Современные технологии и производство
Зарождение и развитие идеи самолета
оздание аэропланов с двигателем. Неудачи и достижения.
Уже в 1647 г. первая модель аэроплана с мотором совершила полет. Ее разработчиком являлся итальянец Титус Ливио Бураттини, живший в то время при дворе польского короля Владислава IV. До настоящего времени сохранилось описание этого летательного аппарата: он имел четыре пары крыльев, расположенных вдоль фюзеляжа, и хвостовое оперение. Две средние пары были неподвижны, движение же по принципу орнитоптера осуществлялось за счет пружин, установленных на передней и задней парах крыльев. Через восемь лет англичанину Роберту Гуку удалось повторить этот эксперимент и запустить в воздух свою модель орнитоптера.
Многие историки авиации называют проект летательного аппарата Эммануэля Сведенборга, опубликованный в 1716 г., рациональным. В описании этого приспособления фигурировала жесткая неподвижная поверхность, служащая для возникновения необходимой подъемной силы при взаимодействии с набегающим потоком воздуха, то есть выполняющая ту же роль, что и крыло самолета. Тем не менее для осуществления подъема и перемещения машины в воздухе следовало воспользоваться подвижными крыльями, приводимыми в движение человеком. Устойчивость в полете должен был обеспечивать подвешенный снизу к крылу груз. Предполагалось, что вес подобного летательного аппарата вместе с человеком составит 180 кг.
В проекте Сведенборга учитывались многие особенности, присущие конструкциям самолетов: несущая поверхность с искривленным профилем, ортогональный силовой набор крыла, шасси, руль направления. Несмотря на то что ряд недостатков не позволял летательному аппарату подняться в воздух, проект мускулолета, снабженного неподвижным крылом, явился значительным шагом на пути создания современных самолетов.
В 1763 г. проект подобного аппарата для поднятия в воздух представил на рассмотрение М. Бауэр. В отличие от модели Сведенборга мускулолет немецкого изобретателя весил всего 20—25 кг. Его крыло было выполнено в форме прямоугольника и поддерживалось проволочными расчалками, прикрепленными к корпусу экспериментальной модели и четырем мачтам. Но существенным элементом мускулолета Бауэра являлся пропеллер, состоящий из шестнадцати подвижных крыльев, вращающихся относительно поперечной оси модели.
Таким образом, это был первый проект пилотируемого летательного аппарата с неподвижным крылом, приводимого в движение пропеллером. Однако идея Бауэра не нашла горячих поклонников, и реализовать проект не удалось. Обнаруженный в 1921 г. проект, прогрессивный для своего времени, оказался безнадежно устаревшим для XX столетия.
Многие гениальные идеи не стали достоянием человечества в силу того, что в средневековый период наука пребывала в зародышевом состоянии. Тем не менее идея создания летательного аппарата с неподвижным крылом продолжала развиваться, разрабатывались теоретические основы аэродинамики, создавались новые экспериментальные модели.
В конце XVIII в. многие изобретатели вновь обратились к идее создания летательного аппарата тяжелее воздуха с неподвижным крылом. Одним из таких людей являлся англичанин Д. Кейли. В его проекте, который, так же как и все предыдущие, обладал рядом недостатков (отсутствие двигателя, плохие несущие свойства крыла), фигурировали основные элементы самолета — неподвижное крыло, фюзеляж, хвостовое оперение, колесное шасси.
Кейли называют родоначальником научного этапа в развитии самолетостроения. Его опыты на ротативной машине в 1804 г. стали первыми аэродинамическими экспериментами, благодаря которым удалось с точностью определить подъемную силу, развиваемую крылом малого удлинения при различной скорости движения и углах воздействия на него. При испытании модели планера удалось установить значения коэффициента подъемной силы, а в 1808 г. определить точки приложения подъемной силы.
Спустя год Кейли создал полноразмерный летательный аппарат с местом для пилота (в центроплане крыла), хвостовым оперением и дополнительными машущими крыльями. Пробежки при порывах ветра позволяли подняться на нем в воздух всего на несколько минут.
