Аэронавтика — это наука или искусство, связанное с изучением, проектированием и производством машин, способных летать в воздухе , а также с методами эксплуатации самолетов и ракет в атмосфере . Хотя изначально этот термин относился исключительно к эксплуатации самолетов, с тех пор он был расширен и теперь включает в себя технологию, бизнес и другие аспекты, связанные с самолетами. [1] Термин « авиация » иногда используется взаимозаменяемо с аэронавтикой, хотя «аэронавтика» включает в себя летательные аппараты легче воздуха , такие как дирижабли , и включает в себя баллистические аппараты , в то время как «авиация» технически не включает в себя. [1]
Значительную часть авиационной науки составляет раздел динамики , называемый аэродинамикой , который изучает движение воздуха и его взаимодействие с движущимися объектами, такими как самолет.
Попытки летать без реального понимания аэронавтики предпринимались с самых древних времен, обычно путем создания крыльев и прыжков с башни, что приводило к увечьям или летальному исходу. [2]
Более мудрые исследователи стремились обрести рациональное понимание посредством изучения полета птиц. Ученые средневекового исламского Золотого века, такие как Аббас ибн Фирнас, также проводили подобные исследования. [3] [4] [5] [6] Основатели современной аэронавтики, Леонардо да Винчи в эпоху Возрождения и Кейли в 1799 году, оба начинали свои исследования с изучения полета птиц.
Считается, что воздушные змеи, перевозящие людей, широко использовались в Древнем Китае. В 1282 году итальянский исследователь Марко Поло описал китайские методы, которые были актуальны в то время. [7] 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 легче воздуха и орнитоптера с машущим крылом , которые, как он предполагал, будут построены в будущем. Подъемной средой для его воздушного шара должен был стать «эфир», состав которого он не знал. [8]
В конце пятнадцатого века Леонардо да Винчи продолжил свое изучение птиц, разработав проекты некоторых из самых ранних летательных аппаратов, включая орнитоптер с машущим крылом и вертолет с вращающимся крылом . Хотя его проекты были рациональными, они не основывались на особенно хорошей науке. [9] Многие из его проектов, такие как четырехместный винтовой вертолет, имеют серьезные недостатки. Он, по крайней мере, понимал, что «объект оказывает столько же сопротивления воздуху, сколько воздух оказывает объекту». [10] ( Ньютон не опубликует Третий закон движения до 1687 года.) Его анализ привел к осознанию того, что одной лишь человеческой силы недостаточно для устойчивого полета, и его более поздние проекты включали механический источник энергии, такой как пружина. Работа да Винчи была утеряна после его смерти и не появлялась снова, пока ее не обогнала работа Джорджа Кейли .
Современная эра полетов на аппаратах легче воздуха началась в начале XVII века с экспериментов Галилея , в которых он показал, что воздух имеет вес. Около 1650 года Сирано де Бержерак написал несколько фантастических романов, в которых он описал принцип подъема с использованием вещества (росы), которое, как он предполагал, легче воздуха, и спуска путем высвобождения контролируемого количества вещества. [11] Франческо Лана де Терци измерил давление воздуха на уровне моря и в 1670 году предложил первую научно обоснованную подъемную среду в виде полых металлических сфер, из которых был откачан весь воздух. Они были бы легче вытесненного воздуха и могли бы поднять дирижабль . Предложенные им методы контроля высоты используются и сегодня: путем переноса балласта, который можно сбросить за борт, чтобы набрать высоту, и путем выпуска воздуха из подъемных контейнеров, чтобы сбросить высоту. [12] На практике сферы де Терци разрушились бы под давлением воздуха, и дальнейшие разработки должны были 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 недолговечны из-за его воздействия на бумагу при конденсации. Приняв дым за разновидность пара, они начали наполнять свои воздушные шары горячим дымным воздухом, который они назвали «электрическим дымом», и, несмотря на то, что не до конца понимали принципы работы, совершили несколько успешных запусков и в 1783 году были приглашены провести демонстрацию во Французской академии наук .
Между тем, открытие водорода привело Джозефа Блэка в 1780 году к предложению использовать его в качестве подъемного газа, хотя практическая демонстрация ожидала газонепроницаемого материала для воздушного шара. Услышав приглашение братьев Монгольфье, член Французской академии Жак Шарль предложил аналогичную демонстрацию водородного воздушного шара. Шарль и два мастера, братья Робер, разработали газонепроницаемый материал из прорезиненного шелка для оболочки. Водородный газ должен был вырабатываться путем химической реакции в процессе наполнения.
Проекты Монгольфье имели несколько недостатков, не в последнюю очередь необходимость в сухой погоде и тенденция искр от огня поджигать бумажный шар. Пилотируемый проект имел галерею вокруг основания шара, а не подвесную корзину первого, беспилотного проекта, которая приближала бумагу к огню. Во время своего свободного полета Де Розье и д'Арланд брали ведра с водой и губки, чтобы тушить эти пожары по мере их возникновения. С другой стороны, пилотируемый проект Шарля был по сути современным. [13] В результате этих подвигов воздушный шар с горячим воздухом стал известен как тип Монгольфьера , а газовый шар — как Шарльер .
Следующий воздушный шар Шарля и братьев Робер, «La Caroline» , был шарльером, который последовал за предложениями Жана Батиста Мёнье об удлиненном управляемом воздушном шаре и был примечателен тем, что имел внешнюю оболочку с газом, содержащимся во втором, внутреннем баллонете. 19 сентября 1784 года он совершил первый полет протяженностью более 100 км между Парижем и Беври , несмотря на то, что движители, приводимые в движение человеком, оказались бесполезными.
