17 декабря 1903 года братья Райт совершили первый документально подтвержденный полет на аэроплане.
Полет самолета возможен благодаря подъемной силе крыльев, возникающей из-за разницы между давлением воздуха под крыльями и над ними. Эта разница обусловлена особой геометрией крыльев, которую братья Райт рассчитали и с которой много экспериментировали перед своим знаменитым полетом.
Подъёмная сила крыла
Самолеты и лайнеры поднимаются и держатся в воздухе благодаря силе Архимеда. Каждый объект в атмосфере обладает подъемной силой, равной весу воздуха, вытесненного объектом. Если звездный шар наполнен газом легче воздуха, сила Архимеда толкает его вверх — предметы легче воды вдавливаются в его поверхность. Однако этот метод не подходил для транспортных средств тяжелее воздуха. Для создания подъемной силы самолетам требовалось другое начало.
Теория полета на крыльях основана на законе Бернулли, который гласит, что с увеличением воздушного пространства статическое давление воздуха уменьшается. Следовательно, если скорость воздуха над крыльями больше, чем скорость воздуха под крыльями, то давление воздуха в крыльях меньше, чем давление воздуха, действующее на крылья внизу. Таким образом, возникает подъемная сила. Крылья толкаются вверх. Для этого требуется особая форма крыла, верхняя часть которого должна быть более выпуклой. Поэтому поток воздуха вокруг верхнего крыла должен быть длиннее, чем нижний поток воздуха. Это означает, что скорость потока над крылом больше. Это необходимо для создания подъемной силы крыла.
Однако реальное применение этого теоретического принципа зависит от ряда условий, таких как плотность воздуха и скорость воздушного потока, геометрия крыла и угол атаки, значение числа Рейнольдса и другие факторы. Определение различных типов зарядов крыла и управление самолетом путем их изменения стало вкладом братьев Райт в науку о полете аэропланов.
Изобретения братьев Райт
17 декабря 1903 года братья Райт совершили первый документально подтвержденный полет аэроплана. Полет братьев Райт стал результатом многочисленных экспериментов, а также тщательных предварительных расчетов по подъему крыльев и управлению летательным аппаратом, который их использовал. Важным достижением братьев Райт стала их способность управлять полетом.
Их предшественники рассматривали воздушный полет как полет аэроплана, аналогичный движению автомобиля или корабля по поверхности земли. Прокрутка или вращение самолета не рассматривались, были нежелательны и не поддавались контролю со стороны пилота. В то же время братья Райт видели в этом способ полного контроля над летательными аппаратами. Основываясь на своих наблюдениях, Уилбур Райт обнаружил, что птицы могут поворачивать влево или вправо, меняя рожки крыльев. Такой способ позволяет самолету крениться в сторону поворота — как это делают птицы и велосипедисты при повороте, — а также восстанавливать равновесие при наклоне в сторону от ветровой качки (что случалось со многими начинающими авиаторами). Пытаясь воспроизвести это явление, братья Райт изобрели метод взмаха крыла: взмах крыла, или его искажение, увеличивает подъемную силу на одном конце крыла. Сочетание этого метода (включая руль высоты) с традиционным рулем обеспечивало полный контроль над самолетом и, по сути, стало началом истории современного аэроплана.
В ходе экспериментов братья Райт столкнулись с тем, что существующие типы расчетов подъемной силы крыла были крайне неточны. Для расчетов требовались значения коэффициентов подъемной силы, которые зависели от формы крыла. Чтобы определить их, братья Райт создали в воздухе около 200 небольших моделей различных крыльев. Внутри трубок находились «весы», придуманные для крыльев. Это устройство позволяло рассчитать скорость каждого типа крыла.
Как летает самолет
Если подъемная сила, создаваемая обтекающим крылья воздухом, превышала силу тяжести, самолет можно было поднять в воздух.
Чтобы поднять самолет в воздух и получить необходимую подъемную силу, самолет должен иметь поток воздуха вокруг крыльев, а значит, самолет должен иметь скорость, с которой он может лететь.
Самолет будет разбегаться по взлетной полосе и отрываться от земли, если цена подъемной силы будет больше силы тяжести. Давайте попробуем разобраться, как возникают подъемные силы?
Возникновение подъемной силы на крыльях самолета
Самый выгодный вариант — тот, в котором подъемная сила больше, потому что сопротивление мало. Это снижает мощность и расход топлива, требуемые двигателем. Для этого создаются крылья с асимметричным профилем.
Подъемная сила создается за счет асимметричного потока воздуха вокруг профиля крыла.
Воздушная струя обтекает крыло сверху и снизу по-разному.
При обтекании верхней изогнутой поверхности крыла из-за инертности воздушная струя сжимается, и скорость частиц воздуха увеличивается в соответствии с уравнением неразрывности.
Скорость частиц воздуха, обтекающих нижнее крыло, уменьшается. Согласно закону Бернулли, давление на верхнюю поверхность профиля меньше, чем на нижнюю.
В результате разницы между давлением под крылом и давлением над крылом возникает подъемная сила. Если подъемная сила больше силы гравитации, самолет взлетит.
Фин.
Уменьшенные механические элементы на хвостовой кромке крыла называются закрылками.
Выпуск финов значительно увеличивает подъемную силу и повышает силу сопротивления.
Закрылки позволяют самолету взлетать на меньшей скорости и лететь на меньшей скорости.
Чтобы увеличить скорость в полете, необходимо уменьшить сопротивление, поэтому закрылки сначала уменьшают угол наклона, а затем убирают. В сложенном состоянии закрылки являются частью профиля крыла.
