Способ полета летательного аппарата
СПОСОБ ПОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, заключающийся в создании аэродинймических сил аэродинамическими поверхностями и сообщении части летательного аппарата колебаний от но ительно этих поверхностей в вертикальной плоскости, отличающийся тем, что, с целью повышения грузоподъемности и дальности полета, аэродинамическим поверхностям летательного аппарата обеспечивают путем изменения аэродинамических сил колебания относительно номинальной траектории полета, при этом колебания части летательного аппара- Изобретение относится к авиации. Известен способ полета летательного аппарата, заключающийся в создании аэродинамических сил аэродина мическими поверхностями и сообщений. части летательного аппарата колеба- НИИ относительно — этих поверхностей в вертикальной плоскости. Недостатком известного способа является малая величина получаемых подъемной силы и силы тйги, поэтому дальность полета летательного . рата невелика.; та осуществляют с частотой, равной частоте кйлебаний аэродинамических поверхностей, и с опережением по фазе на угол Т/2 ср i5j выбираемый в зависимости от потребной мощности так,, чтобы ITCf arccos т„А где Шд полная масса летательного аппарата; m — масса части летательного аппарата, колеблющаяся отно сительно аэродинамических поверхностей; А — амплитуда колебаний аэродинамических поверхностей относительно номинальной траектории полета; В — амплитуда колебаний части летательного аппарата относительно аэродинамических поверхностей. С о: со Целью изобретения является повышение грузоподъемности и дальности полета. . Указанная .цель достигается тем, что в способе полета летательного ап парата, заключающемся в создании аэродинамических сил аэродинамическими поверхностями и сообщении части летательного аппарата колебаний относительно этих поверхностей в вертикальной плоскости, аэродинамичес КИМ поверхностям летательного аппарата обеспечивают путем изменения аэро
РЕСПУБЛИК (gy)g В б4 С 23/00
Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ ВУ i йЯИЖ аЧ Ь %6
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (21) 2575152/40 23 (22) 25 «04 ° 77 (4б) 15«11«90» Бюл, Р 42 (72) :A,À Пирогов и:А,А Пирогов млад. (53) 629«735«33(088,8) (5б) Васильев:Г«С, Основы полета мо делей с машущими крыльями, -:M,:
Оборонгиз, 1953,:с ° 108-109 » (54)(57) СПОСОБ IIOJIETA ЛЕТАТЕЛЬНОГО
АППАРАТА, заключающийся в создании аэродинамических сил аэродинамичес кими поверхностями и сообщении части летательного аппарата колебаний от носительно этих поверхностей в вертикальной плоскости, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения грузоподъемности и дальности полета, аэродинамическим поверхнос тям летательного аппарата обеспечивают путем изменения аэродинамических сил колебания относительно номи нальной траектории полета, при этом колебания части летательного аппара
Изобретение относится к авиации, Известен способ полета летательного аппарата, заключающийся в соз дании аэродинамических сил аэродина» мическими поверхностями и сообщении. части летательного аппарата колеба ний относительно этих поверхностей в вертикальной плоскости, Недостатком известного способа является малая величина получаемых подъемной силы и силы тяги, поэтому дальность полета летательного аппа» рата невелика«
„,Я0„„1066137 А 1 та осуществляют с частотой, равной частоте колебаний аэродинамических поверхностей, и с опережением по фа зе на угол Т/2 Изобретение относится к области аэрогидромеханики, а именно к средствам воздействия на поток текучей среды и может быть использовано в воздушном, водном, колесном транспорте для изготовления наружной поверхности, обтекаемой газом или жидкостью
Источник
Теоретические основы полета аппаратов тяжелее воздуха
Человек имел возможность наблюдать и изучать свободнолетающие «аппараты» задолго до создания первого самолета — у него перед глазами всегда был пример летящей птицы. В легендах любого народа можно найти сказочного героя, способного перемещаться по воздуху, причем способы эти чрезвычайно разнообразны.
Столь же разнообразными были и представления о механизме полета птиц. Высказывалось даже предположение, что подъемная сила крыла вызывается электрическими зарядами, возникающими на распущенных перьях, когда птица раскрывает крылья.