В попытке на следующий год обеспечить как выносливость, так и управляемость, де Розье разработал воздушный шар, имеющий как воздушные, так и водородные газовые мешки, конструкцию, которая вскоре была названа в его честь как Розьер. Принцип заключался в использовании водородной секции для постоянной подъемной силы и вертикальной навигации путем нагрева и охлаждения горячей воздушной секции, чтобы поймать наиболее благоприятный ветер на любой высоте, где он дул. Оболочка воздушного шара была сделана из кожи голдбитера . Первый полет закончился катастрофой, и с тех пор этот подход использовался редко. [14]
Сэр Джордж Кейли (1773–1857) широко признан как основатель современной аэронавтики. Впервые его назвали «отцом аэроплана» в 1846 году [15] , а Хенсон назвал его «отцом воздушной навигации». [2] Он был первым настоящим научным исследователем в области авиации, опубликовавшим свою работу, в которой впервые были изложены основные принципы и силы полета. [16]
В 1809 году он начал публикацию знаменательного трехчастного трактата под названием «О воздушной навигации» (1809–1810). [17] 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 выделил четыре векторные силы, которые влияют на самолет: тягу , подъемную силу , сопротивление и вес , и выделил устойчивость и управление в своих конструкциях.
Он разработал современную традиционную форму самолета с фиксированным крылом, имеющего стабилизирующее хвостовое оперение с горизонтальными и вертикальными поверхностями, а также беспилотные и пилотируемые планеры.
Он представил использование испытательного стенда с вращающейся рукой для исследования аэродинамики полета, используя его для обнаружения преимуществ изогнутого или выпуклого аэродинамического профиля по сравнению с плоским крылом, которое он использовал для своего первого планера. Он также определил и описал важность двугранного угла , диагонального крепления и снижения сопротивления и внес вклад в понимание и проектирование орнитоптеров и парашютов . [2]
Другим важным изобретением было колесо со спицами, которое он придумал с целью создания легкого и прочного колеса для шасси самолета.
В XIX веке идеи Кейли были усовершенствованы, доказаны и расширены, достигнув кульминации в работах Отто Лилиенталя .
Лилиенталь был немецким инженером и бизнесменом, которого прозвали «летающим человеком». [18] Он был первым человеком, совершившим хорошо документированные, многократные, успешные полеты на планерах , [19] тем самым сделав идею « тяжелее воздуха » реальностью. Газеты и журналы публиковали фотографии планирующего Лилиенталя, благоприятно влияя на общественное и научное мнение о возможности практического применения летательных аппаратов.
Его работа привела к разработке концепции современного крыла. [20] [21] Его попытки полета в Берлине в 1891 году считаются началом человеческого полета [22] , а « Lilienthal Normalsegelapparat » считается первым серийным самолетом, что делает Maschinenfabrik Otto Lilienthal в Берлине первой в мире компанией по производству самолетов. [23]
Отто Лилиенталя часто называют «отцом авиации» [24] [25] [26] или «отцом полета». [27]
Среди других важных исследователей был Горацио Филлипс .
Аэронавтику можно разделить на три основные отрасли: авиацию , авиационные науки и авиационную технику .
Авиация — это искусство или практика воздухоплавания. Исторически авиация означала только полеты на аппаратах тяжелее воздуха, но в настоящее время она включает в себя полеты на воздушных шарах и дирижаблях.
Авиационная техника охватывает проектирование и строительство воздушных судов, включая то, как они приводятся в действие, как они используются и как они контролируются для обеспечения безопасной эксплуатации. [28]
Важнейшей частью авиационной техники является аэродинамика — наука о движении в воздухе.
В связи с ростом активности в области космических полетов в настоящее время аэронавтику и астронавтику часто объединяют в аэрокосмическую технику .
Наука аэродинамика изучает движение воздуха и его взаимодействие с движущимися объектами, такими как самолет.
Изучение аэродинамики в целом можно разделить на три области:
Несжимаемый поток возникает там, где воздух просто движется, чтобы избежать столкновения с объектами, обычно на дозвуковых скоростях ниже скорости звука (1 Маха).
Сжимаемый поток возникает там, где в точках сжатия воздуха возникают ударные волны, как правило, на скоростях выше 1 Маха.
Трансзвуковой поток возникает в промежуточном диапазоне скоростей около числа Маха 1, где воздушный поток над объектом может быть локально дозвуковым в одной точке и локально сверхзвуковым в другой.
Ракета или ракетный транспорт — это ракета , космический корабль, самолет или другое транспортное средство , которое получает тягу от ракетного двигателя . Во всех ракетах выхлопные газы полностью формируются из топлива, перевозимого внутри ракеты до использования. [29] Ракетные двигатели работают по принципу действия и реакции . Ракетные двигатели толкают ракеты вперед, просто выбрасывая их выхлопные газы назад с чрезвычайно высокой скоростью.
Ракеты военного и развлекательного назначения появились в Китае , по крайней мере, в XIII веке . [30] Значительное научное, межпланетное и промышленное использование началось только в XX веке, когда ракетная техника стала технологией, обеспечивающей достижение космической эры , включая высадку на Луну .
Ракеты используются для фейерверков , оружия, катапультируемых кресел , ракет-носителей для искусственных спутников , пилотируемых космических полетов и исследования других планет. Хотя они сравнительно неэффективны для использования 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 они обычно создают свой выхлоп путем сгорания ракетного топлива . Химические ракеты хранят большое количество энергии в легко высвобождаемой форме и могут быть очень опасны. Однако тщательное проектирование, тестирование, строительство и использование сводят риски к минимуму.
Сэр Джордж Кейли — один из важнейших людей в истории аэронавтики. Многие считают его первым настоящим научным исследователем в области авиации и первым человеком, который понял основные принципы и силы полета.
Медиа, связанные с аэронавтикой на Wikimedia Commons
Дополнение к физической выставке
Иерархическая таксономия