АТМОСФЕРА: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ К статье АТМОСФЕРА Размеры. Пока ракеты-зонды и искусственные спутники не исследовали внешние слои атмосферы на расстояниях, в несколько раз превосходящих радиус Земли, считалось, что по мере удаления от земной поверхности атмосфера постепенно становится более разреженной и плавно переходит в межпланетное пространство. Сейчас установлено, что потоки энергии из глубоких слоев Солнца проникают в космическое пространство далеко за орбиту Земли, вплоть до внешних пределов Солнечной системы. Этот т.н. солнечный ветер обтекает магнитное поле Земли, формируя удлиненную "полость", внутри которой и сосредоточена земная атмосфера. Магнитное поле Земли заметно сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящий за пределы орбиты Луны, - с противоположной, ночной стороны. Граница магнитного поля Земли называется магнитопаузой. С дневной стороны эта граница проходит на расстоянии около семи земных радиусов от поверхности, но в периоды повышенной солнечной активности оказывается еще ближе к поверхности Земли. Магнитопауза является одновременно границей земной атмосферы, внешняя оболочка которой называется также магнитосферой, так как в ней сосредоточены заряженные частицы (ионы), движение которых обусловлено магнитным полем Земли. Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,5?1015 т. Таким образом, "вес" атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м2. Значение для жизни. Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного пространства отделяет мощный защитный слой. Космическое пространство пронизано мощным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца и еще более жестким космическим излучением, и эти виды радиации губительны для всего живого. На внешней границе атмосферы интенсивность излучения смертоносна, но значительная его часть задерживается атмосферой далеко от поверхности Земли. Поглощением этого излучения объясняются многие свойства высоких слоев атмосферы и особенно происходящие там электрические явления. Самый нижний, приземный слой атмосферы особенно важен для человека, который обитает в месте контакта твердой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Верхняя оболочка "твердой" Земли называется литосферой. Около 72% поверхности Земли покрыто водами океанов, составляющими бльшую часть гидросферы. Атмосфера граничит как с литосферой, так и с гидросферой. Человек живет на дне воздушного океана и вблизи или выше уровня океана водного. Взаимодействие этих океанов является одним из важных факторов, определяющих состояние атмосферы. Состав. Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов (см. табл.). Кроме приведенных в таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды азота и серы, аммиак.

Атмосфера: Общая Характеристика Атмосферы Земли

К статье АТМОСФЕРА

Размеры. Пока ракеты-зонды и искусственные спутники не исследовали внешние слои атмосферы на расстояниях, в несколько раз превосходящих радиус Земли, считалось, что по мере удаления от земной поверхности атмосфера постепенно становится более разреженной и плавно переходит в межпланетное пространство. Сейчас установлено, что потоки энергии из глубоких слоев Солнца проникают в космическое пространство далеко за орбиту Земли, вплоть до внешних пределов Солнечной системы. Этот т.н. солнечный ветер обтекает магнитное поле Земли, формируя удлиненную "полость", внутри которой и сосредоточена земная атмосфера. Магнитное поле Земли заметно сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящий за пределы орбиты Луны, - с противоположной, ночной стороны. Граница магнитного поля Земли называется магнитопаузой. С дневной стороны эта граница проходит на расстоянии около семи земных радиусов от поверхности, но в периоды повышенной солнечной активности оказывается еще ближе к поверхности Земли. Магнитопауза является одновременно границей земной атмосферы, внешняя оболочка которой называется также магнитосферой, так как в ней сосредоточены заряженные частицы (ионы), движение которых обусловлено магнитным полем Земли.

Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,5?1015 т. Таким образом, "вес" атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м2.

Значение для жизни. Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного пространства отделяет мощный защитный слой. Космическое пространство пронизано мощным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца и еще более жестким космическим излучением, и эти виды радиации губительны для всего живого. На внешней границе атмосферы интенсивность излучения смертоносна, но значительная его часть задерживается атмосферой далеко от поверхности Земли. Поглощением этого излучения объясняются многие свойства высоких слоев атмосферы и особенно происходящие там электрические явления.

Самый нижний, приземный слой атмосферы особенно важен для человека, который обитает в месте контакта твердой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Верхняя оболочка "твердой" Земли называется литосферой. Около 72% поверхности Земли покрыто водами океанов, составляющими бльшую часть гидросферы. Атмосфера граничит как с литосферой, так и с гидросферой. Человек живет на дне воздушного океана и вблизи или выше уровня океана водного. Взаимодействие этих океанов является одним из важных факторов, определяющих состояние атмосферы.

