Аэронавтика: Наука о полетах и создании летательных аппаратов.

Введение

Аэронавтика – наука, искусство или область знаний, связанная с изучением, проектированием и производством машин, способных к полетам.

Аэронавтика – это наука или искусство, охватывающее изучение, проектирование и производство летательных аппаратов, а также методы эксплуатации самолетов и ракет в атмосфере. Британское Королевское Аэронавтическое Общество определяет аспекты «аэронавтического искусства, науки и инженерии» и «профессии аэронавтики (включающей в себя астронавтику)». Изначально термин относился исключительно к управлению летательными аппаратами, однако впоследствии был расширен и включает в себя технологии, бизнес и другие аспекты, связанные с авиацией. Термин «авиация» иногда используется как синоним аэронавтики, хотя «аэронавтика» охватывает и летательные аппараты легче воздуха, такие как дирижабли, и баллистические аппараты, в то время как «авиация» технически этого не включает. Основоположниками современной аэронавтики считаются Леонардо да Винчи эпохи Возрождения и Кейли, начавший свои исследования в 1799 году, оба они начали с изучения полета птиц. Считается, что в древнем Китае широко использовались воздушные змеи. В 1282 году итальянский путешественник Марко Поло описал китайские методы, существовавшие в то время. Китайцы также строили небольшие воздушные шары, или фонари, и игрушки с вращающимися крыльями. Одним из первых европейцев, представивших научное обсуждение полета, был Роджер Бэкон, который описал принципы работы воздушного шара, наполненного легким газом, и орнитоптера с машущими крыльями, создание которых он предвидел в будущем. Подъемной силой для его шара должен был служить «эфир», состав которого ему был неизвестен. В конце XV века Леонардо да Винчи, продолжив изучение птиц, разработал проекты одних из первых летательных аппаратов, включая орнитоптер с машущими крыльями и вертолет с вращающимися крыльями. Хотя его конструкции были рациональными, они не основывались на передовых научных знаниях. Многие его проекты, например, винтовой вертолет для четырех человек, имели серьезные недостатки. Однако он уже понимал, что «объект оказывает на воздух сопротивление, равное сопротивлению воздуха на объект». (Третий закон движения Ньютон опубликовал лишь в 1687 году.) Его анализ привел к осознанию того, что мускульной силы недостаточно для продолжительного полета, и в его более поздних проектах был предусмотрен механический привод, например, пружинный механизм. Работы да Винчи были утеряны после его смерти и вновь стали доступны лишь после того, как их превзошли исследования Джорджа Кейли.

Aeronautics is the science or art involved with the study, design, and manufacturing of air flight capable machines, and the techniques of operating aircraft and rockets within the atmosphere. The British Royal Aeronautical Society identifies the aspects of "aeronautical Art, Science and Engineering" and "The profession of Aeronautics (which expression includes Astronautics)." While the term originally referred solely to operating the aircraft, it has since been expanded to include technology, business, and other aspects related to aircraft. The term "aviation" is sometimes used interchangeably with aeronautics, although "aeronautics" includes lighter than air craft such as airships, and includes ballistic vehicles while "aviation" technically does not. The founders of modern aeronautics, Leonardo da Vinci in the Renaissance and Cayley in 1799, both began their investigations with studies of bird flight. Man carrying kites are believed to have been used extensively in ancient China. In 1282 the Italian explorer Marco Polo described the Chinese techniques then current. The Chinese also constructed small hot air balloons, or lanterns, and rotary wing toys. An early European to provide any scientific discussion of flight was Roger Bacon, who described principles of operation for the lighter than air balloon and the flapping wing ornithopter, which he envisaged would be constructed in the future. The lifting medium for his balloon would be an "aether" whose composition he did not know. In the late fifteenth century, Leonardo da Vinci followed up his study of birds with designs for some of the earliest flying machines, including the flapping wing ornithopter and the rotating wing helicopter. Although his designs were rational, they were not based on particularly good science. Many of his designs, such as a four person screw type helicopter, have severe flaws. He did at least understand that "An object offers as much resistance to the air as the air does to the object." (Newton would not publish the Third law of motion until 1687.) His analysis led to the realisation that manpower alone was not sufficient for sustained flight, and his later designs included a mechanical power source such as a spring. Da Vinci's work was lost after his death and did not reappear until it had been overtaken by the work of George Cayley.

