Текст книги "История полёта. От крыльев Икара до космических ракет"

Гибридный дирижабль

Гибридные дирижабли – летательные аппараты с аэростатической разгрузкой. Такой дирижабль представляет летательный аппарат, который сочетает в себе характеристики аппарата легче воздуха (т. е. технологии дирижабля) с технологиями летательных аппаратов тяжелее воздуха (либо неподвижное крыло, либо роторный винт), является комбинацией аэростата с самолётом или винтокрылым летательным аппаратом. Их развитие связано с попыткой получить более высокие аэродинамические характеристики, чем у классических управляемых аэростатов (пример – гибридный дирижабль Zeppelin NT, который тяжелее воздуха).

На массовое производство такие конструкции не были поставлены, но на свет появилось несколько пилотируемых и беспилотных прототипов, включая Lockheed Martin P-791 – экспериментальный гибридный дирижабль, разработанный «Локхид-Мартин».

«Золотым веком» классических дирижаблей стали 20-е и первая половина 30-х годов прошлого века. При большой грузоподъёмности и экономичности они имели два серьёзных недостатка: горючий газ водород, способный уничтожить аппарат за несколько секунд, и необходимость сложных манипуляций с балластом во время погрузочно-разгрузочный работ.

Если с первым недостатком современные инженеры справились давно, заменив водород инертным газом гелием, то вторую проблему решить оказалось гораздо сложнее. Обладающий огромной подъёмной силой дирижабль без груза способен выйти из-под контроля и улететь в стратосферу. Поэтому при погрузке или разгрузке команда вынуждена выполнять сложные манипуляции с балластом, в качестве которого обычно используется вода. Каждый снятый с борта килограмм груза должен быть заменён литром воды, погрузка сопровождается сбросом воды из балластных баков. Эти процедуры требуют использования специального наземного оборудования, а также вредят экологии: используемую воду нужно куда-то сливать.

Конструкторы «Аэроскрафта» смогли решить проблему, запасая гелий в сжатом виде в специальных отсеках. После принятия груза на борт дирижабль может легко увеличить свою подъёмную силу, подав гелий в основной объем и вытеснив им воздух. При этом корпус аппарата имеет жёсткую конструкцию, перекачку газа контролирует компьютер, а новаторская система изменения подъёмной силы позволяет свести к минимуму состав обслуживающей команды и количество наземной техники. Это позволит использовать аппарат для доставки грузов на необорудованные посадочные площадки.

Американская компания Aeros заявила об успешном первом лётном испытании своего гибридного самолёта-дирижабля Aeroscraft. Воздушное судно в длину 64 метра. Оно продемонстрировало функцию вертикального взлёта и посадки, а также способность развивать скорость 222 км/ч. Согласно прогнозам специалистов, новый самолёт-дирижабль может быть введён в эксплуатацию в течение ближайших нескольких лет. Использовать его планируется в качестве воздушного круизного лайнера – конструкция Aeroscraft позволяет орудовать большое количество комфортабельных кают для пассажиров и не только. Впрочем, создатели самолёта-дирижабля не исключают и других вариантов его использования. В частности, в их планы входит создание грузовой версии Aeroscraft, достигающей в длину 137 метров и способной перевозить до 60 тонн грузов.

Дирижабль сможет опускаться на любую ровную площадку и производить моментальную разгрузку. Планируется использовать следующую технологию: при подходе к земле скрытый для лучшей аэродинамики в корпусе дирижабля транспортный контейнер выдвигается, и в момент касания земной поверхности производится отцепление контейнера. Затем дирижабль, увеличивший свою плавучесть, резко набирает высоту, а транспортный контейнер остается на земле.

Испытания прошли в Тастине, штат Калифорния. В ходе тестов уменьшенный прототип дирижабля не покидал ангар времён Второй мировой войны. Целью испытаний была проверка системы изменения подъёмной силы при погрузке и разгрузке. Они завершились успешно. Но беспокойство создателей дирижабля вызывает способность аппарата противостоять сильным ветрам.

Аппарат будет способен взять на борт в несколько раз больше груза, чем это делают современные транспортные самолёты, потребляя при этом в три раза меньше топлива. Способность к вертикальному взлету и посадке позволят использовать в качестве аэродромов небольшие площадки, а дальность полёта составит тысячи километров. Гибридным этот летательный аппарат считается из-за формы корпуса и крыльев, создающих при движении дополнительную подъёмную силу.

