Авиация

Слово «авиация» происходит от латинского слова avis – «птица» и применяется для обозначения летательных аппаратов тяжелее воздуха.
Первые попытки обосновать возможность полета на таких аппаратах сделал Леонардо да Винчи в начале XVI в. Он создал несколько проектов аппаратов с машущими крыльями.
М. В. Ломоносов доказал возможность полета такого аппарата, создав модель вертолета с приводом от пружины.
В основе полета летательного аппарата тяжелее воздуха лежит закон, выведенный Д. Бернулли в 1738 г. Он заключается в том, что при увеличении скорости потока его давление на стенки сосуда уменьшается. Этот закон был сформулирован для жидкостей, но он справедлив также и для газов. Этот закон объясняет полет птиц: дело в том, что при полете их крылья изгибаются таким образом, что на их нижнюю часть действует подъемная сила, превосходящая силу тяжести, направленную в противоположном направлении.
Для возникновения подъемной силы крыло самолета должно иметь такую форму, чтобы воздух сверху и снизу обтекал его с разной скоростью – снизу медленнее, чем сверху. Этого можно достичь, сделав нижнюю плоскость крыла абсолютно плоской, а верхнюю – выпуклой. Регулирование подъемной силы можно осуществлять, изменяя угол между плоскостью крыла и потоком воздуха (угол атаки крыла). Подъемная сила увеличивается с увеличением этого угла.
Теоретические основы полета самолета впервые разработал англичанин Д. Кейли в начале XIX в. Он построил и испытал модель планера и полноразмерный планер.
В середине XIX в. начались практические работы по созданию самолета. Разрабатывались проекты самолетов с паровыми и реактивными двигателями, делались попытки полета на планере. Несмотря на это были осуществлены лишь непродолжительные полеты моделей и кратковременные полеты на планерах.
В 1863 г. русский ученый А. В. Эвальд, наблюдая за птицами, составил идеальный проект самолета, включавший все необходимое для его полета: крыло, пропеллер, форму с малым лобовым сопротивлением, установочный угол атаки крыла, органы управления. В качестве двигателя он предлагал использовать паровой двигатель.
В 1876 г. французский ученый и конструктор А. Пено и механик П. Гошо получили патент на «бесхвостый» самолет?амфибию с паровым двигателем и фюзеляжем в форме лодки. Пено предложил для достижения продольной балансировки самолета отказаться от горизонтального оперения, применив в крыле профиль с отогнутой вверх задней кромкой. Продольная устойчивость при этом должна была обеспечиваться расположением центра тяжести вблизи передней кромки крыла. Поперечная устойчивость достигалась отгибом вверх концов крыла, путевая – вертикальным килем. Для управления продольным креном были предусмотрены рули высоты, расположенные на задней части центроплана крыла. Управление по курсу могло осуществляться рулем направления, а также аэродинамическими тормозами, представляющими собой расщепляющиеся щитки на концах крыла.
В 1870–1880 гг. постройкой летательного аппарата занялся военный моряк А. Ф. Можайский. В 1881 г. он получил патент на летательный аппарат. Как следует из описания, это был самолет?моноплан. Основные элементы его компоновки применялись в самолетостроении даже спустя много десятилетий после этого.
В 1881–1883 гг. Можайский построил свой самолет под Петербургом. У него был фюзеляж с деревянными ребрами, обтянутыми материей. К бортам фюзеляжа были прикреплены прямоугольные крылья, слегка выгнутые выпуклостью вверх. Крылья и оперение были обтянуты шелком, пропитанным лаком. Аппарат стоял на стойках с колесами (шасси). На нем были установлены две паровые машины мощностью 20 и 10 л. с., построенные в Англии по заказу Можайского.
В 1883–1885 гг. изобретатель занимался доводкой аппарата при наземных испытаниях, а в 1885 г. предпринял попытку летных испытаний, закончившуюся неудачей.