Однако полет на аппарате тяжелее воздуха стал возможен совсем недавно (по меркам человеческой истории) и более чем через сто лет после первого полета на воздушном шаре (аэростате) братьев Монгольфье.
Планеры, или безмоторные летательные аппараты
Наблюдения за парением птиц привели к экспериментам с использованием восходящих воздушных потоков и созданию планеров. Однако серьезным недостатком планера как транспортного средства является то, что он не способен взлететь самостоятельно.
В 1891 году Отто Лилиенталь изготовил планер из ивовых прутьев, обтянутых тканью. За период с 1891-го по 1896 год им было совершено до 2000 полетов. 9 августа 1896 года Отто Лилиенталь погиб. Копию его аппарата можно увидеть в музее Н. Е. Жуковского в Москве на ул. Радио.
Планеризм был популярен в 30-х годах XX века. С проектов планеров начинало большинство известных авиаконструкторов, например О. К. Антонов, С. П. Королев, А. С. Яковлев. Применение современных материалов и аэродинамических форм привело к тому, что в условиях устойчивых восходящих потоков, например в горной местности, планеры способны совершать многочасовые и даже многосуточные полеты.
Аэродинамические схемы планеров стали основой для аппаратов тяжелее воздуха, приводимых силой мышц человека, — «мускулолетов», а также других аппаратов с малой скоростью полета.
Потомками планеров являются «дельтапланы» и «парапланы». Парапланерный спорт в настоящее время чрезвычайно популярен.
Уменьшенные модели парапланов используются как спортивный снаряд для буксировки горных и водных лыжников. Подобный аппарат можно изготовить самостоятельно даже в домашних условиях.
Попытки создать летательный аппарат, способный самостоятельно взлетать, садиться в заданной точке и снова оттуда взлетать, оканчивались неудачей не только из-за недостатка знаний, но и по причине отсутствия пригодного двигателя. В равной степени верно утверждение, что появление нового двигателя, более легкого и мощного или основанного на другом принципе создания движущей силы, приводит к революционному прорыву в развитии авиации.
Теоретические основы полета аппаратов тяжелее воздуха были разработаны Н. Е. Жуковским в начале XX века. Необходимые экспериментальные данные были получены еще в XIX веке А. Ф. Можайским, О. Лилиенталем и др.
Попробуем ответить на самый главный вопрос: почему самолеты не падают на землю, несмотря на то что на них действует сила тяжести?
Ограничимся упрощенной схемой, в которой воздух будем приближенно считать несжимаемой жидкостью. Тогда для горизонтального потока воздуха,обтекающего самолет, будет справедливо уравнение Бернулли:
где ρ — плотность воздуха, p — давление, а ν — скорость воздуха, обтекающего самолет.
Из формулы (1) следует, что чем больше скорость воздуха, тем меньше его давление, и, наоборот, чем меньше скорость воздуха, тем больше давление.
Крыло самолета, если посмотреть на него сбоку, имеет вид, показанный на рис. 1.
Верхняя часть крыла более «выпуклая», чем нижняя. Из-за этого воздух, который обтекает верхнюю и нижнюю части крыла, за одно и то же время, движется быстрее НАД крылом, чем ПОД крылом: время-то одно и то же, а путь сверху больше, чем путь снизу.
Поэтому давление воздуха на крыло сверху, согласно уравнению Бернулли, оказывается меньше, чем давление снизу. Из-за разности этих давлений и возникает подъемная сила, которая уравновешивает в полете силу тяжести.
Еще один «подъемный эффект» возникает за счет того, что крыло располагают под определенным углом α к направлению встречного потока воздуха, который называется углом атаки (рис. 2).
За счет этого сила давления на крыло со стороны встречного потока воздуха (сила R на рис. 2) направлена под некоторым углом к горизонту. Вертикальная составляющая этой силы (Y, рис. 2) вносит свой «вклад» в формирование подъемной силы крыла.
А горизонтальная составляющая (X, рис. 2) — это так называемая сила лобового сопротивления, которую «преодолевает» сила тяги самолета, развиваемая двигателями.
