Аэронавтика — это наука или искусство, связанное с изучением, проектированием и производством машин, способных летать по воздуху , а также методами управления самолетами и ракетами в атмосфере . Британское королевское авиационное общество определяет аспекты «авиационного искусства, науки и техники» и «профессии аэронавтики (это выражение включает астронавтику)». [1]
Хотя первоначально этот термин относился исключительно к эксплуатации самолета, с тех пор он был расширен и теперь включает технологии, бизнес и другие аспекты, связанные с самолетами. [2] Термин « авиация » иногда используется как взаимозаменяемый с воздухоплаванием, хотя «аэронавтика» включает в себя летательные аппараты легче воздуха, такие как дирижабли , и баллистические транспортные средства , тогда как «авиация» технически не включает. [2]
Значительную часть авиационной науки составляет раздел динамики , называемый аэродинамикой , который занимается движением воздуха и способами его взаимодействия с движущимися объектами, такими как самолет.
Попытки летать без каких-либо реальных знаний в области воздухоплавания предпринимались с древнейших времен, обычно путем создания крыльев и прыжков с башни, что приводило к нанесению вреда или летальному исходу. [3]
Более мудрые исследователи стремились получить некоторое рациональное понимание посредством изучения полета птиц. Такие исследования проводили и средневековые ученые Золотого века ислама, такие как Аббас ибн Фирнас . [4] [5] [6] [7] Основатели современного воздухоплавания, Леонардо да Винчи в эпоху Возрождения и Кэли в 1799 году, оба начали свои исследования с изучения полета птиц.
Считается, что воздушные змеи, переносящие человека, широко использовались в древнем Китае. В 1282 году итальянский исследователь Марко Поло описал современные китайские методы. [8] Китайцы также построили небольшие воздушные шары или фонарики и вращающиеся игрушки.
Одним из первых европейцев, предложивших какое-либо научное обсуждение полета, был Роджер Бэкон , который описал принципы работы воздушного шара легче воздуха и орнитоптера с машущими крыльями , который, как он предполагал, будет построен в будущем. Подъемной средой для его воздушного шара будет «эфир», состав которого он не знал. [9]
В конце пятнадцатого века Леонардо да Винчи продолжил свои исследования птиц, разработав проекты некоторых из первых летательных аппаратов, в том числе орнитоптера с машущими крыльями и вертолета с вращающимся крылом . Хотя его проекты были рациональными, они не основывались на особенно хороших научных данных. [10] Многие из его проектов, например четырехместный вертолет винтового типа, имеют серьезные недостатки. По крайней мере, он понимал, что «предмет оказывает такое же сопротивление воздуху, как воздух оказывает объекту». [11] ( Ньютон не публиковал Третий закон движения до 1687 года.) Его анализ привел к пониманию того, что одной рабочей силы недостаточно для устойчивого полета, и его более поздние разработки включали источник механической энергии, такой как пружина. Работы да Винчи были утеряны после его смерти и не появлялись вновь, пока их не заменили работы Джорджа Кейли .
Современная эра полетов легче воздуха началась в начале 17 века с экспериментов Галилея, в которых он показал, 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 высвобождения контролируемого количества вещества. [12] Франческо Лана де Терци измерил давление воздуха на уровне моря и в 1670 году предложил первое научно обоснованное подъемное средство в виде полых металлических сфер, из которых был откачен весь воздух. Они будут легче вытесненного воздуха и смогут поднять дирижабль . Предложенные им методы контроля высоты используются до сих пор; перенося балласт, который можно сбросить за борт для набора высоты, и вентиляцию подъемных контейнеров для снижения высоты. [13] На практике сферы де Терци рухнули бы под давлением воздуха, и дальнейшим разработкам пришлось ждать более практичных подъемных газов.
С середины XVIII века братья Монгольфье во Франции начали экспериментировать с воздушными шарами. Их воздушные шары были сделаны из бумаги, и ранние эксперименты с использованием пара в качестве подъемного газа были недолговечными из-за его воздействия на бумагу при ее конденсации. Приняв дым за разновидность пара, они начали наполнять свои шары горячим дымным воздухом, который они назвали «электрическим дымом», и, несмотря на полное понимание принципов работы, совершили несколько успешных запусков и в 1783 году были приглашены провести демонстрацию для Французская академия наук .
