10 авиационных инноваций, без которых мы бы застряли на земле

1 июня 2009 года самолет, следующий по курсу Air France Flight 447, внезапно начал падать со скоростью несколько сотен метров в секунду, в результате чего упал в Атлантический океан и развалился на части. Погибли все 228 пассажиров и члены экипажа. Со временем следователи смогли разобраться, что пошло не так в ту роковую ночь: суровые погодные условия, неисправное оборудование на борту и ошибки экипажа привели к падению самолета.

Flight 447 серьезно взбудоражил летную промышленность. Самолет — аэробус A330 — был одним из самых надежных самолетов в мире, ни разу не упавших до злополучного полета Air France. Тот крах показал пугающую правду: воздушным транспортным средствам, которые тяжелее воздуха, доверять не стоит. На первый взгляд, самолет должен делать то, для чего предназначен — лететь. Но на самом деле его способность находиться в воздухе зависит от сложного взаимодействия технологий и сил. Стоит едва нарушить баланс — и самолет уже не сможет оторваться от земли. Либо, если он уже в воздухе, он вернется на землю с катастрофическими последствиями.

В этой статье мы будем исследовать тонкую грань между высоким полетом и быстрым падением. Перед вами десять инновационных решений, без которых не было бы современных самолетов. Начнем с крыльев, которыми обладают все летающие объекты.

Крылья

Они есть у птиц. У летучих мышей и бабочек. Дедал и Икар надевали их, чтобы спастись от Миноса, короля Крита. Мы говорим о крыльях, либо об аэродинамических поверхностях, которые позволяют воздушному средству подняться. Как правило, крылья имеют форму вытянутой слезы с изогнутой верхней поверхностью и плоской нижней. Воздух, протекающий через крыло, создает зону более высокого давления под крылом, тем самым отрывая самолет от земли.

Интересно, что некоторые книги обращаются к принципу Бернулли, чтобы объяснить работу крыльев. По их логике, воздух движется по верхней поверхности дольше, а значит и быстрее, чтобы прийти к задней кромке в то же время, что и воздух, который движется по нижней части. Разница в скорости создает перепад давлений, который приводит к подъему. Другие книги отвергают этот принцип, обращаясь к проверенному закону Ньютона: крыло толкает воздух вниз, значит воздух толкает крыло вверх.

Пропеллер

Полет устройств тяжелее воздуха начался с планеров — легких самолетов, которые могут летать в течение длительного времени без использования двигателя. Планеры были белками-летягами в авиации, однако ее пионеры Уилбур и Орвилл Райт хотели настоящих соколов с мощным и качественным полетом. Чтобы обеспечить тягу, нужна была двигательная система. Братья Райт разработали и построили первые пропеллеры для самолетов, а также четырехцилиндровые двигатели с водяным охлаждением, чтобы их вращать.

Теория и практика создания пропеллеров прошли долгий путь. Пропеллер работает как вращающееся крыло, обеспечивая подъем, но в направлении прямо. Пропеллеры бывают разные: и с двумя лопастями, и с восемью, однако все отвечают одним и тем же задачам. По мере вращения лопастей, пропеллеры толкают воздух назад, и этот воздух, благодаря силам действия и противодействия Ньютона, движет транспорт вперед. Эта сила известна как тяга и работает в противовес сопротивлению воздуха, которое замедляет движение транспортного средства.

Реактивный двигатель

В 1937 году авиация сделала гигантский скачок вперед, когда британский изобретатель и инженер Фрэнк Уиттл испытал первый в мире реактивный двигатель. Он работал совсем не так, как современный. Двигатель Уиттла всасывал воздух направленным вперед компрессором. Воздух проходил в камеру сгорания, где смешивался с топливом и сжигался. Перегретый поток газов выбрасывался из выхлопной трубы, толкая двигатель и самолет вперед.

Ганс Пабст ван Огайн из Германии взял базовую конструкцию Уиттла и положил ее в основу первого реактивного самолета в 1939 году. Два года спустя британское правительство, наконец, оторвало самолет — Gloster E.28/39, или Gloster Meteor — от земли, используя инновационный реактивный двигатель Уиттла. К концу Второй мировой войны самолеты Gloster Meteor, управляемые пилотами королевских воздушных сил, гонялись за немецкими ракетами V-1 и стреляли в них с неба.