Ясно, что сила лобового сопротивления действует не только на крыло, но и на корпус самолета.
При обтекании крыла воздухом направление движения воздуха отклоняется от первоначального. Воздух как бы «поворачивает» под действием крыла. Н. Е. Жуковский показал, что крыльевой профиль можно заменить эквивалентным вихрем или вращающимся цилиндром. Направление вращения вихря (цилиндра) такое, что нижняя половина движется навстречу потоку, а верхняя по потоку. Данный эффект носит название «Эффект Магнуса». Желающие могут изготовить воздушный винтороторный (или «вингроторный»; «вингротор» в переводе с английского — «вращающееся крыло») змей «Ротоплан» и лично убедиться в существовании аналогии (рис. 3).
Кроме этого, из подобной аналогии следует, что каждое крыло рождает вихрь, стекающий с конца крыла. Энергия вихря рассеивается в пространстве. Например, вихрь можно обнаружить, если самолет пролетает в облачности.
Другие варианты «Змеев Магнуса» и инструкции по их изготовлению можно найти здесь.
Центром давления (ЦД, рис. 2) называется точка приложения равнодействующей сил давления воздуха, распределенных по всей поверхности крыла. Иными словами, все силы, действующие со стороны воздуха на самолет, можно теоретически заменить одной силой, приложенной к самолету в точке, называемой центр давления. При этом характер движения самолета от такой замены не изменится.
Центровкой называется взаимное расположение центра тяжести и центра давления. Обычно применяется «передняя центровка», то есть центр тяжести стараются расположить перед центром давления (рис. 4 и 5). Но иногда центр тяжести располагают за центром давления (рис. 6 и 7). Такая конструкция называется «уткой».
Для устойчивости полета необходимо, чтобы при малом повороте корпуса самолета в вертикальной плоскости возникал «возвращающий» момент сил, который бы возвращал самолет в исходное положение, причем такая «саморегуляция» должна проходить в автоматическом режиме, без участия пилота.
Эту задачу решает хвостовое «оперение» самолета, которое называется стабилизатором. При небольшом отклонении хвоста самолета вверх или вниз в стабилизаторе возникает дополнительная сила, поворачивающая самолет в исходное состояние.
Летательный аппарат имеет шесть степеней свободы: три перемещения (вверх-вниз, вправо-влево, вперед-назад) и три вращательных движения (курс — в горизонтальной плоскости, тангаж — в вертикальной плоскости, крен — в плоскости, перпендикулярной оси летательного аппарата).
По мере развития авиации видоизменялись как очертания самолета, так и механизмы управления самолетом. Назовем важнейшие из них.
Элероны — поверхности на задней кромке крыла, способные отклоняться на небольшой угол относительно поверхности крыла. Служат для выполнения разворотов в плоскости, перпендикулярной оси самолета.
Рули высоты — поверхности на задней кромке стабилизаторов, также способные отслоняться на небольшой угол служат для выполнения разворотов в вертикальной плоскости.
Руль направления — поверхность на задней кромке киля самолета, служит для выполнения разворотов в горизонтальной плоскости.
Известны следующие типы крыльев самолета (геометрии крыла): «прямое», «стреловидное», «треугольное» и «интегрированное».
Прямое крыло — характерно для первых самолетов, а также современных самолетов, летающих на скоростях меньше 700 км/ч. Для самолетов со скоростью движения меньше 160 км/ч применялись и применяются до сих пор парные прямые крылья, расположенные одно над другим, — так называемый «биплан», а иногда и три прямые крыла, расположенные одно над другим, — так называемый «триплан».
Стреловидное крыло — появилось при приближении скорости полета к величинам порядка 800–900 км/ч. Стреловидные крылья напоминают наконечник стрелы, то есть крылья образуют с корпусом самолета острые углы. Современные самолеты, летающие с большими скоростями, например Ту-160, выполняются с крылом изменяемой стреловидности, что позволяет развивать большую скорость в полете со «сложенными крыльями» и иметь низкую взлетно-посадочную скорость с прямыми крыльями.
Треугольное крыло — в настоящее время редко применяемая схема, использовавшаяся на самолетах со скоростью полета около 2000 км/ч. Треугольные крылья по форме напоминают треугольник.
