_arrives_London_Heathrow_11Apr2015_arp.jpg/1280px-Royal_Jordanian_Airlines_Boeing_787-8_(JY-BAA)_arrives_London_Heathrow_11Apr2015_arp.jpg)
Полет или полет — это процесс, при котором объект перемещается в пространстве , не соприкасаясь с какой-либо поверхностью планеты , либо в атмосфере ( т. е. воздушный полет или авиация ), либо через вакуум космического пространства (т. е. космический полет ). Этого можно достичь путем создания аэродинамической подъемной силы , связанной с планированием или движущей силой , аэростатически с использованием плавучести или баллистическим движением.
Летать могут многие вещи: от животных-авиаторов , таких как птицы , летучие мыши и насекомые , до естественных планеров/парашютистов, таких как патагиальные животные, анемохорные семена и баллистоспоры , до изобретений человека, таких как самолеты ( самолеты , вертолеты , дирижабли , воздушные шары и т. д.) и ракеты. которые могут приводить в движение космические корабли и космические самолеты .
Инженерные аспекты полета входят в компетенцию аэрокосмической техники , которая подразделяется на воздухоплавание (исследование транспортных средств, путешествующих в атмосфере), космонавтику (исследование транспортных средств, путешествующих в космосе) и баллистику (исследование полета снарядов).
Людям удалось создать аппараты легче воздуха, которые отрываются от земли и летают благодаря своей плавучести в воздухе.
Аэростат — это система, которая остается в воздухе главным образом за счет плавучести, придающей самолету такую же общую плотность, как и воздух . Аэростаты включают свободные воздушные шары , дирижабли и пришвартованные воздушные шары . Основным конструктивным элементом аэростата является его оболочка, легкая оболочка , заключающая в себе объем подъемного газа [1] [2] для обеспечения плавучести , к которому прикреплены другие компоненты.
Аэростаты названы так потому, что они используют «аэростатическую» подъемную силу, плавучую силу, которая не требует бокового движения через окружающую воздушную массу для создания подъемной силы. Напротив, аэродины в основном используют аэродинамическую подъемную силу , которая требует бокового движения хотя бы некоторой части самолета через окружающую воздушную массу.
Некоторые летающие существа не создают движущей силы в воздухе, например, белка-летяга . Это называется скольжением . Некоторые другие объекты могут использовать поднимающийся воздух для набора высоты, например, хищники (при планировании) и искусственные планеры-планеры . Это называется взлетом . Однако большинству других птиц и всем самолетам с двигателем нужен источник движения , чтобы подняться. Это называется полетом с двигателем.
Единственными группами живых существ, которые используют двигательный полет, являются птицы , насекомые и летучие мыши , в то время как многие группы развили способность планировать. Вымершие птерозавры , отряд рептилий, одновременных с динозаврами , также были очень успешными летающими животными, [3] и, очевидно, существовало несколько летающих динозавров (см. Летающие и планирующие животные#Нептичьи динозавры ). Крылья каждой из этих групп развивались независимо , причем насекомые стали первой группой животных, развившей способность летать. [4] Крылья групп летающих позвоночных основаны на передних конечностях, но значительно различаются по строению; Предполагается, что у насекомых они представляют собой сильно модифицированные версии структур, образующих жабры у большинства других групп членистоногих . [3]
Летучие мыши — единственные млекопитающие , способные поддерживать горизонтальный полет (см. «Полет летучих мышей »). [5] Однако есть несколько планирующих млекопитающих , которые способны передвигаться с дерева на дерево, используя мясистые перепонки между конечностями; некоторые могут преодолевать таким образом сотни метров с очень небольшой потерей высоты. Летающие лягушки используют для той же цели значительно увеличенные перепончатые лапы, а есть летающие ящерицы , которые складывают свои подвижные ребра в пару плоских скользящих поверхностей. «Летающие» змеи также используют подвижные ребра, чтобы придать своему телу аэродинамическую форму, совершая движения вперед и назад почти так же, как они делают это на земле.
