Наука - Техника - Изобретения

техника

наука техника изобретения библиотека
главная в избранное карта сайта контакт
Первые изобретения. Факты и вымыслы

Космонавтика

Воздухоплавание и авиация

История флота


Воздухоплавание и авиация


ФЮЗЕЛЯЖ, КРЫЛЬЯ, ХВОСТ...

Для того чтобы поближе познакомиться с устройством самолета, мы не будем сразу жеподниматься на борт сверхзвукового лайнера, а рассмотрим конструкцию попроще: например, устройство легкого тренировочного самолета. Он имеет небольшие размеры и простую конструкцию и, тем не менее, содержит все основные части современного летательного аппарата.

Конструкция легкого тренировочного самолета «ЯК-18»

На легких самолетах, как правило, устанавливаются поршневые двигатели воздушного охлаждения. В 20—30-е гг. практически у всех легких самолетов, как впрочем и у остальных моделей, была открытая кабина пилота. В настоящее время кабины закрываются неподвижным либо съемным куполом, изготавливаемым из прозрачного материала — фонарем. У самолетов с высоко расположенным крылом (такие аппараты называются высокопланами) пилотская кабина содержит одну или две двери. У моделей со стандартным расположением крыла — низкопланов, — фонарь сдвигается в сторону или откидывается.

Современные легкие самолеты изготавливают из алюминиевых сплавов, но некоторые части могут быть выполнены из дерева или специальных пластмасс. Их кабины оборудованы навигационными приборами, сложной электросистемой, приемо-передающими радиостанциями.

Знакомство с основными составными частями самолета мы начнем с фюзеляжа.

Фюзеляж — это корпус самолета. К нему крепятся все остальные части конструкции. Однако первые самолеты вообще не имели фюзеляжа, но очень скоро появилась деревянная рама, выполняющая его роль. Первоначально фюзеляж частично обтягивали тканью, но уже в 30-х гг. XX в. большинство самолетов строили с металлическим каркасом и металлической обшивкой.

Наиболее популярная конструкция самолета времен первой мировой войны.

 

Наиболее популярная конструкция самолета времен второй мировой войны.

Из истории абсолютных мировых рекордов высоты полета. После окончания второй мировой войны «за дело» взялись английские пилоты. 23 марта 1948 г. Дж. Каннингхэм на самолете, получившем название «Vampire», поднялся на 18 119 м. Велел за ним дважды отличился пилот У. Ф. Гибб. 4 мая 1953 г. его самолет достиг отметки 19406 м, а 29 августа 1955 г. — 20083 м. Через два года (28 августа 1957 г.) этот результат увеличил англичанин М. Ранлрап — 21 430 м.

Скоростные самолеты делали цельнометаллическими, при этом панели обшивки фюзеляжа тщательно подгоняли друг к другу для того, чтобы получить хорошо обтекаемую поверхность.

Для усиления конструкции в некоторых моделях самолетов, например большегрузных, каркас фюзеляжа изготавливают методом усиления промежуточных стоек дополнительными. На чертеже такой каркас выглядит как сплошное переплетение металлических стержней, по узору напоминающее геодезическую сетку.

Фюзеляжи реактивных самолетов, появившихся в конце 40-х гг. XX в., должны были обеспечивать в пилотской кабине на больших высотах полета нормальное давление воздуха при пониженном давлении за бортом. Такие фюзеляжи должны были выдерживать нагрузки на растяжение и сжатие и при этом сохранять герметичность. На практике это достигалось применением многослойной обшивки и установкой дополнительных поперечных брусов из металла.

Фюзеляж советского самолета радиоэлектронной разведки А-50 способен нести на себе гигантскую антену радиотехнического комплекса «Шмель».

Из истории абсолютных мировых рекордов высоты полета. Начиная с 1 958 г. рекорд высоты увеличивался уже не на десятки и даже не на сотни метров. Каждое появление в небе новых моделей самолетов поднимало планку рекорда на несколько километров. 18 апреля 1958 г. американец Г.К. Ваткинс на самолете «Grumman F11F-1» («Tiger») поднялся на высоту 23 449 м. 2 мая 1958 г. французский пилот Е. Карпантье, управляя «SO-9050» — «Tridan» («F-ZWUM»), достиг отметки 24 217 м. Через пять дней американец Г.К. Джонсон на аппарате фирмы «Lockheed» «F-104A» («Starfighter») поднялся до 27 811 м. 14 июля 1959 г. в таблице рекордов появилась первая фамилия советского пилота. В. Ильюшин поднял в воздух самолет конструкции П. О. Сухого « Т-431» и достиг высоты 28 852 м. А американский пилот Л. Флинт 6 декабря 1959 г. на самолете «McDonnell-Douglas» («F-4», «Phantom II») преодолел отметку в 30 км — 30 040 м.