Вскоре была опубликована работа Кейли «О воздушной навигации» — первая среди прочих теоретических трудов о полетах аппарата с неподвижным крылом. Изобретатель, уверенный в том, что мускульной силы человека недостаточно для поднятия в воздух, уделял большое внимание разработке калорического (использование горячего воздуха), порохового двигателя и двигателя внутреннего сгорания, работающего на жидком топливе.
Разумеется, не все полученные Кейли показатели были точными. Ряд заблуждений, например упорное игнорирование винтового пропеллера в качестве источника горизонтальной тяги (по мнению Кейли, летательный аппарат должен приводиться в движение машущими поверхностями), и использование плоских крыльев с малым удлинением, непригодных для полетов, не позволили ученому создать оптимальную модель самолета. Тем не менее результаты исследований могли послужить прочным фундаментом для развития самолетостроения. Но попавшие на неподготовленную почву идеи не дали хороших всходов.
Первым среди известных проектов самолетов с двигателем является летательный аппарат Ф. Маттиса, оснащенный плоским ромбовидным крылом, которое поддерживалось лонжероном переменного сечения и расчалками. В центре крыла располагалась паровая машина, а впереди имелась кабина для летчика и пассажира. При помощи рулей высоты и направления осуществлялось управление аппаратом, для взлета и посадки предназначалось колесное шасси.
;) |
| Проект самолета Ф. Маттиса |
Машущая поверхность под фюзеляжем обеспечивала оптимальное передвижение в воздушном пространстве. Предполагалось также создание специальной платформы для взлета. Однако летательный аппарат Маттиса был несовершенен, поскольку пропеллер и маленькие крылья не отвечали требованиям аэродинамики. О существовании этого проекта долгое время не знали даже немецкие историки авиации.
В Англии также предпринимались попытки создания самолета с паровым двигателем. Проект У. Хенсона явился первым принципиально верным в техническом отношении проектом самолета, о существовании которого знали многие историки авиации.
Летательный аппарат Хенсона имел соединенные расчалками крылья с постоянной хордой (при их изготовлении использовались лонжероны, изогнутые нервюры и двойная обшивка), закрытый фюзеляж с кабинами для экипажа и пассажиров, отсеки для двигателя и трехколесного неубирающегося шасси, вертикальный киль и хвостовое оперение большой площади. Предполагалось, что владельцем этой модели станет первая в мире авиакомпания «Эриел Транзит Компани» (ее открытие планировалось в ближайшем будущем), и самолет будет называться «Эриел Стим Кэрридж».
;) |
| Проект летательного аппарата У. Хенсона |
По проекту размах крыла нового летательного аппарата составлял 45,72 м, а длина фюзеляжа — 25,83 м. Паровой двигатель мощностью 25—30 л. с. приводился в действие двумя воздушными винтами диаметром 3,05 м. Стараясь уменьшить вес машины, Хенсон внес предложение заменить обычный котел системой сосудов конической формы и использовать воздушный конденсатор. Для повышения устойчивости самолета планировалось натянуть над фюзеляжем парус, а для управления воспользоваться тросами.
Хенсон является первым изобретателем, предложившим использование на самолете винтового пропеллера и крыла большого удлинения. Он также высказал предложение использовать для облегчения взлета самолета наклонную плоскость. В 1937 г. эту идею взяли на вооружение советские авиаторы, летающие на тяжело нагруженных машинах. К сожалению, все запуски опытной модели Хенсона, проводимые
Продолжателем дела Хенсона стал Джон Стрингфеллоу. По мнению многих исследователей, именно ему принадлежит создание модели аэроплана с двигателем, совершившей первый удачный полет. Воспользовавшись идеями прославленного соотечественника, Стрингфеллоу разработал собственный проект самолета, в котором предусматривалось использование крыла с изогнутым профилем размахом 3,2 м. В 1848 г. новый летательный аппарат поднялся в воздух, но долго продержаться на высоте не смог.