Неудачей закончились также испытания аэропланов американца X. Максима в 1894 г. и француза К. Адера в 1897 г. На них устанавливались паровые машины, слишком тяжелые для самолетов.
В начале 1890?х гг. немец О. Лилиенталь построил несколько моделей планеров. В их основе лежал принцип полета аиста. Крылья в своем поперечном сечении имели вогнутость, обращенную книзу. Балансировка планеров осуществлялась изменением положения центра тяжести в полете. Материалом конструкции служили ивовые прутья и полотно.
В первых опытах Лилиенталь стоял с крыльями на ветру, изучая действие аэродинамических сил и прочность конструкции, затем прыгал с крыльями с небольшого помоста в саду своего дома (иногда по 50–60 раз в день). Только два года спустя он решился приступить к полетам с возвышенности в 5–6 м.
Постепенное усложнение задач и многократность повторения опытов позволили не только самому конструктору освоиться с чувством полета, но и совершенствовать конструкцию планеров. Первые летательные аппараты Лилиенталя еще не имели хвостового оперения. Они оказались неустойчивыми и недостаточно прочными. Успех был достигнут в 1891 г., когда конструктор добавил к крылу вертикальное и горизонтальное оперение и уменьшил размеры крыла.
Благодаря наличию стабилизирующих поверхностей и сравнительно небольшим размерам аппарата его устойчивость и эффективность балансирного управления заметно улучшились. В 1891 г. Лилиенталю удалось совершить планирующий спуск до 20 м длиной. При взлете испытатель разбегался под уклон навстречу ветру. В полете он управлял планером с помощью ног, опираясь руками на крылья. При приземлении Лилиенталь резко отклонял тело назад, увеличивая угол атаки крыла, скорость полета уменьшалась, и планер совершал плавную посадку.
В 1892 г., стремясь увеличить продолжительность полетов, Лилиенталь построил планер с большим размахом крыла. Дальность полетов действительно возросла, однако из?за большой парусности управлять планерами оказалось трудно, особенно при сильном ветре. Поэтому в дальнейшем конструктор избегал строить аппараты с размахом крыла больше 6–7 м.
В 1893 г. Лилиенталь изготовил планер, который стал прототипом всех его последующих монопланов. По конструкции аппарат существенно отличался от прежних машин. Лилиенталь применил складывающиеся крылья. Это было удобно при транспортировке и хранении. Развернутые для полета крылья фиксировались легкосъемными продольными нервюрами, заменяя которые можно было изменять кривизну профиля. Для большей прочности крыло поддерживалось распялками, соединенными с двумя вертикальными стойками на центроплане.
Еще одним нововведением было применение упруго подвешенного горизонтального стабилизатора. Под действием аэродинамических сил он, преодолевая силу действия пружины, мог поворачиваться на некоторый угол вверх, что облегчало быстрое увеличение угла атаки крыла, необходимое для торможения перед посадкой. Нижнее положение задней кромки горизонтального оперения фиксировалось ограничителями так, что в полете стабилизатор всегда был расположен под отрицательным углом к крылу.
В результате многолетних упорных тренировок Лилиенталь достиг высокого мастерства в полетах на планере. К середине 1896 г. им было выполнено свыше 2000 полетов, дальность некоторых из них достигала 250 м, а продолжительность – нескольких десятков секунд. В отдельных случаях удавалось подниматься выше точки старта, т. е. совершать парящий полет. Овладев техникой балансирного управления, Лилиенталь отваживался летать при значительной скорости ветра (на бипланах – до 10 м/с).
9 августа 1896 г. Лилиенталь погиб, упав на планере с высоты 15 м.
В конце XIX – начале XX века предпринимались попытки построить самолет.
В 1899 г. конструированием и испытанием планеров занялись американцы – братья Райт. В течение 1899–1902 гг. они создали несколько оригинальных моделей. Испытание всех аппаратов братья Райт производили на берегу Атлантического океана возле городка Китти?Хоук.