Состав. Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов (см. табл.). Кроме приведенных в таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды азота и серы, аммиак.

К статье АТМОСФЕРА

Газ

Содержание в сухом воздухе, %

N2

азот

78,08

O2

кислород

20,95

Ar

аргон

0,93

CO2

углекислый газ

0,03

Ne

неон

0,0018

He

гелий

0,0005

Kr

криптон

0,0001

H2

водород

0,00005

X

ксенон

0,000009

В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием жесткого излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы - водород и гелий. Поскольку основная масса вещества сосредоточена в нижних 30 км, то изменения состава воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.

Энергообмен. Солнце является главным источником энергии, поступающей на Землю. Находясь на расстоянии ок. 150 млн. км от Солнца, Земля получает примерно одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии, главным образом в видимой части спектра, которую человек называет "светом". Бльшая часть этой энергии поглощается атмосферой и литосферой. Земля также излучает энергию, в основном в виде длинноволновой инфракрасной радиации. Таким образом устанавливается равновесие между получаемой от Солнца энергией, нагреванием Земли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии, излучаемой в пространство. Механизм этого равновесия крайне сложен.

Пыль и молекулы газов рассеивают свет, частично отражая его в мировое пространство. Еще бльшую часть приходящей радиации отражают облака. Часть энергии поглощается непосредственно молекулами газов, но в основном - горными породами, растительностью и поверхностными водами. Водяной пар и углекислый газ, присутствующие в атмосфере, пропускают видимое излучение, но поглощают инфракрасное. Тепловая энергия накапливается главным образом в нижних слоях атмосферы. Подобный эффект возникает в теплице, когда стекло пропускает свет внутрь и почва нагревается. Поскольку стекло относительно непрозрачно для инфракрасной радиации, в парнике аккумулируется тепло. Нагрев нижних слоев атмосферы за счет присутствия водяного пара и углекислого газа часто называют парниковым эффектом.

Существенную роль в сохранении тепла в нижних слоях атмосферы играет облачность. Если облака рассеиваются или возрастает прозрачность воздушных масс, температура неизбежно понижается по мере того, как поверхность Земли беспрепятственно излучает тепловую энергию в окружающее пространство. Вода, находящаяся на поверхности Земли, поглощает солнечную энергию и испаряется, превращаясь в газ - водяной пар, который выносит огромное количество энергии в нижние слои атмосферы. При конденсации водяного пара и образовании при этом облаков или тумана эта энергия освобождается в виде тепла. Около половины солнечной энергии, достигающей земной поверхности, расходуется на испарение воды и поступает в нижние слои атмосферы.

Таким образом, вследствие парникового эффекта и испарения воды атмосфера прогревается снизу. Этим отчасти объясняется высокая активность ее циркуляции по сравнению с циркуляцией Мирового океана, который прогревается только сверху и потому значительно стабильнее атмосферы. См. также МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ.

Помимо общего нагревания атмосферы солнечным "светом", значительное прогревание некоторых ее слоев происходит за счет ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца.

Строение. По сравнению с жидкостями и твердыми телами, в газообразных веществах сила притяжения между молекулами минимальна. По мере увеличения расстояния между молекулами газы способны расширяться беспредельно, если им ничто не препятствует. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Строго говоря, этот барьер непроницаем, так как газообмен происходит между воздухом и водой и даже между воздухом и горными породами, но в данном случае этими факторами можно пренебречь. Поскольку атмосфера является сферической оболочкой, у нее нет боковых границ, а имеются только нижняя граница и верхняя (внешняя) граница, открытая со стороны межпланетного пространства. Через внешнюю границу происходит утечка некоторых нейтральных газов, а также поступление вещества из окружающего космического пространства. Бльшая часть заряженных частиц, за исключением космических лучей, обладающих высокой энергией, либо захватывается магнитосферой, либо отталкивается ею.

На атмосферу действует также сила земного притяжения, которая удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы сжимаются под действием собственного веса. Это сжатие максимально у нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая. На любой высоте над земной поверхностью степень сжатия воздуха зависит от массы вышележащего столба воздуха, поэтому с высотой плотность воздуха уменьшается. Давление, равное массе вышележащего столба воздуха, приходящейся на единицу площади, находится в прямой зависимости от плотности и, следовательно, также понижается с высотой.