В современных аппаратах применяется «интегрированное» крыло, когда корпус самолета является частью аэродинамической поверхности и также создает подъемную силу.
Источник
РАЗЛИЧНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛЕТА И ТИПЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ (часть II)
Летательные аппараты тяжелее воздуха
В отличии от аэростатов, поддерживающихся в воздухе за счет разности в удельном весе воздуха и подъемного газа, летательные аппараты тяжелее воздуха осуществляют полет, используя динамическое давление воздуха. Летательные аппараты этого вида для поддержания себя в воздухе должны пользоваться самой воздушной средой, как это делают птицы и некоторые летающие насекомые и животные. А это сопряжено с большой затратой механической энергии.
Геликоптер Леонардо да Винчи
Для того, чтобы пользоваться воздухом в качестве опоры, необходимо каким либо способом отбрасывать или прогонять его в направлении противоположном той силе, которую желательно получить. Так, например для получения вертикальной подъемной силы приходится отбрасывать воздух в вертикальном направлении сверху вниз; горизонтальная тянущая сила получается путем отбрасывания воздуха в горизонтальном направлении в сторону, противоположную направлению силы тяги, и т. д.
Подражая живым летающим существам, человек пытался осуществить динамический полет путем воспроизведения различных способов, применяемых птицами и летающими насекомыми. В результате получилось несколько разновидностей летательных аппаратов тяжелее воздуха, известных под наименованием геликоптера (вертолета), ортоптера, орнитоптера, аэроплана (самолета) и др. Из всех летательных аппаратов наибольшее развитие получили аэропланы.
Геликоптер или винтокрылый самолет (греческое слово) «геликос» — винт и «птерон» — крыло, поднимается вверх, поддерживается в воздухе и опускается на землю при помощи одного или нескольких воздушных винтов, установленных на нем и приводимых во вращение одним или несколькими моторами. Воздушные винты вращаются в горизонтальной плоскости и непрерывно отбрасывают книзу большие массы воздуха, благодаря чему получается подъемная сила, действующая в вертикальном направлении снизу вверх.
Модель геликоптера Лонуа и Бьенвеню
При подъемной силе, равной весу летательного аппарата, геликоптер становится как бы невесомым и «висит» в воздухе на одном и том же расстоянии от земли; при силе, превосходящей вес всей системы, геликоптер поднимается вверх; уменьшение же подъемной силы влечет за собой снижение его.
Геликоптер (вертолет), как и всякий другой летательный аппарат должен быть способен не только подниматься, и опускаться, но и совершать поступательное передвижение в горизонтальном направлении, поворачиваться в любую сторону, сохранять устойчивость, и т. п. Поэтому помимо поддерживающего (подъемного) винта, он имеет еще и и ряд других органов, дающих ему возможность совершать в воздухе управляемые требуемые маневры.
Обычно в вертолетах для горизонтального передвижения используется автомат перекоса лопастей ротора (на ранних стадиях вертолетостроения для этого наклонялась под некоторым углом к вертикали вся ось несущего винта при двухвинтовой схеме геликоптера). При одновинтовой схеме на хвостовой балке размещается дополнительный рулевой винт с горизонтальной осью вращения. Повороты в воздухе осуществляются за счет разности в тяге между винтами при двухвинтовой (соостной) схеме, или при изменении тяги хвостового винта при одновинтовой схеме.
Идея геликоптера впервые была была высказана еще великим Леонардо да Винчи в 1475 году. Два века спустя, в 1768 году, вторично эта идея была высказана Поктоном. Первая известная нам модель
геликоптера была осуществлена французами Лонуа и Бьенвеню в 1784 году. С этого времени и вплоть до ХХ века было построено большое количество моделей самых разнообразных конструкций, из которых некоторые могли подниматься вверх. Только в 1907 году удалось осуществить полноразмерный геликоптер, способный поднять чкловека. Это геликоптер Корню, на котором в ноябре того же года поднялся сам изобретатель сперва один на высоту 30 см, а позже со своим помощником они достигли высоты 1,5 метра, что по тому времени было весьма выдающимся событием.
