Введение

Процесс, при котором объект движется через атмосферу или за её пределами.

Полёт – это процесс, при котором объект перемещается в пространстве, не соприкасаясь с какой-либо планетарной поверхностью, будь то в атмосфере (т.е. воздушный полёт или авиация) или в вакууме космического пространства (т.е. космический полёт). Этого можно достичь за счёт создания аэродинамической подъёмной силы, связанной с планированием или реактивной тягой, аэростатически – используя подъёмную силу, или посредством баллистического движения. Летать могут самые разные объекты: от животных, способных к полёту, таких как птицы, летучие мыши и насекомые, до естественных планеров/парашютистов, таких как животные с кожной складкой, семена, распространяемые ветром, и баллистоспоры, а также от изобретений человека, таких как летательные аппараты (самолёты, вертолёты, дирижабли, воздушные шары и т.д.), и ракеты, которые могут приводить в движение космические корабли и космические самолёты. Инженерные аспекты полёта – область аэрокосмической инженерии, которая подразделяется на аэронавтику (изучение аппаратов, перемещающихся в атмосфере), космонавтику (изучение аппаратов, перемещающихся в космосе) и баллистику (изучение полёта снарядов).

Полет на плаву

Люди сумели создать летательные аппараты легче воздуха, которые поднимаются с земли и летают благодаря своей выталкивающей силе в воздухе. Аэростат – это система, которая удерживается в воздухе главным образом за счет использования выталкивающей силы, обеспечивающей летательному аппарату общую плотность, равную плотности воздуха. К аэростатам относятся свободные воздушные шары, дирижабли и привязанные аэростаты. Основным конструктивным элементом аэростата является его оболочка – легкая оболочка, заключающая в себе объем подъемного газа для обеспечения выталкивающей силы, к которой крепятся другие компоненты. Аэростаты получили свое название, поскольку используют "аэростатическую" подъемную силу – выталкивающую силу, для создания которой не требуется боковое движение аппарата в окружающей воздушной массе. В отличие от них, аэродины в основном используют аэродинамическую подъемную силу, требующую бокового движения хотя бы части аппарата в окружающей воздушной массе.

Полет без двигателя против полета с двигателем

Некоторые летающие существа не создают тяги, действуя на воздух, например, летающая белка. Это называется планированием. Другие существа могут использовать восходящие потоки воздуха для набора высоты, такие как хищные птицы (при планировании) и планеры, созданные человеком. Это называется парением. Однако большинству других птиц и всем самолетам с двигателем необходим источник тяги для набора высоты. Это называется силовым полетом.

Полет животных

Единственные группы живых существ, использующих активный полёт, – это птицы, насекомые и летучие мыши, в то время как многие группы эволюционировали к планированию. Вымершие птерозавры, отряд рептилий, современный динозаврам, также были весьма успешными летающими животными. Крылья летающих позвоночных основаны на передних конечностях, но значительно различаются по строению; у насекомых предполагается, что они представляют собой сильно модифицированные версии структур, формирующих жабры у большинства других групп членистоногих. Летучие мыши – единственные млекопитающие, способные поддерживать горизонтальный полёт (см. полёт летучих мышей). Однако существует несколько планирующих млекопитающих, способных перелетать с дерева на дерево, используя плотные перепонки между конечностями; некоторые могут преодолевать сотни метров таким образом с незначительной потерей высоты. Летающие лягушки используют сильно увеличенные перепончатые лапы для аналогичной цели, а летающие ящерицы раскрывают свои подвижные рёбра, образуя пару плоских планирующих поверхностей. "Летающие" змеи также используют подвижные рёбра, чтобы придать телу аэродинамическую форму, совершая волнообразные движения, подобные тем, что они используют на земле. Летающие рыбы могут планировать, используя увеличенные плавники, напоминающие крылья, и наблюдались парящими на сотни метров. Считается, что эта способность была отобрана естественным отбором как эффективное средство ухода от подводных хищников. Самый длинный зарегистрированный полёт летающей рыбы составил 45 секунд. Большинство птиц летают (см. полёт птиц), за некоторыми исключениями. Самые крупные птицы, страус и эму, – это нелетающие наземные птицы, как и вымершие додо и форусрахиды, которые были доминирующими хищниками Южной Америки в эпоху кайнозоя. Нелетающие пингвины имеют крылья, приспособленные для использования под водой, и используют те же движения крыльев для плавания, что и большинство других птиц для полёта. Большинство мелких нелетающих птиц обитают на небольших островах и ведут образ жизни, в котором полёт не даёт значительных преимуществ. Среди летающих животных наибольший размах крыльев имеет странствующий альбатрос, достигающий ; наибольший вес – у большого дрофа, превышающий . Большинство видов насекомых способны летать во взрослом состоянии. Полёт насекомых использует одну из двух основных аэродинамических моделей: создание переднекраевого вихря, наблюдаемое у большинства насекомых, и механизм "хлопок и бросок", характерный для очень мелких насекомых, таких как трипсы. Многие виды пауков, паутинных клещей и чешуекрылых используют технику, называемую воздушным расселением, чтобы парить в воздушных потоках, таких как термики, выпуская тонкие нити паутины, которые поднимаются ветром и атмосферными электрическими полями.

