Архитектура сооружений воздушного транспорта
В современном мире мы уже не представляем жизни без авиации, без воздушного транспорта (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Пример схемы перевозок по воздушным путям сообщения
История развития авиации
В 906 г. киевский князь Олег освободил осажденный г. Царьград с помощью воздушных шаров, разрисованных страшными рожами и запущенных, когда на город дул ветер, напугал врага, и они открыли ворота. Прошло более 800 лет, когда рязанский писарь Крякутный прочел об этом событии в летописи. В 1731 г. он решил подняться сам в небо на воздушном шаре, наполненном теплым воздухом от костра, и ему удалось это.
Первые крылья смастерил простой крестьянин Никита лет за полтораста до полета писаря Крякутного. Поднявшись на колокольню, Никита расправил крылья и «слетел» с неё. Он был счастлив, но в то время это восприняли очень враждебно. Царь велел отрубить Никите голову, а «поганые» крылья сжечь. Так и погиб Никита. Это был первый в мире планер.
28 апреля 1874 г. Михаил Лаврентьев проплыл над окрестностями Харькова на своем первом воздушном шаре, а потом над Москвой - на втором. Всего он сделал 5 воздушных шаров и совершил много полетов. Великий русский ученый Д.И. Менделеев наблюдал 6 августа 1887 г. в г. Клине солнечное затмение на воздушном шаре. Его полет был героическим, он едва не погиб.
Первый в мире дирижабль, похожий на «рыбу», строили русские инженеры и техники. Металлический каркас, обтянутый крепкой прорезиненной материей и покрытый серебристой краской, наполнялся водородом. К дирижаблю снизу прикреплялась кабина (гондола), где могли сидеть капитан, штурман и рулевые. Имелись места для пассажиров и груза. На хвосте 4 руля для управления, несколько моторов. Скорость 100... 150 км/час. Дирижабль сослужил людям в своё время хорошую службу по перевозке пассажиров и грузов.
Для полетов в стратосферу в закрытой кабине Д.И. Менделеев изобрел стратостат. Он был первым изобретателем стратостата и назвал его «СССР-1». 30 сентября 1933 г. состоялся полет.
В 1754 г. М.В. Ломоносов писал, что он сделал машину, которая, сама поднимаясь вверх, может поднять маленький термометр. Это была модель вертолета и первая в мире документированная практическая разработка летательного аппарата тяжелее воздуха - вертолета с соосными винтами. Однако для того времени реализация идеи вертолета оказалась слишком сложной.
Русские ученые и изобретатели продолжали работать над созданием аппаратов тяжелее воздуха. После Ломоносова в 1912 г. золотую медаль на международной выставке в Москве получил Б.Н. Юрьев, студент Высшего технического училища, за модель вертолета. Его вертолет до сих пор удобен в сообщении. В 1854-1855 гг. к идее создания самолета обратился военный моряк Российского флота А.Ф. Можайский. Аэродинамика как наука тогда еще не существовала, лишь спустя 25...30 лет основы ее были заложены великим русским ученым Н.Е. Жуковским. Не было еще аэродинамических труб и аэродинамических весов для испытания моделей самолета. А.Ф. Можайский создал прибор - движущуюся тележку с прообразом аэродинамических весов. С помощью этого прибора можно было производить расчет лобового сопротивления и подъемной силы крыла самолета. Изготовленные Можайским модели самолета с приводом винтов от пружины демонстрировались в полете в Петербургском манеже.
В марте 1879 г. был поставлен вопрос о постройке самолета в натуральную величину. 15 ноября 1881г. ему была выдана «привилегия» (патент) на «воздухоплавательный снаряд».
Отцом русской авиации по праву считается Н.Е. Жуковский. До 1917 г. и в первые годы Советской власти он помог авиационной науке стать передовой.
Н.Е. Жуковский - создатель теории подъемной силы крыла и автор одного из первых курсов по авиации «Теоретические основы воздухоплавания». Его статья «О присоединенных вихрях», опубликованная в 1906 г., явилась итогом большой работы в области исследования подъемной силы крыла. Активное участие в разработке этой проблемы принимал С.А. Чаплыгин, автор монографии «О газовых струях», на основе которой были созданы впоследствии разделы аэродинамики больших скоростей.
