В полет!

Изобретение самолета — одно из крупнейших достижений XX века. Источником вдохновения человеку послужили наблюдения за авиаторами, созданными самой природой, — птицами.

С давних времен человек страстно мечтал научиться взмывать в небо с легкостью и грациозностью птицы. В Древней Греции существовала легенда об Икаре, смастерившем крылья из воска и взлетевшем в небо. Когда он слишком приблизился к солнцу, воск растаял, и несчастный Икар разбился насмерть.

Великий итальянский художник и изобретатель эпохи Возрождения Леонардо да Винчи тоже был неутомимым поборником идеи механического полета. Он оставил множество рисунков со своими чертежами летательных аппаратов. Но прежде чем тайна полета постепенно начала раскрываться, прошло еще четыреста лет.

Ранние попытки человека подняться в воздух зачастую оканчивались катастрофой. Незадачливые пилоты привязывали к рукам самодельные крылья и неистово размахивали ими, чтобы оторваться от земли. Их отчаянные попытки неизбежно терпели неудачу, поскольку люди не понимали, что не только работа крыльев, но и сама форма тела птицы позволяет его пернатому обладателю общаться с небом.

Важное открытие

В 1738 году швейцарский математик и врач Даниэль Бериулли сделал первый уверенный шаг на пути человека к небу. Он открыл, что чем быстрее движение жидкости или газа, тем ниже давление. Поскольку воздух — это смесь газов, к нему тоже можно применить этот принцип. Например, в момент встречи движущегося крыла птицы с воздухом воздух разделяется на два потока, идущих над крылом и под ним. Поскольку верхняя поверхность крыла изогнута и, следовательно, длиннее более плоской внутренней поверхности, воздуху требуется пройти большее расстояние. Поэтому он движется с большей скоростью и быстрее теряет давление над крылом, тем самым увеличивая давление под крылом и приподнимая его вверх. Это называется "подъемной силой".

В XIX веке многие пионеры воздухоплавания использовали этот принцип при создании примитивных планеров. В 1853 году сэр Джордж Кейли, которого часто называют "отцом аэроплана", построил и испытал первый и мире планер. Затем, в 90-х годах XIX веки, американцы братья Райт сконструировали крыло, позволившее сделать полет полностью управляемым.

Если отделить крыло от корпуса (фюзеляжа) самолета и посмотреть на него в сечении, станет видно, что по форме оно напоминает лежащую на боку каплю со сплющенным основанием. Широкая и изогнутая передняя часть ("передняя кромка"), более плоская и тонкая задняя часть ("задняя кромка") — такая форма называется аэродинамическим профилем. Он демонстрирует закон Бернулли путем создания двух воздушных потоков: над и под крылом.

Образование вихря

Подъемная сила, образующаяся в результате этого действия, увеличивается за счет естественного движения воздуха. Проходя по крылу и скатываясь с его задней кромки, воздушный поток образует воронку, как вода, стекающая в сливное отверстие. Такая турбулентность называется ''начальный вихрь". Он, в свою очередь, образует "встречный вихрь". По силе он равен начальному, но вращается н обратном направлении, проходит под крылом и встречается с основным воздушным потоком, движущимся в противоположном направлении. В результате движение основного воздушного потока замедляется.

Встречный вихрь образуется на передней кромке крыла прежде, чем слиться с основным потоком воздуха. В результате нижний поток воздуха замедляется, а верхний ускоряется. Давление на крыло уменьшается, а под крылом повышается, вследствие чего возрастает подъемная сила.

Взлет!

Когда первые авиаторы поняли, как достичь того, что позднее назвали "полетом на летательном аппарате тяжелее воздуха", возникла необходимость найти способ создания требуемой подъемной силы. Если при полете на воздушном шаре можно было рассчитывать на то, что ветер сам отнесет туда, куда нужно, то теперь необходимо было каким-то образом задать самолету ту скорость, которая создаст требуемую подъемную силу.

Американцы Уилбур и Орвилл Райт решили эту проблему, построив небольшой двигатель с предельно малым весом. Двигатель приводил в действие несколько пропеллеров в форме аэродинамических профилей, установленных в вертикальном положении в передней части самолета. Движение воздуха, создаваемое этим вращением, называется тягой. Тяга образует направленную вперед подъемную силу, отталкивая воздух назад и заставляя самолет двигаться вперед. Братья Райт осуществили первый в мире полет па летательном аппарате тяжелее воздуха 17 декабря 1903 года в городе Китти-Хок, штат Северная Каролина. Пх "Флайср" находился в воздухе всего 12 секунд и пролетел лишь 36 метров, но тем не менее удалось успешно продемонстрировать верность принципа, положенного в основу всего последующего самолетостроения.

Современные двигатели

В 40-х годах XX иска авиастроители создали турбореактивный двигатель, создающий силу тяги путем компрессии воздуха в серединной камере, где он смешивается с особым видом керосина и поджигается. В результате взрыва образуются выхлопные газы, которые выбрасываются из задней части двигателя и толкают самолет вперед.

