_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, посредством которого объект перемещается в пространстве , не касаясь какой-либо поверхности планеты , либо в атмосфере (т. е. воздушный полет или авиация ), либо через вакуум космического пространства (т. е. космический полет ). Это может быть достигнуто путем создания аэродинамической подъемной силы, связанной с планированием или пропульсивной тягой , аэростатически с использованием плавучести или баллистическим движением.
Летать могут многие существа: от животных-авиаторов , таких как птицы , летучие мыши и насекомые , до естественных планеров/парашютистов, таких как патагиальные животные, анемохорные семена и баллистоспоры , а также человеческие изобретения, такие как летательные аппараты ( самолеты , вертолеты , дирижабли , воздушные шары и т. д.) и ракеты , которые могут приводить в движение космические корабли и космопланы .
Инженерные аспекты полета являются компетенцией аэрокосмической техники , которая подразделяется на аэронавтику — изучение транспортных средств, перемещающихся в атмосфере, астронавтику — изучение транспортных средств, перемещающихся в космическом пространстве, и баллистику — изучение полета снарядов.
Человечеству удалось построить летательные аппараты легче воздуха, которые поднимаются над землей и летают благодаря своей плавучести в воздухе.
Аэростат — это система , которая держится в воздухе в основном за счет использования плавучести , чтобы придать самолету ту же общую плотность, что и воздух. К аэростатам относятся свободные аэростаты , дирижабли и пришвартованные аэростаты . Основным структурным компонентом аэростата является его оболочка, легкая оболочка , которая заключает в себе объем подъемного газа [1] [2] для обеспечения плавучести , к которой прикреплены другие компоненты.
Аэростаты так называются, потому что они используют «аэростатическую» подъемную силу, выталкивающую силу, которая не требует бокового движения через окружающую воздушную массу для создания подъемной силы. Напротив, аэродинамы в основном используют аэродинамическую подъемную силу , которая требует бокового движения по крайней мере некоторой части самолета через окружающую воздушную массу.
Некоторые летающие существа не создают движущей силы в воздухе, например, летяга . Это называется планированием . Некоторые другие существа могут использовать восходящий воздух для набора высоты, например, хищные птицы (при планировании) и рукотворные планеры . Это называется парением . Однако большинству других птиц и всем летательным аппаратам с двигателем для набора высоты необходим источник движения . Это называется полетом с двигателем.
Единственными группами живых существ, которые используют мощный полет, являются птицы , насекомые и летучие мыши , в то время как многие группы развили планирование. Вымершие птерозавры , отряд рептилий, современник динозавров , также были очень успешными летающими животными, [3] и, по-видимому, были некоторые летающие динозавры (см. Летающие и планирующие животные#Нептичьи динозавры ). Крылья каждой из этих групп эволюционировали независимо , причем насекомые были первой группой животных, которая развила полет. [4] Крылья всех групп летающих позвоночных основаны на передних конечностях, но значительно различаются по структуре; предполагается, что крылья насекомых являются сильно модифицированными версиями структур, которые образуют жабры у большинства других групп членистоногих . [3]
Летучие мыши — единственные млекопитающие , способные поддерживать горизонтальный полет (см. полет летучей мыши ). [5] Однако есть несколько планирующих млекопитающих , которые способны планировать с дерева на дерево, используя мясистые перепонки между конечностями; некоторые могут преодолевать сотни метров таким образом с очень небольшой потерей высоты. Летающие лягушки используют значительно увеличенные перепончатые лапы для аналогичной цели, и 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 при этом движения вперед и назад, почти такие же, как и на земле.
Летучие рыбы могут планировать, используя увеличенные плавники, похожие на крылья, и были замечены парящими на сотни метров. Считается, что эта способность была выбрана естественным отбором, поскольку она была эффективным средством спасения от подводных хищников. Самый длинный зарегистрированный полет летучей рыбы составил 45 секунд. [6]
Большинство птиц летают ( см. полет птиц ), за некоторыми исключениями. Самые крупные птицы, страус и эму , являются наземными нелетающими птицами , как и ныне вымершие додо и форусрациды , которые были доминирующими хищниками Южной Америки в кайнозойскую эру. Нелетающие пингвины имеют крылья, приспособленные для использования под водой, и используют те же движения крыльев для плавания, которые большинство других птиц используют для полета. [ необходима цитата ] Большинство мелких нелетающих птиц обитают на небольших островах и ведут образ жизни, где полет не дает большого преимущества.