Сейчас Aeros, которая является крупнейшим производителем дирижаблей в мире, лидирует в конкурсе на создание транспортного гибридного летательного аппарата для Пентагона. На сайте компании сообщается о том, что полноразмерный «Аэроскрафт» сможет поднимать на борт до 500 т груза.

Парашют

Изготавливаемый из лёгкой и прочной ткани (подобной нейлону) парашют представляет собой устройство, которое используется, чтобы замедлить движение объекта через атмосферу. Описание самого древнего парашюта было найдено в анонимной итальянской рукописи, датируемой 1470 годом.

В XIII веке Роджер Бэкон – английский философ и испытатель, в своих работах писал о возможности опираться на воздух при использовании вогнутой поверхности. Но сама идея создания парашюта пришла Леонардо да Винчи, в его работах от 1495 года упоминается о возможности безопасного спуска с высоты.

В его чертежах есть пирамидальная конструкция будущего небесного купола. Леонардо да Винчи писал: «Если у человека есть шатёр из накрахмаленного полотна шириной в 12 локтей и вышиной в 12, то он сможет бросаться с любой высоты без опасности для себя». Таким образом, по расчётам Леонардо, парашют должен был иметь площадь 60 м² – цифра довольно близка к современным стандартам.

Однако идею свою в жизнь итальянец не воплотил. И чертежи парашюта легли на пыльные полки итальянских библиотек. Ещё одним теоретиком, развивавшим идею полётов под шатрами и куполами, был итальянец Фауст Веранчино, который подробно описал аппарат, подобный изобретению своего знаменитого земляка. В своей работе он уточнил, что объем купола должен быть соотнесен с весом прыгающего. Однако ещё долго его разработка никому не была нужна.

Спустя 200 лет появились первые желающие спрыгнуть с башни или скалы и остаться при этом живыми. Первым, кто опробовал изобретение Леонардо, был француз Лавен в начале XVII века. Двигала им вовсе не жажда адреналина, а жажда свободы – он был заключённым одной из неприступных французских крепостей и решил сбежать. Сшив парашют из простыней, дополнив конструкцию китовым усом и верёвками, смельчак спрыгнул с крепостной стены вниз, в реку, приводнился вполне удачно и завершил свой побег.

В следующий раз прыжок с прототипом парашюта в 1777 году совершает приговоренный на смерть Жан Думье: в качестве казни должен был испытать новое изобретение, летающий плащ профессора Фонтанжа. Спрыгнув с высокой башни, Жан остался жив, и в качестве награды ему даровали жизнь и свободу.

Абсолютно точно назвать, кто изобрёл парашют, невозможно, слишком многие претендуют на авторство. Здесь и итальянцы, и чехи с венграми. Однако точно известно, что дал парашюту его название француз Луи Себасьтян Ленорман, его же принято считать официальным изобретателем парашюта в современном понимании.

Начинал Ленорман с попытки безопасного прыж ка с первого этажа и двух раскрытых зонтиков, потом пускал в полёт на парашюте различные предметы и животных. Первый прыжок отчаянный изобретатель совершил 26 декабря 1783 года. Ленорман совершил прыжок с башни обсерватории в городе Монпелье, о чём свидетельствует гравюра того времени. Он и дал современное название изобретению, этимология которого предельно проста: «пара» означает «против», а «шюте» – «падение».

Затем мода на воздушные шары дала толчок к новому витку развития парашютов. Вспомнили Ленормана, который совершил свой исторический прыжок на парашюте, очень напоминающем по конструкции современный.

Первый прыжок с парашютом с летательного аппарата (а не с башни или крыши) совершил знаменитый воздухоплаватель Андрэ Жак Гарнерен в октябре 1797 года. Поднявшись вместе со своим братом на высоту 680 метров, Гарнерен скомандовал тому перерезать верёвку, держащую под гондолой обтянутый холстом 8-метровый зонт и вцепившись в ручку «зонта», отправился в свободное падение. тому искусству он обучил свою племянницу Элизу Гарнерен, которая совершила первый прыжок из аэростата 8 апреля 1814 года и вошла в историю как первая женщина-парашютистка.

Луи Себастьян Ленорман летит с первым «парашютом» с башни в Монпелье 26 декабря 1783 года. Гравюра конца XVIII века.