Важным изобретением братьев Райт стало обеспечение поперечной устойчивости планера путем перекоса концов его крыльев. В своих первых моделях они отказались от хвостового оперения и от регулирования устойчивости аппарата путем перемещения центра тяжести. Вместо этого они снабдили планер рулями.
При постройке своих аппаратов братья Райт столкнулись с недостатком теоретических знаний в области аэродинамики. Тогда изобретатели соорудили аэродинамическую трубу, в которую нагнетали воздух при помощи вентилятора. В ней они испытали более 200 различных профилей из листового железа. Таким образом измерялось сопротивление различных поверхностей и профилей крыльев при различных углах атаки. Результаты опытов были сведены в таблицы. Это помогло им при конструировании нового планера. Он имел вертикальный хвост с подвижным рулем. Поворачивая руль в сторону противоположного крыла можно было восстановить поперечное равновесие, компенсируя разницу в сопротивлении опущенного и поднятого крыльев. Для одновременного воздействия руль и крылья были соединены тросами и управлялись одним рулем.
Высота полета регулировалась поверхностями руля высоты, расположенного в передней части планера. При движении вперед связанного с этими поверхностями рычага кривизна поверхностей уменьшалась, и нос планера опускался.
Между поверхностями руля высоты располагались вертикальные серповидные поверхности, вращавшиеся в направлении, противоположном направлению движения поворотного руля. Они компенсировали силу, вращающую планер вокруг собственной оси.
Новый планер показал прекрасные летные качества: он мог парить в воздухе около минуты, хорошо управлялся, поднимаясь, опускаясь, разворачиваясь в разные стороны.
В конце 1902 г. после успешных испытаний этого планера братья Райт приняли решение конструировать на его основе самолет.
Двигатель и пропеллеры были изготовлены в течение зимы и весны 1903 года. Построенный при участии братьев Райт четырехцилиндровый бензиновый двигатель водяного охлаждения мощностью 12 л. с. представлял собой облегченный вариант обычного автомобильного двигателя и весил вместе со всеми вспомогательными системами 90 кг. По расчетам изобретателей, он обладал способностью поднять их самолет в воздух.
При разработке пропеллера использовался опыт аэродинамических исследований, проведенных Райтами в 1901–1902 гг. Рассматривая воздушный винт как вращающееся крыло и стремясь подобрать наивыгоднейший для каждого сечения профиль, им удалось создать пропеллер с рекордным для своего времени, КПД – 66 %. Два деревянных двухлопастных винта соединялись с двигателем с помощью цепной передачи, уменьшавшей частоту вращения пропеллера втрое. Общий вес трансмиссии и винтов составлял 41 кг.
В связи с возросшим взлетным весом размеры крыла самолета были по сравнению с крылом планера увеличены. Увеличена была также площадь органов управления – одинарные поверхности рулей заменили двойными. Как и на планере, руль направления автоматически отклонялся при перекашивании крыла. Под крылом были установлены полозья. Отказ от применения колесного шасси объясняется преобладанием песчаной почвы в Китти?Хоук, где должен был испытываться самолет.
Сборка самолета была завершена в начале ноября 1903 года. Аппарат представлял собой биплан с двумя толкающими пропеллерами, вращающимися в противоположных направлениях. Двигатель был установлен на нижнем крыле, сбоку от летчика. Пилот размещался в полете лежа и управлял перекашиванием крыла движением бедер. Перед пилотом были расположены две рукоятки, одна из которых служила для управления рулем высоты, другая – для включения двигателя. Взлетный вес самолета равнялся 340 кг, площадь крыла – 47,4 м2, размах – 12,3 м, длина – 6,4 м, диаметр винтов – 2,5 м.
В процессе наземных проб двигателя выяснилось, что прочность валов пропеллеров недостаточна. Поломки, вызванные перебоями в работе двигателя, удалось устранить только после замены пустотелых валов сплошными. 12 декабря самолет был готов к летным испытаниям.