В области исследования теории полета аппаратов тяжелее воздуха работал великий русский ученый Д.И. Менделеев. Его труд «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании», по словам Н.Е. Жуковского, является капитальной монографией по сопротивлению жидкостей и может служить основным руководством для занимающихся воздухоплаванием.
В 1894 г. увидела свет работа К.Э. Циолковского «Аэроплан, или птицеподобная (авиационная) летательная машина», в которой автор обосновал идею создания аэроплана с неподвижным свободнонесущим крылом. В 1905 г. Циолковский предложил ромбовидный и клиновидный профили крыла для аппаратов со сверхзвуковыми скоростями полета.
Было построено несколько трипланов, но работа над ними осталась незавершенной. Важны работы А.Г. Уфимцева, которого Максим Горький назвал «поэтом в области научной техники». Уфимцев построил четыре оригинальных двигателя и два самолета с крылом круглой формы в плане и круглым горизонтальным оперением. Постройкой самолетов и двигателей занимался в 1909-1910 гг. С.В. Гризодубов, отец известной летчицы. В 1912 г. на одном из своих самолетов он совершил несколько полетов.
К авиационным конструкторам начального периода развития авиации в России относится советский ученый и конструктор Я.М. Гакель, впоследствии профессор, заслуженный деятель науки и техники. В 1910-1912 гг. он создал семь самолетов оригинальной конструкции, два из которых (гидроплан-амфибия Г-Уи биплан Г-VIII) на воздухоплавательных выставках в Москве в 1911 и 1912 гг. были удостоены большой серебряной и большой золотой медалей. Особое место в развитии отечественной авиации принадлежит самолётам, выпущенным авиационным отделом Русско-Балтийского вагонного завода в Петербурге. Одним из них являлся «РУССКИЙ ВИТЯЗЬ» - первый в мире четырехмоторный самолет. Это был биплан с размахом верхнего крыла 27 м и нижнего - 20 м. Полетная масса самолета составляла 4200 кг. Первый полет его состоялся 23 июля 1913 г. Следующим в этой серии был «ИЛЬЯ МУРОМЕЦ», на котором был установлен мировой рекорд высоты полета с десятью членами экипажа на борту.
В первые послереволюционные годы развитие аэродинамики в теоретическом и прикладном смысле получило свое практическое применение. Корифеи советской аэродинамики, такие как Н.Е. Жуковский, С.А. Чаплыгин, Б.Н. Юрьев, В.В. Голубев, М.В. Келдыш, С.А. Христианович, Г.П. Сви- щев, В.В. Струминский и другие, находились во главе прогресса авиации. С появлением турбореактивных двигателей появилась возможность преодоления «звукового барьера» и выхода самолёта на сверхзвуковую скорость. Для исследований новых эффектов построили трансзвуковую аэродинамическую трубу, а затем аэродинамические трубы больших сверхзвуковых скоростей.
Особое место в аэродинамике и самолётостроении занимает изучение трансзвуковой скорости полёта, стоившей жизни многим лётчикам-испы- тателям и ставившей в трудное положение тех, кто строит самолёты и принимает их в эксплуатацию.
Переход военной и гражданской авиации к сверхзвуковым скоростям полета и совершение длительных полетов потребовали решения многих задач.
За последние 40.. .50 лет авиация увеличила максимальные скорости примерно в 4 раза, высоту и дальность - в 2,5.. .3 раза. Этот скачок стал возможным благодаря широкому внедрению в авиацию реактивных двигателей.
За рубежом созданием аппаратов тяжелее воздуха занимались Хенсен, Вен- си, Лилиенталь и др., а научными исследованиями в этой области и экспериментами в аэродинамических трубах - Эйфель во Франции, Кейли в Англии и Ленгли в США. Полеты братьев Райт, Сантос-Дюмона, Блерио, Уточкина, Ефимова и других положили начало систематическим полетам в воздухе.
