Летательный аппарат

Лета́тельный аппара́т — устройство, предназначенное для осуществления полётов в атмосфере Земли, других планет и в космосе. Полёт основан на преодолении силы тяжести при помощи подъёмной силы^[1].

История возникновения

В IV-III веках до нашей эры в Древнем Китае впервые изобрели летательный аппарат с неподвижным крылом, который получил название воздушного змея. Воздушные змеи использовались в различных целях. В военных походах они служили для передачи сигналов и наблюдения за противником. Например, во время сражений с их помощью передавали команды и предупреждения, что позволяло значительно улучшить координацию действий войск. В мирное время воздушные змеи становились частью праздничных мероприятий, где их запускали в небо, создавая представления. В некоторых регионах Древнего Китая даже проводились специальные фестивали, посвящённые запуску воздушных змеев, на которых собирались люди, чтобы насладиться этим зрелищем и продемонстрировать свои навыки^[2].

Важным вкладом в изучение полётов стал и итальянский художник и изобретатель Леонардо да Винчи. В его рукописях, хранящихся в Институте Франции в Париже, можно найти множество идей и чертежей, касающихся полётов. В частности, он создал рисунок, на котором изображён человек, спускающийся по воздуху с помощью плоской поверхности. В этом рисунке Леонардо да Винчи описал, как человек может управлять своим движением в воздухе, изменяя положение рук. Это можно считать ранним описанием парашюта. Данная идея возникла у него на основе наблюдений за падением различных объектов в воздухе. Рисунок датируется 1485 годом и демонстрирует глубокое понимание принципов аэродинамики, которые являлись недоступными его современникам^[2].

Первым, кто официально опубликовал проект парашюта, стал венецианец Фаусто Веранцио. В 1595 году он издал книгу под названием «Новые машины», в которой описал своё устройство — квадратный кусок холста, прикреплённый к раме. К углам этой рамы привязывались верёвки, которые затем крепились к подвесу. Таким образом, Фаусто Веранцио стал одним из первых, кто задумался о возможности безопасного спуска с высоты, используя сопротивление воздуха.

Джорж Кейли первым определил ключевые параметры полёта для объектов, которые тяжелее воздуха, описав такие важные аспекты, как подъёмная сила, тяга и сопротивление. Кроме того, он использовал модели для изучения полёта, разработав первый моноплан — простой планер с фиксированными крыльями и хвостом, включающим вертикальную и горизонтальную поверхности. Джорж Кейли также указал на преимущества бипланов и трипланов, которые обеспечивали большую подъёмную силу при небольшом весе^[2].

Ещё одним важным шагом стал планер, созданный капитаном дальнего плавания Жан-Мари Ле Бри в 1856 году. Этот аппарат с птицеобразной формой протестирован в 1857 году. Конструкция планера являлась деревянной, обшитой тканью, а его несущие поверхности прикреплены к фюзеляжу, выполненному в форме лодки. Ле Бри использовал тележку с лошадьми для достижения скорости взлёта, что позволило успешно выполнить короткий полёт, приземлившись на песчаный пляж у Бреста. Метод старта, предложенный Ле Бри, до сих пор востребован и применим в 90 % случаев^[2].

Классификация

В основе полёта лежит преодоление гравитационной силы — силы тяжести, которая определяется уравнением $G=m*g$ , где $G$ — сила тяжести; $m$ — масса летящего тела, кг; $g$ — ускорение свободного падения, м/с2 . Сила, преодолевающая силу тяжести, называется подъёмной силой. В равномерном горизонтальном установившемся полёте подъёмная сила $Y$ уравновешивает силу тяжести $G$ . Принцип полёта определяется тем, каким образом и за счёт чего создается подъёмная сила^[3].

В настоящее время техническое значение имеют следующие принципы полёта:

Баллистический — сила $Y$ определяется силой инерции тела, летящего за счёт начального запаса скорости или высоты, поэтому баллистический полёт называют также пассивным.
Ракетодинамический — сила $Y$ определяется реактивной силой, возникающей в результате отбрасывания части летящего тела. В соответствии с законом сохранения импульса системы, при отделении от её массы с какой-либо скоростью некоторой части массы, возникает движение.
Аэростатический — сила $Y$ определяется Архимедовой силой, равной силе тяжести вытесненного телом воздуха.
Аэродинамический — сила $Y$ определяется реактивной силой, возникающей в результате отбрасывания вниз части воздуха, обтекающего тело при его движении, то есть силовым воздействием воздуха на движущееся тело^[3].

При полёте в атмосфере, кроме силы тяжести, летательному аппарату приходится преодолевать силу сопротивления внешней среды. Силу, преодолевающую силу внешней среды $X$ , называют тягой $P$ . В горизонтальном установившемся полёте тяга $P$ уравновешивает силу сопротивления среды. Тягу $P$ , как и подъёмную силу $Y$ , можно создавать различными способами^[3].

На все виды летательных аппаратов в полёте действует сила тяжести. Для её преодоления летательный аппарат должны создавать во время полёта подъёмную силу. Способ создания подъёмной силы определяет принцип полёта летательный аппарат и их классификацию^[3].

По принципу полёта

аэростатический, подъёмная сила создается благодаря выталкивающей (Архимедовой) силе, действующей на находящееся в воздухе тело, более лёгкое, чем воздух в объёме этого тела;
аэродинамический, подъёмная сила создаётся в результате силового воздействия воздуха на тело, которое в нём перемещается;
ракетодинамический, подъёмная сила создаётся силами реакции при отбрасывании части массы летящего тела;
баллистический, подъёмная сила определяется силой инерции, запасённой на начальном участке траектории полёта.