Большой вклад в развитии мирового вертолетостроения внес наш гениальный соотечественник Игорь Сикорский, который после революции вынужден был иммигрировать сначала в Европу, а затем в США.
О дальнейшем бурном развитии вертолетостроения будет рассказано в другой статье, ибо это достаточно большая тема, а мы вернемся к рассмотрению разнообразия типов летательных аппаратов тяжелее воздуха.
Другими разновидностями аппаратов тяжелее воздуха являются крыльчатые летательнык аппараты: орнитоптеры и ортоптеры. Первые из них воспроизводят так называемый гребной полет, как это делают птицы, вторые же осуществляют полет путем прямолинейного вертикального удара крыльев по воздуху.
Рисунок Леонардо да Винчи — орнитоптер
Орнитоптер, то есть птицекрылый (греческое слово «орнис» — птица и «птерон» — крыло), создает подъемную силу и силу, движущую вперед путем отбрасывания воздуха вниз и назад. Рисунок Леонардо да винчи — ортоптер. Известно, что гребной полет птицы состоит из беспрерывных ритмических движений крыльев вниз и назад и вверх и вперед. Концы крыльев при этом описывают некую замкнутую кривую.
Разумеется, точное воспроизведение всех этих движений крыла, не говоря уже о весьма сложном полетном механизме птицы, черезвычайно затруднительно воплотить механически, тем более на заре авиации, хотя в свое время это направление считалось наиболее перспективным в области осуществления полета. И в аппаратах, воспроизводящих гребной полет птицы конструктора чаще всего старались применить бьющие по воздуху крылья, комбинируя их с технически наиболее удобным и доступным способом кругообразного движения, т. е. с вращающимися «крыльчатыми колесами».
Ортоптер является упрощенным типом крыльчатой летающей машины. Она в основном состоит из двух движущихся в вертикальной плоскости крыльев. Чаще всего конструкторы применяют створчатую конструкцию крыльев или снабжают крылья специальными клапанами. При взмахе вверх жалюзи (створы) или клапаны открываются и воздух свободно проходит через них, а при движении вниз они закрываются и крыло давит на воздух вниз всей своей поверхностью. При достаточной скорости взмахов давление воздуха на крылья снизу может быть настолько сильным, что оно будет в состоянии поддержать летательный аппарат в воздухе.
Горизонтальный полет ортоптера пытались осуществить различными способами. Например, в ортоптерах с жалюзиобразной конструкцией крыльев створы устраивали так, что при
движении вверх они устанавливались под углом 45°; вследствии этого поток воздуха отталкивался не только вниз, но и назад, и вся система получала поступательное движение вперед. В некоторых конструкциях передние ребра крыльев оставались жесткими, а задние края гибкими. Благодаря этому при колебательных движениях крыльев задние их края отгибались кверху или книзу и, отталкиваясь от воздуха, сообщали ортоптеру поступательное движение вперед.
Идея ортоптера и орнитоптера так же имеет многовековую давность. Известно, что еще две с лишним тысячи лет тому назад люди пытались воспроизвести полет птиц и летучих мышей. Но, несмотря на то, что благодаря работам ряда выдающихся ученых разных времен и народностей «секрет» полета птиц почти полностью разгадан, до сего времени не удалось совершить на ортоптерах и орнитоптерах настоящего полета.
Некоторым ортоптерам, расчитанным на подъем человека, удалось сделать короткие прыжки, но полета совершить они не смогли. Поднимались и пролетали некоторое расстояние лишь небольшие модели ортоптеров. Орнитоптеры же даже не могли осуществить в натуре, так как их конструктивное осуществление встречает большие технические затруднения.
Следующей разновидностью летательных аппаратов тяжелее воздуха является аэроплан (самолет), полету и конструкции которого будет уделено наше дальнейшее внимание.
Подобно орнитоптеру и ортоптеру, аэроплан так же обладает крыльями, но эти крылья неподвижны в полете, как у парящей птицы. Они имеют назначение создавать подъемную силу. Кроме крыльев, самолет имеет еще рулевые приспособления для выполнения в воздухе различных эволюций, а так же мотор с воздушным винтом на горизонтальной оси.