Механические

Механический полет – это использование машины для осуществления полета. К таким машинам относятся летательные аппараты, как самолеты, планеры, вертолеты, автожиры, дирижабли, воздушные шары, орнитоптеры, а также космические аппараты. Планеры способны к беспилотному полету. Другой формой механического полета является парасейлинг, когда парашютоподобный объект тянется за лодкой. В самолете подъемная сила создается крыльями; форма крыльев самолета специально спроектирована для требуемого типа полета. Существуют различные типы крыльев: стреловидные, полустреловидные, прямоугольные и эллиптические. Крыло самолета иногда называют аэродинамическим профилем – это устройство, создающее подъемную силу при обтекании его воздушным потоком.

Сверхзвуковые

Сверхзвуковой полет – это полет со скоростью, превышающей скорость звука. Сверхзвуковой полет сопровождается образованием ударных волн, формирующих звуковой удар, который слышен на земле и часто вызывает испуг. Создание этой ударной волны требует значительных затрат энергии, что делает сверхзвуковой полет, как правило, менее эффективным, чем полеты на около 85% скорости звука.

Гиперзвуковые

Гиперзвуковой полет – это полет на очень высокой скорости, при котором тепло, выделяемое сжатием воздуха при движении в атмосфере, вызывает в нем химические изменения. Гиперзвуковой полет достигается главным образом при возвращении космических аппаратов в атмосферу, таких как Space Shuttle и "Союз".

Атмосферный

Некоторые объекты создают незначительную или вообще не создают подъемную силу и движутся только или преимущественно под действием импульса, силы тяжести, сопротивления воздуха и, в некоторых случаях, тяги. Это называется баллистическим полетом. Примеры включают мячи, стрелы, пули, фейерверки и т.п.

Космические полеты

Космический полет – это, по сути, экстремальная форма баллистической траектории, представляющая собой использование космических технологий для осуществления полетов космических аппаратов в и через космическое пространство. Примеры включают баллистические ракеты, орбитальные космические полеты и другие. Космические полеты применяются в исследовании космоса, а также в коммерческой деятельности, такой как космический туризм и спутниковая связь. К некоммерческим областям применения космических полетов относятся космические обсерватории, разведывательные спутники и другие спутники наблюдения за Землей. Обычно космический полет начинается с ракетного запуска, который обеспечивает первоначальный импульс для преодоления силы тяжести и вывода космического аппарата с поверхности Земли. После выхода в космос движением космического аппарата – как при неработающем двигателе, так и при его использовании – занимается область астродинамики. Некоторые космические аппараты остаются в космосе неопределенно долго, другие разрушаются при возвращении в атмосферу, а третьи достигают поверхности планеты или Луны для посадки или столкновения.

Двигатель твердого состояния

В 2018 году исследователям из Массачусетского технологического института (MIT) удалось заставить самолет летать без движущихся частей, используя "ионный ветер", также известный как электроаэродинамический толчок.