Летающие рыбы могут планировать, используя увеличенные плавники, похожие на крылья, и были замечены парящими на сотни метров. Считается, что эта способность была выбрана в результате естественного отбора , поскольку она была эффективным средством спасения от подводных хищников. Самый длинный зарегистрированный полет летучей рыбы составил 45 секунд. [6]
Большинство птиц летают ( см. Полёт птиц ), за некоторыми исключениями. Крупнейшие птицы, страус и эму , являются наземными нелетающими птицами , как и ныне вымершие дронты и форусациды , которые были доминирующими хищниками Южной Америки в кайнозойскую эру. У нелетающих пингвинов крылья приспособлены для использования под водой, и для плавания они используют те же движения крыльев, что и большинство других птиц для полета. [ нужна цитата ] Большинство маленьких нелетающих птиц обитают на небольших островах и ведут образ жизни, при котором полет не принесет особых преимуществ.
Среди живых животных, которые летают, странствующий альбатрос имеет самый большой размах крыльев — до 3,5 метров (11 футов); Наибольший вес имеет дрофа , достигающая 21 килограмма (46 фунтов). [7]
Большинство видов насекомых могут летать во взрослом возрасте. В полете насекомых используется одна из двух основных аэродинамических моделей: создание вихря на передней кромке, обнаруженное у большинства насекомых, и использование хлопка и броска , обнаруженного у очень мелких насекомых, таких как трипсы . [8] [9]
Многие виды пауков , паутинных клещей и чешуекрылых используют технику, называемую надуванием на воздушном шаре , чтобы оседлать воздушные потоки , такие как термики , обнажая свои тонкие нити , которые поднимаются ветром и атмосферными электрическими полями .
Механический полет – это использование машины для полета. К этим машинам относятся летательные аппараты , такие как самолеты , планеры , вертолеты , автожиры , дирижабли , воздушные шары , орнитоптеры , а также космические корабли . Планеры способны летать без двигателя. Другой формой механического полета является парасейлинг, когда лодка тянет объект, похожий на парашют. В самолете подъемная сила создается крыльями; Форма крыльев самолета разработана специально для желаемого типа полета. Существуют различные типы крыльев: закаленные, полузакаленные, стреловидные, прямоугольные и эллиптические. Крыло самолета иногда называют аэродинамическим профилем , который представляет собой устройство, создающее подъемную силу, когда через него проходит воздух.
Сверхзвуковой полет – это полет со скоростью, превышающей скорость звука . Сверхзвуковой полет связан с образованием ударных волн , образующих звуковой удар , который можно услышать с земли [10] и который часто поражает. Для создания этой ударной волны требуется довольно много энергии, и это делает сверхзвуковой полет в целом менее эффективным, чем дозвуковой полет на скорости около 85% от скорости звука.
Гиперзвуковой полет — это полет на очень высокой скорости, при котором тепло, выделяемое при сжатии воздуха из-за движения в воздухе, вызывает химические изменения в воздухе. Гиперзвуковой полет достигается в первую очередь за счет возвращения в атмосферу космических кораблей, таких как « Спейс Шаттл» и «Союз» .
Некоторые объекты создают небольшую подъемную силу или вообще не создают ее и движутся только или в основном под действием импульса, гравитации, сопротивления воздуха и, в некоторых случаях, тяги. Это называется баллистическим полетом . Примеры включают шары , стрелы , пули , фейерверки и т. д.
По сути, это крайняя форма баллистического полета. Космический полет представляет собой использование космических технологий для полета космического корабля в космическое пространство и через него . Примеры включают баллистические ракеты , орбитальный космический полет и т. д.
Космические полеты используются при исследовании космоса , а также в коммерческой деятельности, такой как космический туризм и спутниковая связь . Дополнительные некоммерческие виды использования космических полетов включают космические обсерватории , разведывательные спутники и другие спутники наблюдения Земли .
Космический полет обычно начинается с запуска ракеты , которая обеспечивает начальную тягу для преодоления силы тяжести и отрывает космический корабль от поверхности Земли. [11] Побывав в космосе, движение космического корабля — как в несамоходном, так и в двигательном режиме — охватывается областью исследований, называемой астродинамикой . Некоторые космические корабли остаются в космосе на неопределенный срок, некоторые распадаются при входе в атмосферу , а другие достигают поверхности планеты или Луны для приземления или столкновения.
В 2018 году исследователям из Массачусетского технологического института (MIT) удалось запустить самолет без движущихся частей, приводимый в движение « ионным ветром», также известным как электроаэродинамическая тяга. [12] [13]
Многие человеческие культуры создавали летающие устройства, начиная с самых ранних снарядов, таких как камни и копья, [ 14] [15] бумеранга в Австралии , воздушного фонаря Конгмин и воздушных змеев .