Сегодня турбореактивные двигатели зарезервированы в первую очередь для военных самолетов. Пассажирские авиалайнеры используют турбовентиляторные двигатели, которые все так же глотают воздух вперед смотрящими компрессорами. Только вместо сжигания всего поступающего воздуха, в ТРДД — так их называют в литературе — воздух обтекает камеру сгорания и смешивается со струей перегретых газов, выходящих из выхлопной трубы. Как результат, ТРДД более эффективны и производят меньше шума.

Реактивное топливо

Первые поршневые самолеты использовали те же виды топлива, что и автомобили — бензин и дизельное топливо. Однако развитие реактивных двигателей потребовало разнообразия. Хотя несколько дураков выступали за использование арахисового масла или виски, авиационная промышленность быстро привыкла к керосину как лучшему топливу для мощных реактивных струй. Керосин — компонент сырой нефти, получаемый в результате дистилляции или разделения на основные компоненты. Вообще из нефти много чего делают.

Если у вас когда-нибудь была керосиновая лампа или обогреватель, возможно, вы видели это топливо соломенного цвета. Коммерческие самолеты, тем не менее, требуют керосина более высокого класса, чем бабушкина керосинка. Топливо должно гореть чисто, но иметь более высокую температуру вспышки, чем автомобильное топливо, чтобы снизить риск возникновения пожара. Также топливо для реактивных двигателей должно оставаться жидким в холодном воздухе верхних слоев атмосферы. Процесс очистки устраняет всю воду, которая может превратиться в ледяные частицы и заблокировать топливные пути. Точка замерзания самого керосина также тщательно контролируется. Большинство видов реактивного топлива не замерзает при температуре до минус 50 по Цельсию.

Управление полетом

Одно дело — поднять самолет в воздух. Совсем другое дело — эффективно им управлять, чтобы тот не упал обратно на землю. В простом легком самолете пилот передает команды рулевому управлению с помощью механических соединений для контроля поверхностей на крыльях. Эти поверхности, соответственно, элероны, подъемники и руль. Пилот использует элероны, чтобы двигаться из стороны в сторону, подъемники для движения вверх и вниз и руль для поворота влево-вправо. Крен, например, требует одновременной активации элеронов и руля, чтобы самолет припал на одно крыло.

Современные военные и коммерческие авиалайнеры управляются теми же поверхностями и используют те же принципы, но с механическим управлением покончено. Первые самолеты летали на гидравлико-механических системах, но они были уязвимы для повреждений и занимали много места. Сегодня почти все крупные самолеты полагаются на цифровой полет-по-проводам, что позволяет тонко управлять элементами с помощью бортового компьютера. Эта хитроумная технология позволяет управлять коммерческим авиалайнером всего двум пилотам.

Алюминиевые и алюминовые сплавы

В 1902 году братья Райт пролетели на самом хитроумном самолете — одноместный планер был сделан из муслиновой «кожи», натянутой на еловую раму. Со временем дерево и ткань уступили монококу из ламинированного дерева, самолетной конструкции, где все или почти все напряжение приходилось на кожу самолета. Монококовые фюзеляжи позволили создать более мощные и обтекаемые самолеты, что привело к ряду рекордов скорости в начале 1900-х. К сожалению, древесина, используемая в таких самолетах, требовала постоянной поддержки и ухудшалась под воздействием атмосферных явлений.

К 1930 году почти все авиационные конструкторы предпочли цельнометаллическую конструкцию на ламинированном дереве. Сталь была прекрасным кандидатом, но слишком тяжела. Алюминий, с другой стороны, был легким, прочным и легко приспосабливался к любым компонентам. Фюзеляжи из алюминиевых панелей, скрепленных заклепками, стали символом авиации. Но у этого материала были и свои проблемы — в частности, усталость металла. Как результат, производители разработали новые техники для определения проблемных зон в металлических частях самолета. Ремонтные бригады сегодняшнего дня используют ультразвуковое сканирование, чтобы обнаружить трещины и разломы, даже самые небольшие дефекты, которые нельзя разглядеть.

Автопилот

На заре авиации полеты были короткими, и главной заботой пилота было не рухнуть на землю после нескольких волнительных моментов в воздухе. Поскольку технология улучшилась, стали возможны длительные перелеты через континенты и океаны, даже весь мир. Усталость пилота стала серьезной проблемой во время этих эпических путешествий. Как мог одинокий пилот или небольшая команда бодрствовать и бдеть на протяжении часов, особенно во время монотонных круизов на большой высоте?

