бы невозможно строить летательные аппараты, стабильно перемещающиеся в воздушных потоках. Первый самолет в привычном нам понимании изготовили и подняли в воздух 7 декабря 1903 года братья Райт. Однако этому событию предшествовала тщательная теоретическая работа. Американцы много времени посвятили отладке конструкции планера в аэродинамической трубе собственной разработки.

Во время первых полетов Фредерик В. Ланчестер, Мартин Вильгельм Кутта и Николай Жуковский выдвинули теории, которые объясняли циркуляцию воздушных потоков, создающих подъемную силу. Кутта и Жуковский продолжили разработку двумерной теории крыла. Людвигу Прандтлу приписывают развитие математической теории тонких аэродинамических и подъемных сил, а также работу с пограничными слоями.

Проблемы и решения

Важность аэродинамики самолетов возрастала по мере увеличения их скоростей. Конструкторы начали сталкиваться с проблемами, связанными со сжатием воздуха со скоростью, близкой или большей, чем скорость звука. Различия в потоках при таких условиях привели к проблемам управления воздушным судном, увеличению сопротивления из-за ударных волн и угрозе разрушения конструкции из-за аэроупругого флаттера. Отношение скорости потока к скорости звука было названо по имени Эрнста Маха, который одним из первых исследовал свойства сверхзвукового потока.

Уильям Джон Маккуорн Ренкин и Пьер Анри Гугониот независимо друг от друга разработали теорию свойств течения воздуха до и после ударной волны, в то время как Якоб Акерет провел начальную работу по вычислению подъема и сопротивления сверхзвуковых аэродинамических поверхностей. Теодор фон Карман и Хью Латимер Драйден ввели термин «околозвуковой» для описания скоростей на границе 1 Маха (965-1236 км/час), когда сопротивление быстро растет. Впервые звуковой барьер был преодолен в 1947 году на самолете Bell X-1.

Основные характеристики

Согласно законам аэродинамики, для обеспечения полета в атмосфере земли любого аппарата важно знать:

• Аэродинамическое сопротивление (ось X), оказываемое потоками воздуха на объект. Исходя из этого параметра подбирается мощность силовой установки.
• Подъемную силу (ось Y), обеспечивающую набор высоты и позволяющую аппарату лететь горизонтально к поверхности земли.
• Моменты аэродинамических сил по трем осям координат, действующих на летящий объект. Наиболее важным является момент боковой силы по оси Z (Mz), направленной поперек самолета (условно вдоль линии крыла). Он определяет степень продольной устойчивости (будет ли аппарат «нырять» или задирать нос вверх при полете).

Классификация

Аэродинамические характеристики классифицируются по условиям и свойствам воздушного потока, включая скорость, сжимаемость и вязкость. Внешняя аэродинамика - это исследование потока вокруг твердых объектов различной формы. Примерами являются оценка подъема и вибраций самолета, а также ударных волн, которые образуются перед носом ракеты.

Внутренняя аэродинамика - это исследование воздушного потока, перемещающегося через отверстия (проходы) в твердых объектах. Например, она охватывает изучение потоков через реактивный двигатель.

Аэродинамические показатели также могут быть классифицированы в зависимости от скорости потока:

• Дозвуковой называют скорость, меньшую скорости звука.
• Околозвуковой (трансзвуковой) - если присутствуют скорости как ниже, так и выше скорости звука.
• Сверхзвуковой - когда скорость потока больше скорости звука.
• Гиперзвуковая - скорость потока намного больше скорости звука. Обычно под этим определением подразумевают скорости с числами Маха выше 5.

Аэродинамика вертолета

Если принцип полета самолета основан на подъемной силе при поступательном движении, оказываемой на крыло, то вертолет как бы сам создает подъемную силу за счет вращения лопастей в режиме осевого обдува (то есть без поступательной скорости). Благодаря данной особенности геликоптер способен зависать в воздухе на месте и совершать энергичные маневры вокруг оси.

Другие области применения

Естественно, аэродинамика применима не только к летательным аппаратам. Сопротивление воздуха испытывают все объекты, движущиеся в пространстве в газовой и жидкой среде. Известно, что водные обитатели - рыбы и млекопитающие - обладают обтекаемыми формами. На их примере можно проследить аэродинамику в действии. Ориентируясь на животный мир, люди также делают водный транспорт заостренной либо каплевидной формы. Это касается кораблей, катеров, подводных лодок.

Значительное сопротивление воздуха испытывают транспортные средства: оно возрастает по мере увеличения скорости. Для достижения лучшей аэродинамики автомобилям придают обтекаемую форму. Особенно это актуально для спорткаров.