Авиация

Джордж Кейли научно изучал полёт в первой половине XIX века, а во второй половине XIX века Отто Лилиенталь совершил более 200 полётов на планерах и также был одним из первых, кто научно понял принципы полёта. Его работы были повторены и развиты братьями Райт, которые совершали полёты на планерах и, наконец, осуществили первые управляемые, продолжительные пилотируемые полёты с двигателем.

Космические полеты

Космические полеты, особенно пилотируемые, стали реальностью в XX веке благодаря теоретическим и практическим прорывам Константина Циолковского и Роберта Годдарда. Первый орбитальный полет состоялся в 1957 году, а Юрий Гагарин совершил первый пилотируемый орбитальный полет в 1961 году.

Физика

Есть разные подходы к полету. Если плотность объекта ниже, чем у воздуха, то он обладает плавучестью и способен держаться в воздухе, не затрачивая энергию. Летательные аппараты, тяжелее воздуха, известные как аэродинамики, включают в себя летающих животных и насекомых, самолеты с неподвижным крылом и вертолеты. Поскольку аппарат тяжелее воздуха, он должен создавать подъемную силу для преодоления своего веса. Сопротивление воздуха, возникающее при движении аппарата, называется аэродинамическим сопротивлением и преодолевается тягой, за исключением планирования. Некоторые аппараты также используют тягу вместо подъемной силы, например, ракеты и самолеты вертикального взлета и посадки Harrier.

Двигатель

Самолет с фиксированным крылом создает тягу вперед, когда воздух выталкивается в направлении, противоположном направлению полета. Это может быть реализовано различными способами, включая вращающиеся лопасти пропеллера, вращающийся вентилятор, выталкивающий воздух из сопла реактивного двигателя, или выброс горячих газов из ракетного двигателя. Величина тяги пропорциональна массе воздушного потока, умноженной на разность его скоростей. Обратная тяга может быть использована для помощи при торможении после посадки путем изменения угла установки лопастей винта переменного шага или с помощью реверсивного устройства на реактивном двигателе. Вертолеты и самолеты V/STOL с отклонением вектора тяги используют тягу двигателя для поддержания веса самолета, а векторную сумму этой тяги – для управления скоростью движения вперед.

Подъемник

В контексте обтекания летательного аппарата воздушным потоком, сила подъема является компонентой аэродинамической силы, перпендикулярной направлению потока. Аэродинамическая подъемная сила возникает, когда крыло отклоняет окружающий воздух, а затем этот воздух оказывает на крыло силу в противоположном направлении, в соответствии с третьим законом Ньютона. Подъемная сила обычно ассоциируется с крылом самолета, хотя она также создается роторами на вертолетах (которые, по сути, являются вращающимися крыльями, выполняющими ту же функцию, не требуя движения самолета вперед в воздухе). Хотя обычное значение слова "подъем" подразумевает противодействие гравитации, аэродинамическая подъемная сила может быть направлена в любом направлении. Например, во время крейсерского полета подъемная сила противодействует гравитации, но при наборе высоты, снижении или выполнении виража она действует под углом. На высокоскоростных автомобилях сила подъема направлена вниз (это называется "прижимной силой"), чтобы обеспечить устойчивость автомобиля на дороге.

Перетащить

Для твёрдого тела, движущегося в жидкости, сопротивление — это составляющая суммарной аэродинамической или гидродинамической силы, направленная против направления движения. Следовательно, сопротивление препятствует движению тела, и в транспортном средстве с двигателем оно должно быть скомпенсировано тягой. Процесс, создающий подъёмную силу, также порождает некоторое сопротивление.