Самолётостроение в советское время
После победы революции правительство быстро осознало необходимость создания и развития воздушного флота России.
Из отечественных самолетов оригинальной конструкции, созданных в двадцатые годы, следует отметить пассажирский самолет АК-1 В.Л. Александрова и В.В. Калинина. Два самолета сконструировал летчик В.О. Писаренко и построил в мастерских севастопольской Школы летчиков, где был инструктором. В этот период в отечественном самолетостроении наметился переход к созданию летательных аппаратов из металла. В 1925 г. в ЦАГИ было создано конструкторское бюро АГОС (авиация, гидроавиации и опытное строительство), руководителем которого стал А.Н. Туполев. Одновременно отдел сухопутного самолетостроения (ОСС) под руководством Н.Н. Поликарпова строил самолеты - истребители И-3, ДИ-2. В этот же период был построен известный самолет У-2 (По-2), прослуживший около 35 лет. Отдел морского самолетостроения, руководимый Д.П. Григоровичем, строил морские самолеты.
Наряду с боевыми и пассажирскими машинами конструировались авиетки и легкие самолеты по заказу спортивных организаций, среди них и первые самолеты А.С. Яковлева, именовавшиеся АИР. Вначале задание на разработку самолета И-5 было выдано А.Н. Туполеву, а позже его созданием занимались Н.Н. Поликарпов и Д.П. Григорович. Этот самолет в различных модификациях состоял на вооружении почти десять лет, а истребители И-15, И-153, И-16 даже участвовали в боевых действиях начального периода Великой Отечественной войны. Бригада дальних бомбардировщиков под руководством С.В. Ильюшина несколько позже спроектировала самолет ДБ-3, а затем известный штурмовик ИЛ-2. Под руководством А.Н. Туполева создавались тяжелые бомбардировщики, в том числе ТБ-3 - один из лучших и наиболее известных самолетов этого типа.
Успехи, достигнутые в самолетостроении и особенно в проектировании двигателей, позволили приступить к созданию самолета рекордной дальности полета АНТ-25.
В апреле 1935 г. С.П. Королев сообщил о намерении строить крылатую ракету - лабораторию для полетов человека на небольших высотах с использованием воздушно-ракетных двигателей.
Обеспечение максимальной скорости самолета было мечтой каждого конструктора. Проводились попытки снабдить поршневые самолеты реактивными ускорителями. Характерным примером может служить самолет Як-7 ВРД, под крыло которого подвешивались два прямоточных воздушно-реактивных двигателя. При их включении скорость возрастала на 60-90 км/ч.
Большая работа проводилась по созданию специального самолета - истребителя, который должен был иметь большую скороподъемность при значительной продолжительности полета.
Построение базы развития авиации
В 1930 г. был создан Московский авиационный институт, ведь решающее значение имело пополнение заводов, институтов и КБ авиапромышленности опытными кадрами. Уже к 1933...37 гг. имелась производственная база военно-воздушного флота. В 1937 г. советская истребительная авиация прошла боевые испытания в Испании и продемонстрировала техническое отставание. Началась гонка на выживание. Конструкторам выдавались индивидуальные задания на новые модели самолетов. К 1939 г. ВВС по сравнению с 1934 г. выросли в своем личном составе на 138 процентов... Самолетный парк в целом вырос на 130 %. Высотность самолетов уже составляла 14... 15 тыс. м. Технология производства самолетов и моторов ставилась на поток, широко внедрялись штамповка, литье.
Изменялась форма фюзеляжа, самолеты приобретали обтекаемую форму. Началось применение радио на борту самолетов. В довоенный период шло параллельное развитие тяжелых самолетов цельнометаллической конструкции с дюралевой обшивкой и легких маневренных самолетов смешанных конструкций. Применялись дерево, сталь, полотно. По мере расширения сырьевой базы и развития алюминиевой промышленности в СССР все большее применение в самолетостроении находили алюминиевые сплавы. Шёл прогресс в двигателестроении. Были созданы двигатели М-25 воздушного охлаждения мощностью 715 л. с., М-100 водяного охлаждения мощностью 750 л. с.