В режиме посадки выпуск оперения снижает самолет при увеличении сопротивления, а увеличение подъема обеспечивает стабильный полет при уменьшении скорости.
Передняя часть.
Элемент крыльевого механизма, расположенный на передней кромке крыла и предназначенный для управления ограничением, называется передним закрылком. Различают фиксированные закрылки, которые жестко прикреплены к крылу, и автоматические. Автоматические закрылки могут прижиматься к крылу или выдвигаться в зависимости от угла атаки.
Щиты.
Закрылки являются элементом механизма крыла и представляют собой отложенную поверхность за крылом.
Уклон закрылков позволяет увеличить освещенность. Повышенное сопротивление может уменьшить маршрут при посадке самолета.
Руль направления.
При отклонении руля нос самолета направлен вверх и угол наклона увеличивается — самолет набирает высоту, искривляется.
При движении руля в противоположном направлении, когда нос самолета опускается, угол наклона становится отрицательным и самолет пикирует.
Руль направления.
При изменении положения руля аэродинамические силы создают вращающий момент, который поворачивает самолет вокруг нормальной оси. Руль можно использовать для изменения угла отклонения самолета.
Рули направления чаще всего используются для корректировки направления движения самолета во время старта или посадки.
Прыгун.
Тип кривой полета, используемый для изменения направления, называется поворотом. Чтобы повернуть, самолет должен изменить угол крена, и руль направления позволяет это сделать.
Руль управления самолетом в хвостовой части крыла называется рулем направления.
Действие Управление основано на изменении аэродинамических сил, когда левый закрылок опускается вниз, а правый поднимается вверх. Подъемная сила на правой стороне крыла уменьшается, а на левой — увеличивается, создавая крутящий момент, который заставляет самолет вращаться.
По мере разбега самолета поток крыла изменяется, создавая силу в центральной секции, и самолет начинает двигаться по кривой, но демпфирующий момент вертикального оперения сводит на нет поворот. Для выполнения поворота требуется не только уклон самолета, но и отклонение руля в сторону вращения для увеличения импульса двигателя.
Принцип создания подъемной силы крыла самолета: как это работает
Если природа сначала включила сотни миллионов лет эволюции, чтобы взрастить жизнь в небе, то человечество сделало это гораздо быстрее. От мифического сотворения Дедала и Икара до первого контролируемого полета братьев Райт прошло всего три тысячи лет.
Крылья — самая важная часть аэроплана. Без них самолет превратился бы в ряд бесполезных элементов. Крылья аэроплана — это выдающееся изобретение и настоящее произведение механического искусства.
Исследования и эксперименты братьев Райт и их предшественников стали основой для дальнейшего развития авиационных технологий, в результате чего крыло стало неотъемлемой частью каждого самолета, обеспечивая подъемную силу и управление в полете.
Принцип работы крыла
Крылья необходимы для того, чтобы удерживать самолет в воздухе, что происходит на протяжении всего полета. Птицы должны толкать и подталкивать крылья, но у самолета для этого есть двигатель, и удары больше не нужны. Когда самолет движется по воздуху, форма крыла создает разное давление воздуха над и под крылом. Обычно верхняя часть крыла имеет большую кривизну, поэтому воздух над ней течет быстрее, создавая зону низкого давления. В нижней части крыла давление выше. Этот перепад давления создает подъемную силу, которая удерживает самолет в воздухе. Этот тип динамика был создан независимо друг от друга в начале XX века немецким математиком Мартином Вильгельмом Кутта и русским ученым-механиком Николаем Егоровичем Жуковским.
Изменяя угол атаки крыла (угол между направлением воздушного потока и продольной осью самолета) или используя закрылки, пилот может управлять подъемной силой и контролировать полет, включая такие маневры, как взлет, посадка, поворот и изменение высоты.
На крыльях в будущее
Растущие требования к скорости, маневренности и эффективности самолетов требовали более прочных материалов, чем дерево и ткань, из которых изготавливались ранние машины. В 1930-х годах на первый план вышел алюминий — легкий, прочный и податливый металл, который уже давно является неотъемлемой частью как военной, так и гражданской авиации.
В современных самолетах алюминий составляет около 75-80 % от общей массы, но ему постепенно противостоят более современные композитные материалы, которые начали разрабатываться после Второй мировой войны. Композитные материалы обладают высокой прочностью при малом весе. Это позволяет создавать крылья с высокими аэродинамическими характеристиками.
Композитные крылья называют «черными» — по цвету углеродной ткани в многослойном композите. Первым российским и первым в мире пассажирским самолетом первого класса с «черными крыльями» стал среднемагистральный самолет МС-21. Композитный материал позволил создать для нового российского самолета тонкое крыло с большим удлинением. В результате улучшилась аэродинамика и снизился расход топлива по сравнению с аналогичными самолетами. Композитные крылья МС-21 разработаны и изготовлены компанией «АэроКомпозит» (входит в состав Объединенной авиастроительной корпорации имени А.С. Яковлева в Ростехе).
Фото: ОАК.
Инженеры постоянно работают над улучшением конструкции крыльев самолетов для повышения эффективности. Сегодня разработка крыльев и целых самолетов ведется в цифровой среде с использованием таких технологий, как предиктивная аналитика и виртуальная реальность. Для изготовления крыльев самолетов используются передовые разработки, включая 3D-печать, лазерную резку и другие инновационные методы. Новые материалы позволяют создавать крылья, сочетающие легкость, прочность и высокие аэродинамические свойства.