Полет на воздушном шаре

Современная эра полетов легче воздуха началась в начале XVII века с экспериментов Галилея, показавших, что воздух имеет вес. Около 1650 года Сирано де Бержерак написал несколько фантастических романов, в которых описал принцип подъема с использованием вещества (росы), которое, по его мнению, было легче воздуха, и спуска с помощью выпуска контролируемого количества этого вещества. Франческо Лана де Терци измерил давление воздуха на уровне моря и в 1670 году предложил первую научно обоснованную подъемную силу в виде полых металлических сфер, из которых был откачан весь воздух. Эти сферы были бы легче вытесненного воздуха и могли бы поднять дирижабль. Его предложенные методы управления высотой используются и сегодня: путем переноски балласта, который можно сбросить за борт для набора высоты, и путем выпуска газа из подъемных контейнеров для ее снижения. На практике сферы де Терци разрушились бы под давлением воздуха, и дальнейшие разработки пришлось отложить до появления более практичных подъемных газов. С середины XVIII века братья Монгольфье во Франции начали экспериментировать с воздушными шарами. Их шары были сделаны из бумаги, и ранние эксперименты с использованием пара в качестве подъемного газа оказались недолговечными из-за его воздействия на бумагу при конденсации. Приняв дым за разновидность пара, они начали наполнять свои шары горячим дымящимся воздухом, который назвали «электрическим дымом», и, несмотря на неполное понимание принципов, совершили несколько успешных запусков и в 1783 году были приглашены для демонстрации во Французскую академию наук. Тем временем открытие водорода побудило Джозефа Блэка около 1780 года предложить использовать его в качестве подъемного газа, однако практическая демонстрация требовала создания газонепроницаемого материала для шаров. Узнав о приглашении братьев Монгольфье, член Французской академии Жак Шарль предложил аналогичную демонстрацию водородного шара. Шарль и два мастера, братья Робер, разработали газонепроницаемый материал из резинового шелка для оболочки. Водород должен был выделяться в результате химической реакции в процессе наполнения. Конструкции Монгольфье имели несколько недостатков, включая необходимость в сухой погоде и склонность искр от огня к воспламенению бумажного шара. В пилотируемой конструкции вокруг основания шара была галерея, а не подвесная корзина первого, беспилотного варианта, что приближало бумагу к огню. Во время свободного полета Де Розье и д’Арланд взяли с собой ведра с водой и губки, чтобы тушить возникающие пожары. С другой стороны, пилотируемая конструкция Шарля была по сути современной. В результате этих достижений воздушный шар стал известен как тип Монгольфьера, а газовый шар – как Шарльера. Следующий шар Шарля и братьев Робер, La Caroline, был Шарльером, который следовал предложениям Жана Батиста Мюнье о создании вытянутого дирижабля и отличался наличием внешней оболочки с газом, содержащимся во втором, внутреннем баллонете. 19 сентября 1784 года он совершил первый полет протяженностью более 100 км между Парижем и Бёври, несмотря на то, что приводимые в действие мускульной силой двигатели оказались бесполезными. В следующем году, стремясь обеспечить как продолжительность полета, так и управляемость, де Розье разработал шар с мешками горячего воздуха и водорода, конструкция которого вскоре получила его имя – Розье. Принцип заключался в использовании водородной секции для постоянной подъемной силы и вертикальной навигации путем нагрева и охлаждения секции горячего воздуха, чтобы уловить наиболее благоприятный ветер на любой высоте. Оболочка шара была сделана из кожи золотобойца. Первый полет закончился катастрофой, и с тех пор этот подход редко использовался.