Аэростатические летательные аппараты (воздухоплавательные) используют газы (легче воздуха) для создания подъёмной силы. Принцип работы этих устройств можно понять через закон Архимеда, который гласит: «Сила, выталкивающая целиком погружённое в жидкость или газ тело, равна весу жидкости или газа в объёме тела». К таким летательным средствам относятся воздушные шары и аэростаты. Стратостаты — аэростаты, предназначенные для полёта в стратосфере. Они отличаются от обычных аэростатов наличием герметичной кабины. Дирижабли — управляемые аэростаты, оснащённые двигателями. Их оболочка обычно вытянутая и помимо гондолы включает силовую установку, обеспечивающую движение, а также элементы для создания устойчивости, позволяющие пилоту управлять курсом.

Преимущества аппаратов — способность вертикально подниматься и опускаться, а также «висеть» в воздухе без дополнительных затрат энергии и в хорошей грузоподъёмности. Недостатки — слабая манёвренность, невысокая скорость и потребность в надёжных средствах для стоянки.

Проекция профиля крыла и распределения действующих в полёте сил

Летательные аппараты, превышающие по весу воздух, в которых подъёмная сила создаётся благодаря аэродинамическому принципу, составляют самую многочисленную категорию. Прежде всего, сюда входят самолёты различных типов и назначения. Подъёмная сила при полёта самолёта возникает благодаря набеганию воздуха на несущие поверхности (правая и левая плоскости крыла) в результате движения самолёта, которое обеспечивается тягой, генерируемой силовой установкой. Для возникновения подъёмной силы профиль крыла создаётся таким, чтобы в воздушном потоке образовывались области повышенного (под крылом) и пониженного (над крылом) давления. В отличие от самолётов, планеры не оснащены двигателем, но их подъёмная сила также формируется крылом во время полёта за счёт использования восходящих потоков воздуха.

К этой же категории летательных аппаратов относятся вертолёты и автожиры. В вертолётах подъёмная сила создаётся вращающимся несущим винтом, который приводится в движение силовой установкой. В автожирах подъёмная сила обеспечивается специальным винтом, вращающимся от потока воздуха, в то время как поступательное движение создаётся с помощью силовой установки.

К группе летательных аппаратов, использующих ракетодинамический принцип полёта, относятся ракеты различного назначения. К баллистическим летательным аппаратам — в основном спутники Земли и межпланетные корабли.

По характеру полёта

По характеру полёта можно выделить пилотируемые летательные аппараты и разного предназначения беспилотники, к которым относятся, в частности авиамодели. Авиамодели в свою очередь разделяются на:

свободнолетающие;
кордовые;
радиоуправляемые^[4].

Полёт, при котором отсутствует любая связь между пилотируемой моделью и моделистом, кроме визуального наблюдения, называется свободным. К свободнолетающим моделям относятся планеры, самолёты с резиновыми и поршневыми двигателями (таймерные), а также модели вертолётов. Кордовые модели управляются моделистом, находящимся на земле, с помощью нерастягивающихся нитей — тонкой стальной проволоки или тросиков. К этому типу моделей могут относиться скоростные, гоночные и пилотажные модели «воздушного боя», а также копии настоящих самолётов. В случае радиоуправляемого полёта моделист контролирует модель с земли, передавая команды через радиосигналы^[4].

См. также

Аэродинамическая авиатехника
Воздушное судно (название для подмножества летательных аппаратов, применяемых в авиации)
Беспилотный летательный аппарат

Примечания

↑ Матвеенко А. М. Летательный аппарат (рус.). Большая Российская энциклопедия. Дата обращения: 13 февраля 2025.
↑ ^{Перейти обратно: 2,0} ^2,1 ^2,2 ^2,3 Рубцов Ю.Б., Слюсарь Б.Н. Введение в авиационную технику и технологию. — Ростов-на-Дону: Донской Государственный технический университет, 2004. — 128 с.
↑ ^{Перейти обратно: 3,0} ^3,1 ^3,2 ^3,3 Востриков В.Н. Введение в специальность. — Ульяновск: УлГТУ, 2024. — С. 13. — 76 с.
↑ ^{Перейти обратно: 4,0} ^4,1 Ермакова А.М. Простейшие авиамодели. — М.: Просвещение, 1989. — С. 16. — 144 с. — ISBN 5-09-001452-3.

[1] Матвеенко А. М. Летательный аппарат (рус.). Большая Российская энциклопедия. Дата обращения: 13 февраля 2025.

[:0-2] {Перейти обратно: 2,0} ^2,1 ^2,2 ^2,3 Рубцов Ю.Б., Слюсарь Б.Н. Введение в авиационную технику и технологию. — Ростов-на-Дону: Донской Государственный технический университет, 2004. — 128 с.

[:1-3] {Перейти обратно: 3,0} ^3,1 ^3,2 ^3,3 Востриков В.Н. Введение в специальность. — Ульяновск: УлГТУ, 2024. — С. 13. — 76 с.

[:2-4] {Перейти обратно: 4,0} ^4,1 Ермакова А.М. Простейшие авиамодели. — М.: Просвещение, 1989. — С. 16. — 144 с. — ISBN 5-09-001452-3.

[1]

[2]

[3]

[4]