В наши дни не только специальные, но даже обыкновенные пассажирские самолеты совершают полеты на высотах, превышающих 10 000 м. Как известно, воздух на таких высотах сильно разрежен, а температура его опускается до минус 50°С или даже еще ниже. Поэтому в самолетах такого класса герметичной делают не только кабину пилотов, но и весь пассажирский салон. Установленная на пассажирских лайнерах система кондиционирования во время полета поддерживает в салоне нормальные наземные давление, температуру и влажность. Интересную конструкцию имеют стекла пилотской кабины и пассажирского салона. Специальную прозрачную пленку закладывают между двумя слоями стекол. Стекла от этого не теряют прозрачности, а пропускаемый по пленке электрический ток разогревает их и не дает запотевать на любой высоте.

У большинства моделей самолетов с поршневым двигателем в передней части фюзеляжа расположена подмоторная рама, Она получила такое название, потому что на ней устанавливается мотор самолета.

Мотор самолета вращает воздушный винт. Часто его называют пропеллером. Авиационный винт при вращении захватывает воздух и отбрасывает его назад подобно тому, как винт корабля загребает воду. Отброшенные массы воздуха создают тягу, движущую самолет вперед.

У самолетов, построенных по схеме моноплана-низкопла-на, в нижней части фюзеляжа расположен центроплан — центральная часть крыла. Центроплан имеет специальные приспособления для крепления крыльев, называемых в авиастроении консолями, или плоскостями. В зависимости от конструкции самолета они могут быть съемными или жесткозакрепленными. Съемные плоскости позволяют беспрепятственно транспортировать самолет наземным или морским путем.

Пожалуй, практически всем летательным аппаратам нужны крылья, разве что аэростаты и дирижабли могут обходиться без них. Даже лопасти вертолета это не что иное, как вращающиеся крылья. Ведь именно при обтекании крыла воздухом создается подъемная сила — необходимое условие для полета.

Теоретически самолетное крыло является продолжением развития самой древней на земле летающей конструкции — воздушного змея, только устроено оно более сложно.

Крыло такого самолета способно выдержать большую нагрузку, например, реактивный двигатель или ракетно-бомбовое вооружение.

Из истории абсолютных мировых рекордов скорости полета. Первый зафиксированный рекорд скорости полета был установлен французским пилотом Полем Тиссанлье 20 мая 1909 г. Развитая его самолетом скорость равнялась 54,77 км/ч. Август этого же гола оказался особо «урожайным». 23 августа 1909 г. американец Глен Кертис разогнал свой биплан «Herring-Curtiss» до 69,75 км/ч, а затем француз Луи Блерио на моноплане фирмы «Bleriot» дважды увеличил этот результат: 24 августа 1909 г. — 74,30 км/ч и 28 августа 1909 г.—76,99 км/ч.

Классификация крыльев: а— прямое (1- прямоугольное; 2 - трапециевидное; 3 - трапециевидное с прямой передней кромкой; 4 - трапециевидное малого удлинения,); б— стреловидное (5- с прямой стреловидностью; 6 - с переменной стреловидностью; 7 -со стрямленным участком); в — треугольное (8 - с острыми концами; 9 - со срезанными концами; 10 -с обратной стреловидностью задней кромки; 11 - с переменной стреловидностью передней кромки).

Из истории абсолютных мировых рекордов высоты полета. 14 декабря 7959 г. американский пилот Дж.Б. Джордан на самолете фирмы «Lockheed»— «F-104C» («Starfighter») поднялся на высоту 31 513 м. В дальнейшем советские пилоты увеличивали этот результат на несколько километров. 28 апреля 1961 г. Г. Мосолов на самолете конструкции А.И. Микояна «Е-66А» достиг отметки 34 714 м. 25 июля 1973 г. после высотного полета пилота А. Федотова рекорд стал равен 36 240 м. В настоящий момент абсолютный рекорд высоты полета равен 37 650 м. Принадлежит он замечательному советскому пилоту А. Федотову, fro рекордный полет был осуществлен 31 августа 1977 г. на самолете «Е-266М» конструкции А.И. Микояна.