Так появился автопилот. Созданный Лоренсом Берстом Сперри, сыном Элмера А. Сперри, автопилот, или автоматическая система управления полетом, связывала три гироскопа на поверхностях самолета, контролирующих тангаж, крен и отклонения от курса. Устройство делало коррективы в зависимости от угла отклонения от направления полета. Революционное изобретение Сперри сделало возможным стабильный круизный полет, а также самостоятельно могло выполнять взлет и посадку.

Автоматическая система управления полетом современных самолетов мало чем отличается от первых гироскопических автопилотов. Датчики движения — гироскопы и акселерометры — собирают информацию о пространственном положении воздушного судна и его движении, доставляют ее в компьютеры автопилота, а те выдают сигналы для корректировки курса с помощью крыльев и хвоста.

Трубки Пито

Когда пилоты находятся в кабине самолета, им приходится отслеживать большое количество данных. Одной из важнейших вещей является скорость самолета — относительно воздушной массы, в которой он летит. Для конкретных конфигураций полета, будь то посадка или экономный круиз, скорость самолета должна оставаться в определенном диапазоне величин. Если самолет летит слишком медленно, может страдать аэродинамика, то есть силы подъемы будет недостаточно для преодоления силы гравитации. Если самолет летит слишком быстро, могут возникнуть структурные повреждения.

На коммерческих самолетах скорость полета измеряют трубки Пито. Устройство получило свое название от Анри Пито, француза, которому нужно было измерять скорость воды в реках и каналах. Он создал прямую трубку с двумя отверстиями, сзади и сбоку. Пито ориентировал свое устройство так, что переднее отверстие было направлено вверх по течению, позволяя воде протекать через трубку. Измеряя перепад давления в переднем и боковом отверстии, он смог вычислить скорость движущейся воды.

Воздушные инженеры поняли, что смогут сделать то же самое, установив трубки Пито на краю крыла или наверху фюзеляжа. Воздушный поток протекает через трубку и позволяет точно измерить скорость самолета.

Управление воздушным движением

До сих пор мы говорили об авиационных конструкциях, но одним из самых важных нововведений авиации стало управление воздушным движением, система, которая позволяет самолету подняться из одного аэропорта, пролететь сотни или тысячи километров и безопасно приземлиться в пункте назначения. В США, например, более 20 центров управления полетами, которые отвечают за перемещение самолетов по всей стране. Каждый центр отвечает за определенную географическую область, поэтому когда самолет вылетает, его «передают» другому центру.

В управлении воздушным движением ключевую роль играет радиолокационное наблюдение. Основные наземные станции, расположенные в аэропортах и центрах управления, излучают коротковолновые радиоволны, которые попадают в самолет и отражаются обратно. Эти сигналы позволяют авиадиспетчерам контролировать позиции воздушных судов в рамках данного им объема воздушного пространства. В то же время, большинство коммерческих самолетов, несут транспондеры — устройства, которые сообщают тип, высоту, курс и скорость самолета, когда его «допрашивает» радар.

Шасси

Посадка коммерческого авиалайнера представляет собой один из самых невероятных технологических подвигов. Самолет должен спуститься с 10 000 метров на землю и замедлиться с 1046 до 0 километров в час. Ну и да, ему нужно поставить весь свой вес — около 170 тонн — на несколько колес и стоек, которые должны быть прочными, но полностью убираться. Стоит ли удивляться, что шасси занимают первое место в нашем списке?

Вплоть до конца 1980-х большинство гражданских и военных самолетов использовали три основных посадочных конфигурации: одно колесо на стойке, два колеса бок о бок на стойке или два колеса бок о бок и еще два колеса бок о бок. По мере того, как самолеты становились крупнее и тяжелее, системы посадки становились более сложными, чтобы снизить напряжение колес и сборных стоек, а также уменьшить силу удара о посадочную полосу. Шасси аэробуса A380, например, состоят из четырех ходовых элементов — два с четырьмя колесами и два с шестью колесами каждый. Вне зависимости от конфигурации, сила важнее веса, поэтому вы найдете стальные и титановые, но не алюминиевые компоненты в шасси.

Авиация дошла до того, что самолеты уже хотят оснастить боевыми лазерами Что ж, будем надеяться, что через пару лет придется писать уже о космических кораблях, бороздящих бескрайние просторы большого театра.