Тем временем открытие водорода привело Джозефа Блэка в ок. В 1780 г. предложили использовать его в качестве подъемного газа, хотя практическая демонстрация газонепроницаемого материала для баллонов ожидалась. Услышав о приглашении братьев Монгольфье, член Французской академии Жак Шарль предложил аналогичную демонстрацию водородного шара. Чарльз и два мастера, братья Роберт, разработали для конверта газонепроницаемый материал из прорезиненного шелка. Газообразный водород должен был вырабатываться в результате химической реакции во время процесса наполнения.
У конструкции Монгольфье было несколько недостатков, не в последнюю очередь необходимость сухой погоды и склонность искр от огня поджигать бумажный воздушный шар. Пилотируемая конструкция имела галерею вокруг основания воздушного шара, а не подвесную корзину, как в первой беспилотной конструкции, что приближало бумагу к огню. В своем свободном полете Де Розье и д'Арланд взяли с собой ведра с водой и губки, чтобы потушить возникающие пожары. С другой стороны, пилотируемая конструкция «Чарльза» была по сути современной. [14] В результате этих подвигов воздушный шар стал известен как тип «Монгольфьер» , а газовый шар — « Шарльер» .
Следующим воздушным шаром Шарля и братьев Робер, «Ла Кэролайн» , был Шарльер, который последовал предложениям Жана Батиста Мёнье о удлиненном дирижабле и отличался наличием внешней оболочки с газом, содержащимся во втором, внутреннем баллоне. 19 сентября 1784 года он совершил первый полет на расстояние более 100 км между Парижем и Бёври , несмотря на то, что движители с приводом от человека оказались бесполезными.
Пытаясь в следующем году обеспечить одновременно выносливость и управляемость, де Розье разработал воздушный шар, оснащенный камерами как с горячим воздухом, так и с водородом, конструкция, которая вскоре была названа в его честь как Розьер . Принцип заключался в том, чтобы использовать водородную секцию для постоянной подъемной силы и двигаться вертикально, нагревая и охлаждая секцию горячего воздуха, чтобы поймать наиболее благоприятный ветер, на какой бы высоте он ни дул. Конверт воздушного шара был сделан из кожи золотодобытчика . Первый полет закончился катастрофой, и с тех пор этот подход использовался редко. [15]
Сэр Джордж Кэли (1773–1857) широко известен как основатель современного воздухоплавания. Впервые его назвали «отцом самолета» в 1846 году [16] , а Хенсон назвал его «отцом воздушной навигации». [3] Он был первым настоящим научным исследователем с воздуха, опубликовавшим свою работу, в которой впервые были раскрыты основные принципы и силы полета. [17]
В 1809 году он начал публикацию знакового трехчастного трактата «Об воздушной навигации» (1809–1810). [18] В нем он написал первую научную формулировку проблемы: «Вся проблема заключена в этих пределах, а именно: заставить поверхность поддерживать заданный вес путем приложения силы к сопротивлению воздуха». Он определил четыре векторные силы, которые влияют на самолет: тягу , подъемную силу , сопротивление и вес , а также выделил в своих конструкциях устойчивость и управляемость.
Он разработал современную традиционную форму самолета с неподвижным крылом со стабилизирующим хвостовым оперением как с горизонтальной, так и с вертикальной поверхностью, а также летающие планеры, как беспилотные, так и пилотируемые.
Он представил использование испытательного стенда с вращающимся рычагом для исследования аэродинамики полета, используя его, чтобы обнаружить преимущества изогнутого или изогнутого аэродинамического профиля по сравнению с плоским крылом, которое он использовал для своего первого планера. Он также определил и описал важность двугранных , диагональных распорок и уменьшения сопротивления, а также внес свой вклад в понимание и проектирование орнитоптеров и парашютов . [3]
Еще одним значительным изобретением было колесо с натяжными спицами, которое он разработал, чтобы создать легкое и прочное колесо для ходовой части самолета.
