Аэродинамический принцип создания подъемной силы (отбрасывание вниз части воздуха) можно технически реализовать либо за счет движения всего аппарата, снабженного неподвижной несущей поверхностью (крыло), либо за счет движения отдельных несущих частей аппарата (несущий винт, вентилятор и т. д.) относительно воздушной среды. И в том и в другом случае образование подъемной силы основано на законе механики о количестве движения (второй закон Ньютона, по имени английского математика, механика, астронома и физика И. Ньютона):

m(V 2 – V 1) = Pt ,

Следовательно, Р = m (V 2 – V 1) / t .
В соответствии с третьим законом Ньютона подъемная сила Y будет приложена к несущей поверхности и направлена вверх (против силы P , приложенной к воздуху и направленной вниз):

= – .

В дальнейшем при обозначении сил, имеющих аэродинамическую природу, будем применять индекс а (Y а, X а ) .
Подробно механизм возникновения аэродинамической подъемной силы будет рассмотрен в разделе 5.2. Здесь еще раз подчеркнем, что движущаяся в воздухе несущая поверхность, создающая подъемную силу Y а , совершает работу по преодолению действующей на нее силы лобового сопротивления X а . Поэтому для создания подъемной силы необходимо затрачивать энергию.
Очевидно, что энергетические затраты ЛА, использующего аэродинамический принцип полета, будут тем меньше, чем меньше будет сила лобового сопротивления X а , возникающая при создании необходимой для полета подъемной силы Y а , т. е. чем больше будет значение аэродинамического качества ЛА, определяемого отношением подъемной силы к силе лобового сопротивления:

K а = Y а / X а .

Далее будет показано, что аэродинамическое качество является свойством ЛА, определяемым в основном его геометрическими параметрами.
Среди ЛА, реализующих аэродинамический принцип полета, наибольшее распространение получили планеры (франц. planeur , от planer – парить), самолеты и вертолеты.

Планер не имеет силовой установки, поэтому его полет (рис. 4.4) в спокойной атмосфере возможен только с постоянным снижением под некоторым углом Q к горизонту со скоростью планирования V , которая может быть представлена векторной суммой скорости снижения V y и горизонтальной скорости полета V x . Движение планера вперед происходит под действием составляющей G sinQ силы тяжести , которая уравновешивает силу лобового сопротивления , возникающую вместе с подъемной силой крыла , уравновешивающей составляющую G cosQ силы тяжести. Таким образом, при полете планера на создание подъемной силы и преодоление силы лобового сопротивления с потерей высоты расходуется потенциальная энергия, которой обладал планер, доставленный на высоту начала планирования с помощью наземной лебедки или самолета-буксировщика . Увеличить запас энергии для полета планер может, набирая высоту за счет энергии «термиков » – восходящих потоков теплого воздуха.
Рассматривая схему сил, действующих на планер при планировании (см. рис. 4.4), запишем:

Y a = G cosQ; X a = G sinQ .

Отсюда tgQ = X a / Y a = 1 / K a , т. е. планер, имеющий большее аэродинамическое качество, будет планировать по более пологой траектории и дальность полета его при прочих равных условиях будет больше, следовательно, он более эффективно использует начальный запас энергии. Для современных планеров аэродинамическое качество K a = 40 ¸ 50.

Самолет совершает полет в атмосфере за счет силы тяги, создаваемой силовой установкой, и подъемной силы, создаваемой неподвижным относительно других частей самолета крылом.
Двигатель самолета создает силу тяги воздушным винтом или реакцией струи выхлопных газов, расходуя при этом химическую энергию топлива, находящегося в топливных баках, на совершение работы против сил аэродинамического сопротивления или сопротивления трения при разбеге самолета по ВПП на взлете.
При полете самолета со скоростью V (рис. 4.5) возникает подъемная сила , противостоящая гравитационной силе (силе тяжести) ; вместе с тем возникает и сила, оказывающая сопротивление движению самолета , которая преодолевается силой тяги двигателя .
Таким образом, для совершения горизонтального полета самолета необходимо выполнить условия:

G = Y a ; P = X a .

Отсюда сила тяги двигателя, потребная для совершения горизонтального полета,

Р потр = G X a / Y a = G / K a = mg / K a .

Очевидно, что энергетические затраты ЛА, реализующего аэродинамический принцип полета, на преодоление силы земного тяготения существенно меньше затрат ЛА, реализующего ракетодинамический принцип полета (где Р потр = mg ). У современных дозвуковых самолетов аэродинамическое качествоK a =15 ¸18, у сверхзвуковых самолетов K a = 8 ¸12.
Однако самолет (в традиционной конфигурации) не способен совершать вертикальный взлет и посадку, поскольку неподвижное крыло создает подъемную силу только при поступательном движении самолета.
Вертолет , устаревшее название – геликоптер (от греч. helix (helikos) – спираль, винт и pteron – крыло), совершает полет за счет подъемной силы и силы тяги, создаваемых одним или несколькиминесущими винтами , способными создавать подъемную силу без поступательного движения ЛА.
Несущий винт 1 вертолета (рис. 4.6,а) состоит из нескольких лопастей , которые представляют собой крылья, приводимые во вращение двигателем. За счет вращения лопастей возникает аэродинамическая подъемная сила (сила тяги винта ) , которая в режиме висения уравновешивает силу тяжести ( = – ).