Соотношение подъема к протяжению

Аэродинамическая подъемная сила создается движением аэродинамического объекта (крыла) в воздухе, который, благодаря своей форме и углу, отклоняет воздушный поток. Для устойчивого прямолинейного и горизонтального полета подъемная сила должна быть равна и противоположна весу. В общем случае, длинные узкие крылья способны отклонять большой объем воздуха на низкой скорости, в то время как крыльям меньшего размера требуется более высокая скорость полета для отклонения эквивалентного объема воздуха и, следовательно, создания эквивалентной подъемной силы. Крупные грузовые самолеты обычно используют более длинные крылья с большими углами атаки, тогда как сверхзвуковые самолеты, как правило, имеют короткие крылья и в значительной степени полагаются на высокую скорость полета для создания подъемной силы. Однако этот процесс создания подъемной силы (отклонения) неизбежно вызывает силу сопротивления, замедляющую движение. Поскольку подъемная сила и сила сопротивления являются аэродинамическими силами, отношение подъемной силы к силе сопротивления является показателем аэродинамической эффективности самолета. Отношение подъемной силы к силе сопротивления обозначается как L/D и произносится как "L к D". Самолет имеет высокое отношение L/D, если он создает большую подъемную силу или оказывает небольшое сопротивление. Отношение подъемной силы к силе сопротивления определяется делением коэффициента подъемной силы на коэффициент сопротивления – CL/CD. Коэффициент подъемной силы Cl равен подъемной силе L, деленной на (плотность воздуха ρ, умноженную на половину квадрата скорости V, умноженную на площадь крыла A). [Cl = L / (A * 0.5 * ρ * V^2)] Коэффициент подъемной силы также зависит от сжимаемости воздуха, которая значительно возрастает на более высоких скоростях, поэтому скорость V не является линейной функцией. На сжимаемость также влияет форма поверхностей самолета. Коэффициент сопротивления Cd равен силе сопротивления D, деленной на (плотность воздуха ρ, умноженную на половину квадрата скорости V, умноженную на опорную площадь A). [Cd = D / (A * 0.5 * ρ * V^2)]

Отношения подъемной силы к силе сопротивления для практических самолетов варьируются примерно от 4:1 для транспортных средств и птиц с относительно короткими крыльями до 60:1 и выше для транспортных средств с очень длинными крыльями, таких как планеры. Больший угол атаки относительно направления движения также увеличивает степень отклонения воздушного потока и, следовательно, создает дополнительную подъемную силу. Однако больший угол атаки также создает дополнительное сопротивление. Отношение подъемной силы к силе сопротивления также определяет коэффициент планирования и дальность планирования. Поскольку коэффициент планирования основан только на соотношении аэродинамических сил, действующих на самолет, вес самолета на него не влияет. Единственное влияние веса заключается в изменении времени планирования – более тяжелый самолет, планирующий на более высокой скорости, достигнет той же точки касания за меньшее время.

Плотность

Давление воздуха, действующее на объект снизу, больше, чем давление сверху, толкающее вниз. Подъемная сила в обоих случаях равна весу вытесненного воздуха. Принцип Архимеда применим к воздуху так же, как и к воде. Кубический метр воздуха при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре имеет массу около 1,2 килограмма, следовательно, его вес составляет около 12 ньютонов. Таким образом, любой объект объемом 1 кубический метр в воздухе испытывает подъемную силу в 12 ньютонов. Если масса объекта объемом 1 кубический метр превышает 1,2 килограмма (и, следовательно, его вес превышает 12 ньютонов), он упадет на землю при отпускании. Если объект такого размера имеет массу менее 1,2 килограмма, он поднимется в воздух. Любой объект, масса которого меньше массы равного объема воздуха, будет подниматься в воздухе, иными словами, любой объект, плотность которого меньше плотности воздуха, будет подниматься.

Отношение тяги к весу

Отношение тяги к весу, как следует из названия, представляет собой отношение мгновенной тяги к весу (где под весом подразумевается вес при стандартном ускорении свободного падения на Земле). Это безразмерный параметр, характерный для ракет и других реактивных двигателей, а также для транспортных средств, приводимых в движение такими двигателями (как правило, космических ракет-носителей и реактивных самолетов). Если отношение тяги к весу превышает местную силу тяжести (выраженную в g), то полет может осуществляться без какого-либо поступательного движения или необходимости в аэродинамической подъемной силе. Если отношение тяги к весу, умноженное на отношение подъемной силы к сопротивлению, превышает местную силу тяжести, то возможен взлет с использованием аэродинамической подъемной силы.