Если бы атмосфера представляла собой "идеальный газ" с не зависящим от высоты постоянным составом, неизменной температурой и на нее действовала бы постоянная сила тяжести, то давление уменьшалось бы в 10 раз на каждые 20 км высоты. Реальная атмосфера незначительно отличается от идеального газа примерно до высоты 100 км, а затем давление с высотой убывает медленнее, так как изменяется состав воздуха. Небольшие изменения в описанную модель вносит и уменьшение силы тяжести по мере удаления от центра Земли, составляющее вблизи земной поверхности ок. 3% на каждые 100 км высоты.

В отличие от атмосферного давления температура с высотой не понижается непрерывно. Как показано на рис. 1, она убывает приблизительно до высоты 10 км, а затем вновь начинает расти. Это происходит при поглощении ультрафиолетовой солнечной радиации кислородом. При этом образуется газ озон, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода (О3). Он тоже поглощает ультрафиолетовое излучение, и поэтому этот слой атмосферы, называемый озоносферой, нагревается. Выше температура вновь понижается, так как там гораздо меньше молекул газа, и соответственно сокращается поглощение энергии. В еще более высоких слоях температура вновь повышается вследствие поглощения атмосферой наиболее коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Под воздействием этого мощного излучения происходит ионизация атмосферы, т.е. молекула газа теряет электрон и приобретает положительный электрический заряд. Такие молекулы становятся положительно заряженными ионами. Благодаря наличию свободных электронов и ионов этот слой атмосферы приобретает свойства электропроводника. Полагают, что температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство. На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5000? до 10 000? С. Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения, а следовательно, и высокую температуру, этот разреженный газ не является "горячим" в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика.

Таким образом, атмосфера состоит из отдельных слоев (т.е. серии концентрических оболочек, или сфер), выделение которых зависит от того, какое свойство представляет наибольший интерес. На основании осредненного распределения температур метеорологи разработали схему строения идеальной "средней атмосферы" (см. рис. 1).

Тропосфера - нижний слой атмосферы, простирающийся до первого термического минимума (т.н. тропопаузы). Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты (в тропиках - 18-20 км, в умеренных широтах - ок. 10 км) и времени года. Национальная метеорологическая служба США провела зондирование вблизи Южного полюса и выявила сезонные изменения высоты тропопаузы. В марте тропопауза находится на высоте ок. 7,5 км. С марта до августа или сентября происходит неуклонное охлаждение тропосферы, и ее граница на короткий период в августе или сентябре поднимается приблизительно до высоты 11,5 км. Затем с сентября по декабрь она быстро понижается и достигает своего самого низкого положения - 7,5 км, где и остается до марта, испытывая колебания в пределах всего 0,5 км.

Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет условия существования человека. Бльшая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаются и в более высоких слоях. Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные воздушные течения строго определенного направления. Турбулентные вихри, подобные небольшим водоворотам, образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленно и быстро движущимися воздушными массами. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую турбулентность называют "турбулентностью ясного неба".

Стратосфера. Вышележащий слой атмосферы часто ошибочно описывают как слой со сравнительно постоянными температурами, где ветры дуют более или менее устойчиво и где метеорологические элементы мало меняются. Верхние слои стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. Верхняя граница стратосферы (стратопауза) проводится там, где температура несколько повышается, достигая промежуточного максимума, который нередко сопоставим с температурой приземного слоя воздуха.

На основе наблюдений, проведенных с помощью самолетов и шаров-зондов, приспособленных для полетов на постоянной высоте, в стратосфере установлены турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях. Как и в тропосфере, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особенно опасны для высокоскоростных летательных аппаратов. Сильные ветры, называемые струйными течениями, дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и проявляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с понижением высоты. Возможно, часть энергии, поступающей в стратосферу (главным образом затрачиваемой на образование озона), оказывает воздействие на процессы в тропосфере. Особенно активное перемешивание связано с атмосферными фронтами, где обширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух вовлекался в нижние слои стратосферы. Значительные успехи были достигнуты в изучении вертикальной структуры нижних слоев атмосферы в связи с совершенствованием техники запуска на высоты 25-30 км радиозондов.