Крыло собирают из лонжеронов — основных продольных несущих балок, нервюр — поперечных элементов и обшивки. Лонжероны и нервюры придают крылу необходимые форму и жесткость и в авиастроении называются силовым набором крыла, или каркасом.

Силовой набор (каркас) крыла современных самолетов имеет еще более сложную конструкцию. Ведь во многих случаях крылья перестали выполнять только роль авиационной плоскости, создающей подъемную силу. В наши дни довольно часто можно встретить самолеты, конструкция которых предусматривает установку на крыльях авиационных двигателей, вооружения, шасси или даже размещения во внутренних полостях крыла топливных баков.

Конструкция однолонжеронного крыла (показана правая отъемная часть крыла, элерон снят); 1 -стыковочные узлы; 2 -лонжерон; 3 - передняя стенка; 4 - обшивка; 5 -задняя стенка; 6 - нервюры; 7 - стрингеры.

Для придания дополнительной прочности крылу такого самолета его силовой набор изготавливают из прочного металла и усиливают дополнительными распорками. Обшивку таких крыльев изготавливают из хорошо подогнанных друг к другу металлических листов или синтетических материалов, произведенных химическим путем, например, углепластика.

Первые самолеты имели крылья, изготовленные из дерева и обтянутые тканью. Для того чтобы придать ткани прочность и уберечь конструкцию самолета от воздействия атмосферных осадков, ткань пропитывали специальным авиационным лаком. Чтобы выполнить во время полета поворот или вираж, пилот изгибал такие крылья при помощи проволочных тяг. С 30-х гг. XX в. на многих моделях самолетов начали устанавливать цельнометаллические крылья. Изогнуть в полете такое крыло пилоту было бы не под силу. Но и в этом случае конструкторы нашли выход. Оказалось, что для обеспечения маневренности нет необходимости изгибать все крыло — вполне достаточно сделать подвижной лишь его небольшую часть. На задней кромке крыла начали устанавливать подвижные плоскости — элероны, изменяя угол которых пилот мог накренять самолет влево и вправо, или наоборот, устранять непроизвольный крен.

Некоторые модели современных боевых самолетов, базирующихся на авианесуших кораблях, могут иметь складные крылья. Это позволяет им занимать меньше места в ангаре или на палубе корабля.

Из истории абсолютных мировых рекордов скорости полета. 10 июля 1910г. французский пилот Леон Маран впервые «переступил» через сотую отметку. Его моноплан фирмы «Bleriot» разогнался до 106,50 км/ч. 6 дальнейшем французские пилоты прочно заняли таблицу рекордов скорости. 29 октября 1910 г. Альфрел Леблан, управляя монопланом «Bleriot», смог достичь скорости 109,73 км/ч. 11 мая 1911 г. Эдуард Ньюпор, управляя бипланом собственной конструкции, достиг скорости 119,74 км/ч, однако уже 12 июня 1911 г. А. Леблан вновь вышел в лидеры — 124,99 км/ч.

Схема обтекания воздушными массами предметов, имеющих различные сечения.

Из истории абсолютных мировых рекордов скорости полета. 16 июня 7977 г. француз Эдуард Ньюпор вновь выхолит в лидеры. Биплан «Nieuport» пол его управлением разогнался ло 130,04 км/ч. Через пять дней он закрепил свое достижение — 7 33,11 км/ч. до конца года Ньюпор оставался рекордсменом, но в следующем году в таблице рекордов можно было встретить лишь одну фамилию — француза Жюля Велрине. 13 января 1912 г. моноплан марки «Deperdussin» пол его управлением достиг скорости 145,13 км/ч, 22 февраля 1912 г.— 161,27 км/ч, 29 февраля 1912 г. — 162,53 км/ч, 1 марта 1912 г. — 166,79 км/ч, 13 июля 1912 г. — 170,75 км/ч и 9 сентября 1912г.— 174,06 км/ч.