В начале 1939 года правительство СССР созвало совещание в Кремле. На нем наметили меры дальнейшего ускоренного развития авиации в СССР.
В войне с Советским Союзом особую роль гитлеровцы отводили своей авиации, которая к этому времени уже завоевала полное господство в воздухе на Западе. В основном план использования авиации на Востоке намечался такой же, как и война на Западе: сперва завоевать господство в воздухе, а затем перебросить силы на поддержку наземной армии. Старые типы истребителей и бомбардировщиков, такие как И-15, И-16, СБ, ТБ-3, не могли соперничать с новейшими «Месстершмиттами» и «Юнкерсами». Тем не менее в воздушных боях даже на устаревших типах самолетов русские летчики наносили немцам ущерб.
С 22 июня по 19 июля 1941 г. Германия потеряла 1300 самолетов только в воздушных боях.
В Курском сражении летом 1943 г. Германия применяла значительные количества авиатехники, однако мощь ВВС впервые обеспечила господство в воздухе. Так, например, только в течение часа в один из дней операции наносился удар силой 411 самолетов и так тремя волнами в течение дня. К 1944 году фронт получал около 100 самолетов ежедневно, в т.ч. 40 истребителей. Модернизировались основные боевые машины. Появились самолеты с улучшенными боевыми качествами: ЯК-3, ПЕ-2, ЯК 9Т, Д, ЛА-5, ИЛ-10.
Развивалась радиосвязь, в ПВО нашла применение радиолокация.
Наши самолеты, разработанные в период 1939... 1940 гг., располагали конструктивными резервами для последующей модернизации. Авиационная промышленность СССР произвела в 1941 г. 15 735 самолетов.
В тяжелом 1942 г., в условиях эвакуации авиационных предприятий, выпущено 25 436 самолетов, за 1943 г. - 34 900 самолетов, за 1944 г. - 40 300 самолетов, за первую половину 1945 г. выпущено 20900 самолетов. Уже весной 1942 г. все заводы, эвакуированные из центральных областей СССР за Урал и в Сибирь, полностью освоили производство авиационной техники и вооружений.
Большинство этих заводов на новых местах в 1943 и 1944 гг. давали продукции в несколько раз больше, чем до эвакуации. Германия обладала, помимо собственных, ресурсами покоренных стран. В 1944 году выпуск самолетов в 3,8 раза превысил цифры 1941 г. В первые месяцы 1945 года авиапромышленность готовила технику к завершающим боям. Успехи тыла позволили укрепить ВВС страны. К началу 1944 г. ВВС имели 8818 боевых самолетов, а немецкие - 3073. По числу самолетов СССР превосходил Германию в 2,7 раза. К июню 1944 г. ВВС Германии имели на фронте уже только 2776 самолетов, а наши ВВС - 14 787. К началу января 1945 г. наши ВВС имели 15 815 боевых самолетов. Конструкция наших самолетов была гораздо проще, чем американских, немецких или английских машин.
Указанием Государственного Комитета Обороны работа по созданию и постройке реактивных самолетов была поручена Лавочкину, Микояну, Сухому и Яковлеву. Впервые в СССР скорость звука в полете со снижением была достигнута в конце 1948 г. на опытном самолете Ла-176 летчиком О.В. Соколовским. А в 1950 г. уже в горизонтальном полете самолеты МиГ-17, Як-50 проходили «звуковой барьер».