Вопрос проведения теоретических занятий для школьников по авиационному профилю может стать головной болью для преподавателя, а может подвигнуть его на творческие дела в плане разнообразия теоретического курса. Мой опыт преподавания занятий в тренажерном классе в качестве инструктора – тренажера планера для школьников побудил меня к такому поиску.

Вряд ли школьникам будут интересны теоретические выводы уравнения Бернулли, а также законы Гей-Люсака и Бойля-Мариотта вместе взятых. Гораздо интереснее показывать что-то на практическом примере, например, запустить планер и объяснить, почему он летит именно по такой траектории, а не по другой. Именно с этим вопросом столкнулся ваш покорный слуга, когда сочинял теоретические лекции для курса «Основы пилотирования самолёта через планер», связанный с полётами на планерном тренажере.

Мои поиски привели меня к статье «Основы авиамоделирования», по мотивам симулятора KSP, где простым и понятным для всех языком были описаны аэродинамические истины с их практическим применением. Предлагаю всем желающим погрузиться в основы аэродинамики и проектирования летательных аппаратов, а если появиться желание то и самому испытать это в игре. В качестве проводника в основы аэродинамики будет выступать мистер Кептин и игровое пространство программы KSP. Оригинал статьи можно найти по адресу: www.forum.kerbalspaceprogram.com.

Практическая аэродинамика с помощью KSP

KSP – это игра, в которой игроки создают и управляют своими собственными космическими программами. Строительство челноков, управление ими и запуск миссий в открытый космос – вот пространство для творчества в KSP.

Хотите построить ракету и облететь планету, пожалуйста, есть все необходимые инструменты. Вопрос в другом: хватит ли топлива, выдержит ли шасси при посадке, туда ли опустится спасательная капсула. Вообщем все вопросы технического плана, а также самостоятельного управления построенными летательными аппаратами, игроку придется брать на себя. При желании ещё можно обременить себя финансовым бременем, и получать субсидии на космонавтику взамен на полезные исследования разного уровня. В качестве перспектив для развития есть возможность осуществить выход человека в открытый космос, создать космическую станцию, а даже основать колонию-поселение на другой планете.

Одно из дополнений к игре связано с созданием самолётов: собрать самолёт из отдельных частей, запустить и посмотреть, что из этого получится. Свобода творчества и, в результате, понимание законов аэродинамики. Поскольку после нескольких неудач на посадке конструктор начнет думать головой по поводу усиления стойки шасси, либо облегчения конструкции.

Если кому-то интересно, вот так выглядит урок по созданию самолёта:

Игра постоянно обновляется. Обновления и нововведения происходят возможно даже сейчас, а на сайте лежит новый мод, когда вы читаете эти строки. Для знакомства с программой достаточно скачать с сайта игры демоверсию.

Что такое центр давления и почему его сравнивают с центром масс

Прежде чем перейти к моделированию самолетов стоит немного погрузиться в теорию аэродинамики. Размышления на эту тему уместно начать с вопроса: «Что такое центр давления?». Центр давления – это точка, к которой приложена суммарная подъемных сил разных частей самолёта: крыльев и хвостового оперения.

На рисунке показаны аэродинамические поверхности, которые создают подъемную силу. Суммарная подъемная сила находится в точке, которая называется центром давления.

В том случае, если центр тяжести будет находиться слишком близко к центру масс, летательный аппарат может стать чрезмерно маневренным (другими словами «нейтрально стабильным»), поскольку у него будут отсутствовать естественные тенденции к стремлению двигаться в любом направлении. Вообще желательно стремиться к тому, чтобы центр давления находился позади центра тяжести. В этом случае летательный аппарат будет стремиться падать вперед.

Правила центров

Если Ц.Д. впереди Ц.М., то летательный аппарат подвержен внезапным переворотам, если Ц.Д. и Ц.М. совпали, то летательный аппарат имеет чрезмерную маневренность, если Ц.Д. находится немного позади Ц.Т., то летательный аппарат будет иметь высокую маневренность, если немного подальше, то в полёте будет появляться большая устойчивость, если сильно дальше, то получится дротик для дартс.

Если взять картонную модель самолета и подвесить его на нитке к потолку, то точка, в которой самолёт крепится к нитке, и будет являться центром давления.

Если вы строите летательный аппарат, у которого Ц.Д. находится сильно впереди Ц.М., то это очень близко походит на крепление носа самолёта за нитку. Каждый раз при взлете он будет стремиться перевернуться вверх носом. В то же время, если Ц.Д. у самолёта находится несколько ниже Ц.М., то при взлёте летательный аппарат будет стремиться перевернуться вверх тормашками.