Мезосфера, располагающаяся выше стратосферы, представляет собой оболочку, в которой до высоты 80-85 км происходит понижение температуры до минимальных показателей для атмосферы в целом. Рекордно низкие температуры до -110? С были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущенными с американо-канадской установки в Форт-Черчилле (Канада). Верхний предел мезосферы (мезопауза) примерно совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождается нагреванием и ионизацией газа.

В полярных регионах летом в мезопаузе часто появляются облачные системы, которые занимают большую площадь, но имеют незначительное вертикальное развитие. Такие светящиеся по ночам облака часто позволяют обнаруживать крупномасштабные волнообразные движения воздуха в мезосфере. Состав этих облаков, источники влаги и ядер конденсации, динамика и связь с метеорологическими факторами пока еще недостаточно изучены.

Термосфера представляет собой слой атмосферы, в котором непрерывно повышается температура. Его мощность может достигать 600 км. Давление и, следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются. Вблизи земной поверхности в 1 м3 воздуха содержится ок. 2,5?1025 молекул, на высоте ок. 100 км, в нижних слоях термосферы, - приблизительно 1019, на высоте 200 км, в ионосфере, - 5?1015 и, по расчетам, на высоте ок. 850 км - примерно 1012 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 108-109 на 1 м3.

На высоте ок. 100 км количество молекул невелико, и они редко сталкиваются между собой. Среднее расстояние, которое преодолевает хаотически движущаяся молекула до столкновения с другой такой же молекулой, называется ее средним свободным пробегом. Слой, в котором эта величина настолько увеличивается, что вероятностью межмолекулярных или межатомных столкновений можно пренебречь, находится на границе между термосферой и вышележащей оболочкой (экзосферой) и называется термопаузой. Термопауза отстоит от земной поверхности примерно на 650 км.

При определенной температуре скорость движения молекулы зависит от ее массы: более легкие молекулы движутся быстрее тяжелых. В нижней атмосфере, где свободный пробег очень короткий, не наблюдается заметного разделения газов по их молекулярному весу, но оно выражено выше 100 км. Кроме того, под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца молекулы кислорода распадаются на атомы, масса которых составляет половину массы молекулы. Поэтому по мере удаления от поверхности Земли атомарный кислород приобретает все большее значение в составе атмосферы и на высоте ок. 200 км становится ее главным компонентом. Выше, приблизительно на расстоянии 1200 км от поверхности Земли, преобладают легкие газы - гелий и водород. Из них и состоит внешняя оболочка атмосферы. Такое разделение по весу, называемое диффузным расслоением, напоминает разделение смесей с помощью центрифуги.

Экзосферой называется внешний слой атмосферы, выделяемый на основе изменений температуры и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории и уходят в космическое пространство (рис. 2).

СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫЕ СВЯЗИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА АТМОСФЕРУ

Атмосферные приливы. Притяжение Солнца и Луны вызывает в атмосфере приливы, подобные земным и морским приливам. Но атмосферные приливы имеют существенное отличие: атмосфера сильнее всего реагирует на притяжение Солнца, тогда как земная кора и океан - на притяжение Луны. Это объясняется тем, что атмосфера нагревается Солнцем и в дополнение к гравитационному возникает мощный термальный прилив. В целом механизмы образования атмосферных и морских приливов сходны, за исключением того, что для прогноза реакции воздуха на гравитационные и термические воздействия необходимо учитывать его сжимаемость и распределение температуры. Не до конца понятно, почему полусуточные (12-часовые) солнечные приливы в атмосфере преобладают над суточными солнечными и полусуточными лунными приливами, хотя движущие силы двух последних процессов гораздо мощнее. Раньше считалось, что в атмосфере возникает резонанс, усиливающий именно колебания с 12-часовым периодом. Однако наблюдения, проведенные при помощи геофизических ракет, свидетельствуют об отсутствии температурных причин такого резонанса. При решении этой проблемы, вероятно, следует учитывать все гидродинамические и термические особенности атмосферы.

У земной поверхности близ экватора, где влияние приливных колебаний максимально, оно обеспечивает изменение атмосферного давления на 0,1%. Скорость приливных ветров составляет ок. 0,3 км/ч. Благодаря сложной термической структуре атмосферы (особенно наличию минимума температуры в мезопаузе) приливные воздушные течения усиливаются, и, например, на высоте 70 км их скорость примерно в 160 раз выше, чем у земной поверхности, что имеет важные геофизические последствия.