Несколько позже на задней кромке крыла рядом с элероном появилась еще одна подвижная плоскость — закрылок. Это было сделано для увеличения аэродинамических показателей крыла и самолета в целом. При взлете отклонение закрылков придает самолету дополнительную подъемную силу, а при посадке усиливает сопротивление и укорачивает его посадочный путь.

Дальнейшим шагом по пути увеличения аэродинамических характеристик крыла стало появление на его передней кромке узкой, но длинной подвижной плоскости — предкрылка. Изменяя угол, под которым предкрылок расположен относительно плоскости крыла, пилот может обеспечить более плавное обтекание последнего воздушными массами.

Крыло первых самолетов чаще всего было плоским и это позволяло ему создавать лишь минимальную подъемную силу, но зато снижало сопротивление встречным потокам воздуха. Лишь после становления аэродинамики как серьезной и самостоятельной науки и появления исследовательских институтов, в распоряжении которых были аэродинамические трубы, была доказана низкая эффективность крыла такого сечения (профиля).

Продувая различные предметы в аэродинамической трубе, ученые заметили, что шар, оказывается, создает встречному потоку воздуха гораздо меньшее сопротивление, чем куб. А еще меньшее сопротивление создавал предмет, по форме напоминающий веретено. Кроме этого эксперименты показали, что если даже плоскую пластинку поставить под углом к несущемуся потоку воздуха, то часть воздушных масс, встретив такую преграду, устремится вниз, подталкивая саму пластинку вверх, — возникала подъемная сила. Оказалось, что если изогнуть пластинку выпуклостью вверх, то подъемная сила значительно увеличивается, а «идеальное» сечение — сечение в виде сильно вытянутой капли. Оно создает минимальное сопротивление воздушному потоку и максимальную подъемную силу.

Так как в силовом наборе крыла нервюра является основным поперечным элементом, следовательно, она и придает всему крылу профиль.

Но сечение — это еще не самый главный показатель аэродинамического качества крыла. Оказывается, недостаточно создать такое крыло, которое бы обладало большой подъемной силой и малым сопротивлением. При постройке самолета встает множество других проблем. Основной из них является правильный выбор соотношения массы всего самолета и площади крыла. Кроме этого самолет в полете должен быть устойчивым — резкое изменение его положения в воздухе недопустимо. И, наконец, в целом весь самолет должен быть достаточно прочным, но не тяжелым.

Перед проектированием самолета определяется его назначение, его скорость, грузоподъемность, высота и протяженность полета. После этого можно приступать к выбору размеров самолета и расчету одной из важнейших его характеристик — площади крыла.

Конструкция 88-метровых крыльев «Ан-225» позволяет этому транспортному самолету поднимать полезную нагрузку, превышающую 450 т.

 

Самолет с изменяемой стреловидностью крыла в полете. а. Крылья расправлены — самолет совершает полеты на большие расстояния, а также выполняет взлет и посадку на небольших площадях. б. Крылья прижаты к фюзеляжу. В таком положении самолет способен развить максимальную скорость.

По мере увеличения скорости полета крыло должно уменьшать угол атаки для того, чтобы подъемная сила оставалась равной силе тяжести. Аэродинамическое сопротивление при этом будет постепенно уменьшаться. Эксперименты показали, что минимальным оно будет при угле атаки, равном 3—5°. Однако дальнейшее увеличение скорости требует еще меньших углов атаки, а сопротивление при этом все равно увеличивается.

Конструкторы нашли выход из сложившейся ситуации — оказывается, в этом случае достаточно уменьшить площадь крыла. Каждой части его площади будет соответствовать большая часть веса самолета, и тогда для того, чтобы получить необходимую подъемную силу, надо будет вновь увеличить угол атаки. В результате аэродинамическое сопротивление опять уменьшится.

Таким образом, при конструировании самолета тщательно рассчитывается величина, получившая название «удельная нагрузка на крыло». Она показывает, какое количество веса самолета «приходится» на 1 м2 поверхности его крыла.

Один из первых самолетов с крылом изменяющейся стреловидности в США стал сверхзвуковой истребитель-бомбардировщик «F-111».

 

В 1972 г. на вооружение ВВС СССР был принят фронтовой бомбардировщик с крылом изменяющейся стреловидности «Су-24».