Местоположение и ориентация подъемных поверхностей определяет центр давления. К нему мы вернемся через некоторое время.… Но сначала перейдем к рассмотрению ещё одной потенциально важной силы и точки её приложения – центра тяги (Ц.Т.).

Центр тяги – это точка приложения всех суммарных сил тяги, действующих на летательный аппарат. Если у летательного аппарата один двигатель, то Ц.Т. будет находиться как раз в центре двигателя.

Все прекрасно, но только до тех пор, пока центр тяги вашего двигателя находится на одной линии с центром масс летательного аппарата. Что если это не так… В этом случае уместно говорить про несимметричную тягу.

Вот тут и начинаются различные конфузы:

Действие несимметричного центра тяги можно сравнить по действию с моментом от приложения гаечного ключа. Негативные последствия от такого вмешательства можно приуменьшить работой плоскостей управления или увеличением подъемной силы. Но здесь заключен подвох: эффективность аэродинамических поверхностей меняется в зависимости от высоты полёта и плотности воздуха.

Так что с изменением скорости и высоты полёта также должны меняться и другие характеристики летательного аппарата (например, с помощью системы автоматической стабилизации полёта САСП).

Именно поэтому у всех успешных проектов космических кораблей центр масс располагается на одной линии с центром тяги.


Рассмотрим подробнее плоскости управления летательным аппаратом: движущиеся узлы, которые позволяют управлять положением летательного аппарата. Все они действуют как рычаги на центр масс, причем, чем дальше точка приложения сил от центра масс, тем большее усилие можно создать.


Органы управления на рисунке – это элевоны, гибрид элеронов и рулей высоты. Контрольные плоскости создают подъёмную силу, но они также создают сопротивление воздуха. Элевоны уменьшают количество деталей, таким образом уменьшая суммарное сопротивление. Перебирая всевозможные варианты сочетаний плоскостей управления можно увидеть их плюсы и минусы.

Каждому самолёту свои крылья

Перейдем к магическому слову – крылья! Начнем знакомство с соотношения сторон: размах, поделенный на хорду (отношение длины и ширины).

Каждая из представленных схем летательных аппаратов имеет одинаковую площадь, но разную форму. Каждая форма имеет свои преимущества и недостатки. Эти различия становятся ещё более поразительными, если подключить модуль Ferram Aerospace Research, который будет показывать более реалистичную модель сопротивлений.

Вернемся к вопросу стреловидности крыльев: угол, под которым находится крыло по отношению к фюзеляжу. Все видели ловкие истребители, но на что на самом деле влияет стреловидность крыла.

Когда скорость самолёта становится близка к скорости звука, ударные волны становятся сверхзвуковыми. Стреловидность крыльев уменьшает сопротивление на околозвуковых скоростях, поскольку изгиб крыла уменьшает лобовое сопротивление, что можно увидеть по воздушному потоку.

Наикратчайшее расстояние между двумя точками – это прямая. Поскольку воздушный поток через стреловидное крыло проделывает больший путь, чем через прямое крыло и контур крыла, который пересекает поток, не выглядит как стенка, то ударных волн в случае со стреловидным крылом не создается.

Что касается игры KSP, то в стандартной версии эффект стреловидности не играет большого эффекта. Этим эффектом можно насладиться в дополнительной версии игры, которая называется Ferram Aerospace Research.

Идем дальше…. Рассматриваем крепление крыла и поперечный угол крыла, то есть угол наклона крыла. Если центр давления располагается над центром масс, то повышается устойчивость летательного аппарата. Перенос же крыльев наверх фюзеляжа создает стабилизирующий эффект для летательного аппарата, который носит название поперечного эффекта.

Следовательно, если центр давления располагается ниже центра масс, либо крылья переносятся вниз фюзеляжа, то самолёт становится более маневренный, но менее устойчивым в полёте.

Устойчивость летательного аппарата можно контролировать переносом крыльев выше – ниже относительно фюзеляжа, другими словами переносом центра масс.

Практическое применение комбинаций крыльев и центров масс:

Наконец, короткий экскурс в тему увеличения подъемной силы в игре KSP. Этого можно добиться следующим путём:

• Добавить площадь крыльям
• Увеличить скорость

Увеличение количества крыльев, как и их площади, приведет к увеличению лобового сопротивления и к замедлению самолёта, с одной стороны. С другой стороны, это приведет к снижению скорости сваливания и минимальной скорости полёта, а, следовательно, уменьшению взлетной и посадочной дистанций.

Слишком большое количество крыльев и плоскостей управлений приведет к тому, что летательным аппаратом придется сложнее управлять: малейшие колебания на ручке управления будут вызывать сильные изменения в направлении полёта. Масса самолёта и его желаемая крейсерская скорость полёта (сваливания) будут определять количество подъемных сил, требуемых для самолёта.