В связи с большим весом самолета Райты отказались от прежнего метода старта, когда помощники разгоняли аппарат до скорости отрыва, поддерживая его за крыло. Кроме того, такой способ взлета мог вызвать сомнения в том, что старт происходил только за счет мощности двигателя. Разбег должен был происходить по деревянному рельсу длиной 18 м, верхняя поверхность которого была обшита железом. Самолет катился по рельсу на маленькой тележке, отделяемой от аппарата после взлета. Для уменьшения длины разбега старт должен был происходить строго против ветра.
Первые испытания «Флайера» происходили 14 декабря 1903 года. Самолет поднялся в воздух, но через несколько мгновений после взлета упал с высоты 5 м. Время нахождения в воздухе составило всего 3,5 с, дальность полета – 32 м.
17 декабря состоялись повторные испытания. Всего было выполнено четыре полета, общая продолжительность которых составила менее двух минут. Эти испытания стали выдающимся событием в истории человечества – впервые человеку удалось осуществить контролируемый полет на самолете.
В дальнейшем братья Райт усовершенствовали свой первый самолет. В 1905 г. они уже совершали полеты со скоростью 60 км/ч продолжительностью 38 мин.
В это время в Европе также шли работы над совершенствованием планеров и постройкой самолетов. В 1904 г. француз Эсно?Пельтри на своем планере впервые применил элероны. Они имели вид двух независимо действующих горизонтальных поверхностей, расположенных на балках перед крылом, и предназначались для регулирования крена аппарата.
Конструированием самолетов занимались и французы Фербер, Вуазен, Блерио, Сантос?Дюмон, в Дании – Эллехаммер.
К типичным аэродинамическим компоновкам этого периода относятся: биплан с коробчатым крылом, передним рулем высоты и, как правило, толкающим пропеллером; биплан (мультиплан) без перегородок на крыле, с тянущим винтом и с заднерасположенным оперением; моноплан «нормальной» схемы с тянущим винтом; моноплан с самобалансирующимся крылом без стабилизирующих хвостовых поверхностей.
1909 г. стал годом триумфа в истории самолета. Его перспективность доказывали постоянно улучшающиеся рекорды дальности, высоты и скорости, дальние внеаэродромные полеты. Так, Л. Блерио совершил перелет на самолете «Блерио?11» из Франции в Англию через Ла?Манш. В состоявшихся в конце августа первых авиационных состязаниях в Реймсе (Франция) приняли участие 38 самолетов, на которых были выполнены 87 полетов дальностью более 5 км, 7 – дальностью более 100 км.
С 1909 г. началось серийное производство самолетов, во Франции открылись первые школы по подготовке пилотов.
Уже в то время в авиации наметились два направления: военное и гражданское.
В 1911 г. на самолете впервые был установлен пулемет. До Первой мировой войны были также созданы бомбы, самолетные радиостанции, ранцевый парашют.
В это время летчики столкнулись с таким явлением, как штопор – снижение самолета по крутой нисходящей спирали малого радиуса с одновременным вращением вокруг всех трех осей. Вначале заваливание в штопор вело к гибели самолета. В 1916 г. русский летчик К. Арцеулов впервые намеренно ввел свой самолет в штопор и вывел из него. По инициативе Арцеулова штопор как фигура высшего пилотажа был введен в программу обучения летчиков.
В Первую мировую войну самолеты вначале использовались для разведки и корректировки артиллерийского огня, затем их стали применять для поражения воздушных и наземных целей. Появилось разделение на разведывательные самолеты, истребители и бомбардировщики.
За время войны скорость самолетов возросла до 200–220 км/ч. В 1918 г. численность самолетов превысила 11 тысяч.
В послевоенные годы авиация бурно развивалась во многих странах. Появились новые конструкции самолетов, совершенствовались методы их расчетов. Если в 1920?х годах наиболее распространенной была бипланная схема компоновки самолета, то к середине 1930?х наметился окончательный переход к монопланной.