Из истории абсолютных мировых рекордов скорости полета. В годы первой мировой войны рекорды на скорость полета не регистрировались, но уже с 1920 г. пилоты Франции вновь подтверждают свое лидерство. 7 февраля 1920 г. Сади Лекуэнт разогнал самолет марки «Nieuport-Delage» до 275,22. км/ч, 28 февраля 1920 г. пилот Жан Казаль—до 283,43 км/ч. 9 октября 1920 г. барон де Романе разгоняет биплан фирмы «SPAD» до 292,63 км/ч. 10 октября 1920г. вновь в лидеры выхолит Сади Лекуэнт — 296,94 км/ч, и 20 октября 1920 г. — 302,48 км/ч. 4 ноября 1920 г. барон де Романе снова на первом месте — 308,96 км/ч, но не надолго. И 72 декабря 7 920 г. опять Сади Лекуэнт — 313,00 км/ч.

«Су-27», по мнению иностранных специалистов, стал «самым способным истребителем в мире».

Однако вскоре оказалось, что уменьшение площади крыла не сможет решить всех проблем. Например, взлетную и посадочную скорости желательно иметь как можно меньше. А для этого удельная нагрузка на крыло так же должна быть минимальной — следовательно, надо увеличивать площадь крыла. В результате конструкторам постоянно приходится решать вопрос — какой площади должно быть крыло? Сделаешь его небольшим — придется идти на определенный риск, взлетая и садясь на большой скорости. Да и не каждый аэропорт имеет достаточно длинные взлетно-посадочные полосы. Сделаешь крыло большой площади — появится необходимость устанавливать на самолет более мощный двигатель. А это в свою очередь повлечет увеличение запасов топлива и, как следствие, общего веса самолета.

В наши дни выход из создавшейся ситуации был найден. Для того чтобы увеличить подъемную силу крыла на малых скоростях, некоторые модели самолетов начали строить с крылом изменяющейся стреловидности. При взлете или посадке крыло будет большой площади и большого размаха — в таком виде он похож на обыкновенный дозвуковой самолет. При переходе к сверхзвуковой скорости крыло «складывается», перемещаясь с помощью специального устройства, и уменьшает создаваемое сопротивление.

Теперь обратим внимание на заднюю часть самолета — хвост. Здесь расположены киль, руль поворота, стабилизатор и руль высоты. Эти четыре элемента составляют хвостовое оперение и предназначены для сохранения устойчивого полета и управления самолетом. Руль поворота является подвижной деталью киля и с его помощью пилот может изменить направление горизонтального полета. А для изменения высоты полета стабилизатор хвостового оперения тоже имеет подвижную деталь — руль высоты. Кроме этого рули хвостового оперения позволяют летчику выполнять маневры в воздухе и фигуры высшего пилотажа.

Какие только модели самолетов не появлялись в небе в первые годы авиастроения. Встречались даже такие, у которых горизонтальное оперение (стабилизатор с рулем высоты) размещалось спереди. Крыло при этом смещали назад. Такая схема самолета получила название «утка». Однако вертикальное оперение всегда должно быть расположено сзади. Это придает самолету устойчивость в полете. Кстати, воздушный змей устроен таким же образом — роль вертикального оперения у него играет веревочный хвост. Так что без хвоста далее змей летать не будет.

По конструкции хвостовое оперение практически ничем не отличается от крыла. Оно так же состоит из силового набора (каркаса), в который входят лонжероны и нервюры. Правильно рассчитанные размеры деталей хвостового оперения существенно влияют на устойчивость самолета. А когда летательный аппарат устойчив и хорошо управляем, на нем можно легко и безопасно совершать различные маневры.

Простейшим маневром в воздухе является разворот или вираж. Выполняя эту фигуру пилотажа, летчик наклоняет самолет в сторону поворота — и составляющие подъемной силы развернут самолет в ту же сторону. Но чтобы при этом он не потерял высоту, надо увеличить подъемную силу. Пилот одновременно с отклонением ручки управления влево тянет ее на себя и тем самым увеличивает угол атаки.

Фигура высшего пилотажа — мертвая петля — является очень сложной для выполнения. Считается, что высший пилотаж зародился в 1913 г. именно с выполнения этой фигуры русским пилотом П.Н. Нестеровым. В те годы, когда скорость, развиваемая самолетом, была достаточно низкой, высший пилотаж применяли не только на тренировках и спортивных праздниках, но и во время воздушных боев с истребителями противника.