Среди ныне живущих животных, которые умеют летать, странствующий альбатрос имеет самый большой размах крыльев — до 3,5 метров (11 футов); дрофа имеет самый большой вес — до 21 килограмма (46 фунтов). [7]
Большинство видов насекомых могут летать во взрослом состоянии. Полет насекомых использует одну из двух основных аэродинамических моделей: создание вихря на передней кромке, что характерно для большинства насекомых, и использование хлопка и подбрасывания , что характерно для очень маленьких насекомых, таких как трипсы . [8] [9]
Многие виды пауков , паутинных клещей и чешуекрылых используют технику, называемую « воздушным шаром», чтобы перемещаться в воздушных потоках , например, термических , выставляя напоказ свои тонкие нити , которые поднимаются ветром и атмосферными электрическими полями .
Механический полет — это использование машины для полета. К таким машинам относятся самолеты , планеры , вертолеты , автожиры , дирижабли , воздушные шары , орнитоптеры , а также космические корабли . Планеры способны к полету без двигателя. Другой формой механического полета является парасейлинг, когда парашютоподобный объект тянется лодкой. В самолете подъемная сила создается крыльями; форма крыльев самолета специально разработана 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 при прохождении через него воздуха.
Сверхзвуковой полет — это полет со скоростью, превышающей скорость звука . Сверхзвуковой полет связан с образованием ударных волн , которые формируют звуковой удар , который можно услышать с земли, [10] и который часто пугает. Создание этой ударной волны требует значительного количества энергии; из-за этого сверхзвуковой полет, как правило, менее эффективен, чем дозвуковой полет, со скоростью около 85% от скорости звука.
Гиперзвуковой полет — это полет на очень высокой скорости, при котором тепло, выделяемое сжатием воздуха из-за движения через воздух, вызывает химические изменения в воздухе. Гиперзвуковой полет достигается в основном путем повторного входа в атмосферу космических аппаратов, таких как Space Shuttle и Soyuz .
Некоторые вещи создают небольшую или не создают подъемную силу и движутся только или в основном под действием импульса, гравитации, сопротивления воздуха и в некоторых случаях тяги. Это называется баллистическим полетом . Примерами служат мячи , стрелы , пули , фейерверки и т. д.
По сути, экстремальная форма баллистического полета, космический полет представляет собой использование космической технологии для осуществления полета космического корабля в космическое пространство и через него . Примерами являются баллистические ракеты , орбитальный космический полет и т. д.
Космические полеты используются в исследовании космоса , а также в коммерческих целях, таких как космический туризм и спутниковая связь . Дополнительные некоммерческие применения космических полетов включают космические обсерватории , разведывательные спутники и другие спутники наблюдения за Землей .
Космический полет обычно начинается с запуска ракеты , которая обеспечивает начальную тягу для преодоления силы тяжести и отталкивает космический корабль от поверхности Земли. [11] После попадания в космос движение космического корабля — как без двигателя, так и с двигателем — рассматривается в области изучения, называемой астродинамикой . Некоторые космические корабли остаются в космосе неопределенно долго, некоторые распадаются при входе в атмосферу , а другие достигают поверхности планеты или Луны для посадки или удара.
В 2018 году исследователям Массачусетского технологического института (MIT) удалось запустить самолет без движущихся частей, работающий на « ионном ветре», также известном как электроаэродинамическая тяга. [12] [13]
Во многих человеческих культурах создавались летающие устройства, начиная с самых первых метательных снарядов, таких как камни и копья, [ 14] [15] бумеранга в Австралии , воздушного фонаря Конгмин и воздушных змеев .
Джордж Кейли 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 полетов на планере и был одним из первых, кто понял полет с научной точки зрения. Его работа была воспроизведена и расширена братьями Райт , которые совершили полеты на планере и, наконец, первые контролируемые и длительные полеты с пилотируемым двигателем. [19]
Космические полеты, в частности пилотируемые, стали реальностью в 20 веке после теоретических и практических прорывов Константина Циолковского и Роберта Годдарда . Первый орбитальный космический полет состоялся в 1957 году, [20] а Юрий Гагарин был доставлен на борт первого пилотируемого орбитального космического полета в 1961 году. [21]
Существуют различные подходы к полету. Если объект имеет меньшую плотность, чем воздух, то он плавучий и может парить в воздухе, не затрачивая энергию. Летательный аппарат тяжелее воздуха , известный как аэродин , включает летающих животных и насекомых, самолеты с фиксированным крылом и винтокрылые аппараты . Поскольку летательный аппарат тяжелее воздуха, он должен создавать подъемную силу , чтобы преодолеть свой вес . Сопротивление ветра, вызванное движением летательного аппарата по воздуху, называется сопротивлением и преодолевается движущей силой, за исключением случая планирования .
Некоторые транспортные средства также используют тягу вместо подъемной силы, например, ракеты и реактивные самолеты Harrier .
Силы, имеющие отношение к полету, [22]
Для обеспечения устойчивого полета эти силы должны быть сбалансированы.