Первый парашют Жака Гарнерена, который он испытал на себе в Парке Монсо, Париж, 22 октября 1797 года. Подпись: F.1 – купол парашюта; F.2 – положение парашюта в момент вылета (с земли в воздух); F.3 – парашют развернут в момент отрыва от шара.

Однако практического применения парашюты опять не нашли – в корзинах воздушных шаров крепить их было совершенно неудобно. Кроме того, они имели существенный недостаток: при снижении парашюта купол сильно раскачивался. Разобраться с этим смогли лишь в девятнадцатом веке англичане: они экспериментальным путём выяснили, что парашют должен иметь форму конуса, в полостях которого образуется пространство разреженного воздуха, а при разности давлений на парашют сверху и снизу существенно замедлится и его падение. Правда, учёный Кокинг, сделавший это открытие, на своём же парашюте и разбился насмерть. Тогда другой англичанин – Лаланд – додумался сделать в куполе парашюта небольшое отверстие для обратного хода воздуха, что позволит уменьшить разность давлений и спасти жизнь парашютисту. Во многих современных системах парашютов это отверстие используется и в наши дни.

В XX веке начинает бурно развиваться авиация, и парашют становится жизненно необходимым. Но существовавшие в те времена парашюты были излишне громоздкими и в самолёты банально не помещались. Первый парашют для авиации создал наш соотечественник Глеб Евгеньевич Котельников.

После долгих изысканий Глеб Евгеньевич пришел к следующим важным выводам: «Для применения на самолёте необходим лёгкий и прочный парашют. Он должен быть совсем небольшим в сложенном состоянии… Главное, чтобы парашют всегда находился при человеке. В таком случае летчик сможет спрыгнуть с любого борта или крыла самолёта».

После ряда неудачных опытов Котельников случайно увидел в театре, как одна дама доставала огромную шёлковую шаль из маленькой сумочки. Это навело его на мысль о том, что тонкий шёлк может оказаться наиболее подходящим материалом для складывающегося парашюта. Получившаяся модель была невелика по объему, прочна, эластична и легко развертывалась. Поместить парашют Котельников планировал в головной шлем летчика. Специальная спиральная пружинка должна была при необходимости выталкивать спасательный снаряд из шлема. А чтобы нижняя кромка быстрее оформляла купол и парашют мог заполниться воздухом, изобретатель пропустил через нижний край упругий и тонкий металлический трос.

Глеб Евгеньевич подумал и над задачей защиты пилота от чрезмерного рывка в момент раскрытия парашюта. Особое внимание было уделено конструкции подвесной системы и крепления спасательного средства к человеку. Изобретатель правильно предположил, что крепление парашюта к человеку в одной точке (как в воздухоплавательных спасснарядах) даст чрезвычайно сильный рывок в месте, где будет закреплен шнур. Помимо этого, при таком способе крепления человек до самого момента приземления будет вращаться в воздухе, что тоже довольно опасно. Отказавшись от подобной схемы, Котельников разработал собственное, довольно оригинальное решение – разделил все парашютные стропы на две части, прикрепив их к двум подвесным лямкам. Подобная система равномерно распределяла силу динамического удара по всему телу при раскрытии парашюта, а находящиеся на подвесных ремнях резинки-амортизаторы ещё более смягчали удар. Учел изобретатель и механизм быстрого освобождения от парашюта после посадки с целью избежать протаскивания человека по земле.

Собрав новую модель, Глеб Евгеньевич перешел к её испытаниям. Парашют закреплялся на кукле-манекене, которая затем сбрасывалась с крыши. Парашют без заминок выскакивал из головного шлема, раскрывался и плавно опускал манекен на землю. Радости изобретателя не было предела. Однако когда он решил рассчитать площадь купола, способного выдержать и успешно (со скоростью около 5 м/с) опустить на землю 80-килограммовый груз, то вышло, что она (площадь) должна была быть не менее 50 квадратных метров. Уложить столько шёлка, пусть даже и очень лёгкого, в шлем летчика оказалось решительно невозможно. Однако гениальный изобретатель не расстраивался, пос ле долгих размышлений он принял решение поместить парашют в специальную сумку, надеваемую на спину.

После долгих мытарств, проб и испытаний ему удалось зарегистрировать парашют во Франции 20 марта 1912 года.