Чем круче угол атаки, тем больше подъемная сила. Но это правило работает до некоторых пор: «до критического угла атаки». После достижения критического угла аэродинамический поток начинает переходить в срыв, а самолёт теряет подъемную силу. В KSP угол атаки становится критическим при 20°, в зависимости от модели.

Также стоит рассказать про «углом падения». Угол падения — это угол, под которым крыло находится относительно фюзеляжа. Рост этого угла увеличивает абсолютное значение угла атаки и повышает подъемную силу, но в тоже время увеличивает лобовое сопротивление.

Кому-то может показаться: «Оно того стоит!». Но конструкция крыла становится сложнее и изменяется характер полёта. Крыло с положительным углом атаки имеет отличающиеся подъемные свойства по сравнению с горизонтальным крылом. Другими словами подъемная тяга у такого крыла становится гораздо больше, чем у крыла с горизонтальным расположением.

Поскольку основное крыло создает чрезмерно большую подъемную силу, по сравнению с хвостовым стабилизатором, пилоту придется опускать вниз рычаг управления самолётом или работать триммером на хвостовом оперении, но лишь бы не дать самолёту подняться вверх. И наоборот, ручку убирать на себя в том случае, если нос самолёта опуститься слишком низко.

В Kerbal Space Program летательный аппарат, спроектированный с нулевым углом падения, проще поддается контролю, но имеются также доводы в пользу изменения этого угла:

• можно заранее установить идеальный крейсерский угол тангажа
• нет необходимости задирать резко тангаж вверх во время взлета (для предотвращения удара хвостом)

В тексте прозвучало упоминание про «крейсерский режим полёта»: это относится к режиму, в котором летательный аппарат будет вести себя лучше всего. Если самолёт не находится в таком режиме полёта, то все его узлы и сам полёт не будут находиться в оптимальном режиме: повышенный расход топлива, увеличенный износ двигателя. Изначально в конструкции все закладывается именно исходя из условий полёта в оптимальных условиях: оперение, двигатели, площадь крыльев, материалы и многое другое рассчитывается на полёт в оптимальных условиях.

С чего начать проектировать шасси

Теперь перейдем к вопросу конфигурации шасси, вот некоторые варианты:

Конфигурация «трицикл» проще в регулировке, чем четырехколесная: её проще посадить, чем конфигурацию с опорой на хвостовое колесо.

Правильный подход при проектировании заключается в том, чтобы разместить заднее шасси прямо под центром масс. В таком случае летательный аппарат может свободно разворачиваться и набирать нужный угол атаки при взлете.

Если по некоторым причинам появляется необходимость размещать заднее колесо дальше от центра масс, тогда стоит задуматься над тем, чтобы разместить его несколько выше переднего шасси. В этом случае мы получил заранее положительный угол атаки и, как следствие, упростим взлет летательного аппарата.

Посадочные шасси должны быть расположены так, чтобы для взлёта требовалось от пилота лишь минимальное усилие на ручке.

Самолёты с хвостовым оперением взлетают именно по этому принципу: сама схема такого самолёта гарантирует автоматический взлет при достижении определенной скорости.



Отклонение от курса при посадке может обозначать одно из двух:

1. Взлетно-посадочная полоса не является прямой на самом деле, поскольку шасси располагается перпендикулярно «взлётке» и смотрят строго вперед.
2. Чрезмерный вес, приходящийся на одно из шасси, может привести к прогибу стойки и, как следствие, уводу самолёта с траектории.
3. Также слишком большая прижимная сила на одном из шасси приведет к тому, что остальные не будут полностью находиться в зацеплении с площадкой. Этот эффект называется «колеса тачки».

Возможные способы решения этой задачи:

• Выправить стойку шасси в редакторе
• Укрепить стойку шасси с помощью подкоса
• Распределить вес на большое число стоек шасси
• Снизить вес на шасси с помощью облегчения конструкции самолёта
• Сделать большие шасси и преодолеть усилия в рулевом управлении

Лобовое сопротивление и его влияние на параметры самолёта

В программе KSP используется простая модель лобового сопротивления. Чем больше массы будет добавлено (в виде деталей), тем больше будет создаваться сопротивление воздуха, независимо от того, находится ли модель в воздушном потоке или нет.

Каждая деталь имеет максимальное значение лобового сопротивления (в большинстве случаев это значение 0,2 от максимального). Значение лобового сопротивления можно посчитать по заданной формуле:

Лобовое сопротивление = Плотность воздуха * Скорость(в квадрате) * Коэффициент максимального сопротивления * Массу

Заметьте, что лобовое сопротивление зависит от массы и от коэффициента и не зависит от числа деталей. Уменьшение массы приведет к улучшению аэродинамики. Конструирование аэродинамического профиля часто сводится к как можно большему уменьшению количества деталей, а также двигателей, плоскостей управления, топливных баков, но при сохранении управляемости летательного аппарата.


Если вы хотите преуспеть в том, что изображено на картинках, Вам следует воспользоваться модом KSP, который более реалистично подходит к расчету лобового сопротивления. Этот мод называется Ferram Aerospace Research. Я люблю Ferram, именно поэтому я устанавливаю его везде, где только можно.