The modern era of lighter than air flight began early in the 17th century with Galileo's experiments in which he showed that air has weight. Around 1650 Cyrano de Bergerac wrote some fantasy novels in which he described the principle of ascent using a substance (dew) he supposed to be lighter than air, and descending by releasing a controlled amount of the substance. Francesco Lana de Terzi measured the pressure of air at sea level and in 1670 proposed the first scientifically credible lifting medium in the form of hollow metal spheres from which all the air had been pumped out. These would be lighter than the displaced air and able to lift an airship. His proposed methods of controlling height are still in use today; by carrying ballast which may be dropped overboard to gain height, and by venting the lifting containers to lose height. In practice de Terzi's spheres would have collapsed under air pressure, and further developments had to wait for more practicable lifting gases. From the mid 18th century the Montgolfier brothers in France began experimenting with balloons. Their balloons were made of paper, and early experiments using steam as the lifting gas were short lived due to its effect on the paper as it condensed. Mistaking smoke for a kind of steam, they began filling their balloons with hot smoky air which they called "electric smoke" and, despite not fully understanding the principles at work, made some successful launches and in 1783 were invited to give a demonstration to the French Académie des Sciences. Meanwhile, the discovery of hydrogen led Joseph Black in c. 1780 to propose its use as a lifting gas, though practical demonstration awaited a gas tight balloon material. On hearing of the Montgolfier Brothers' invitation, the French Academy member Jacques Charles offered a similar demonstration of a hydrogen balloon. Charles and two craftsmen, the Robert brothers, developed a gas tight material of rubberised silk for the envelope. The hydrogen gas was to be generated by chemical reaction during the filling process. The Montgolfier designs had several shortcomings, not least the need for dry weather and a tendency for sparks from the fire to set light to the paper balloon. The manned design had a gallery around the base of the balloon rather than the hanging basket of the first, unmanned design, which brought the paper closer to the fire. On their free flight, De Rozier and d'Arlandes took buckets of water and sponges to douse these fires as they arose. On the other hand, the manned design of Charles was essentially modern. As a result of these exploits, the hot air balloon became known as the Montgolfière type and the gas balloon the Charlière. Charles and the Robert brothers' next balloon, La Caroline, was a Charlière that followed Jean Baptiste Meusnier's proposals for an elongated dirigible balloon, and was notable for having an outer envelope with the gas contained in a second, inner ballonet. On 19 September 1784, it completed the first flight of over 100 km, between Paris and Beuvry, despite the man powered propulsive devices proving useless. In an attempt the next year to provide both endurance and controllability, de Rozier developed a balloon having both hot air and hydrogen gas bags, a design which was soon named after him as the Rozière. The principle was to use the hydrogen section for constant lift and to navigate vertically by heating and allowing to cool the hot air section, in order to catch the most favourable wind at whatever altitude it was blowing. The balloon envelope was made of goldbeater's skin. The first flight ended in disaster and the approach has seldom been used since.

Кейли и основа современной аэронавтики

Сэр Джордж Кейли (1773–1857) широко признан основателем современной аэронавтики. Впервые его назвали «отцом самолета» в 1846 году, а Хенсон – «отцом воздушной навигации». Он был первым настоящим научным исследователем в области воздухоплавания, опубликовавшим свои работы, в которых впервые были изложены основополагающие принципы и силы полета. В 1809 году он начал публикацию знакового трехтомного трактата под названием «О воздушной навигации» (1809–1810). В нем он сформулировал первое научное определение проблемы: «Вся проблема заключается в следующем: приложить силу к сопротивлению воздуха, чтобы поверхность могла поддерживать заданный вес». Он выявил четыре векторные силы, влияющие на летательный аппарат: тягу, подъемную силу, сопротивление и вес, а также разграничил понятия устойчивости и управляемости в своих конструкциях. Он разработал современную классическую схему самолета с фиксированным крылом, оснащенного стабилизирующим хвостовым оперением с горизонтальными и вертикальными поверхностями, и испытывал планеры как беспилотные, так и пилотируемые. Он внедрил использование стенда с вращающимся рычагом для изучения аэродинамики полета, с помощью которого обнаружил преимущества криволинейного (с выгнутым профилем) крыла по сравнению с плоским крылом, использованным в его первом планере. Он также определил и описал важность поперечного V-образного угла (диэдра), диагональных распорок и снижения сопротивления, а также внес вклад в понимание и проектирование орнитоптеров и парашютов. Другим значительным изобретением было колесо с натяжными спицами, которое он разработал для создания легкого и прочного колеса для шасси самолета.