Считается, что в нижней части ионосферы (слой Е) приливные колебания перемещают ионизированный газ вертикально в магнитном поле Земли, и следовательно, здесь возникают электрические токи. Эти постоянно возникающие системы токов на поверхности Земли устанавливаются по возмущениям магнитного поля. Суточные вариации магнитного поля достаточно хорошо согласуются с расчетными величинами, что убедительно свидетельствует в пользу теории приливных механизмов "атмосферного динамо".

Электрические токи, возникающие в нижней части ионосферы (слой Е), должны куда-то перемещаться, и, следовательно, цепь должна замкнуться. Аналогия с динамо-машиной становится полной, если рассматривать встречное движение как работу двигателя. Предполагается, что обратная циркуляция электрического тока осуществляется в более высоком слое ионосферы (F), и этим встречным потоком могут объясняться некоторые своеобразные черты этого слоя. Наконец, приливный эффект должен порождать также горизонтальные потоки в слое Е и, следовательно, в слое F.

Ионосфера. Пытаясь объяснить механизм возникновения полярных сияний, ученые 19 в. предположили, что в атмосфере существует зона с электрически заряженными частицами. В 20 в. экспериментально были получены убедительные доказательства существования на высотах от 85 до 400 км слоя, отражающего радиоволны. В настоящее время известно, что его электрические свойства являются результатом ионизации атмосферного газа. Поэтому обычно этот слой называют ионосферой.

Воздействие на радиоволны происходит главным образом из-за наличия в ионосфере свободных электронов, хотя механизм распространения радиоволн связан с наличием крупных ионов. Последние также представляют интерес при изучении химических свойств атмосферы, поскольку они активнее нейтральных атомов и молекул. Химические реакции, протекающие в ионосфере, играют важную роль в ее энергетическом и электрическом балансе.

Нормальная ионосфера. Наблюдения, проведенные при помощи геофизических ракет и спутников, дали массу новой информации, свидетельствующей, что ионизация атмосферы происходит под воздействием солнечной радиации широкого спектра. Основная ее часть (более 90%) сосредоточена в видимой части спектра. Ультрафиолетовое излучение с меньшей длиной волны и большей энергией, чем у фиолетовых световых лучей, испускается водородом внутренней части атмосферы Солнца (хромосферы), а рентгеновское излучение, обладающее еще более высокой энергией, - газами внешней оболочки Солнца (короны).

Нормальное (среднее) состояние ионосферы обусловлено постоянным мощным излучением. Регулярные изменения происходят в нормальной ионосфере под воздействием суточного вращения Земли и сезонных различий угла падения солнечных лучей в полдень, но происходят также непредсказуемые и резкие изменения состояния ионосферы.

Возмущения в ионосфере. Как известно, на Солнце возникают мощные циклически повторяющиеся возмущения, которые достигают максимума каждые 11 лет. Наблюдения по программе Международного геофизического года (МГГ) совпали с периодом наиболее высокой солнечной активности за весь срок систематических метеорологических наблюдений, т.е. с начала 18 в. В периоды высокой активности яркость некоторых областей на Солнце возрастает в несколько раз, и они посылают мощные импульсы ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Такие явления называются вспышками на Солнце. Они продолжаются от нескольких минут до одного-двух часов. Во время вспышки извергается солнечный газ (в основном протоны и электроны), и элементарные частицы устремляются в космическое пространство. Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца в моменты таких вспышек оказывает сильное воздействие на атмосферу Земли.

Первоначальная реакция отмечается через 8 мин после вспышки, когда интенсивное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение достигает Земли. В результате резко повышается ионизация; рентгеновские лучи проникают в атмосферу до нижней границы ионосферы; количество электронов в этих слоях возрастает настолько, что радиосигналы почти полностью поглощаются ("гаснут"). Дополнительное поглощение радиации вызывает нагрев газа, что способствует развитию ветров. Ионизированный газ является электрическим проводником, и когда он движется в магнитном поле Земли, проявляется эффект динамо-машины и возникает электрический ток. Такие токи могут в свою очередь вызывать заметные возмущения магнитного поля и проявляться в виде магнитных бурь.