Надеюсь, это повествование зарядило Вас энтузиазмом для того, чтобы творить и создавать свои собственные самолёты и космические корабли! Удачи!

И их воздействия на твердые тела. Является подразделом гидро- и газодинамики. Исследования в этой области восходят к глубокой древности, ко времени изобретения стрел и планирующих копий, позволявших дальше и точнее посылать снаряд в цель. Однако потенциал аэродинамики полностью был раскрыт с изобретением аппаратов тяжелее воздуха, способных летать либо планировать на значительные расстояния.

С древних времен

Открытие законов аэродинамики в 20 веке способствовало фантастическому скачку во многих областях науки и техники, особенно в транспортной сфере. На ее достижениях созданы современные летательные аппараты, позволившие сделать общедоступным фактически любой уголок планеты Земля.

Первые упоминания о попытке покорения неба встречаются в греческом мифе об Икаре и Дедале. Отец с сыном соорудили крылья, похожие на птичьи. Это указывает на то, что еще тысячелетия назад люди задумывались о возможности оторваться от земли.

Очередной всплеск интереса к сооружению летательных аппаратов возник в эпоху Возрождения. Страстный исследователь Леонардо да Винчи много времени посвятил этой проблеме. Известны его записи, в которых объяснены принципы работы

Новая эпоха

Глобальный прорыв в науке (и аэронавтике в частности) совершил Исаак Ньютон. Ведь в основе аэродинамики лежит всеобъемлющая наука механика, родоначальником которой стал английский ученый. Ньютон первым рассмотрел воздушную среду как конгломерат частиц, которые, набегая на препятствие, либо прилипают к нему, либо упруго отражаются. В 1726 году он представил публике теорию сопротивления воздуха.

Впоследствии выяснилось, что среда действительно состоит из мельчайших частиц - молекул. Отражающую способность воздуха рассчитывать научились достаточно точно, а эффект «прилипания» считали несостоятельным предположением.

Удивительно, но данная теория нашла практическое применение спустя столетия. В 60-х, на заре космической эры, советские конструкторы столкнулись с проблемой расчета аэродинамического сопротивления спускаемых аппаратов «затупленной» сферической формы, при приземлении развивающих гиперзвуковые скорости. Из-за отсутствия мощных ЭВМ вычислить данный показатель было проблематично. Неожиданно выяснилось, что достаточно точно рассчитать величину сопротивления и даже распределение давления по лобовой части можно по простой формуле Ньютона, касающейся эффекта «прилипания» частиц к летящему объекту.

Развитие аэродинамики

Основатель гидродинамики Даниэль Бернулли описал в 1738 году фундаментальную взаимосвязь между давлением, плотностью и скоростью для несжимаемого потока, известную сегодня как принцип Бернулли, который также применителен к расчетам силы аэродинамического подъема. В 1799 году сэр Джордж Кэли стал первым человеком, который идентифицировал четыре аэродинамических силы полета (вес, подъемную силу, сопротивление и тягу), а также отношения между ними.

В 1871 году Фрэнсис Герберт Уэнам создал первую аэродинамическую трубу, позволяющую точно измерять аэродинамические силы. Неоценимые научные теории разработаны Жаном Ле Рондом Даламбером, Густавом Кирхгофом, лордом Рэлеем. В 1889 году Чарльз Ренард, французский инженер по аэронавтике, стал первым человеком, который научно рассчитал мощность, необходимую для устойчивого полета.

От теории к практике

В 19 веке изобретатели взглянули на крыло с научной точки зрения. И благодаря исследованиям механизма полета птиц была изучена аэродинамика в действии, которую позже применили к искусственным летательным аппаратам.

Особо в исследованиях механики крыла преуспел Отто Лилиенталь. Немецким авиаконструктором создано и испытано 11 типов планеров, в том числе биплан. Им же совершен первый полет на аппарате тяжелее воздуха. За относительно недолгую жизнь (46 лет) он совершил порядка 2000 полетов, постоянно совершенствуя конструкцию, которая скорее напоминала дельтаплан, чем самолет. Он погиб во время очередного полета 10 августа 1896 года, став и первопроходцем аэронавтики, и первой жертвой авиакатастрофы. Кстати, один из планеров немецкий изобретатель лично передал пионеру в изучении аэродинамики самолетов Жуковскому Николаю Егоровичу.

Жуковский не просто экспериментировал с В отличие от многих энтузиастов того времени, прежде всего он рассматривал поведение воздушных потоков с научной точки зрения. В 1904 году он основал первый в мире аэродинамический институт в Качино под Москвой. С 1918 года возглавлял ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт).

Первые самолеты

Аэродинамика - это наука, позволившая человеку покорить небо. Без ее изучения было бы невозможно строить летательные аппараты, стабильно перемещающиеся в воздушных потоках. Первый самолет в привычном нам понимании изготовили и подняли в воздух 7 декабря 1903 года братья Райт. Однако этому событию предшествовала тщательная теоретическая работа. Американцы много времени посвятили отладке конструкции планера в аэродинамической трубе собственной разработки.