В сентябре-ноябре 1952 г. МиГ-19 развивал скорость в 1,5 раза большую, чем скорость звука и превосходил по главным характеристикам «SUPER-SEIBR», который к тому времени являлся основным истребителем ВВС США. 28 мая 1960 г. на самолете Т-405 генерального конструктора П.О. Сухого летчик Б. Адрианов установил абсолютный мировой рекорд скорости полета - 2092 км/ч по замкнутому маршруту 100 км. Наша авиация получила самолет, способный в течение 30 мин лететь со скоростью примерно 3000 км/ч. Полеты на этих самолетах свидетельствовали о том, что благодаря применению жаропрочных материалов и мощных систем охлаждения проблема «теплового барьера» для этих скоростей полета была решена. За послевоенные годы в СССР были созданы превосходные пассажирские и транспортные самолеты. Еще в 1956 г. на линиях Аэрофлота началась эксплуатация самолета Ту-104, который впервые в мире начал регулярные пассажирские перевозки. Ил-18, Ту-124, Ту-134, Ан-10, Ан-12 (рис. 6.2) и Як-40 выдвинули в то время наш гражданский воздушный флот на одно из ведущих мест в мире.
Новые отечественные пассажирские самолеты Ан-24, Ту-154М, Ил-62М и Як-42 осуществляют массовые воздушные перевозки внутри страны и за ее пределами. В конце семидесятых годов был создан сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144. Новый уровень пассажирских перевозок был достигнут с введением в эксплуатацию самолета-аэробуса Ил-86. Военнотранспортная авиация получила самолеты Ан-22 и Ил-76Т, использующиеся для перевозки грузов военного и гражданского назначения. В 1984 г. началась эксплуатация самолета-гиганта Ан-124 «РУСЛАН», а позже Ан-225 «МРИЯ» (рис. 6.3).
Вертолеты, которые только после Второй мировой войны стали работоспособным и экономически целесообразным транспортным средством, в настоящее время получили широкое распространение. Авиационные конструкторы создали надежные винтокрылые машины различного назначения - легкие Ми-2 и Ка-26, средние Ми-6 и Ка-32, тяжелые Ми-26 и другие для военной и гражданской авиации. До настоящего времени самолеты МиГ-29 и Су-27 являются непревзойденными лидерами в своем классе истребителей.
Рис. 6.2. Самолет АН-12
Рис. 6.3. Самолёт Ан-225 «МРИЯ»
Зарождение новой авиации
Принципиальным усовершенствованием самолета является его превращение из винтомоторного в реактивный. Чтобы поднять скорость полета, ставится более мощный двигатель. Однако на скоростях свыше 700 км/час прироста скорости от мощности двигателя не удается достигнуть.
Выходом из положения является применение реактивной тяги. Применяется турбореактивный /ТРД/ или жидкостный реактивный /ЖРД/ двигатель. Во второй половине 30-х гг. в СССР, Англии, Германии, Италии, позже - в США усиленно создавался реактивный самолет. В 1938 г. появились первые в мире немецкие реактивные двигатели БМВ, «Юнкере».
В СССР в начальный период практическая работа над созданием реактивных двигателей проводилась в направлении ЖРД. Под руководством С.П. Королева, А.Ф. Цандера конструкторы А.М. Исаев, Л.С. Душкин разработали первые отечественные реактивные двигатели.
Пионером турбореактивных двигателей стал А.М. Люлька. Работы по созданию реактивного самолета практического применения возобновились после войны созданием ЯК-15, МиГ-9 с использованием немецких реактивных двигателей ЮМО.
В настоящее время авиация достигла небывалых высот в развитии. В перевозках пассажиров и грузов воздушные пути сообщения занимают достойное место. Главное их достоинство - экономия времени.
Люди осваивали не только окружающее Землю воздушное пространство, а всегда стремились покорить и космос. Конструкторы на протяжении долгого времени во главе с практическим основоположником космических систем С.П. Королёвым трудились над созданием многих спутников и ракет.
Когда-то первым Константин Эдуардович Циолковский (рис. 6.4) смело заявил о космических ракетах, путях сообщения между планетами Вселенной. Он спроектировал схему первой ракеты.
Рис. 6.4. К.Э. Циолковский (1857-1935 гг.)
В настоящее время развитие науки о космосе, о космических путях сообщения, совершенствовании ракет достигло мировых высот. Мы являемся свидетелями запуска ракет и спутников, космических полётов человека, и мечтаем о межпланетных связях.
