10 авіаційних інновацій, без яких ми застрягли б на землі
Flight 447 серйозно розбурхав льотну промисловість. Літак - аеробус A330 - був одним із найнадійніших літаків у світі, які жодного разу не впали до злощасного польоту Air France. Той крах показав страшну правду: повітряним транспортним засобам, які важчі за повітря, довіряти не варто. На перший погляд літак повинен робити те, для чого призначений — летіти. Але насправді його здатність перебувати у повітрі залежить від складної взаємодії технологій та сил. Варто тільки-но порушити баланс — і літак уже не зможе відірватися від землі. Або, якщо він уже у повітрі, він повернеться на землю з катастрофічними наслідками.
У цій статті ми досліджуватимемо тонку межу між високим польотом і швидким падінням. Перед вами десять інноваційних рішень без яких не було б сучасних літаків. Почнемо з крил, якими володіють всі літаючі об'єкти.
Вони мають птахів. У кажанів і метеликів. Дедал та Ікар одягали їх, щоб урятуватися від Міноса, короля Криту. Ми говоримо про крила, або про аеродинамічні поверхні, які дозволяють повітряному засобу піднятися. Як правило, крила мають форму витягнутої сльози з вигнутою верхньою поверхнею та плоскою нижньою. Повітря, що протікає через крило, створює зону вищого тиску під крилом, тим самим відриваючи літак від землі.
Цікаво, що деякі книги звертаються до принципу Бернуллі, щоб пояснити роботу крил. За їхньою логікою, повітря рухається верхньою поверхнею довше, а значить і швидше, щоб прийти до задньої кромки в той же час, що і повітря, яке рухається нижньою частиною. Різниця у швидкості створює перепад тисків, що призводить до підйому. Інші книги відкидають цей принцип, звертаючись до перевіреного закону Ньютона: крило штовхає повітрявниз, отже, повітря штовхає крило вгору.
Політ пристроїв важчий за повітря почався з планерів — легких літаків, які можуть літати протягом тривалого часу без використання двигуна. Планери були білками-летягами в авіації, проте її піонери Вілбур та Орвілл Райт хотіли справжніх соколів із потужним та якісним польотом. Щоб забезпечити потяг, потрібна була рухова система. Брати Райт розробили та побудували перші пропелери для літаків, а також чотирициліндрові двигуни з водяним охолодженням, щоб їх обертати.
Теорія та практика створення пропелерів пройшли довгий шлях. Пропелер працює як крило, що обертається, забезпечуючи підйом, але в напрямку прямо. Пропелери бувають різні: і з двома лопатями, і з вісьмома, проте всі відповідають тим самим завданням. У міру обертання лопатей, пропелери штовхають повітря назад, і це повітря завдяки силам дії та протидії Ньютона рухає транспорт вперед. Ця сила відома як тяга і працює на противагу опору повітря, що уповільнює рух транспортного засобу.
Реактивний двигун
В 1937 авіація зробила гігантський стрибок вперед, коли британський винахідник і інженер Френк Уіттл випробував перший у світі реактивний двигун. Він працював зовсім не так, як сучасний. Двигун Віттла всмоктував повітря спрямованим вперед компресором. Повітря проходило в камеру згоряння, де змішувалося з паливом і спалювалося. Перегрітий потік газів викидався з вихлопної труби, штовхаючи двигун та літак уперед.
Ганс Пабст ван Огайн із Німеччини взяв базову конструкцію Віттла і поклав її в основу першого реактивного літака у 1939 році. Через два роки британський уряд нарешті відірвав літак — Gloster E.28/39, або GlosterMeteor – від землі, використовуючи інноваційний реактивний двигун Уіттла. До кінця Другої світової війни літаки Gloster Meteor, керовані пілотами королівських повітряних сил, ганялися за німецькими ракетами V-1 і стріляли з неба.
Сьогодні турбореактивні двигуни зарезервовані насамперед для військових літаків. Пасажирські авіалайнери використовують турбовентиляторні двигуни, які так само ковтають повітря вперед компресорами, що дивляться. Тільки замість спалювання всього повітря, що надходить, в ТРДД — так їх називають у літературі — повітря обтікає камеру згоряння і змішується зі струменем перегрітих газів, що виходять з вихлопної труби. Як результат, ТРДД більш ефективні та виробляють менше шуму.