Во время первых полетов Фредерик В. Ланчестер, Мартин Вильгельм Кутта и Николай Жуковский выдвинули теории, которые объясняли циркуляцию воздушных потоков, создающих подъемную силу. Кутта и Жуковский продолжили разработку двумерной теории крыла. Людвигу Прандтлу приписывают развитие математической теории тонких аэродинамических и подъемных сил, а также работу с пограничными слоями.

Проблемы и решения

Важность аэродинамики самолетов возрастала по мере увеличения их скоростей. Конструкторы начали сталкиваться с проблемами, связанными со сжатием воздуха со скоростью, близкой или большей, чем скорость звука. Различия в потоках при таких условиях привели к проблемам управления воздушным судном, увеличению сопротивления из-за ударных волн и угрозе разрушения конструкции из-за аэроупругого флаттера. Отношение скорости потока к скорости звука было названо по имени Эрнста Маха, который одним из первых исследовал свойства сверхзвукового потока.

Уильям Джон Маккуорн Ренкин и Пьер Анри Гугониот независимо друг от друга разработали теорию свойств течения воздуха до и после ударной волны, в то время как Якоб Акерет провел начальную работу по вычислению подъема и сопротивления сверхзвуковых аэродинамических поверхностей. Теодор фон Карман и Хью Латимер Драйден ввели термин «околозвуковой» для описания скоростей на границе 1 Маха (965-1236 км/час), когда сопротивление быстро растет. Впервые звуковой барьер был преодолен в 1947 году на самолете Bell X-1.

Основные характеристики

Согласно законам аэродинамики, для обеспечения полета в атмосфере земли любого аппарата важно знать:

• Аэродинамическое сопротивление (ось X), оказываемое потоками воздуха на объект. Исходя из этого параметра подбирается мощность силовой установки.
• Подъемную силу (ось Y), обеспечивающую набор высоты и позволяющую аппарату лететь горизонтально к поверхности земли.
• Моменты аэродинамических сил по трем осям координат, действующих на летящий объект. Наиболее важным является момент боковой силы по оси Z (Mz), направленной поперек самолета (условно вдоль линии крыла). Он определяет степень продольной устойчивости (будет ли аппарат «нырять» или задирать нос вверх при полете).

Классификация

Аэродинамические характеристики классифицируются по условиям и свойствам воздушного потока, включая скорость, сжимаемость и вязкость. Внешняя аэродинамика - это исследование потока вокруг твердых объектов различной формы. Примерами являются оценка подъема и вибраций самолета, а также ударных волн, которые образуются перед носом ракеты.

Внутренняя аэродинамика - это исследование воздушного потока, перемещающегося через отверстия (проходы) в твердых объектах. Например, она охватывает изучение потоков через реактивный двигатель.

Аэродинамические показатели также могут быть классифицированы в зависимости от скорости потока:

• Дозвуковой называют скорость, меньшую скорости звука.
• Околозвуковой (трансзвуковой) - если присутствуют скорости как ниже, так и выше скорости звука.
• Сверхзвуковой - когда скорость потока больше скорости звука.
• Гиперзвуковая - скорость потока намного больше скорости звука. Обычно под этим определением подразумевают скорости с числами Маха выше 5.

Аэродинамика вертолета

Если принцип полета самолета основан на подъемной силе при поступательном движении, оказываемой на крыло, то вертолет как бы сам создает подъемную силу за счет вращения лопастей в режиме осевого обдува (то есть без поступательной скорости). Благодаря данной особенности геликоптер способен зависать в воздухе на месте и совершать энергичные маневры вокруг оси.

Другие области применения

Естественно, аэродинамика применима не только к летательным аппаратам. Сопротивление воздуха испытывают все объекты, движущиеся в пространстве в газовой и жидкой среде. Известно, что водные обитатели - рыбы и млекопитающие - обладают обтекаемыми формами. На их примере можно проследить аэродинамику в действии. Ориентируясь на животный мир, люди также делают водный транспорт заостренной либо каплевидной формы. Это касается кораблей, катеров, подводных лодок.

Значительное сопротивление воздуха испытывают транспортные средства: оно возрастает по мере увеличения скорости. Для достижения лучшей аэродинамики автомобилям придают обтекаемую форму. Особенно это актуально для спорткаров.

Люди были одержимы идеей подняться в воздух на протяжении столетий. В мифах практически всех народов есть легенды о летающих животных и людях с крыльями. Самыми ранними известными летательными аппаратами были крылья, имитирующие птичьи. С ними люди прыгали с башен или пытались воспарить, сорвавшись со скалы. И хотя такие попытки заканчивались, как правило, трагически, люди придумывали все более сложные конструкции летательных аппаратов. О знаковых летательных аппаратах пойдёт речь в нашем сегодняшнем обзоре.