В течение 19 века идеи Кэли уточнялись, доказывались и расширялись, достигнув кульминации в работах Отто Лилиенталя .
Лилиенталь был немецким инженером и бизнесменом, прославившимся как «летающий человек». [19] Он был первым человеком, совершившим хорошо задокументированные, повторяющиеся и успешные полеты на планерах , [20] тем самым воплотив в жизнь идею « тяжелее воздуха ». В газетах и журналах были опубликованы фотографии планирующего полета Лилиенталя, что благоприятно повлияло на общественное и научное мнение о возможности практического применения летательных аппаратов.
Его работа привела к разработке концепции современного крыла. [21] [22] Его попытки полета в Берлине в 1891 году рассматриваются как начало полета человека [23], а « Лилиенталь Нормальсегелаппарат » считается первым серийным самолетом, благодаря чему Машиненфабрик Отто Лилиенталь в Берлин — первая в мире компания по производству самолетов. [24]
Отто Лилиенталя часто называют либо «отцом авиации» [25] [26] [27] либо «отцом полета». [28]
Среди других важных исследователей был Горацио Филлипс .
Аэронавтику можно разделить на три основные отрасли: авиацию , авиационную науку и авиационную технику .
Авиация — это искусство или практика воздухоплавания. Исторически под авиацией подразумевались только полеты на объектах тяжелее воздуха, но в настоящее время к ней относятся полеты на воздушных шарах и дирижаблях.
Авиационная инженерия охватывает проектирование и строительство самолетов, в том числе их приводы, способы их использования и способы управления ими для обеспечения безопасной эксплуатации. [29]
Основная часть авиационной техники — это аэродинамика , наука о движении в воздухе.
С ростом активности космических полетов в настоящее время воздухоплавание и космонавтику часто объединяют в аэрокосмическую технику .
Наука аэродинамика занимается движением воздуха и тем, как он взаимодействует с движущимися объектами, такими как самолет.
Изучение аэродинамики в целом делится на три области:
Несжимаемый поток возникает там, где воздух просто движется, избегая объектов, обычно на дозвуковых скоростях ниже скорости звука (1 Маха).
Сжимаемый поток возникает там, где в точках, где воздух сжимается, возникают ударные волны, обычно при скорости выше 1 Маха.
Трансзвуковой поток возникает в диапазоне промежуточных скоростей около 1 Маха, где поток воздуха над объектом может быть локально дозвуковым в одной точке и локально сверхзвуковым в другой.
Ракета или ракетный аппарат — это ракета , космический корабль, самолет или другое транспортное средство , которое получает тягу от ракетного двигателя . Во всех ракетах выхлоп полностью образуется из топлива, находящегося в ракете перед использованием. [30] Ракетные двигатели работают за счет действия и противодействия . Ракетные двигатели толкают ракеты вперед, просто очень быстро выбрасывая выхлопные газы назад.
Ракеты для военных и развлекательных целей появились как минимум в Китае в 13 веке . [31] Значительного научного, межпланетного и промышленного использования не происходило до 20-го века, когда ракетная техника стала ведущей технологией космической эры , включая высадку на Луну .
Ракеты используются для фейерверков , вооружения, катапультных кресел , ракет-носителей для искусственных спутников , полетов человека в космос и исследования других планет. Хотя они сравнительно неэффективны при использовании на низких скоростях, они очень легкие и мощные, способны создавать большие ускорения и достигать чрезвычайно высоких скоростей с разумной эффективностью.
Химические ракеты являются наиболее распространенным типом ракет, и их выхлопные газы обычно образуются в результате сгорания ракетного топлива . Химические ракеты хранят большое количество энергии в легко высвобождаемой форме и могут быть очень опасными. Однако тщательное проектирование, тестирование, изготовление и использование сводят риски к минимуму.
Сэр Джордж Кэли — один из самых важных людей в истории воздухоплавания.
Многие считают его первым настоящим научным исследователем с воздуха и первым человеком, который понял основные принципы и силы полета.
СМИ, связанные с аэронавтикой, на Викискладе?
Спутник физической выставки
Иерархическая таксономия