Эта начальная фаза занимает лишь короткое время, соответствующее продолжительности солнечной вспышки. Во время мощных вспышек на Солнце в космическое пространство устремляется поток ускоренных частиц. Когда он направлен в сторону Земли, наступает вторая фаза, оказывающая большое влияние на состояние атмосферы. Многие природные явления, среди которых наиболее известны полярные сияния, свидетельствуют о том, что значительное количество заряженных частиц достигает Земли (см. также ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ). Тем не менее процессы отрыва этих частиц от Солнца, их траектории в межпланетном пространстве и механизмы взаимодействия с магнитным полем Земли и магнитосферой пока еще недостаточно изучены. Проблема усложнилась после открытия в 1958 Джеймсом Ван Алленом удерживаемых геомагнитным полем оболочек, состоящих из заряженных частиц. Эти частицы перемещаются из одного полушария в другое, вращаясь по спиралям вокруг силовых линий магнитного поля. Вблизи Земли на высоте, зависящей от формы силовых линий и от энергии частиц, располагаются "точки отражения", в которых частицы меняют направление движения на противоположное (рис. 3). Поскольку напряженность магнитного поля уменьшается с удалением от Земли, орбиты, по которым движутся эти частицы, несколько искажаются: электроны отклоняются к востоку, а протоны - к западу. Поэтому они распределяются в виде поясов вокруг земного шара.

Некоторые последствия нагрева атмосферы Солнцем. Солнечная энергия оказывает влияние на всю атмосферу. Выше уже упоминались пояса, образованные заряженными частицами в магнитном поле Земли и вращающиеся вокруг нее. Эти пояса ближе всего подходят к земной поверхности в приполярных районах (см. рис. 3), где наблюдаются полярные сияния. На рисунке 1 показано, что в районах проявления полярных сияний в Канаде температуры термосферы значительно выше, чем на Юго-Западе США. Вероятно, захваченные частицы отдают часть своей энергии в атмосферу, особенно при столкновении с молекулами газа вблизи точек отражения, и сходят со своих прежних орбит. Так происходит нагрев высоких слоев атмосферы в зоне полярных сияний.

Еще одно важное открытие было сделано при изучении орбит искусственных спутников. Луиджи Яккиа, астроном из Смитсоновской астрофизической обсерватории, полагает, что небольшие отклонения этих орбит обусловлены изменениями плотности атмосферы при ее нагреве Солнцем. Он предположил существование на высоте более 200 км в ионосфере максимума концентрации электронов, который не соответствует солнечному полудню, а под воздействием силы трения запаздывает по отношению к нему примерно на два часа. В это время значения плотности атмосферы, обычные для высоты 600 км, наблюдаются на уровне ок. 950 км. Кроме того, максимум концентрации электронов испытывает нерегулярные колебания вследствие кратковременных вспышек ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Л.Яккиа обнаружил также кратковременные колебания плотности воздуха, соответствующие вспышкам на Солнце и возмущениям магнитного поля. Эти явления объясняются вторжением частиц солнечного происхождения в атмосферу Земли и нагревом тех ее слоев, где проходят орбиты спутников.

ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ ЛЕГЧЕ ВОЗДУХА

Аэростаты

Аэростат представляет из себя довольно простое, хотя и громоздкое сооружение. Оно состоит из шара, сделанного из плотной прорезиненной ткани. Шар наполняется воздухом или водородом (у современных аэростатов также гелием), который подогревается с помощью горелки, установленной на пассажирской корзине (гондоле). Горелка представляет собой калорифер, то есть регулирует температуру. Кстати, это приспособление описано уже в романе Жюля Верна «Пять недель на воздушном шаре», написанном в 1863 г.

Корзина (на которой, кстати, размещаются и пассажиры, и пилоты) крепится при помощи тросов к шару, по размерам в несколько раз большему. Именно благодаря этому аэростат получил свое второе, неофициальное название — «воздушный шар». Принятое же во всем мире название составлено искусственно из двух греческих слов — «аэр», что значит «воздух», и «статос», то есть «стоящий, неподвижный».

Как уже было сказано, первые серьезные проекты летательных аппаратов, которые были бы легче воздуха, были предложены еще в XVII в. Самым первым считается проект священника Франческо де Лана-Терци. Модели таких аппаратов появились только в начале следующего столетия. Существенно положение меняется только во второй половине века, когда широкое применение находит водород.

Конкурентом братьев Монгольфье был Жак-Александр Сезар Шарль, работу которого финансировала Парижская академия наук. Один из первых аэростатов он запустил с Елисейских полей в 1783 г. Аппарат вез груз тяжестью 8 кг и продержался в воздухе 45 мин., после чего успешно приземлился недалеко от Парижа. Курьезная подробность: крестьяне, ничего не знавшие об экспериментах, страшно испугались «чудища», спустившегося с небес, и в клочья разорвали прорезиненную оболочку.