Самолет с фиксированным крылом создает прямую тягу, когда воздух выталкивается в направлении, противоположном полету. Это может быть сделано несколькими способами, включая вращающиеся лопасти пропеллера или вращающийся вентилятор , выталкивающий воздух из задней части реактивного двигателя , или путем выброса горячих газов из ракетного двигателя . [23] Прямая тяга пропорциональна массе воздушного потока, умноженной на разницу в скорости воздушного потока. Обратная тяга может быть создана для облегчения торможения после приземления путем изменения шага лопастей воздушного винта с изменяемым шагом или с помощью реверсора тяги на реактивном двигателе. Самолеты с винтокрылым крылом и самолеты с вектором тяги V/STOL используют тягу двигателя для поддержки веса самолета и векторную сумму этой тяги вперед и назад для управления скоростью движения.
В контексте воздушного потока относительно летящего тела подъемная сила является компонентом аэродинамической силы , которая перпендикулярна направлению потока. [24] Аэродинамическая подъемная сила возникает, когда крыло заставляет окружающий воздух отклоняться — затем воздух создает силу на крыле в противоположном направлении, в соответствии с третьим законом движения Ньютона .
Подъемная сила обычно ассоциируется с крылом самолета , хотя подъемная сила также создается роторами на винтокрылых аппаратах (которые фактически являются вращающимися крыльями, выполняющими ту же функцию, но не требующими, чтобы самолет двигался вперед по воздуху). В то время как общие значения слова «подъемная сила» предполагают, что подъемная сила противодействует гравитации, аэродинамическая подъемная сила может быть в любом направлении. Например, когда самолет летит , подъемная сила действительно противодействует гравитации, но подъемная сила возникает под углом при подъеме, спуске или вираже. На высокоскоростных автомобилях подъемная сила направлена вниз (так называемая «нижняя сила»), чтобы удерживать автомобиль на дороге.
Для твердого объекта, движущегося через жидкость, сопротивление является компонентом чистой аэродинамической или гидродинамической силы , действующей противоположно направлению движения. [25] [26] [27] [28] Таким образом, сопротивление противодействует движению объекта, и в двигателе его необходимо преодолеть тягой . Процесс, который создает подъемную силу, также вызывает некоторое сопротивление.
Аэродинамическая подъемная сила создается движением аэродинамического объекта (крыла) в воздухе, который из-за своей формы и угла отклоняет воздух. Для устойчивого прямого и ровного полета подъемная сила должна быть равна и противоположна весу. В целом, длинные узкие крылья способны отклонять большой объем воздуха на низкой скорости, тогда как крыльям меньшего размера требуется более высокая скорость движения вперед, чтобы отклонить эквивалентный объем воздуха и, таким образом, создать эквивалентный объем подъемной силы. 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 вперед 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 сопротивлению является показателем аэродинамической эффективности самолета. Коэффициент подъемной силы к сопротивлению — это отношение L/D, произносится как «соотношение L к D». Самолет имеет высокое отношение L/D, если он создает большую подъемную силу или малое сопротивление. Коэффициент подъемной силы/сопротивления определяется путем деления коэффициента подъемной силы на коэффициент сопротивления, CL/CD. [29]
Коэффициент подъемной силы Cl равен подъемной силе L, деленной на (плотность r, умноженную на половину квадрата скорости V, умноженную на площадь крыла A). [Cl = L / (A * .5 * r * V^2)] Коэффициент подъемной силы также зависит от сжимаемости воздуха, которая намного больше на более высоких скоростях, поэтому скорость V не является линейной функцией. Сжимаемость также зависит от формы поверхностей самолета. [30]
Коэффициент сопротивления Cd равен сопротивлению D, деленному на (плотность r, умноженную на половину скорости V в квадрате, умноженную на опорную площадь A). [Cd = D / (A * .5 * r * V^2)] [31]
Коэффициенты подъемной силы для практических самолетов варьируются 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 относительно движения вперед также увеличивает степень отклонения и, таким образом, создает дополнительную подъемную силу. Однако больший угол атаки также создает дополнительное сопротивление.
Подъемно-лобовое соотношение также определяет качество планирования и дальность планирования. Поскольку качество планирования основано только на соотношении аэродинамических сил, действующих на самолет, вес самолета не повлияет на него. Единственное влияние веса заключается в изменении времени, в течение которого самолет будет планировать — более тяжелый самолет, планирующий с более высокой скоростью, прибудет в ту же точку приземления за более короткое время. [32]
Давление воздуха, действующее на предмет в воздухе, больше давления сверху, толкающего вниз. Плавучесть в обоих случаях равна весу вытесненной жидкости — закон 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 объект объемом 1 кубический метр в воздухе поднимается с силой 12 ньютонов. Если масса объекта объемом 1 кубический метр больше 1,2 килограмма (так что его вес больше 12 ньютонов), он падает на землю при отпускании. Если объект такого размера имеет массу меньше 1,2 килограмма, он поднимается в воздухе. Любой объект, масса которого меньше массы равного объема воздуха, будет подниматься в воздухе — другими словами, любой объект, плотность которого меньше плотности воздуха, будет подниматься.