Кроме самолета, из аппаратов тяжелее воздуха сравнительно известное распространение получил планер, являющийся по существу безмоторным самолетом. Планер, несмотря на отсутствие мотора и воздушного винта, способен подолгу находиться в воздухе, осуществляя при некоторых атмосферных условиях (ветер, восходящие и нисходящие потоки воздуха и т. п.) так называемый парящий полет.
Проект аэроплана Хенсона
Идея аэроплана принадлежит знаменитому английскому математику Джоржу Кейли, высказавшему ее еще в 1809-1810 годах. Им же впервые были произведены научные опыты с моделями планеров. Первый детально разработанный проек аэроплана был опубликован соотечественником Кейли, Хенсоном в 1843 году. В своем аэроплане Хенсон гениально предусмотрел все те основные части, которые сохранились (конечно в усовершенствованном виде) до наших дней. Но аэроплан Генсона не был построен, так как в те времена подходящих легких двигателей не существовало.
Летающая модель Пено
Испытание аэроплана Лэнгли
Первые летающие модели аэроплана, доказавшие правильность идеи Кейли и Генсона были построены сначала Жюльеном в 1858 году, а затем Пено в 1872 году. Первые большие аэропланы, расчитанные на подъем человека в воздух были простроены во конце XIX столетия. Создателем первого, оторвавшегося от земли и совершившего небольшой подлет аэроплана, является наш соотечественник, контр адмирал Российского флота, Михаил Федорович Можайский. Самолет потерпел аварию, но зато это был уже первый кратковременный отрыв от земли с человеком на борту. Для устойчивого горизонтального полета, самолету Можайского не хватило тяги двигателей, ибо их мощность оказалась недостаточной. Кроме Можайского большой вклад в создание первых аэропланов внесли и другие изобретатели, такие как Максим, Адер и Ленгли, доказавшие реальную возможность осуществить полет на аппарате тяжелее воздуха.
Аэроплан братьев Райт
Первый удачно летающий аэроплан, который мог поднять человека в воздух и совершить устойчивый управляемый полет в любом направлении, был осуществлен в Америке братьями Орвилом и Уильбуром Райт. Первые полеты на этом аэроплане были совершены ими 17 декабря 1903 года. Осуществлению этого достижения предшествовали многочисленные полеты на безмоторных планерах предшественника современной авиации Отто Лилиенталя, его учеников Пильчера, Геринга и Шанюта а так же самих братьев Райт в десятилетний период вплоть до 1903-го года.
Отто Лилиенталь собирается стартовать на балансирном планере своей конструкции
Последним, из рассматриваемых в этой статье аппаратов тяжелее воздуха, является автожир, представляющий собой промежуточный между самолетом и вертолетом тип летательного аппарата. Автожир изобретен испанским конструктором Хуанон де ла Сиервой и впервые был испытан им в 1921 году. Несмотря на короткий срок своего существования, он успел развиться в весьма совершенный для своего времени тип летательного аппарата и получил в то время широкое распространение.. Последнему обстоятельству существенно способствовал ряд свойственных автожиру положительных качеств, из которых основным являются способность совершать очень крутые подъемы и спуски и полет со сравнительно небольшой скоростью. Автожир по своей конструкции близко подходит к аэроплану, от которого отличается тем, что имеет вместо неподвижных крыльев он снабжен ротором, представляющим собой большой винт, сидящий совершенно свободно на вертикальной оси. Перемещение в воздухе достигается посредством воздушного винт меньшего размера, расположенного в вертикальной плоскости и как на самолете приводящегося во вращение от двигателя. В полете поток встречного воздуха приводит во вращение ротор, который при этом получает необходимую для автожира подъемную силу. Управление автожиром производится при помощи обычного для аэроплана хвостового оперения, а так же путем перекашивания лопастей ротора.
В настоящее время автожиры нашли себе применение в частной и любительской (самодельной) авиации, так как в остальных областях авиации их заменили вертолеты, которые прошли достаточно хороший путь развития и стали в достаточной мере надежными и практичными.
Источник
