Как летают современные самолеты

Люди издавна стремились в небо. Завлекательным примером для них были полеты птиц и насекомых. Великая мечта подняться в воздух рождала сказки и легенды, заставляла бросать на решение проблемы магию и науку. На протяжении столетий шел человек к разгадке тайны и в результате построил воздушные суда. Но даже сегодня, в эпоху научно-технического прогресса, мало кто знает, как летают самолеты.

Первые шаги в небо

Человек не сразу убедился, что его физических сил не хватает, чтобы летать, как птица. Этому предшествовали многочисленные попытки взлететь на самодельных крыльях. Имена большей части смельчаков затерялись во времени. Неудачи заставили людей придумывать другие способы оторваться от поверхности земли.

Миф о Дедале и Икаре ярко отразил человеческую мечту о свободном полете. Она толкала в небо инков и древних индусов, жителей Австралии и Африки. Сказки о путешествиях по воздуху есть у многих народов мира. Но предки не только с завистью наблюдали за птицами, они и сами пробовали покорить стихию. Попытки предпринимались в разных частях света:

1. Китай. Еще до нашей эры здесь были известны изделия, напоминающие нынешние летающие фонарики. Их можно считать прообразом шаров, наполняемых горячим воздухом. Китайцы использовали изобретение в военном деле. Позже, в V веке н. э., была создана конструкция, представляющая нечто среднее между воздушным змеем и планером. Есть официальные подтверждения полета на подобном устройстве.
2. Южная Америка. При раскопках в Перу археологи наткнулись на изображение планера. Дальнейшие изыскания позволили обнаружить древнейший «аэродром» со специальной разметкой. Анализы показали, что чертеж аппарата сделан примерно в начале нашей эры.
3. Западная Европа. Попытки полететь на крыльях отмечались на территориях сегодняшних Испании, Франции, Великобритании. Эта мода не обошла даже служителей христианства. Зафиксирован опыт монаха Эйлмера — в XI веке он прыгнул с колокольни.
4. Россия. Подняться примерно на пять метров на огромных крыльях удалось стрельцу Серпову. Это произошло в 1669 г. Известно, что чуть позже из казны выделялись средства на постройку летающей конструкции. Материалы были закуплены, работа началась. Подробности проекта остались неизвестными.

Вряд ли совсем на пустом месте возникли рассказы о ступе Бабы-Яги, коврах-самолетах, воздушных колесницах, летающих конях, ведьминых метлах. Далеко не вчера стало известно о левитации. Основой сказок и не до конца изученных пока явлений стал опыт, накопленный человечеством за тысячелетия своего существования.

Тайна Леонардо

Сами по себе крылья или горячий воздух не решали проблему. Даже если людям удавалось взлететь, то процесс был непредсказуем, малоуправляем и часто заканчивался трагически. Нужно было научное обоснование самой возможности полета. Первые шаги в этом направлении сделал легендарный Леонардо да Винчи.

Идея великого ученого строилась на догадках и наблюдениях, но заложила основы для дальнейших исследований:

1. Средневековый мыслитель отметил, что птицы могут и не махать крыльями, они способны парить.
2. Отсюда последовала догадка о том, что движению могут способствовать не только махи, разрезающие воздушную среду, но и захват атмосферных потоков неподвижными крыльями.
3. Воздух над и под крылом выполняет для птицы разные функции. Сверху он разрежен, гонится вниз и в стороны, а внизу как бы твердеет и по нему можно скользить. Этот эффект и позволяет образоваться подъемной силе.
4. Понял да Винчи и то, что важна еще и скорость, просто так зависнуть над землей не получается. Но аппарат, который мог бы задать искусственному объекту ускорение, еще только предстояло создать.

Леонардо сделал свои предположения о принципах полета в 1505 г. В черновиках ученого были обнаружены заметки о летательных аппаратах, их чертежи. Некоторые тайны его и сейчас не раскрыты. Общий технический уровень цивилизации того времени не позволил гению шагнуть дальше.

С мотором и без него

Идея воздухоплавания после этого надолго зависла, хотя в Европе уже начинали экспериментировать с большими воздушными шарами. Следующий серьезный толчок ее развитию дал более чем через полтора века Исаак Ньютон. Разработанная им теория всемирного тяготения и связанные с нею исследования позволили точно рассчитать, какая сила нужна для уверенного отрыва от земли.

В едином порыве

Но даже после Ньютона цивилизации пришлось пройти долгий путь, отмеченный аэростатом братьев Монгольфье и дирижаблями. Параллельно велась работа над созданием самолетов. Лишь в XIX веке технологии достигли такого развития, которое позволило вывести опыты на новый уровень. Каждый шаг приближал людей к конечному результату:

1. В начале XIX века англичанин Кейли испытывал модели тяжелее воздуха в специальной установке, позволявшей замерить подъемную силу. Ученый сделал такие замеры для крыльев разной конфигурации. Теоретические выкладки Кейли используются и сейчас, но на практике далее планерных полетов он не зашел.
2. В середине XIX века британские подданные Хенсон и Стрингфеллоу первыми получили патент на самолет. Это был моноплан из дерева с закрытым фюзеляжем и парусиновым крылом. Аппарат был оснащен паровым двигателем и двумя пропеллерами. Ими же была создана и первая в мире авиакомпания. Впрочем, до предполагаемых туров в Египет дело не дошло. Зато Стрингфеллоу за беспилотный полет с использованием мотора был удостоен золотой медали Всемирной выставки.
3. Полноразмерное воздушное судно на пару запатентовал чуть позже француз Феликс дю Тампль де ля Круа. Маленькие его модели успешно летали. Но большой самолет офицер и изобретатель поднять в воздух так и не смог, хотя и изготовил для него специальный облегченный двигатель. Моторы француза впоследствии нашли применение на флоте.
4. Следующим попытался осуществить идею россиянин Александр Можайский. Специалисты считают, что его аппарат был гораздо совершеннее французского. В частности, он имел систему поперечного управления. Но аппарат оказался очень тяжелым и взлететь не смог. Можайский оставил будущим авиастроителям наследство в виде разработок принципов механизации крыла.