Джордж Кэли изучал полет с научной точки зрения в первой половине 19 века, [16] [17] [18] , а во второй половине 19 века Отто Лилиенталь совершил более 200 планирующих полетов, а также был одним из первых, кто понял полет с научной точки зрения. . Его работа была воспроизведена и расширена братьями Райт , которые совершили планирующие полеты и, наконец, первые контролируемые и расширенные полеты с пилотируемым двигателем. [19]
Космические полеты, особенно полеты человека в космос, стали реальностью в 20 веке после теоретических и практических прорывов Константина Циолковского и Роберта Х. Годдарда . Первый орбитальный космический полет состоялся в 1957 году, [20] а Юрий Гагарин совершил первый пилотируемый орбитальный космический полет в 1961 году. [21]
Существуют разные подходы к полету. Если объект имеет меньшую плотность , чем воздух, то он плавучий и способен плавать в воздухе , не затрачивая энергии. К аппарату тяжелее самолета , известному как аэродин , относятся летающие животные и насекомые, самолеты и винтокрылые машины . Поскольку корабль тяжелее воздуха, он должен создавать подъемную силу , чтобы преодолеть свой вес . Сопротивление ветра, возникающее при движении корабля в воздухе, называется сопротивлением и преодолевается за счет тяги, за исключением случаев планирования .
Некоторые транспортные средства также используют тягу для полета, например ракеты и прыжковые самолеты Harrier .
Наконец, в полете баллистических летающих объектов доминирует импульс .
Силы, имеющие отношение к полету: [22]
Эти силы должны быть сбалансированы для обеспечения стабильного полета.
Самолет с неподвижным крылом создает прямую тягу, когда воздух толкается в направлении, противоположном полету. Это можно сделать несколькими способами, в том числе с помощью вращающихся лопастей пропеллера или вращающегося вентилятора , выталкивающего воздух из задней части реактивного двигателя , или путем выброса горячих газов из ракетного двигателя . [23] Тяга вперед пропорциональна массе воздушного потока, умноженной на разницу скоростей воздушного потока. Обратная тяга может быть создана для облегчения торможения после приземления путем изменения шага лопастей винта изменяемого шага или использования реверсора тяги на реактивном двигателе. Самолеты с винтокрылом и самолеты V/STOL с вектором тяги используют тягу двигателя для поддержания веса самолета, а векторную сумму этой тяги вперед и назад для управления скоростью движения.
В контексте потока воздуха относительно летающего тела подъемная сила — это составляющая аэродинамической силы , перпендикулярная направлению потока. [24] Аэродинамическая подъемная сила возникает, когда крыло отклоняет окружающий воздух - тогда воздух вызывает силу, действующую на крыло в противоположном направлении, в соответствии с третьим законом движения Ньютона .
Подъемную силу обычно связывают с крылом самолета , хотя подъемная сила также создается винтами винтокрылого аппарата (которые фактически представляют собой вращающиеся крылья, выполняющие ту же функцию, не требуя, чтобы самолет двигался вперед по воздуху). Хотя общепринятые значения слова «лифт» предполагают, что подъемная сила противостоит силе тяжести, аэродинамическая подъемная сила может быть в любом направлении. Например, когда самолет летит , подъемная сила противодействует силе тяжести, но подъемная сила возникает под углом при наборе высоты, спуске или крене. На высокоскоростных автомобилях подъемная сила направлена вниз (так называемая «прижимная сила»), чтобы сохранить устойчивость автомобиля на дороге.
Для твердого объекта, движущегося в жидкости, сопротивление представляет собой компонент суммарной аэродинамической или гидродинамической силы , действующей противоположно направлению движения. [25] [26] [27] [28] Таким образом, сопротивление противодействует движению объекта, и в транспортном средстве с двигателем оно должно преодолеваться за счет тяги . Процесс, создающий подъемную силу, также вызывает некоторое сопротивление.
Аэродинамическая подъемная сила создается движением аэродинамического объекта (крыла) по воздуху, который за счет своей формы и угла отклоняет воздух. Для устойчивого прямого и горизонтального полета подъемная сила должна быть равна весу и противоположна ему. В общем, длинные узкие крылья способны отклонять большое количество воздуха на низкой скорости, тогда как крыльям меньшего размера требуется более высокая скорость движения вперед, чтобы отклонять эквивалентное количество воздуха и, таким образом, создавать эквивалентную подъемную силу. Большие грузовые самолеты, как правило, 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 движения для создания подъемной силы.