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 для транспортных средств, приводимых в движение такими двигателями (обычно это космические ракеты-носители и реактивные самолеты ).
Если отношение тяги к весу больше, чем местная сила тяжести (выраженная в г с), то полет может происходить без какого-либо поступательного движения или аэродинамической подъемной силы.
Если произведение тяговооружённости на аэродинамическое качество больше местной силы тяжести, то возможен взлёт с использованием аэродинамической подъёмной 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 относительно центра масс аппарата , известные как тангаж , крен и рыскание (см . пояснения в разделе Вращения 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 в полете (что, в свою очередь, влияет на высоту , направление ). Крылья часто слегка наклонены вверх — они имеют «положительный двугранный угол », который обеспечивает внутреннюю стабилизацию крена.
Создание тяги, чтобы иметь возможность набрать высоту, и проталкивание воздуха для преодоления сопротивления, связанного с подъемной силой, требует энергии. Различные объекты и существа, способные летать, различаются по эффективности своих мышц, двигателей и того, насколько хорошо это преобразуется в тягу вперед.
Эффективность тяги определяет, сколько энергии транспортные средства генерируют из единицы топлива. [34] [35]
Дальность полета, которую могут достичь летательные аппараты с двигателем, в конечном итоге ограничена их сопротивлением, а также тем, сколько энергии они могут хранить на борту и насколько эффективно они могут преобразовывать эту энергию в движение. [36]
Для самолетов с двигателем полезная энергия определяется долей топлива — какой процент от взлетной массы составляет топливо, а также удельной энергией используемого топлива.
Всем животным и устройствам, способным к длительному полету, требуется относительно высокое отношение мощности к весу, чтобы иметь возможность создавать достаточную подъемную силу и/или тягу для взлета.
Транспортные средства, которые могут летать, могут иметь различные способы взлета и посадки . Обычные самолеты разгоняются вдоль земли до тех пор, пока не будет создана достаточная подъемная сила для взлета , и обратный процесс для посадки . Некоторые самолеты могут взлетать на низкой скорости; это называется коротким взлетом. Некоторые самолеты, такие как вертолеты и реактивные самолеты с трамплином 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 местоположения (например , компас , GPS , LORAN , звездный датчик , инерциальный измерительный блок и высотомер ).
В авиации успешная аэронавигация подразумевает пилотирование воздушного судна с места на место без потерь, нарушения законов, применяемых к воздушным судам, или создания угрозы безопасности находящихся на борту или на земле людей .
Методы, используемые для навигации в воздухе, будут зависеть от того, летит ли самолет по визуальным правилам полетов (VFR) или по правилам полетов по приборам (IFR). В последнем случае пилот будет осуществлять навигацию исключительно с использованием приборов и радионавигационных средств, таких как маяки, или в соответствии с указаниями под радиолокационным контролем управления воздушным движением . В случае VFR пилот будет в основном осуществлять навигацию, используя счисление пути в сочетании с визуальными наблюдениями (известными как пилотаж ), со ссылкой на соответствующие карты. Это может быть дополнено использованием радионавигационных средств.
Система наведения — это устройство или группа устройств, используемых в навигации корабля, самолета, ракеты, спутника или другого движущегося объекта . Обычно наведение отвечает за расчет вектора (т. е. направления, скорости) к цели .
Система управления полетом обычного самолета с фиксированным крылом состоит из поверхностей управления полетом , соответствующих органов управления кабины, соединительных тяг и необходимых рабочих механизмов для управления направлением самолета в полете. Органы управления двигателем самолета также считаются органами управления полетом, поскольку они изменяют скорость.
В случае с самолетами воздушное движение контролируется системами управления воздушным движением .
Предотвращение столкновений — это процесс управления космическим аппаратом с целью предотвращения столкновений.
Безопасность полетов — это термин, охватывающий теорию, исследование и классификацию отказов полетов , а также предотвращение таких отказов посредством регулирования, образования и обучения. Он также может применяться в контексте кампаний, информирующих общественность о безопасности авиаперелетов .
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.
Джорджа Кейли иногда называют "отцом авиации". Пионер в своей области, ему приписывают первый крупный прорыв в полете тяжелее воздуха. Он был первым, кто определил четыре аэродинамические силы полета — вес, подъемную силу, сопротивление и тягу — и их взаимосвязь, а также первым, кто 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 больших всплеска творчества в области воздухоплавания, 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 и 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 в инженерных терминах концепции подъемной силы и тяги.
Путеводитель по авиаперелетам от Wikivoyage