Стрингфеллоу прославился и как разработчик модели триплана, показ которой состоялся на первой аэронавтической выставке, проходившей в лондонском Кристал Паласе в 1868 г. Изобретателю удалось реализовать концепцию прямых крыльев, расположенных одно над другим в три яруса.
Не только в Англии и Германии осуществлялись разработки проектов самолетов. В 1853 г. француз М. Лу представил широкой публике проект птицевидного самолета, движущегося по небу при помощи двух винтовых пропеллеров большого диаметра, расположенных в вырезах крыла.
В данной конструкции предусматривались рули высоты и направления, колесное шасси, проволочные расчалки для крепления крыла и закрытый фюзеляж с двигателем в центральной части. По идее изобретателя взлет должен был производиться с естественной возвышенности, а наклонная поверхность обеспечивала бы оптимальную скорость, поддерживаемую после поднятия в воздух работой двигателя.
Через некоторое время проект птицеподобного летательного аппарата с мускульным приводом пропеллера разработал Г. Карлингфорд. Конечно, идея мускулолета к XIX столетию безнадежно устарела, однако в проекте английского изобретателя содержался ряд новых конструктивных предложений, например использование тянущего пропеллера и старт с использованием катапульты. Эти идеи получили развитие уже в начале XX в. в проектах братьев Райт.
;) |
| Проект птицеподобного мускулолета Г. Карлингфорда |
В 1857—1858 гг. удачно завершился полет аэроплана
1865 г. можно назвать датой создания проекта реактивного самолета в современном понимании этого слова. Шарль де Луврие назвал свою модель «Аэронав». Она имела куполообразное крыло, установленное на подкосах на колесной тележке со сдвоенными инжекторными трубками. Предполагалось, что именно в них будет сжигаться распыленное масло или иное подобное ему топливо. Однако проект так и не удалось воплотить в жизнь.
Первые предложения по созданию самолетов в России относятся к 1860-м гг. Изобретатель
Автором первого технического проекта самолета в России является артиллерийский офицер
К верхней части фюзеляжа присоединялась несущая поверхность в форме шестиугольника, обтянутого с двух сторон материалом. Предполагалось осуществлять управление при помощи рулей высоты и направления, а для балансировки в полете воспользоваться весовым регулятором. Очевидно, что многие конструкторские решения Телешов позаимствовал в судостроении. Однако данный проект осуществить на практике оказалось невозможно.
Особое слово в области самолетостроения сказал
;) |
| Расчалочный моноплан А. Ф. Можайского |
Тем не менее все финансовые затруднения оказались разрешенными, и к 1883 г. был создан расчалочный моноплан с двумя паровыми двигателями и тремя винтами (один спереди и два по бокам). Фюзеляж, в котором размещались паровые двигатели (в носовой и центральной частях), котел, баки с нефтью, приборы и сиденья для экипажа, представлял собой лодку с деревянным каркасом и полотняной обшивкой. Прямоугольное деревянное крыло небольшого удлинения, выполненное по типу «чайка» (слегка выгнутое выпуклостью вверх), имело многолонжеронную конструкцию и шелковую обшивку, пропитанную лаком для обеспечения воздухонепроницаемости.
Несущие поверхности поддерживали стальные растяжки, соединенные с мачтами на фюзеляже и со стойками шасси. Хвостовое оперение представляло собой два перекручивающихся руля управления. Самолет поднимался в воздух после длительного разбега по деревянным рельсам.
В газетных заметках за 1909 г. содержатся сведения о пробном полете моноплана Можайского, который закончился аварией. Однако некоторые исследователи считают, что этому летательному аппарату так и не удалось оторваться от земли. Несмотря на ряд недочетов, конструкция Можайского была . выполнена технически грамотно для своего времени.
В США самолетами заинтересовались лишь в 1870-х гг. Первое описание этих летательных аппаратов в американской прессе относится к 1876 г. А уже через год американец Ф. Барнетт получил патент на свое изобретение — моноплан с мускульным приводом винтов.