Однако этот процесс подъема (отклонения) неизбежно вызывает тормозящую силу, называемую сопротивлением. Поскольку подъемная сила и сопротивление являются аэродинамическими силами, отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению является показателем аэродинамической эффективности самолета. Отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению — это соотношение L/D, произносится как «отношение L к D». Самолет имеет высокое соотношение L/D, если он создает большую подъемную силу или небольшое сопротивление. Коэффициент подъемной силы/лобовое сопротивление определяется путем деления коэффициента подъемной силы на коэффициент лобового сопротивления CL/CD. [29]
Коэффициент подъемной силы Cl равен подъемной силе L, разделенной на (плотность r, умноженная на половину скорости V в квадрате, умноженную на площадь крыла A). [Cl = L / (A * .5 * r * V^2)] На коэффициент подъемной силы также влияет сжимаемость воздуха, которая намного выше на более высоких скоростях, поэтому скорость V не является линейной функцией. На сжимаемость также влияет форма поверхностей самолета. [30]
Коэффициент сопротивления Cd равен сопротивлению D, разделенному на (плотность r, умноженную на половину скорости V в квадрате, умноженную на контрольную площадь A). [Cd = D / (A * .5 * r * V^2)] [31]
Отношения подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению практических самолетов варьируются примерно от 4:1 для транспортных средств и птиц с относительно короткими крыльями до 60:1 или более для транспортных средств с очень длинными крыльями, таких как планеры. Больший угол атаки по отношению к движению вперед также увеличивает степень отклонения и, таким образом, создает дополнительную подъемную силу. Однако больший угол атаки также создает дополнительное сопротивление.
Отношение подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению также определяет качество планирования и дальность планирования. Поскольку качество планирования основано только на соотношении аэродинамических сил, действующих на самолет, вес самолета на него не влияет. Единственное, на что влияет вес, — это изменить время, в течение которого самолет будет планировать: более тяжелый самолет, планирующий с более высокой скоростью, достигнет той же точки приземления за более короткое время. [32]
Давление воздуха, действующее на объект в воздухе, больше, чем давление над ним, прижимающее его вниз. Плавучесть в обоих случаях равна весу вытесненной жидкости — принцип Архимеда справедлив для воздуха так же, как и для воды.
Кубический метр воздуха при обычном атмосферном давлении и комнатной температуре имеет массу около 1,2 килограмма, поэтому его вес составляет около 12 ньютонов . Следовательно, любой предмет объемом 1 кубический метр в воздухе выдерживает силу в 12 ньютонов. Если масса объекта объемом 1 кубический метр превышает 1,2 килограмма (так что его вес превышает 12 ньютонов), при отпускании он падает на землю. Если объект такого размера имеет массу менее 1,2 килограмма, он поднимается в воздух. Любой объект, масса которого меньше массы равного объема воздуха, поднимется в воздух - другими словами, поднимется любой объект, менее плотный, чем воздух.
Отношение тяги к весу , как следует из названия, представляет собой отношение мгновенной тяги к весу (где вес означает вес при стандартном ускорении Земли ) . [33] Это безразмерный параметр, характерный для ракет и других реактивных двигателей, а также транспортных средств, приводимых в движение такими двигателями (обычно космических ракет-носителей и реактивных самолетов ).
Если отношение тяги к весу превышает местную силу тяжести (выраженную в гс ), то полет может происходить без какого-либо движения вперед или какой-либо аэродинамической подъемной силы.
Если отношение тяги к массе, умноженное на аэродинамическое качество, превышает местную силу тяжести, то возможен взлет с использованием аэродинамической подъемной силы.
Динамика полета — это наука об ориентации и управлении воздушными и космическими аппаратами в трех измерениях. Три критических параметра динамики полета — это углы поворота в трех измерениях вокруг центра масс транспортного средства , известные как тангаж , крен и рыскание ( объяснение см. в разделе «Вращение Тейта-Брайана »).
Управление этими размерами может включать горизонтальный стабилизатор (т.е. «хвост»), элероны и другие подвижные аэродинамические устройства, которые контролируют угловую устойчивость, т.е. положение полета (что, в свою очередь, влияет на высоту и курс ). Крылья часто слегка наклонены вверх — они имеют «положительный двугранный угол », что обеспечивает стабилизацию крена.