XIX век: Отто Лилиенталь и первые полеты человека

В течение 19-го века идеи Кейли были усовершенствованы, доказаны и развиты, что нашло свое отражение в работах Отто Лилиенталя. Лилиенталь был немецким инженером и предпринимателем, получившим известность как "летающий человек". Он стал первым человеком, совершившим хорошо задокументированные, многократные и успешные полеты на планерах, тем самым воплотив в жизнь идею о возможности полета аппаратов "тяжелее воздуха". Газеты и журналы публиковали фотографии планеров Лилиенталя, что благоприятно повлияло на общественное и научное мнение о перспективах создания практичных летательных машин. Его работа привела к разработке концепции современного крыла. Его попытки полетов в Берлине в 1891 году рассматриваются как начало пилотируемого полета, а "Lilienthal Normalsegelapparat" считается первым серийно выпускаемым самолетом, что делает Maschinenfabrik Otto Lilienthal в Берлине первой в мире компанией по производству самолетов. Отто Лилиенталя часто называют "отцом авиации" или "отцом полета". Среди других важных исследователей был Горацио Филлипс.

Филиалы

Аэронавтика может быть разделена на три основные области: авиация, аэронаучная наука и авиастроение.

Авиация

Авиация — это искусство или практика аэронавтики. Исторически авиация относилась исключительно к полетам на летательных аппаратах тяжелее воздуха, но в настоящее время включает в себя также полеты на воздушных шарах и дирижаблях.

Авиационная техника

Авиационная инженерия охватывает проектирование, конструирование и постройку летательных аппаратов, включая принципы их работы, способы применения и системы управления для обеспечения безопасной эксплуатации. Важнейшая часть авиационной инженерии – аэродинамика, наука о движении в воздушной среде. В связи с развитием космических полетов, аэронавтика и космонавтика все чаще объединяются в аэрокосмическую инженерию.

Ракетная техника

Ракета или ракетное средство – это ракета, космический корабль, самолет или другое транспортное средство, которое получает тягу от ракетного двигателя. Во всех ракетах выхлопные газы образуются исключительно из компонентов топлива, находящихся внутри ракеты до использования. Ракетные двигатели работают по принципу действия и противодействия. Ракетные двигатели толкают ракету вперед, выбрасывая выхлопные газы назад с огромной скоростью. Ракеты для военных и развлекательных целей известны, по крайней мере, с 13-го века в Китае. Значительное научное, межпланетное и промышленное применение началось в 20-м веке, когда ракетостроение стало ключевой технологией космической эры, включая высадку на Луну. Ракеты используются для фейерверков, вооружения, катапультируемых кресел, пусковых установок для искусственных спутников, пилотируемых космических полетов и исследования других планет. Несмотря на сравнительную неэффективность при низких скоростях, они отличаются малым весом и высокой мощностью, способны создавать большие ускорения и достигать очень высоких скоростей с приемлемой эффективностью. Химические ракеты – наиболее распространенный тип ракет, в которых выхлоп обычно образуется в результате сгорания ракетного топлива. Химические ракеты накапливают большое количество энергии в легко высвобождаемой форме и могут быть очень опасными. Однако тщательное проектирование, испытания, изготовление и эксплуатация позволяют минимизировать риски.