1870 г. ознаменовался появлением проекта винтомоторного самолета типа «бесхвостка», создателем которого является английский изобретатель Р. Харт. Он хотел изготовить модель с прямоугольным крылом, толкающим винтом, приводимым в движение паровым или мускульным двигателем.
Для балансировки предполагалось перемещать центр тяжести моноплана, а управление осуществлять при помощи отклоняемых поверхностей, находящихся на задней кромке крыла. Действуя одновременно, закрылки функционировали как рули высоты, при раздельном действии они служили аэродинамическими тормозами для создания моментов рысканья. Уравновешивание реактивного момента пропеллера создавалось за счет дифференциального отклонения закрылков.
В проекте Харта содержится ряд конструкторских нововведений: использование аэродинамических тормозов, автоматическое изменение шага винта в зависимости от скорости вращения. Однако изобретатель не сумел правильно решить проблему устойчивости летательного аппарата без горизонтального оперения. Только в 1876 г. французский конструктор А. Пено справился с этой задачей и получил патент на «бесхвостый» самолет-амфибию с паровым двигателем и фюзеляжем в виде лодки.
По мнению изобретателя, продольную балансировку подобного летательного аппарата должно обеспечивать использование в крыле профиля с отогнутой кверху задней кромкой. Расположение центра тяжести рядом с передним краем крыла, отгиб вверх концов крыла и вертикальный киль позволяли самолету сохранять устойчивость во время полета. Предусматривались рули управления, а также аэродинамические тормоза в виде расщепляющихся щитков на концах крыла.
;) |
| Проект самолета-амфибии А. Пено |
Пено предложил ряд прогрессивных для своего времени конструкционных идей: совместная работа многолонжерон-ного крыла с металлической обшивкой и основного силового набора; остекление кабины пилота; единая ручка управления высотой и направлением полета; панель приборов (магнитный компас, барометрический альтиметр, анемометр, датчик угла тангажа) и автопилот, состоящий из различных датчиков и электромеханизма, отклоняющего рули направления и высоты. В данной модели предусматривалось также четырехколесное убирающееся шасси с резиновой или пневматической амортизацией, а в задней части фюзеляжа — костыль, предохраняющий от повреждений.
По проекту самолет Пено мог взлетать и с воды, для чего должен был глиссировать на днище фюзеляжа или на подводных крыльях, представляющих собой наклонные металлические поверхности. Установленные под крыльями поплавки позволяли летательному аппарату спокойно стоять на воде. Это был первый проект гидроплана, в котором также предусматривалась возможность полета с брошенной ручкой управления. Применение этой идеи на практике сделало бы полеты более безопасными.
Использование винтов с изменяемым шагом, выполненных из металла, позволяло облегчить момент отрыва самолета от земли. Учитывая все особенности конструкции, Пено рассчитал взлетный вес машины — 1200 кг (с двумя членами экипажа), при этом максимальная скорость составляла 90 км/ч, а мощность двигателя — 20—30 л. с. Многие технические нововведения Пено опередили свое время почти на полстолетия.
Таким образом, к середине XIX в. была детально проработана рациональная конструктивная модель самолета, представляющая собой расчалочный моноплан с крылом, образованным продольными и поперечными силовыми деревянными или металлическими элементами, обтянутыми со всех сторон плотной материей.
В то же время были высказаны идеи создания полиплана — летательного аппарата с несколькими несущими поверхностями. Впервые эта мысль прозвучала у Д. Кейли, который разработал проект и смастерил модель с тремя неподвижными крыльями малого удлинения, двумя машущими поверхностями, приводимыми в движение при помощи мускульной силы, и двумя хвостовыми оперениями. Идеи Кейли получили развитие в работах Ф. Уенхема, который предложил увеличить размах несущих поверхностей. Вскоре проекты полипланов начали разрабатывать и в других странах.