2 июня 1912 года Котельников провёл испытания парашюта на прочность материалов, а также проверил силу сопротивления купола. Для этого он прикрепил свое устройство к буксировочным крюкам автомобиля. Разогнав машину до 70 верст в час (около 75 км/ч), изобретатель дернул спусковой шнур. Парашют мгновенно раскрылся, а автомобиль тотчас же был остановлен силой сопротивления воздуха. Конструкция полностью выдержала, обрывов строп или разрывов материи не было обнаружено. К слову, остановка автомобиля навела конструктора на мысль о разработке воздушного тормоза для летательных аппаратов во время посадки.

В современные дни парашюты используются для спуска различных грузов, в том числе людей, продуктов питания, оборудования, космических капсул и даже бомб.

Параплан (от слов: парашют планирующий) – сверхлёгкий летательный аппарат, созданный на базе планирующего парашюта. Несмотря на внешнее сходство и родство с парашютом (в основе обоих – мягкое крыло, не оборудованное каркасом), они принципиально отличаются тем, что параплан предназначен для горизонтального полёта, а парашют – для вертикального спуска. На параплан может быть дополнительно установлен силовой агрегат (мотор), трансформирующий его в мотопараплан, который позволяет взлетать с любой поверхности, набирать высоту за счёт мотора и дает возможность не подстраиваться под погоду.

На этом сверхлёгком аппарате опытные пилоты могут пролететь более 300 км и подняться на высоту более 4000 метров. Он отличается лёгким взлетом, управлением и посадкой и помещается в рюкзаке. Несмотря на кажущуюся простоту управления и обслуживания, крыло требует специализированного обучения и определённых навыков для безопасных полётов.

Параплан – наиболее медленный из летательных аппаратов тяжелее воздуха. Типичная скорость полёта относительно воздуха – от 20 до 70 км/ч. Благодаря низкой скорости, склонности учебных моделей к самостоятельному выходу на стационарные режимы планирования и минимальных требований к площадке для экстренной посадки параплан прост в обучении и прощает некоторые ошибки пилота.

Сравнительно невысокие лётные характеристики параплана сильно ограничивает его возможности и делают его зависимым от погодных условий. Это самый лёгкий (5–7 кг) и доступный (от 1000 евро) среди пилотируемых летательных аппаратов. Малый вес по сравнению с планёрами и дельтапланами обусловлен тем, что все его конструкционные элементы работают только на растяжение и поэтому изготовлены из тканевых материалов.

Крыло параплана состоит из двух полотен синтетической ткани, создающих верхнюю и нижнюю поверхности крыла. Они сшиваются по задней кромке и по бокам, а спереди оставляются зазоры – воздухозаборники, через которые набегающий поток воздуха надувает крыло изнутри. Внутри крыла параллельно направлению полёта располагаются вертикальные тканевые перегородки, задающие его профиль – нервюры.

В полёте поток воздуха, попадающий через воздухозаборники в крыло, создаёт в нём повышенное давление, благодаря чему крыло становится жёстким и приобретает соответствующий профиль.

Нервюры делятся на силовые и промежуточные. К силовым снизу крепятся стропы, промежуточные предназначены только для задания профиля крыла. В нервюрах делаются перепускные отверстия, через которые воздух может перетекать из одной секции крыла в другую. Это позволяет параплану легче надуваться при старте или после подсложения в воздухе.

Крыло делается из воздухонепроницаемых тканей. Для лучшего распределения нагрузки со строп силовые нервюры усиливаются каркасными лентами. Передние кромки нервюр (воздухозаборники) делаются полужёсткими, что облегчает наполнение параплана при старте.

Существуют также однооболочковые парапланы, отличающиеся меньшим весом и несколько худшими лётными характеристиками по сравнению с традиционными двухоболочковыми.

Однако первый летательный аппарат, напоминающий параплан, был сделан Дэвидом Бэришем именно по однооболочковой схеме.

Орнитоптер

Орнитоптер (от греческого ornithos «птица» и pteron «крыло») – воздушное судно тяжелее воздуха, которое поддерживается в полёте за счёт реакций воздуха с его плоскостями, которым придается маховое движение. В русском языке также есть синонимы этого слова – махолет и птицекрылый или машущекрылый летательный аппарат.

На протяжении всей своей истории человек предпринимал попытки подняться в небо. Древние, имея перед глазами пример птиц, не могли представить иного способа полёта. В завораживающем своей лёгкостью парении птицы древние мифотворцы видели надежду на осуществление мечты подняться в небо. Именно поэтому первые летательные аппараты создавались по их подобию. Легенда о машущем полёте жива со времён древних греков, со времн мифа о Дедале и Икаре.