1. Бамбуковый вертолет

Один из старейших в мире летательных аппаратов, бамбуковый вертолет (также известный как бамбуковая стрекоза или китайская вертушка) - игрушка, которая взлетает вверх, если быстро раскрутить ее основной стержень. Изобретенный в Китае около 400 г. до н.э., бамбуковый вертолет состоял из лопастей-перьев, насаженных на конец бамбуковой палки.

2. Летающий фонарик

Летающий фонарик - небольшой воздушный шар из бумаги и деревянного каркаса с отверстием на дне, под которым разжигается небольшой огонь. Считается, что китайцы экспериментировали с летающими фонариками уже в 3 веке до нашей эры, но традиционно, их изобретение приписывается мудрецу и полководцу Чжугэ Ляну (181-234 г.г. н.э.).

3. Воздушный шар

Воздушный шар - первая успешная технология полета человека на несущей конструкции. Первый пилотируемый полет провели Пилатр де Розье и маркиз д"Арланд в 1783 году в Париже на воздушном шаре (на привязи), созданном братьями Монгольфьер. Современные воздушные шары могут пролетать тысячи километров (самый длительный полет на воздушном шаре - 7672 км от Японии до Северной Канады).

4. Солнечный воздушный шар

Технически этот тип воздушного шара летает за счет нагревания воздуха в нем при помощи солнечного излучения. Как правило, такие аэростаты делают из черного или темного материала. Хотя они в основном используются на рынке игрушек, некоторые солнечные шары достаточно велики для того, чтобы поднять в воздух человека.

5. Орнитоптер

Орнитоптер, который был вдохновлен полетами птиц, летучих мышей и насекомых, представляет собой самолет, который летит, хлопая крыльями. Большинство орнитоптеров беспилотные, но также было построено несколько пилотируемых орнитоптеров. Одна из самых ранних концепций такого летательного аппарата была разработана Леонардо да Винчи еще в 15 веке. В 1894 году Отто Лилиенталь, немецкий пионер авиации, впервые в истории совершил пилотируемый полет на орнитоптере.

6. Парашют

Изготавливаемый из легкой и прочной ткани (подобной нейлону) парашют представляет собой устройство, которое используется, чтобы замедлить движение объекта через атмосферу. Описание самого древнего парашюта было найдено в анонимной итальянской рукописи, датируемой 1470 годом. В современные дни парашюты используются для спуска различных грузов, в том числе людей, продуктов питания, оборудования, космических капсул и даже бомб.

7. Воздушный змей

Первоначально построенный путем растяжения шелка над рамкой из расщепленного бамбука, воздушный змей был изобретен в Китае в 5 веке до нашей эры. В течение длительного времени много других культур переняли это устройство, а некоторые из них даже продолжали дальнейшее усовершенствование этого простого летательного аппарата. Например, воздушные змеи, способные переносить человека, как полагают, существовали в древнем Китае и Японии.

8. Дирижабль

Дирижабль стал первым летательным аппаратом, способным на управляемые взлет и посадку. В начале в дирижаблях использовали водород, но из-за большой взрывоопасности этого газа, в большинстве дирижаблей, построенных после 1960-х годов, начали использовать гелий. Дирижабль также может оснащаться двигателями, а экипажа и/или полезная нагрузка в нем расположены в одной или нескольких "гондолах", подвешенных под баллоном с газом.

9. Планер

Планер - летательный аппарат тяжелее воздуха, который поддерживается в полете динамической реакцией воздуха на его несущие поверхности, т.е. он не зависит от двигателя. Таким образом, большинство планеров не имеют двигателя, хотя некоторые парапланы могут быть оснащены ими, чтобы продлить полет в случае необходимости.

10. Биплан

Биплан - самолет с двумя неподвижными крыльями, которые расположены друг над другом. Бипланы имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными конструкциями крыла (монопланами): они позволяют добиться большей площади крыльев и подъемной силы при меньшем размахе крыла. Биплан братьев Райт в 1903 году стал первым успешно поднявшимся в воздух самолетом.

11. Вертолет

Вертолет - винтокрылый летательный аппарат, который может взлетать и садиться вертикально, парить и лететь в любом направлении. На протяжении последних столетий было много концепций, похожих на современные вертолеты, но только в 1936 году был построен первый рабочий вертолет Фокке-Вульф Fw 61.

12. Аэроцикл

В 1950-х годах Lackner Helicopters придумали необычный летательный аппарат. HZ-1 Aerocycle предназначался для эксплуатации неопытными пилотами в качестве стандартной разведывательной машины в армии США. Хотя раннее тестирование показало, что аппарат может предоставить достаточную мобильность на поле боя, более обширные оценки показали, что его слишком трудно контролировать неподготовленным пехотинцам. В итоге, после пары аварий проект был заморожен.

13. Кайтун

Кайтун - гибрид воздушного змея и воздушного шара. Основным его преимуществом является то, что кайтун может оставаться в достаточно стабильном положении над точкой привязки троса, независимо от силы ветра, в то время как обычные воздушные шары и воздушные змеи менее стабильны.

