Текст книги "Почему и как летает самолет (Изд. 2-е)"
Автор книги: Алексей Жабров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 4 страниц)
Алексей Жабров
ПОЧЕМУ И КАК ЛЕТАЕТ САМОЛЕТ
ВВЕДЕНИЕ
О наше время мы так привыкли к самолетам, что даже не поднимаем головы, услышав знакомый гул в небе. Однако, хотя самолет внешне знаком всем, далеко не все знают, как он устроен и почему летает, какие физические законы при этом используются.
Полет птицы кажется более понятным. Птица машет крыльями и как бы отталкивается от воздуха. Почему же летает самолет? Ведь его крылья неподвижны! Что создает подъемную силу, способную поддерживать в воздухе тяжелую машину? Как летчик управляет этой силой и сохраняет равновесие крылатой машины? Почему самолет может делать в воздухе разнообразные фигуры?
Ответы вы найдете в этой небольшой книжке.
ИЗ ИСТОРИИ САМОЛЕТА
Издавна мечтали люди летать подобно птицам. Об этом рассказывают многие народные сказки, легенды и предания. Широко известно, например, древнегреческое сказание о Дедале.
Афинский скульптор Дедал и его сын Икар были заключены в высокую башню на острове Крите. Чтобы бежать из неволи, Дедал сделал себе и сыну крылья из птичьих перьев, скрепив их воском. На этих крыльях узники вылетели с острова. Летя над морем, Икар стал подниматься все выше и выше к солнцу. От солнечных лучей воск растаял, крылья рассыпались, Икар упал в море и погиб. Дедал же благополучно прилетел в Италию.
Наряду с подобными легендами сохранилось немало преданий и о действительных попытках человека летать подобно птице.
В русской летописи рассказывается, например, о том, как в царствование Ивана Грозного «некий смерд Никита боярского сына холоп» совершил полет на какой-то машине с крыльями, за что был казнен царем. Царский приказ гласил так: «Человек не птица, крыльев не имат. Аще же приставит себе крылья деревянные – против естества творит. То не божье дело, а от нечистой силы. За сие содружество с нечистой силой отрубить выдумщику голову…».
Первая попытка научно обосновать возможность механического полета человека принадлежит великому итальянскому ученому и художнику Леонардо да Винчи (1452–1519). В одной из его записных книжек были найдены вычисления, относящиеся к полету птиц и к полету человека с помощью крыльев, приводимых в движение мускульной силой. По мнению ученого, «механическую птицу» следовало строить по образу летучей мыши. На протяжении нескольких веков было множество попыток построить такую «механическую птицу». Однако все они не имели успеха.
Плодотворнее оказалась другая мысль Леонардо да Винчи – о создании так называемого воздушного винта. Эту мысль осуществил великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711–1765). Он первый построил модель винтокрылого летательного аппарата, называемого теперь вертолетом. Вот как об этом было записано в протоколе Российской Академии наук от 1 июля 1754 г.
«Высокопочтенный советник Ломоносов показал машину, названную аэродромической, выдуманную им и имеющую назначением при помощи крыльев, приводимых в движение часовой пружиной, нажимать воздух (т. е. отбрасывать его вниз) и подниматься в верхние слои атмосферы для того, чтобы можно было исследовать состояние верхнего воздуха метеорологическими приборами, прикрепленными к этой аэродромической машине»[1]1
«Аэродромической» значит воздухобежной (от греческих слов «аэр» – воздух и «дром» – бег). Теперь это слово не употребляется. Мы употребляем лишь слово аэродром.
[Закрыть].
Крыльями здесь названы лопасти воздушного винта, вращающегося вокруг вертикальной оси. При вращении винта часовой пружиной лопасти создавали подъемную силу. Однако эта сила получилась, по-видимому, меньше веса аппарата, поэтому модель вертолета М. В. Ломоносова не могла летать.
Над созданием вертолета работало много изобретателей как в России, так и в западных странах. Но окончательно эта задача была решена только в наше время.
В середине XIX века зарождается идея летательной машины с неподвижными крыльями. Среди изобретателей летательных аппаратов такого типа выделился русский морской офицер А. Ф. Можайский (1825–1890). Сначала он строил гигантские воздушные змеи и сам поднимался на них в воздух. Затем, изучая полет птиц, Можайский начал делать опыты с моделями летательного аппарата, который мы теперь называем самолетом.