Вообще, к приземлению аэростатов местные жители в большинстве случаев относились, на наш взгляд, неадекватно. Например, во время приземления одного из воздушных шаров, в числе пассажиров которого была и женщина, фермер, на чью землю упал аппарат, пришел в ярость, несмотря на то что никогда до этого момента аэростатов не видел. От мести земледельца пассажиров спасла только группа школьников, которые объяснили ему, что это такое.

Многие знают, что по фамилии братьев-изобретателей воздушные шары долгое время называли монгольфьерами. Это название сохранилось и до сих пор для обозначения первых летательных аппаратов такого рода. Но мало кому известно, что применялось и другое название — шарльер. Так назывались аэростаты, наполненные водородом. Естественно, за основу была взята фамилия Сезара Шарля.

Первая женщина отправилась в полет на аэростате «Ле Густав» в 1784 г. во Франции. Ее звали мадам Тибль. Сопровождающим был месье Флёран, и происходил полет в присутствии короля Швеции. Аппарат поднялся на высоту более двух с половиной километров. До Тибль в воздух поднимались четыре другие женщины, маркиза де Монталамбер, графиня де Монталамбер, графиня де Подена и мадемуазель де Лагард. Но они не летали, а только совершили подъем на привязанном воздушном шаре. Это произошло ровно на две недели раньше, 20 мая.

Настоящее путешествие на воздушном шаре осенью того же года совершил итальянский посол Винченцо Лунарди над Великобританией. На шарльере он стартовал в Лондоне, через некоторое время снизился в одной из деревень в графстве Хертфордшир. Там он сбросил балласт и высадил своего кота. Аппарат, естественно, снова поднялся в воздух и пролетел еще несколько миль. На месте посадки аэростата посла поставлена большая мемориальная доска с такой надписью:

«Пусть потомки знают и, узнав, удивятся! 15 дня сентября месяца 1784 г. Винсент Лунарди из Лукки в Тоскане, первый воздушный путешественник в Британии, взлетел с артиллерийского плаца в Лондоне и, проведя в воздушных просторах два часа и пятнадцать минут, в этом месте снова ступил на землю. Этот простой монумент на века сохранит память об удивительном предприятии, успешно завершившемся благодаря могуществу разума, человеческой силе духа и достижениям науки, которые Великий Творец всех знаний, взявший под защиту Провидения изобретения человечества, великодушно даровал ему на благо и во имя своей вечной славы».

В самом деле, это было величественное и знаменательное достижение человека. Оно стало значимым не только для того времени, а явилось порогом, открывшим эру воздушных путешествий.

Рекорд несколько иного рода был поставлен англичанином Чарльзом Грином. Он первым совершил 100 полетов на аэростате. Сотый раз он поднялся в воздух в 1832 г., явив собой пример если не энтузиаста нового способа путешествовать, то заядлого спортсмена и человека с завидным постоянством, что само по себе похвально.

Примерно в те же годы началась настоящая экспансия воздуха, причем не просто так, а на дальность путешествия. Например, в 1836 г. экипаж шарльера «Ройал Воксхолл Баллун» (позже переименованного в «Грейт Нассо Баллун») совершил перелет из Лондона в герцогство Нассо, покрыв расстояние в 772 км.

Уже в то время строители и пилоты аэростатов начали осознавать необходимость управления этими летательными аппаратами. В октябре того же 1784 г. некий Жан-Пьер Бланшар прикрепил к корзине шестилопастный винт. Его нужно было вращать вручную. Само собой, такой способ приведения аппарата в движение оказался абсолютно неэффективным.

Для продления времени полета часто использовали сброс балласта. В его качестве обычно выступали мешки с песком, но иногда — в аварийных ситуациях — самые неожиданные вещи, а точнее, первое, что попадет под руку. Например, упомянутый Бланшар в другом полете, когда его сопровождал американец Джон Джеффрис, чтобы сделать вес аэростата как можно меньше, сбросил за борт почти всю свою одежду. Так же поступил и Джеффрис.