Чтобы создать тягу, чтобы иметь возможность набрать высоту, а также протолкнуть воздух, чтобы преодолеть сопротивление, связанное с подъемной силой, — все это требует энергии. Различные объекты и существа, способные летать, различаются по эффективности своих мышц, двигателей и тому, насколько хорошо это преобразуется в тягу вперед.
Пропульсивный КПД определяет, сколько энергии транспортные средства генерируют из единицы топлива. [34] [35]
Дальность полета летательных аппаратов с приводом в конечном итоге ограничена их сопротивлением, а также тем, сколько энергии они могут хранить на борту и насколько эффективно они могут превратить эту энергию в движение. [36]
Для самолетов с двигателем полезная энергия определяется их топливной фракцией - какой процент взлетной массы составляет топливо, а также удельной энергией используемого топлива.
Всем животным и устройствам, способным к продолжительному полету, требуется относительно высокое соотношение мощности к весу, чтобы иметь возможность создавать достаточную подъемную силу и/или тягу для взлета.
Транспортные средства, которые могут летать, могут взлетать и приземляться по-разному . Обычные самолеты ускоряются вдоль земли до тех пор, пока не будет создана достаточная подъемная сила для взлета , и обратный процесс для приземления . Некоторые самолеты могут взлетать на низкой скорости; это называется коротким взлетом. Некоторые летательные аппараты, такие как вертолеты и прыжковые самолеты Harrier, могут взлетать и приземляться вертикально. Ракеты также обычно взлетают и приземляются вертикально, но некоторые конструкции могут приземляться горизонтально.
Навигация — это системы, необходимые для расчета текущего положения (например , компас , GPS , LORAN , звездный трекер , инерциальный измерительный блок и высотомер ).
В самолетах успешная аэронавигация предполагает пилотирование самолета с места на место, не теряясь, не нарушая законов, применимых к самолетам, и не ставя под угрозу безопасность тех, кто находится на борту или на земле .
Методы навигации в воздухе будут зависеть от того, выполняет ли самолет правила визуального полета (ПВП) или правила полетов по приборам (ППП). В последнем случае пилот будет осуществлять навигацию исключительно с использованием приборов и радионавигационных средств , таких как маяки, или по указанию радиолокационной службы управления воздушным движением . В случае ПВП пилот будет в основном ориентироваться, используя счисление пути в сочетании с визуальными наблюдениями (известное как пилотаж ) со ссылкой на соответствующие карты. Это может быть дополнено использованием радионавигационных средств.
Система наведения — это устройство или группа устройств, используемых при навигации корабля , самолета , ракеты , спутника или другого движущегося объекта. Обычно наведение отвечает за расчет вектора (т. е. направления, скорости) к цели.
Обычная система управления полетом самолета с неподвижным крылом состоит из поверхностей управления полетом , соответствующих органов управления в кабине, соединительных тяг и необходимых рабочих механизмов для управления направлением полета самолета. Органы управления двигателем самолета также считаются органами управления полетом, поскольку они меняют скорость.
В случае воздушных судов воздушное движение контролируется системами управления воздушным движением .
Предотвращение столкновений — это процесс управления космическим кораблем с целью предотвращения столкновений.
Безопасность полетов — это термин, охватывающий теорию, расследование и классификацию отказов в полете , а также предотвращение таких отказов посредством регулирования, образования и обучения. Его также можно применять в контексте кампаний по информированию общественности о безопасности авиаперелетов .
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.
Сэра Джорджа Кэли иногда называют «отцом авиации». Пионеру в своей области, ему приписывают первый крупный прорыв в области полетов на объектах тяжелее воздуха. Он был первым, кто определил четыре аэродинамические силы полета – вес, подъемную силу, сопротивление и тягу – и их взаимосвязь, а также первым построил успешный планер для перевозки людей.
Сэра Джорджа Кэли, родившегося в 1773 году, иногда называют отцом авиации. Пионер в своей области, Кэли буквально пережил два великих всплеска авиационного творчества, разделенных годами, в течение которых он мало занимался этой темой. Он был первым, кто определил четыре аэродинамические силы полета — вес, подъемную силу, сопротивление и тягу, а также их взаимосвязь. Он также был первым, кто построил успешный планер для перевозки людей. Кэли описал многие концепции и элементы современного самолета и был первым, кто понял и объяснил с инженерной точки зрения концепции подъемной силы и тяги.
Путеводитель по полетам от Wikivoyage