В 1876 году модель самолета Можайского поднялась в воздух. В последующие годы изобретатель разработал проект самолета с паровым двигателем и тремя воздушными винтами. Корпус самолета имел вид лодки, установленной на тележку. К бортам этой лодки прикреплялись широкие прямоугольные крылья. Для управления имелись рули – горизонтальный и вертикальный. Проект был разработан настолько убедительно, что Можайский получил патент на свое изобретение.
Самолет А. Ф. Можайского строился и испытывался в 1882–1885 годах на военном поле недалеко от Петербурга. При одном из этих испытаний, как свидетельствуют современники Можайского, самолет после разбега по деревянному настилу оторвался от него и немного пролетел над полем. К сожалению, из-за поломки машины и недостатка средств дальнейшие опыты прекратились.
Самолет А. Ф. Можайского, как и летательные машины других изобретателей, строивших самолеты в конце прошлого века, имел много недостатков. Было несколько причин, почему не удалось тогда покорить воздушный океан.
Главная причина заключалась в том, что наука о летании в то время была еще недостаточно развита. Для создания самолета необходимы глубокие знания законов полета, а таких знаний тогда еще не было.
Второй причиной было отсутствие легкого и мощного двигателя. Паровой же двигатель мало пригоден для самолета.
Кроме того, тогда не имелось никакого опыта в управлении самолетом. А ведь даже в наше время научиться этому не так-то легко. Требуется длительная тренировка, чтобы овладеть искусством полета.
Все эти преграды стояли на пути первых авиаторов[2]2
От латинского слова «авис» – птица,
[Закрыть].
Одним из них был немецкий инженер Отто Лилиенталь. Изучая полет птиц, он правильно заключил, что если птицы некоторое время держатся в воздухе, не махая крыльями, то и человек на верно рассчитанных крыльях может плавно «планировать» с возвышенного места. Лилиенталь решил, что прежде чем строить самолет, надо овладеть безмоторным летательным аппаратом – планером.
Первый планер, построенный им в 1890 году, имел крылья такой же формы, как у летучей мыши. Полеты Лилиенталь производил сначала с крыши сарая. Держа крылья за раму, он разбегался против ветра и прыгал вниз. В первый момент планер слегка взмывал вверх, а затем скользил к земле.
Позднее изобретатель построил второй планер лучшей конструкции. На нем Лилиенталь совершил сотни полетов с довольно высоких холмов и научился хорошо управлять планером. При сильном ветре ему иногда удавалось немного парить, как парят птицы. Но во время одного из таких полетов Лилиенталь не смог сохранить равновесие аппарата и упал, разбившись насмерть.
В России с особым вниманием к опытам Лилиенталя отнесся профессор Московского высшего технического училища – создатель науки о летании Н. Е. Жуковский (1847–1921). Он опубликовал статью «О парении птиц», в которой дал теоретическое объяснение полета птицы.
НИКОЛАЙ ЕГОРОВИЧ ЖУКОВСКИЙ
Н. Е. Жуковский навестил Лилиенталя, чтобы понаблюдать его полеты. В знак признательности Лилиенталь подарил русскому ученому один из своих планеров.
Из последователей Лилиенталя большую роль сыграли два американских изобретателя – братья Вильбур и Орвиль Райт.
Братья Райт имели маленькую мастерскую, занимаясь ремонтом велосипедов. В свободное время они построили планер, который имел два ряда крыльев и рули управления. Пилот управлял аппаратом, лежа на животе. Братья совершили много полетов и так хорошо изучили управление аппаратом, что им оставалось только поставить на него появившийся незадолго перед тем автомобильный бензиновый двигатель, чтобы превратить планер в самолет.
Первый полет самолета братьев Райт состоялся в 1903 году и продолжался всего лишь около минуты. В дальнейшем продолжительность полета постепенно увеличивалась. Через два года настойчивых опытов и совершенствований самолет мог пролететь уже 20 километров, а затем и больше. Скорость самолета составляла примерно 50–60 километров в час.
Вскоре после этого появилось несколько новых типов самолетов, созданных во Франции и других странах, и началось их быстрое совершенствование.
Полеты Вильбура Райт и французских летчиков вызвали огромный интерес во всем мире. В европейских странах устраивались летные состязания; десятки и сотни тысяч людей стекались на них, чтобы увидеть крылатые машины и приветствовать смелых авиаторов.
Так началась эра авиации. Развитие авиации неразрывно связано с развитием науки о летании – аэродинамики[3]3
От греческих слов «аэр» – воздух и «динамис» – сила.