В СССР в 20?е годы были созданы конструкторские бюро A. Н. Туполева, H. Н. Поликарпова. Среди первых самолетов – пассажирские самолеты АК?1 конструкции В. Л. Александрова и B. В. Калинина, истребитель И?1 Поликарпова. Под руководством Туполева были сконструированы цельнометаллический самолет АНТ?2, разведчик АНТ?3, тяжелый бомбардировщик АНТ?4.
Со второй половины 20?х гг. стал широко применяться дюралюминий, заменивший распространенные до того полотно и дерево.
Среди достижений авиации можно отметить перелет через Атлантику американца Ч. Линдберга в 1927 году.
В 20?е гг. развиваются пассажирские авиаперевозки. Первые авиалинии появились в Германии и Франции. В СССР первый регулярный пассажирский маршрут был открыт в 1923 г. Он соединил Москву и Нижний Новгород.
Постоянно растут скорости самолетов. Это достигается как за счет увеличения мощности двигателей, так и благодаря снижению аэродинамического сопротивления на 20–25 %. Снижение обеспечивалось решением проблемы втягивания шасси в полете, внедрением винтов изменяемого шага, переходом к закрытым кабинам, обтекаемым формам фюзеляжей, применением гладкой обшивки крыла. Это привело к увеличению скорости полета на 20–30 % при той же мощности двигателей.
В 30?е годы значительно возросла дальность полета. В 1937 г. были совершены два беспосадочных перелета из Москвы через Северный полюс в США.
18–20 июня В. П. Чкалов, Г. Ф. Байдуков и А. В. Беляков, покрыв расстояние в 8504 км за 63 ч 16 мин, совершили посадку в Ванкувере.
12–14 июля М. М. Громов, А. Б. Юмашев и С. А. Данилин преодолели 10 148 км за 62 ч 17 мин и приземлились в Калифорнии, установив мировой рекорд дальности беспосадочного перелета.
Продолжает развиваться военная авиация. Во время гражданской войны в Испании в небе столкнулись советские самолеты И?15 и И?16 конструкции Поликарпова, СБ и немецкие мессершмитты и юнкерсы.
Опыт войны в Испании дал новый толчок развитию авиации. Немцы решили ставить на свои самолеты новые двигатели. В СССР стали разрабатывать принципиально новые конструкции самолетов А. С. Яковлев, С. В. Ильюшин, В. М. Петляков и др.
Скорость истребителей достигла 600 км/ч и более. Повысилась дальность полета (до 3–4 тыс. км), скорость (до 550 км/ч) и бомбовая нагрузка бомбардировщиков (до 3–4 т).
В 1938 г. в КБ Ильюшина был сконструирован самолет огневой поддержки сухопутных войск – штурмовик Ил?2. Он имел высокую прочность, большую огневую мощь, бронированную защиту важнейших узлов.
Во Второй мировой войне наибольшее применение получили легкие, маневренные, простые в управлении самолеты. В небе над Европой, Азией, Тихим и Атлантическим океанами развернулись ожесточенные воздушные сражения. Самолеты прикрывали войска с воздуха, наносили удары по войскам и кораблям противника, вели разведку, перебрасывали десанты.
Самыми распространенными были истребители Як?3, Як?7, Як?9, Ла?5 и Ла?7 (СССР), «Мессершмитт?109» и «Фокке?Вульф?190» (Германия), «Харрикейн» и «Спитфайр» (Великобритания), «Мустанг» и «Аэрокобра» (США). Среди бомбардировщиков следует выделить советские Пе?2, Ил?4, Ту?2, немецкие Ю?87 и Ю?88, американские Б?17, Б?25 и Б?29, английский «Ланкастер». Самым массовым самолетом Второй мировой стал штурмовик Ил?2.