Более двухсот исследователей и инженеров пытались в XIX веке пробиться в воздух. Ученые разных стран работали как бы в едином порыве. Оставалось немногое. За рычагами самолета в воздухе должен был оказаться человек. Победы пришлось ждать до начала XX века.

Человек в воздухе

Первыми, кто по-настоящему приладил человеку крылья, стали братья Райт и менее известный сейчас широкой публике Альберто Сантос-Дюмон. Современники расходятся во мнениях, кто больше из этих людей сделал для развития авиации, но не отрицают заслуги всех трех энтузиастов. Крылья стали крепкими не сразу:

1. Братья Райт оснастили свой аппарат двигателем внутреннего сгорания. Это и стало решающим фактором успеха.
2. В 1903 г. им удалось организовать первый в мире короткий управляемый полет.
3. Аппарат братьев не был самолетом в прямом смысле этого слова. Это был скорее планер с мотором. Он не имел шасси, осуществлял взлет с полозьев, а также при помощи катапультации. Аппарат держался в воздухе лишь при встречном ветре, не мог совершать повороты. Крылья его не были механизированы.
4. Через три года после братьев свое веское слово сказал изобретатель дирижаблей Сантос-Дюмон. Он создал аппарат «Хищная птица», осуществил на нем самостоятельный взлет, совершил первый воздушный поворот. При взлете и посадке были использованы шасси.
5. Аппарат Сантос-Дюмона и стал первым самолетом, то есть аппаратом, который летает сам.

Далее оставалось только совершенствовать аппараты, увеличивать надежность, высоту и дальность полетов. Человек настолько воодушевился открывшимися перспективами, что вскоре авиация стала грозной силой на полях сражений Первой мировой войны.

Современные воздушные суда

Принципы авиастроения, заложенные более века назад, не изменились до настоящего времени. Многие основы взяты из работ одного из начинателей аэродинамики — Николая Жуковского, родившегося еще в XIX веке. Но современные самолеты летают быстрее и выше, чем их предшественники, имеют огромную грузоподъемность.

От взлета до посадки

Самолет тяжелее воздуха. Для того чтобы оторвать машину от земли, осуществить сам полет, доставить груз или пассажиров до места, необходимо создать ряд условий и соблюсти технические требования. Они базируются на одинаковых принципах, но отличаются в зависимости от характеристик аппаратов. Чтобы понять, как летают самолеты, необходимо знать:

1. Крыло давно не является плоским. Нижняя часть его, как правило, гладкая, а верхняя — выпуклая. Эта форма позволяет пользоваться разницей в давлении, которое оказывает на плоскости аппарата воздух. Внизу скорость воздуха меньше, чем вверху, а давление больше. Перепад выталкивает самолет выше. Это и есть так называемая подъемная сила.
2. Эта сила толкает самолет вверх при разгоне. Чтобы обеспечить необходимую разницу давлений, нужна определенная скорость. Она зависит от площади и формы крыльев. Это же, как и мощность двигателя, влияет на длину пробега.
3. Скорость важна и в воздухе. Аппарат уверенно ведет себя в воздушной стихии только при нормативной разнице давлений. Потеря скорости чревата падением.
4. За вертикаль отвечает именно подъемная сила. Движение вперед осуществляется за счет тяги двигателей — нужно преодолеть сопротивление воздуха. Вместе две эти силы и обеспечивают возможность уверенного полета.
5. Существенным полетным фактором является необходимость уравновешивания двух сил с учетом земного притяжения. Рост скорости увеличивает подъемную силу. Если она слишком велика, тогда нос аппарата опускают. Когда скорость падает, переднюю часть самолета нужно приподнять.

Посадка является управляемым падением. Для ее организации нужно сбросить скорость таким образом, чтобы судно стало плавно снижаться. Остаточную жесткость приземления способны погасить шасси.

Стальные крылья и не только они

Крылья и хвосты современных аппаратов не являются полностью статичными. Основа их жесткая, но она имеет и подвижные части. Они обеспечивают большую возможность формирования правильного наклона (угла атаки), проведение поворотов и иных маневров. Важны и другие механизмы. Важно понимать:

1. Для разворотов используется подвижный хвостовой киль. Сверху и снизу на нем есть стабилизаторы, выполняющие в том числе и функции рулей высоты.
2. Закрылки способствуют торможению, но в другом положении они создают дополнительную подъемную силу и стабилизируют положение машины в воздухе.
3. Обычные двигатели тянут машину вперед, а реактивные «подталкивают» ее сзади.
4. Основное ручное управление идет через рычаги. Переднее их положение означает максимальную тягу. Ручное управление используется при взлете, наборе высоты и скорости. При отведенных назад рычагах тяга минимизируется, аппарат идет на посадку.

Современные лайнеры могут пройти маршрут на автомате. Ручное управление используется далеко не во все полетное время. Но при взлете-посадке и в нештатных ситуациях машина не сможет адекватно заменить человека. Пилоты учитывают крен самолета и регулируют угол атаки. Эти показатели не должны выходить за критический уровень.

Воздушные корабли XXI века являются мощными, надежными, автоматизированными и компьютеризированными полетными системами. Есть мнение, что их дальнейшее усложнение не даст эффекта, а только понизит безопасность из-за роста требований к обслуживанию и профилактике. Но и возвращаться к планерам, конечно, человечество не собирается.