[Закрыть]. Аэродинамика изучает движение тел в воздухе и те силы, которые возникают при действии воздушного потока на тела. Эта наука изучает и полет самолета. Инженера она учит, как проектировать и строить самолет, а летчика – как управлять им.
Огромный вклад в развитие аэродинамики внес Н. Е. Жуковский. Он объяснил, как действуют крыло самолета и воздушный винт. За время своей многолетней научной деятельности он основал коллектив талантливых инженеров и научных работников. Многие из них стали впоследствии выдающимися деятелями советской авиации.
Владимир Ильич Ленин высоко оценил заслуги Н. Е. Жуковского перед Родиной и назвал его отцом русской авиации.
КАК УСТРОЕН САМОЛЕТ
Много различных типов самолетов можно увидеть теперь в воздухе – от маленького ПО-2 до громадного турбовинтового пассажирского корабля ТУ-114. Но все самолеты имеют общие черты своего устройства, и для того чтобы получить представление об устройстве самолета, достаточно познакомиться с одним из типов.
На авиационных праздниках обычно участвуют самолеты ЯК-18 и ЯК-11. На рис. 1 показано звено самолетов ЯК-18 в полете, а на рис. 2 этот самолет изображен для наглядности в полуразобранном виде.
Рис. 1. Самолеты ЯК-18 в полете.
Рис. 2. Схематическое изображение самолета ЯК-18 в полуразобранном виде: 1 – двигатель, 2 – винт, 3 – центральная часть крыла, 4 – левая консоль, 5 – элерон (левый), 6 – фюзеляж, 7 – нога шасси, 8 – стабилизатор, 9– руль высоты, 10 – киль, 11 – руль направления.
Это двухместная учебно-тренировочная машина. Самолет ЯК-11 изображен на обложке книги – это двухместный учебно-тренировочный истребитель, развивающий значительно большую скорость, чем ЯК-18.
На этих самолетах советские летчики-спортсмены завоевали несколько рекордов.
Главными частями самолета являются: крыло с элеронами, фюзеляж, хвостовое оперение, силовая установка, шасси и хвостовое колесо, рулевое управление.
Крыло предназначено поддерживать, «нести» машину в воздухе. Оно состоит из центральной части (рис. 3), накрепко соединяемой с фюзеляжем, и так называемых консолей.
Рис. 3. Центральная часть крыла самолета ЯК-18: 1 – передний лонжерон (балка), 2– задний лонжерон, 3 – нервюра (ребро), 4 – хвостик нервюры, 5 – дюралюминиевая обшивка.
Каркас крыла изготовлен из двух дюралюминиевых[4]4
Дюралюминий (дуралюминий) – легкий и прочный сплав алюминия, меди и марганца.
[Закрыть] балок – лонжеронов, которые скреплены дюралюминиевыми ребрами – нервюрами. На задней части крыла имеются шарнирно соединенные с ним небольшие крылышки – элероны. С их помощью летчик может выправлять крен самолета или, наоборот, накренять машину.
Фюзеляж – это корпус самолета. К нему крепятся крылья и силовая установка. В нем размещены кабины экипажа и пассажиров, грузы, а также баки с горючим. Каркас фюзеляжа сделан из стальных труб.
Хвостовое оперение – горизонтальное и вертикальное – служит для изменения и сохранения равновесия самолета в полете. Рулем высоты летчик может изменять продольное положение самолета (наклонять самолет вниз и вверх), а руль направления играет примерно ту же роль, что и руль лодки. Стабилизатор и киль – неподвижные поверхности, они способствуют устойчивому равновесию самолета в воздухе.
Силовая установка на самолете ЯК-18 состоит из поршневого двигателя воздушного охлаждения и двухлопастного воздушного винта.
Шасси и хвостовое колесо дают возможность осуществлять взлет и посадку. Самолет ЯК-18, как и большинство современных самолетов, имеет убирающееся в полете шасси. Подъем и выпуск шасси летчик производит при помощи специального механизма.
Рулевое управление – «нервы» самолета. На самолете ЯК-18 рулевое управление позволяет управлять машиной из обеих кабин – инструктора и ученика (рис. 4).