К концу войны поршневая авиация исчерпала свои возможности. Максимальная скорость самолетов достигала 720 км/ч. Дальнейшее ее повышение было ограничено чрезмерным ростом габаритов и веса двигателя, снижением КПД винта.
Качественный рывок в авиастроении произошел с появлением реактивного двигателя. Его разработка началась в 1930?е годы. Первые полеты были осуществлены на самолетах с жидкостно?реактивными двигателями. В 1939 г. в Германии был сконструирован и испытан самолет «Хейнкель». В СССР первый реактивный полет был осуществлен в 1940 г. на ракетоплане конструкции С. П. Королева. В 1941 г. в Англии поднялся в воздух самолет «Глостер» с турбореактивным двигателем конструкции Ф. Уиттла.
В 1941–1943 гг. в Германии были выпущены небольшими сериями реактивные истребители Ме?262, Me?163, Хе?162. Но решающего влияния на ход воздушной войны они не оказали. Единственным реактивным самолетом союзников, принявшим участие в войне, стал английский «Метеор».
Первые послевоенные реактивные самолеты представляли собой обычные самолеты, на которых вместо поршневых были установлены реактивные двигатели. Однако с увеличением скорости до 1000 км/ч конструкторы и летчики столкнулись с такими явлениями, как сжимаемость воздуха, резкое повышение его сопротивления, снижение устойчивости и управляемости машин.
Исследования показали, что дальнейшее развитие реактивной авиации связано с изменением конструкции крыльев: они должны были иметь тонкий профиль и стреловидную форму в плане.
В 1947 г. в СССР был создан первый реактивный истребитель со стреловидным крылом МиГ?15. На нем были установлены лицензионные реактивные двигатели «Роллс?Ройс», катапультирующее кресло и гидроусилители рулей. Вооружение МиГ?15 составляли скорострельная пушка и 2 пулемета. Скорость достигала 1100 км/ч.
В это же время в СССР были построены реактивные истребители Ла?15, Як?23 и реактивные бомбардировщики Ил?28 и Ту?14.
В 1948 г. экспериментальный самолет Л а?176 при полете со снижением достиг скорости звука.
Первые боевые столкновения реактивных самолетов состоялись в начале 1950?х гг. во время войны в Корее. Там советские МиГ?15 и МиГ?17 показали свое превосходство над американскими «Сейбрами».
В 1950–1960?х годах военная авиация получила сверхзвуковые реактивные самолеты, которые могли летать в любую погоду. На вооружении появились ракеты и ядерное оружие. Во многих странах были созданы самолеты вертикального взлета и посадки, способные взлетать и приземляться на небольших площадках. В первую очередь они нашли применение в морской авиации, в частности на авианосцах.
Увеличение скорости привело к созданию самолетов с изменяемой стреловидностью крыла: при взлете и посадке площадь крыла максимальна, в полете она уменьшается.
Дальность полета самолетов значительно возросла, благодаря дозаправке топливом в воздухе. Это позволило совершать полеты дальностью 12 000 км и более.
В послевоенные годы развивалась и гражданская авиация: создавались новые самолеты, открывались новые воздушные линии.
В 1949 г. состоялся первый рейс английского реактивного пассажирского самолета «Комета». Он был оснащен турбовинтовым двигателем. В 1956 г. на пассажирских авиалиниях появился первый турбореактивный самолет – советский Ту?104. В 1958 г. взлетел американский «Боинг?707», а в 1959 г. – французская «Каравелла».
В 1960?е годы были созданы первые сверхзвуковые пассажирские самолеты. Первым совершил свой полет Ту?144. Это произошло 31 декабря 1968 г. Несколькими месяцами позже взлетел англо?французский «Конкорд». Их скорость достигала 2500–3000 км/ч, а дальность полета – 8000 км.
Помимо пассажирских перевозок гражданская авиация используется в борьбе с вредителями лесов и полей, разведке полезных ископаемых, метеорологических наблюдениях, исследованиях труднодоступных районов и других областях народного хозяйства.