Реактивные самолеты достигают более высокой скорости, чем с пропеллерным двигателем, но потребляют слишком много топлива, особенно на более низких скоростях. Поэтому был создан компромиссный турбовинтовой двигатель, где реактивная тяга используется для приведения в действие пропеллеров. Более широкое распространение в наши дни получил турбовентиляторный двигатель. В его передней части расположен многолопастный пропеллер, вталкивающий воздух назад в камеру сгорания. Кроме этого, он направляет поток воздуха вокруг основной оболочки двигателя и создает силу тяги, толкающую самолет вперед. В задней части двигателя расположены реверсивные устройства, которые при включении направляют поток воздуха вперед, резко гася скорость самолета.

После того, как самолет набрал достаточную скорость для создания подъемной силы и взлета, его движением необходимо управлять. Существует шесть основных движений, выполняемых самолетом в ходе полета: взлет, набор высоты, полет па заданной высоте, поворот, снижение и посадка. Эти движения регулируются конструкцией крыльев и стабилизатора, которые также являются аэродинамическими профилями и, соответственно, создают подъемную силу.


При взлете закрылки па задних кромках крыльев поднимаются, чтобы увеличить площадь поверхности и создать большую подъемную силу. На стабилизаторе также поднимаются подобные по своей функции устройства — рули высоты. При этом нос самолета поднимается вверх, хвостовая часть опускается, и самолет устремляется ввысь. Чрезвычайно важно, чтобы самолет перед выполнением этого маневра успел набрать нужную скорость. Закрылки и рули высоты должны подняться точно в тот момент, когда направленная вверх сила подъема равна направленной вниз силе веса самолета, иначе двигатели заглохнут, исчезнет тяга и подъем станет невозможным. В этом случае самолет не взлетит.

Существует также проблема аэродинамического сопротивления. Поступательное движение самолета создаст сопротивление воздуха, движущегося в противоположном направлении. Такую тормозящую силу (сопротивление) создает любое движущееся тело, но только самолеты сталкиваются с т.н. "искусственно созданным сопротивлением". Часть энергии, образующейся при прохождении воздушного потока по крылу, отводится назад; она пытается "оттащить" самолет в противоположную сторону. Это происходит частично из-за угла наклона крыла п частично вследствие турбулентности.

Дополнительное аэродинамическое сопротивление «вдастся вихрями на конце крыла, когда область высокого давления из-под крыла на задней кромке частично сливается с областью низкого давления над крылом.

Аэродинамическое сопротивление при наборе высоты после взлета преодолевается за счет опускания закрылков. Самолет выравнивается, продолжая набирать скорость, пока тяга не превысит аэродинамическое сопротивление; тогда закрылки снова поднимаются и самолет набирает требуемую высоту. Самолет готов к полету па заданой высоте, когда силы подъема и притяжения равны, а тяга равна сопротивлении). Другими словами, самолет находится в состоянии равновесия.

Поворот

Теперь самолет может двигаться к месту назначения, однако вероятнее всего, ему придется совершить поворот, чтобы лечь на нужный курс. Поворот совершается при помощи еще одного вида навесных закрылков — элеронов, а также руля в задней части киля. 

 Элероны расположены па задней кромке крыльев. Если пилот хочет повернуть самолет влево, он опускает элероны на противоположном крыле, т.е. па правом, что приводит к увеличению на этом крыле подъемной силы. Одновременно поднимается элерон палевом крыле, уменьшая подъемную силу с этой стороны. Когда после этого самолет входит плевый вираж, руль па киле поворачивается влево одновременно с элеронами и завершает маневр. Пилот поворачивает все эти устройства в противоположную сторону, чтобы выровнять крылья, и возвращает их в исходное положение, когда самолет лег па нужный курс.

 При приближении к месту назначения пилот начинает снижение, чтобы благополучно посадить самолет. Снижение — очень сложный процесс, который должен выполняться с большой точностью, чтобы не заглохли двигатели. В идеале пилот- должен нести самолет прямо навстречу ветру, так как встречный поток воздуха облегчает управление. Боковой ветер создаст проблемы, поскольку самолет будет сносить в сторону.

Мягкая посадка

Чтобы посадить самолет, пилот сбавляет скорость и опускает закрылки, наклоняя нос самолета вперед. Подъемная сила уменьшается, сопротивление увеличивается, и самолет начинает снижение. При подлете к взлетно-посадочной полосе (ВПП) рули высоты на стабилизаторе поднимаются одновременно с предкрылками — еще одним элементом механизации крыла, расположенным на его передней кромке. Это увеличивает поверхность крыла и создает дополнительную подъемную силу. Нос самолета поднимается вверх, а хвостовая часть опускается. Тем самым компенсируется потеря подъемной силы вследствие снижения скорости.

Самолет замедляет ход, и со стороны кажется, что на секунду он как бы зависает над ВПП. Чтобы не заглох двигатель, приводится в действие еще один тип навесных щитков на передней кромке. Эти "воздушные тормоза" называются иптерцепторы и создают турбулентность, которая повышает аэродинамическое сопротивление и сводит па нет подъемную силу.

Остановка самолета

Самолет выпускает шасси, что еще больше повышает сопротивление. Первыми касаются земли основные колеса, затем опускаются рули высоты на стабилизаторе, нос наклоняется вниз, и передние колеса касаются ВПП. Теперь самолет полностью находится па земле. Двигатели переключаются на реверсивную тягу, и закрылки полностью опускаются, чтобы создать максимальное сопротивление. Включаются тормоза. Самолет плавно останавливается.