Рис. 4. Схема рулевого управления самолета ЯК-18: 1 – ручка рулевого управления, 2 – педали, 3 – кронштейн ручки рулевого управления, 4 – продольная труба (вал), на которой укреплена ручка рулевого управления, 5 – тяга к рулю высоты, 6 – качалка, 7 —проволочные тяги к рулю направления, 5 – рычаг на руле высоты, 9—рычаг для передачи движений ручки элеронам, 10—жесткая тяга к элеронам, 11 – качалки, 12 – элерон (левый), 13 – рычаг на руле направления.
Перед сидением каждого летчика находится ручка рулевого управления 1; с ее помощью летчик действует рулем высоты и элеронами. Под ногами расположены педали 2; с их помощью летчик движет рулем направления.
Посмотрим, как летчик действует рулями (работу рулей объясним дальше).
Ручка рулевого управления с помощью кронштейна 3 соединена шарнирно с продольной вращающейся трубой 4 (расположенной на полу кабины). Благодаря этому летчик может наклонять ручку назад и вперед, вправо и влево. Когда он наклоняет ее назад, как говорят «берет ручку на себя», нижний конец ее отклоняется вперед и прикрепленным к нему тросом 5 при посредстве качалки 6 тянет верхний конец рычажка 8 руля высоты. В результате руль отклоняется вверх, и самолет поднимает нос; когда же летчик «дает ручку от себя», происходит обратное: руль высоты отклоняется вниз и самолет опускает нос.
Когда летчик отклоняет ручку вправо, продольная труба 4, к которой прикреплена ручка, вращается тоже вправо; это движение передается через качалки и тяги 9, 10 и 11 на элероны 12, причем правый элерон поднимается, а левый опускается, и самолет кренится вправо. Если летчик отклоняет ручку влево, то левый элерон поднимается, а правый опускается, и самолет кренится влево.
Педали 2 соединены тросами 7 с рычажком 13 руля направления. Когда летчик нажимает правую педаль, руль отклоняется вправо, и самолет начинает разворачиваться вправо. При нажиме на левую педаль руль отклоняется влево, и самолет начинает разворот влево.
На тяжелых самолетах вместо ручки рулевого управления обычно устанавливают штурвал. Как и ручку, летчик отклоняет штурвал на себя и от себя, и таким образом действует рулем высоты. Вращая же штурвал вправо и влево, он управляет элеронами.
Тяжелые самолеты имеют и другие конструктивные особенности. Например, на двухвинтовых и четырехвинтовых самолетах силовые установки помещают на крыльях, кабину пилота и штурмана располагают в носовой части фюзеляжа и т. д.
ВОЗДУХ И ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК
Самолет летает в воздухе. Воздух служит опорой для его крыльев. Поэтому прежде чем разобраться в том, почему и как летает самолет, познакомимся с физическими свойствами воздуха.
Как известно, воздух представляет собой смесь нескольких газов. Воздушную оболочку земного шара мы называем атмосферой; она простирается приблизительно до высоты 2000 километров. Но, строго говоря, верхней границы атмосферы не существует, так как с высотой воздух становится все разреженнее и постепенно атмосфера сменяется безвоздушным пространством[5]5
Подробнее об атмосфере см. научно-популярные брошюры Гостехиздата: Беляков, Атмосфера, и Честнов, Ионосфера.
[Закрыть].
Воздух кажется нам невесомым, но это неверно. У поверхности земли, на уровне моря, один кубический метр воздуха весит приблизительно 1,3 килограмма (подсчитайте вес воздуха в вашей комнате и вы убедитесь, что воздух – довольно тяжелый газ). На высоте 5 километров один кубический метр воздуха весит уже 0,7 килограмма, на высоте 10 километров – только 0,4 килограмма и т. д.
Поскольку воздух имеет вес, он давит на тела, на всякую площадку, с которой соприкасается (подобно тому как вода давит на погруженное в нее тело со всех сторон).
Атмосферное давление можно измерить прибором, который называется барометром[6]6
От греческих слов «барос» – тяжесть и «метрон» – мера.
[Закрыть]. В простейшем виде он изображен на рис. 5.
Рис. 5. Ртутный барометр. Величина столбика ртути (Р) в трубке показывает величину давления воздуха (В) на поверхность ртути в чашке.
Идея прибора состоит в том, что давление воздуха уравновешивается столбом ртути в трубке, в которой воздуха нет, то есть над уровнем ртути в трубке пустота.
Высота столба ртути на уровне моря бывает равна в среднем 760 миллиметрам.
Когда атмосферное давление увеличивается, часть ртути из чашки вдавливается в трубку и уровень ртути в трубке повышается. При уменьшении атмосферного давления происходит обратное. Измеряя высоту столба ртути по шкале, можно всегда узнать величину атмосферного давления в миллиметрах ртутного столба.