Разновидностью полипланов является тандем — летательный аппарат с крыльчатым пропеллером и расположенными одна за другой несущими поверхностями. Проектированием подобных самолетов занимались англичанин Т. Уолкер, французы Клод и Данжар (в модели последнего предусматривалось использование не только крыльчатого, но и винтового пропеллера). В своих разработках конструкторы стремились расположить пропеллер поближе к точкам приложения веса и аэродинамических сил.
Отдельные ошибки, допущенные изобретателями при проектировании полипланов, не могли уменьшить влияния этой идеи на развитие самолетостроения. При правильной компоновке элементов схема «полиплан» позволяла увеличить грузоподъемность летательной машины. Тем не менее до конца XIX столетия концепция самолета-полиплана не имела горячих поклонников. Лишь спустя несколько десятилетий конструкторы нашли применение одной из разновидностей этой схемы — биплану.
Еще в XV—XVIII вв. высказывались мысли об использовании на транспорте реактивного двигателя. Однако практические разработки были начаты только во второй половине 1860-х гг. Авторами первых проектов реактивных самолетов, предложенных в 1865 г., являлись испанец П. Маффиотти и француз
Маффиотти основное внимание уделял работе над конструкцией двигателя, в котором в качестве рабочего механизма предполагалось использовать нагретый воздух, выбрасываемый через сопло. Данный проект остался незавершенным.
Модель французского изобретателя, названная «Аэронав», представляла собой расчалочный моноплан схемы «бесхвостка» с расположенным сверху ромбовидным крылом. Двум реактивным двигателям отводилось место между крылом и фюзеляжем. При помощи насоса топливо (керосин или бензин) должно было поступать в двигатель.
Принцип его работы заключался в следующем: смесь топлива и воздуха загоралась от электрической искры, и полученные таким образом газы удалялись через сопло. При этом клапаны перекрывали подачу топлива и воздуха. Данная конструкция представляла собой прототип современного реактивного двигателя. Однако проект де Луврие был далек от совершенства и не нашел поддержки среди членов Французской академии наук.
В России разработкой проекта самолета с воздушно-реактивным двигателем занимался
При этом носовой части фюзеляжа и передней части крыла Я следовало придать заостренную форму, что позволяло уменьшить лобовое сопротивление. Взлет самолета планировалось осуществлять со специальной отделяемой тележки или после разбега на колесах по рельсам. Однако предложенные в данном проекте конструктивные решения намного опередили свое время, поэтому так и остались нереализованными.
Примечательно, что разработки проектов реактивных самолетов осуществлялись во многих странах приблизительно в одно и то же время, в период
В 1880-е гг., когда в различных странах начали появляться военно-воздушные части, вновь зазвучали предложения о применении реактивных двигателей на самолетах. Особое внимание уделялось вопросам повышения экономичности подобных силовых установок за счет использования более энергоемкого горючего. Огромный вклад в развитие этих идей сделали русские изобретатели
В проектах Неждановского предлагалось использовать двигатели, работающие на сжатом газе, водяном паре, смеси нитроглицерина со спиртом или глицерина с воздухом. Ему также принадлежит идея расположения на сопле эжекторных насадок для подсоса воздуха к выхлопной струе. В настоящее время эта идея используется при создании двухконтурных турбореактивных двигателей.
По мнению Винклера, наиболее эффективным является пульсирующий ракетный двигатель, приводимый в действие горящей смесью газообразного кислорода и водорода, полученной в результате электролиза. Источником тока для этого процесса, а также для воспламенения горючей смеси являлась гальваническая батарея.
Киевским архитектором Гешвендом был разработан проект с двигателем, работающим при помощи струи сжатого воздуха, и эжекторными насадками для подсоса воздуха. Биплан-«бесхвостка» с крыльями эллипсовидной формы, четырехколесным шасси, девятиметровым фюзеляжем с конусообразным носом и закрытой кабиной для пилота и пассажиров получил название «Паролет».
Поднятие в воздух производилось после долгого разбега по рельсам, при этом максимальная расчетная скорость, развиваемая таким самолетом, не превысила бы 280 км/ч. После длительных расчетов изобретатель пришел к выводу, что из Киева в Петербург «Паролет» долетел бы за шесть часов с пятью остановками для дозаправки.