Реактивне паливо
Перші поршневі літаки використовували самі види палива, як і автомобілі — бензин і дизельне паливо. Проте розвиток реактивних двигунів зажадав різноманітності. Хоча кілька дурнів виступали за використання арахісової олії чи віскі, авіаційна промисловість швидко звикла до гасу як кращого палива для потужних реактивних струменів. Гас - компонент сирої нафти, що отримується в результаті дистиляції або поділу на основні компоненти. Загалом із нафти багато чого роблять.
Якщо у вас колись була гасова лампа або обігрівач, можливо, ви бачили це паливо солом'яного кольору. Комерційні літаки, тим не менш, вимагають гасу вищого класу, ніж бабусина гас. Паливо повинно горіти чисто, але мати вищу температуру спалаху, ніж паливо, щоб знизити ризик виникнення пожежі. Також паливо для реактивних двигунів має залишатися рідким у холодному повітрі верхніх шарів атмосфери. Процес очищення усуває всю воду, яка можеперетворитися на крижані частинки та заблокувати паливні шляхи. Точка замерзання гасу також ретельно контролюється. Більшість видів реактивного палива не замерзає за температури до мінус 50 за Цельсієм.
Управління польотом
Одна річ — підняти літак у повітря. Зовсім інша справа — ефективно керувати ним, щоб той не впав назад на землю. У легкому літаку пілот передає команди рульовому управлінню за допомогою механічних з'єднань для контролю поверхонь на крилах. Ці поверхні, відповідно, елерони, підйомники та кермо. Пілот використовує елерони, щоб рухатися з боку в бік, витяги для руху вгору і вниз і кермо для повороту вліво-вправо. Нахил, наприклад, вимагає одночасної активації елеронів і керма, щоб літак припав на одне крило.
Сучасні військові та комерційні авіалайнери керуються тими самими поверхнями і використовують ті ж принципи, але з механічним управлінням покінчено. Перші літаки літали на гідравліко-механічних системах, але вони були вразливими для пошкоджень і займали багато місця. Сьогодні майже всі великі літаки покладаються на цифровий політ-проводами, що дозволяє тонко керувати елементами за допомогою бортового комп'ютера. Ця хитромудра технологія дозволяє керувати комерційним авіалайнером всього двом пілотам.
Алюмінієві та алюмінієві сплави
У 1902 році брати Райт пролетіли на найхитрішому літаку - одномісний планер був зроблений з муслінової "шкіри", натягнутої на ялинову раму. Згодом дерево і тканина поступилися монококу з ламінованого дерева, літакової конструкції, де вся або майже вся напруга припадала на шкіру літака. Монококові фюзеляжі дозволили створити більш потужні та обтічні літаки, що призвело донизці рекордів швидкості на початку 1900-х. На жаль, деревина, що використовується в таких літаках, вимагала постійної підтримки та погіршувалась під впливом атмосферних явищ.
До 1930 майже всі авіаційні конструктори віддали перевагу суцільнометалеву конструкцію на ламінованому дереві. Сталь була чудовим кандидатом, але надто важка. Алюміній, з іншого боку, був легким, міцним та легко пристосовувався до будь-яких компонентів. Фюзеляжі із алюмінієвих панелей, скріплених заклепками, стали символом авіації. Але цей матеріал мав і свої проблеми — зокрема, втому металу. Як результат, виробники розробили нові техніки для визначення проблемних зон у металевих частинах літака. Ремонтні бригади сьогодні використовують ультразвукове сканування, щоб виявити тріщини та розлами, навіть найменші дефекти, які не можна розглянути.
На зорі авіації польоти були короткими, і головною турботою пілота було не впасти на землю після кількох хвилюючих моментів у повітрі. Оскільки технологія покращилася, стали можливі тривалі перельоти через континенти та океани, навіть увесь світ. Втома пілота стала серйозною проблемою під час цих епічних подорожей. Як міг самотній пілот або невелика команда пильнувати і пильнувати протягом годин, особливо під час монотонних круїзів на великій висоті?