Если площадь поперечного сечения трубки барометра равна одному квадратному сантиметру (1 см2), то вес ртутного столба, а значит и давление воздуха, равен приблизительно 1,03 килограмма. Следовательно, на уровне моря каждый квадратный сантиметр поверхности тела (сверху, снизу, с боков) испытывает давление воздуха, равное 1,03 килограмма, а каждый квадратный метр – давление в 10 000 раз большее, т. е. 10 300 килограммов.
Мы не замечаем этого громадного давления по той причине, что давление воздуха (как и жидкости) передается во все стороны с одинаковой силой. Поэтому всякое тело, находящееся в воздухе, испытывает давление со всех сторон (а также изнутри, когда воздух проникает в поры тела).
Атмосферное давление можно обнаружить очень простым опытом. Наполните стакан водой до краев, прикройте его листком плотной бумаги, затем, придерживая листок ладонью, опрокиньте стакан и отнимите руку: листок как бы при липнет к краям стакана, и вода не выльется. Сила давления воздуха, действующая на листок снизу, будет больше силы давления воды, то есть ее веса.
При изучении аэродинамических сил, действующих на самолет в полете, приходится измерять не атмосферное давление, а разность между двумя давлениями, из которых одно, скажем, равно атмосферному, а другое больше или меньше атмосферного. Для этой цели служит особый прибор – манометр. Принцип его действия такой же, как и барометра. Манометр изображен на рис. 6.
Рис. 6. Ртутный манометр. Разность уровней (Д) показывает разность давлений воздуха (В) на поверхность ртути (Р) в коленах трубки.
На поверхность ртути в обоих коленах трубки действует одинаковое давление – атмосферное; поэтому ртуть стоит в них на одном уровне. Если же одно колено, скажем, левое, соединить с пространством, в котором давление меньше атмосферного, то уровень ртути в этом колене повысится.
Столбик ртути между уровнями ртути в коленах трубки и покажет разность давлений в миллиметрах ртутного столба.
Аэродинамические силы, действующие на тело при его движении в воздухе, зависят только от его скорости относительно воздуха. Поэтому движется ли тело, а воз-дух неподвижен или, наоборот, тело неподвижно, а движется воздух, – суть дела не меняется. Как в первом, так и во втором случае мы вправе говорить о воздушном потоке, набегающем на тело. Поэтому можно представить, что самолет, летящий, например, со скоростью 200 километров в час (рис. 7, а), неподвижен, а на него набегает поток воздуха, с той же скоростью 200 километров в час (рис. 7, б)[7]7
Скорость принято изображать стрелкой, длина которой показывает в масштабе величину скорости.
[Закрыть].
Рис. 7. Скорость самолета относительно окружающего его воздуха можно представить как скорость воздуха, набегающего на самолет.
Следовательно, явления, возникающие при движении тела в воздухе, можно изучать двумя способами: или двигая тело в неподвижном воздухе, или обдувая воздухом неподвижное тело.
Сейчас применяются оба способа, но второй более удобен и им чаще пользуются.
Раньше некоторые ученые считали второй способ ошибочным, но Н. Е. Жуковский показал его правильность. Этот способ очень удобен при опытах в так называемых аэродинамических трубах.
Аэродинамической трубой называется сооружение, которое позволяет создавать искусственный поток воздуха. Скорость воздушного потока, в зависимости от конструкции трубы, может быть очень большой. Простейшая аэродинамическая труба изображена на рис. 8.
Рис. 8. Схема аэродинамической трубы: 1 – решетка, спрямляющая воздушный поток, 2 – рабочая часть трубы, 3 – вентилятор, 4 – электромотор.
Вот как она устроена и работает. Оба конца трубы открыты, и в одном из них установлен большой вентилятор, вращаемый электромотором. При работе вентилятора в трубе создается воздушный поток. В самой узкой – рабочей– части трубы устанавливают для испытания модель самолета или крыла. Если воздушный поток «подкрасить» дымом, то через окно в трубе можно наблюдать, как воздух обтекает модель, и даже сфотографировать картину обтекания. С помощью специальных приборов можно измерять силы, возникающие при действии воздушного потока на модель.
В аэродинамической трубе, если вентилятор вращается равномерно, воздушный поток получается, как говорят, установившимся.
Если самолет летит с постоянной скоростью, то полет тоже называют установившимся.