Ранние проекты реактивных самолетов представляют огромный интерес для историков авиации и конструкторов. Но в XIX столетии это направление в проектировании самолетов не получило признания, поскольку первые самолеты были рассчитаны на малые скорости, и применение реактивного двигателя в этом случае оказалось бы нецелесообразным.
В это время появились проекты самолетов типа свободноне-сущего моноплана. В 1891 г. швейцарский художник К. Штайгep-Кирхгоффер представил на рассмотрение широкой публике свой проект подобного летательного аппарата, в конструкции которого было много перспективных решений. Он представлял собой моноплан с верхнерасположенным крылом типа «чайка» и тянущими пропеллерами. Обтекаемый фюзеляж с закрытой кабиной способствовал уменьшению лобового сопротивления. Предусматривалось также устройство для изменения угла установки лопастей винта в полете и выпуклый профиль крыла с закругленной передней кромкой.
;) |
| Проект свободнонесущего моноплана К. Штайгера-Кирхгоффера |
Однако швейцарцу не удалось отыскать правильного решения многих технических проблем. Среди главных недостатков этого проекта — несовершенство системы управления и ошибочное представление о возможном использовании мотора, работающего на сжатом воздухе.
Важной вехой в истории самолетостроения является создание немцем Николаусом Отто четырехтактного газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (1876 г.), повлекшее за собой качественное улучшение характеристики моторов. Через несколько лет соотечественник Отто, Г. Даймлер, изобрел двигатель, работающий на бензине. Это привело к тому, что многие конструкторы задумались над проблемой использования подобных двигателей в самолетостроении, тем более что к концу XIX столетия перспективность применения ДВС в авиации ни у кого не вызывала сомнения.
Об этом говорил и российский ученый
;) |
| Проект свободнонесущего моноплана К. Э. Циолковского |
Уделяя особое внимание анализу влияния отдельных параметров самолета на его летные характеристики и расчету оптимальных значений удлинения и толщины крыла, Циолковский тем самым заложил основы научного подхода к проектированию летательных аппаратов.
Согласно проекту на этот моноплан предполагалось поставить два соосных винта, вращающихся в разные стороны. Крыло с удлинением 4, относительной толщиной 5% и выпуклым профилем сужалось к концам, при этом соединение несущей поверхности с фюзеляжем осуществлялось по типу «чайка». Вертикальный и горизонтальный рули обеспечивали управление, имелось также колесное шасси. В закрытой кабине обтекаемого фюзеляжа с овальным поперечным сечением можно было перевозить от одного до четырех человек.
По расчетам Циолковского взлетный вес одноместного моноплана при мощности двигателей
Важным препятствием на пути создания самолета являлся полет в неспокойной атмосфере, где летчик не всегда мог предугадать поведение ветра. В
Но экспериментальные полеты продемонстрировали серьезный недостаток маятникового автопилота — наличие сил ускорения в полете приводило к нарушению его работы. Вскоре маятник был заменен гироскопическим автоматом, представляющим собой маленький быстро вращающийся под воздействием слабого электрического тока диск, укрепленный на осях таким образом, чтобы его плоскость всегда оставалась неподвижной относительно снаряда. Только в 1930-х гг. гироскопический автопилот обрел жизнь в авиации.
Несмотря на существование различных подходов к проектированию, в проектах XIX столетия усматривается ряд характерных особенностей: использование схемы «расчалочный моноплан», обеспечение устойчивости самолета за счет высокого расположения крыла относительно фюзеляжа, отсутствие руля поперечного управления, а также использование наземных средств для поднятия в воздух (катапульта или наклонная поверхность).
Однако общий уровень созданных в конце XIX в. моделей и проектов был значительно ниже, чем в середине столетия: многие идеи оказывались настолько фантастическими, что не находили применения на практике. Тем не менее идея создания самолета продолжала жить.
2i.SU ©® 2015