Наиболее опасной фигурой высшего пилотажа является штопор. Угол атаки при введении самолета в штопор нередко достигает 70°. Плавное обтекание крыла воздушными массами при этом нарушается и отклонение рулей управления становится малоэффективным. Поэтому выйти из штопора часто бывает очень трудно.

«МиГ-8» — экспериментальный самолет, построенный по схеме «утка». После проведения исследований использовался в качестве административного самолета.

Из истории абсолютных мировых рекордов скорости полета. 20 сентября 1922 г., почти после двухлетнего перерыва, французский пилот Сади Лекуэнт «бьет» собственный рекорд. На этот раз самолет марки «Nieuport-Delage» разгоняется до 330,23 км/ч. 13 октября 1922 г. американский пилот У.Э. Митчелл сделал попытку отобрать у французов первенство. Его результат — 358,77 км/ч. Но Лекуэнт вновь выхолит вперед: 15 февраля 1923 г.—374,95 км/ч.

Американский самолет-разведчик «SR-71» способен развить скорость, превышающую 3,5 тыс. км/ч. для полетов на таких скоростях крылья самолета конструктивно были совмещены с горизонтальным оперением.

В наши дни выполнение фигур высшего пилотажа является доказательством исключительного мастерства пилота и связано с определенным риском. И это не удивительно — увеличение скоростей полета предъявляет пилоту и самолету новые требования. Взять, например, тот же разворот. При увеличении скорости полета его радиус значительно увеличивается. При скорости в 500 км/ч радиус разворота примерно равен 600 м, а при скорости в 1 800 км/ч он уже достигает 8 км.

В заключение следует остановиться еще на одной немаловажной детали конструкции самолета — шасси. Это устройство появилось уже на первых самолетах и во все времена было предназначено для передвижения самолета по земле и смягчения толчков, возникающих при посадке и взлете.

В первые годы самолетостроения переднее шасси обычно состояло из колес со спицами, которые при помощи деревянных стоек крепились к фюзеляжу. Заднее шасси было бесколесным и представляло собой обыкновенный хвостовой костыль, выполненный из дерева. Амортизаторов в современном понимании этого слова первые шасси не имели. Их роль выполняли резиновые ленты на колесах, которые поглощали удары о землю при посадке, а длинный искривленный полоз впереди шасси предохранял самолет от капотирования — переворачивания на нос.

В наши дни, когда конструкция самолета значительно увеличилась в весе, потребовались новые конструкции шасси. Теперь они состоят из штампованных стальных колес, мягких шин, металлических стоек, изготовленных из особо прочных материалов, пружинных или гидравлических амортизаторов.

Основные фигуры высшего пилотажа.

 

Конструкция переднего шасси, широко используемая на самолетах времен начала первой мировой войны.

Из истории абсолютных мировых рекордов скорости полета. В 1923 г. американская фирма «Curtiss» выпускает серию новых самолетов, летные характеристики которых позволяют пилотам Соединенных Штатов Америки установить несколько рекордов: 29 марта 1923 г. —пилот Р.Л. Моган (самолет «Curtiss К-6») — 380,67 км/ч; 2 ноября 1923 г. — пилот Э. Браун (самолет «Curtiss HS D-12») — 411,04 км/ч; 4 ноября 1923 г. — пилот Алфорл Дж. Уильямс (самолет «Curtiss R-2C-1») — 429,96 км/ч.

Шасси первых самолетов было неубирающимся. Во время полета это создавало дополнительное сопротивление и существенно снижало аэродинамические показатели аппарата. В 30-х гг. XX в. впервые появились конструкции самолетов, шасси которых убирались во время полета в специальные закрывающиеся ниши, расположенные обычно в крыльях.

На современных реактивных лайнерах-тяжеловозах приходится устанавливать многоколесные особо укрепленные шасси. Они представляют собой тележки, на каждую стойку которых приходится до 10 колес. Кроме этого снова вернулись к использованию носового шасси. Практически с самого начала авиастроения от него отказались, но в наши дни конструкторы считают, что именно оно обеспечивает более плавную и безопасную посадку.

Шасси современного сверхзвукового самолета.






sciential.ru © 2009-