Так з'явився автопілот. Створений Лоренсом Берстом Сперрі, сином Елмера А. Сперрі, автопілот, або автоматична система управління польотом, пов'язувала три гіроскопи на поверхнях літака, що контролюють тангаж, крен та відхилення від курсу. Пристрій робив корективи в залежності від кута відхилення від напрямку польоту. Революційний винахід Сперрі уможливив стабільний круїзний політ, атакож самостійно могло виконувати зліт та посадку.
Автоматична система керування польотом сучасних літаків мало чим відрізняється від перших гіроскопічних автопілотів. Датчики руху — гіроскопи та акселерометри — збирають інформацію про просторове становище повітряного судна та його рух, доставляють його до комп'ютерів автопілота, а ті видають сигнали для коригування курсу за допомогою крил та хвоста.
Трубки Піто
Коли пілоти знаходяться у кабіні літака, їм доводиться відстежувати велику кількість даних. Однією з найважливіших речей є швидкість літака щодо повітряної маси, в якій він летить. Для конкретних конфігурацій польоту, чи це посадка чи економний круїз, швидкість літака повинна залишатися у певному діапазоні величин. Якщо літак летить надто повільно, може страждати аеродинаміка, тобто сили підйому буде недостатньо для подолання сили гравітації. Якщо літак летить дуже швидко, можуть виникнути структурні пошкодження.
На комерційних літаках швидкість польоту вимірюють трубки Піто. Пристрій отримав свою назву від Анрі Піто, француза, якому потрібно було вимірювати швидкість води у річках та каналах. Він створив пряму трубку з двома отворами, ззаду та збоку. Піто орієнтував свій пристрій так, що передній отвір було направлено вгору за течією, дозволяючи воді протікати через трубку. Вимірюючи перепад тиску в передньому і бічному отворі, він зміг обчислити швидкість води, що рухається.
Повітряні інженери зрозуміли, що зможуть зробити те саме, встановивши трубки Піто на краю крила або вгорі фюзеляжу. Потік повітря протікає через трубку і дозволяє точно виміряти швидкість літака.
Управління повітряним рухом
Досі миговорили про авіаційні конструкції, але одним із найважливіших нововведень авіації стало управління повітряним рухом, система, яка дозволяє літаку піднятися з одного аеропорту, пролетіти сотні або тисячі кілометрів та безпечно приземлитися у пункті призначення. У США, наприклад, понад 20 центрів управління польотами, які відповідають за переміщення літаків у всій країні. Кожен центр відповідає за певну географічну область, тому коли літак вилітає, його передають іншому центру.
В управлінні повітряним рухом ключову роль відіграє спостереження радіолокації. Основні наземні станції, розташовані в аеропортах та центрах управління, випромінюють короткохвильові радіохвилі, які потрапляють у літак та відбиваються назад. Ці сигнали дозволяють авіадиспетчерам контролювати позиції повітряних суден у межах даного обсягу повітряного простору. У той же час більшість комерційних літаків несуть транспондери — пристрої, які повідомляють тип, висоту, курс і швидкість літака, коли його «допитує» радар.
Посадка комерційного авіалайнера є одним із найнеймовірніших технологічних подвигів. Літак повинен спуститися з 10 000 метрів на землю і сповільнитись з 1046 до 0 кілометрів на годину. Ну і так, йому потрібно поставити всю свою вагу — близько 170 тонн — на кілька коліс та стійок, які мають бути міцними, але повністю забиратися. Чи варто дивуватися, що шасі займають перше місце у нашому списку?
Аж до кінця 1980-х більшість цивільних і військових літаків використовували три основні посадкові конфігурації: одне колесо на стійці, два колеса пліч-о-пліч на стійці або два колеса пліч-о-пліч і ще два колеса пліч-о-пліч. У міру того, як літаки ставали більшими і важчими, системипосадки ставали складнішими, щоб знизити напругу коліс і збірних стійок, і навіть зменшити силу удару об посадкову смугу. Шасі аеробуса A380, наприклад, складаються з чотирьох ходових елементів - два з чотирма колесами і два з шістьма колесами кожен. Незалежно від конфігурації, сила важливіша за вагу, тому ви знайдете сталеві та титанові, але не алюмінієві компоненти в шасі.
Авіація дійшла того, що літаки вже хочуть оснастити бойовими лазерами. Що ж, сподіватимемося, що через пару років доведеться писати вже про космічні кораблі, що бороздять безкраї простори великого театру.