«Мы встречаем опять беспочвенные попытки летать на аппаратах, наивно имитирующих птиц, или новые исследования… частично повторяющие исследования Леонардо…» Так писал об этом времени замечательный советский учёный в области ракетно-космической техники М.К. Тихонравов в своей книге «Полёт птиц и машины с машущими крыльями». Более того, точно такие же попытки повторяются в 30-х годах прошлого столетия и, по крайней мере, в проектах, неистребимо живут до наших дней.

Орнитоптер, который был вдохновлён полётами птиц, летучих мышей и насекомых, представляет собой самолёт, который летит, хлопая крыльями. Большинство орнитоптеров беспилотные, но также было построено несколько пилотируемых орнитоптеров. Одна из самых ранних концепций такого летательного аппарата была разработана Леонардо да Винчи ещё в XV веке.

Леонардо был убеждён, что «человек, преодолевающий сопротивление воздуха с помощью больших искусственных крыльев, может подняться в воздух». Уверенный в своей правоте, он придумал аппарат, который позволил бы человеку парить в воздухе, как птица, размахивая большими механическими крыльями, приводимыми в движение только силой мышц. Чтобы сконструировать орнитоптер, Леонардо да Винчи детально изучал анатомию птичьего крыла. На основе своих наблюдений за птицами, летучими мышами, стрекозами, Леонардо создал десятки изображений разных летательных конструкций, которые имели интересные инженерные решения. До наших дней сохранились чертежи нескольких моделей орнитоптеров. Свой первый летательный аппарат Леонардо да Винчи построил в 1485 –1487 годах. В этом орнитоптере человек должен был находиться в лежачем положении. Для полёта планировалось задействовать его силу рук и ног. Ноги вдеты в стремена так, что одна нога поднимает крыло, другая опускает, а затем наоборот. Крылья конструкции сгибаются и вращаются при помощи верёвок и рычагов. Это должно было создать помимо подъёмной силы, силу направленную вперёд, необходимую для горизонтального полёта.

В 1894 году Отто Лилиенталь, немецкий пионер авиации, впервые в истории совершил пилотируемый полёт на орнитоптере.

Немецкий инженер и первый лётчик-исследователь разработал, построил и испытал одиннадцать летательных аппаратов. Научное обоснование причин парения птиц, сделанное Лилиенталем и продолженное Н. Е. Жуковским, во многом определило развитие авиации. Лилиенталь совершил свыше двух тысяч полётов на планёрах собственной конструкции. В отличие от многих пионеров авиации, он не пытался сразу взлететь, а долго бегал по холмам, пытаясь определить центр подъёмной силы. Первый «полёт» совершил, просто поджав колени.

Впервые разработал биплан, когда, решив увеличить площадь крыла, обладавшего ограниченным запасом прочности, сделал надстройку из ещё одного крыла. Необходимым условием полётов считал «птичье чутьё» (способность предугадывать порывы ветра и др.) которое, по его мнению, приобреталось с опытом полётов.

Американские братья Райт использовали идею Лилиенталя при создании первого в мире самолёта.

Имя Отто Лилиенталя носит берлинский аэропорт Тегель, а также населённый пункт под Бременом.

К орнитоптерам проявляют интерес военные. Армия нуждается в летательных аппаратах, которые будут не просто похожи на птиц, но чтобы летали так же тихо и манёвренно, как настоящие пернатые, – а это значит, что ей нужны орнитоптеры.

В настоящее время орнитоптеры-беспилотники широко используются в различных областях жизнедеятельности человека: геология, гражданское строительство, нефтедобыча, картография… Да и среди обычных людей немало любителей производить фотосъемку, закрепив видеокамеру на управляемый орниптоптер-беспилотник.

Сегодня наиболее перспективными направлениями можно считать создание роботов-орнитоптеров и создание пилотируемых орнитоптеров. Первое направление получило более широкое развитие (появились новые, сверхпрочные и сверхлёгкие материалы, новый инструментарий), второе также развивается, но успешных моделей пилотируемых орнитоптеров пока так и не появилось. Однако и это направление следует считать перспективным. Возможно, что новейшие разработки орнитоптеров-беспилотников станут основой для создания пилотируемых моделей.