Динамика полета

Динамика полета – это наука об ориентации и управлении воздушными и космическими аппаратами в трех измерениях. Три основных параметра динамики полета – это углы вращения вокруг центра масс аппарата, известные как тангаж, крен и рыскание (см. вращения Тайт-Брайана для пояснения). Управление этими углами может осуществляться с помощью горизонтального стабилизатора (т.е. "хвоста"), элеронов и других подвижных аэродинамических поверхностей, которые обеспечивают угловую стабильность, то есть ориентацию в полете (которая, в свою очередь, влияет на высоту и курс). Крылья часто имеют небольшой угол наклона вверх – "положительный двугранный угол", который обеспечивает естественную стабилизацию по крену.

Энергоэффективность

Для создания тяги, необходимой для набора высоты, и для преодоления сопротивления воздуха, возникающего при подъёмной силе, требуется энергия. Различные объекты и существа, способные к полёту, отличаются эффективностью своих мышц, двигателей и тем, насколько хорошо эта эффективность преобразуется в поступательную тягу. Эффективность тяги определяет, какое количество энергии транспортное средство вырабатывает из единицы топлива.

Диапазон

Дальность полета летательных аппаратов с двигателем в конечном итоге ограничивается их аэродинамическим сопротивлением, а также объемом энергии, который они могут хранить на борту, и эффективностью преобразования этой энергии в тягу. Для самолетов с двигателем полезная энергия определяется топливным коэффициентом – отношением массы топлива к взлетной массе – и удельной энергией используемого топлива.

Соотношение мощности к весу

Все животные и устройства, способные к продолжительному полету, нуждаются в относительно высоком отношении мощности к весу, чтобы создавать достаточную подъемную силу и/или тягу для взлета.

Полет и посадка

У летающих аппаратов могут быть различные способы взлета и посадки. Обычные самолеты разгоняются по взлетно-посадочной полосе до достижения достаточной подъемной силы для взлета, и выполняют обратный процесс при посадке. Некоторые самолеты могут взлетать с малой скоростью; это называется коротким взлетом. Некоторые аппараты, такие как вертолеты и самолеты Harrier, могут взлетать и приземляться вертикально. Ракеты также обычно взлетают и приземляются вертикально, но некоторые конструкции могут приземляться горизонтально.

Навигация

Навигация – это совокупность систем, необходимых для определения текущего местоположения (например, компас, GPS, LORAN, звездный датчик, инерциальный измерительный блок и высотомер). В авиации успешная аэронавигация подразумевает пилотирование воздушного судна из пункта отправления в пункт назначения без потери ориентации, нарушения действующих авиационных законов и обеспечения безопасности находящихся на борту и на земле. Методы навигации в воздухе зависят от того, выполняется ли полет по правилам визуальных полетов (VFR) или по правилам полетов по приборам (IFR). В последнем случае пилот ориентируется исключительно по показаниям приборов и с использованием радио-навигационных средств, таких как радиомаяки, либо по указаниям диспетчера воздушного движения, осуществляющего радиолокационный контроль. В случае VFR пилот в основном использует метод пеленгования в сочетании с визуальными ориентирами (известный как пилотаж), сверяясь с соответствующими картами. Это может быть дополнено использованием радио-навигационных средств.

Руководство

Система наведения — это устройство или группа устройств, используемых для навигации корабля, самолета, ракеты, ракеты-носителя, спутника или другого движущегося объекта. Как правило, система наведения отвечает за вычисление вектора (то есть направления и скорости) к заданной цели.

Контроль

Система управления полетом обычного самолета с неподвижным крылом состоит из органов управления полетом, соответствующих элементов управления в кабине пилотов, тяг и необходимых приводов для управления направлением полета воздушного судна. Управление двигателем самолета также рассматривается как управление полетом, поскольку оно влияет на скорость.

Движение транспорта

В случае с воздушными судами, управление воздушным движением осуществляется системами управления воздушным движением. Предотвращение столкновений – это процесс управления космическими аппаратами для предотвращения столкновений.

Безопасность полетов

Безопасность полетов – это термин, охватывающий теорию, исследование и классификацию сбоев в полетах, а также предотвращение этих сбоев посредством регулирования, образования и подготовки. Она также может применяться в контексте кампаний, информирующих общественность о безопасности авиаперевозок.