14. Дельтаплан

Дельтаплан – немоторизованный летательный аппарат тяжелее воздуха, в котором отсутствует хвост. Современные дельтапланы изготовлены из алюминиевого сплава или композитных материалов, а крыло - из синтетической парусины. Эти аппараты имеют высокое соотношение подъемной силы, что позволяет пилотам летать в течение нескольких часов на высоте тысяч метров над уровнем моря в восходящих потоках теплого воздуха и исполнять фигуры высшего пилотажа.

15. Гибридный дирижабль

Гибридный дирижабль представляет собой летательный аппарат, который сочетает в себе характеристики аппарата легче воздуха (т. е. технологии дирижабля) с технологиями летательных аппаратов тяжелее воздуха (либо неподвижное крыло, либо роторный винт). На массовое производство такие конструкции не были поставлены, но на свет появилось несколько пилотируемых и беспилотных прототипов, включая Lockheed Martin P-791 - экспериментальный гибридный дирижабль, разработанный Lockheed Martin.

16. Авиалайнер

Также известный как реактивный лайнер, реактивный пассажирский самолет представляет собой тип самолета, предназначенный для перевозки пассажиров и грузов по воздуху, который передвигается благодаря реактивным двигателям. Эти двигатели позволяют самолету достигать высоких скоростей и генерировать достаточную тягу для передвижения воздушного судна большой массы. В настоящее время A380 Airbus является крупнейшим в мире реактивным пассажирским лайнером со вместимостью до 853 человек.

17. Ракетоплан

Ракетный самолет - летательный аппарат, который использует ракетный двигатель. Ракетопланы могут достигать гораздо более высоких скоростей, чем реактивные самолеты аналогичных размеров. Как правило, двигатель у них работает в течение не более нескольких минут, после чего самолет планирует. Ракетоплан подходит для полетов на очень большой высоте, а также он способен развивать гораздо большее ускорение и имеет более короткий разбег.

18. Поплавковый гидросамолет

Это тип самолета с неподвижным крылом, способный взлетать с воды и садиться на нее. Плавучесть гидросамолету обеспечивают понтоны или поплавки, которые устанавливаются вместо шасси под фюзеляжем. Поплавковые гидросамолеты широко использовались до Второй мировой войны, но затем их вытеснили вертолеты и самолеты, применяющиеся с авианосцев.

19. Летающая лодка

Другой тип гидросамолета - летающая лодка - представляет собой самолет с фиксированным крылом и корпусом такой формы, которая позволяет ему садиться на воду. Он отличается от поплавкового гидросамолета тем, что в нем используется специально спроектированный фюзеляж, который может плавать. Летающие лодки были очень распространены в первой половине 20-го века. Подобно поплавковым гидросамолетам, впоследствии их перестали использовать после Второй мировой войны.

Также известный под другими названиями (например, грузовое воздушное судно, грузовое судно, транспортный самолет или грузовой самолет), грузовой самолет является самолетом с неподвижным крылом, который предназначен или переоборудован для перевозки грузов, а не пассажиров. В данный момент самым большим и самым грузоподъемным в мире является построенный в 1988 году Ан-225.

21. Бомбардировщик

Бомбардировщик - боевой самолет, предназначенный для атаки наземных и морских целей путем сбрасывания бомб, запуска торпед или пуска крылатых ракет "воздух-земля". Есть два типа бомбардировщиков. Стратегические бомбардировщики в первую очередь предназначены для бомбардировочных миссий дальнего действия - т. е. для атаки стратегических целей, таких как базы снабжения, мосты, заводы, верфи и т.д. Тактические бомбардировщики направлены на противодействие военной деятельности противника и поддержки наступательных операций.

22. Космоплан

Космоплан - аэрокосмический аппарат, который используется в атмосфере Земли. Они могут использовать как только ракеты, так и вспомогательные обычные реактивные двигатели. Сегодня есть пять подобных аппаратов, которые успешно использовались: X-15, Space Shuttle, Буран, SpaceShipOne и Boeing X-37.

23. Космический корабль

Космический корабль представляет собой транспортное средство, предназначенное для полетов в космическом пространстве. Космические аппараты используются для различных целей, в том числе для связи, для наблюдения за Землей, метеорологии, навигации, космической колонизации, исследования планет, а также перевозки людей и грузов.

Космическая капсула представляет собой особый тип космического аппарата, который был использован в большинстве пилотируемых космических программ. Пилотируемая космическая капсула должна иметь все необходимое для повседневной жизни, включая воздух, воду и пищу. Космическая капсула также защищает космонавтов от холода и космической радиации.

25. Дрон

Официально известный как беспилотный летательный аппарат (БПЛА), дрон часто используется для миссий, которые являются слишком "опасными" или попросту невозможными для людей. Изначально они использовались в основном в военных целях, а сегодня их можно встретить буквально повсюду.