Лишний вес вообще был головной болью испытателей первых воздушных шаров. К примеру, экипаж, приземлившийся на поле фермера, состоял всего из двух человек. Но среди них одним пассажиром была женщина, Летисия Анна Сейдж, которая весила более 90 кг. Из-за нее еще двум членам экипажа пришлось отказаться от полета, и все же аэростат приземлился слишком быстро. Но такие обстоятельства не помешали, например, французу Пьеру Тестю-Брисси отправиться в полет верхом на лошади. Правда, дело происходило в 1798 г., когда аэростаты были уже намного более совершенные и позволяли поднимать в небо и более существенные грузы.

Позднее всего из развитых стран аэростаты появились, по всей видимости, в США — только в 1793 г., тогда как в Голландии, Бельгии, Германии и других европейских странах (не говоря уже о Франции, Англии и Германии) испытания на них начали проводиться почти на десятилетие раньше. В Австралии первые аэростаты появились только в 1858 г. Самое интересное, что тот первый американский — из Филадельфии в Нью-Джерси — полет совершил небезызвестный Жан-Пьер Бланшар, энтузиаст воздушных полетов.

Бланшар, кстати, и умер в воздухе. В 1809 г. во время одного из полетов на аэростате у него случился сердечный приступ. Спустя десять лет в воздухе же (правда, по иной причине) погибла его вдова, о чем уже говорилось.

Создание и испытание аэростатов не было занятием только любителей-одиночек. Как часто бывает, вокруг нового дела сразу начали появляться различные общественные организации. Известно, что в конце 1830-х гг. возникла Воздухоплавательная ассоциация, которая выпустила акции на сумму 8000 фунтов стерлингов. На доход от акций основатели организации собирались построить аэростат, который покрыл бы все рекорды по величине, вместимости и дальности перелетов. Начинание не имело успеха.

Через 15 лет начал выходить первый ежемесячный журнал, посвященный аэронавтике. Он назывался «The Balloon or Aerostatic Magazine», то есть «Воздушный шар, или Журнал по Аэростатике». Всего вышло почему-то только четыре номера. Почему — остается загадкой. Можно было бы предположить, что это было чисто коммерческим начинанием людей, слабо разбиравшихся в вопросе. Но журнал стоил всего шесть пенсов.

Однако ничто так не поражало воображение и не ужасало, как военные конфликты, разрешавшиеся с помощью воздушной техники. Одна из самых кровопролитных войн проходила на территории Парагвая в 1860—1870-е гг. В результате этого, как сухо констатирует статистика, из почти 250 000 мужчин-парагвайцев в стране осталось около 28 тысяч.

С аэростатов производились и бомбовые атаки. Первая такая атака была совершена в ноябре 1944 г. японцами при нападении на Соединенные Штаты Америки. Кстати, тогда же они применили оригинальное устройство, которое позволило аэростату лететь с неизменной высотой почти 10 000 км над Тихим океаном. Каждый аэростат нес 15-килограммовую осколочную бомбу и два зажигательных снаряда.

Один из японских аэростатов, направляющихся в Соединенные Штаты. На борту — бомба и два зажигательных снаряда

Интересно, что аэростаты (беспилотные) были камикадзе — самоубийцами, то есть оснащались механизмами самоуничтожения. «Полезное» действие такого оружия оказалось чрезвычайно маленьким: из девяти тысяч запущенных аэростатов только одна тысяча достигла берегов Америки. Зарегистрировано было 258 случаев бомбардировки (то есть четверть от этой тысячи и 1/36 часть от количества запущенных аппаратов). Погибло шесть человек.

Как уже говорилось, аэростаты использовались в самых разных целях, в том числе и научных. 11 июля 1897 г. шведские ученые во главе с Соломоном Августом Андре предприняли исследовательскую экспедицию в Арктику с применением воздухотехники. Андре попытался построить управляемый летательный аппарат, но пошел иным путем, нежели в прошлый раз. Инженер оснастил аэростат объемом 4531 м3 парусами. Они крепились к разветвленной системе тросов и рулей, с помощью которых предполагалось вести аппарат в нужном направлении.

К сожалению, экспедиция окончилась трагично. Мы не знаем точно, как погибли трое отважных энтузиастов-ученых. По всей видимости, они не справились с управлением или не смогли противостоять воздушной стихии. Их останки были найдены только в 1930 г. на острове Земля Франца-Иосифа.

Время шло, техника совершенствовалась, и рекорды продолжались. В начале XX в., в 1906 г., в Париже устроили первые массовые состязания пилотов аэростатов. Через два года соревнования стали международными — в них участвовали пять европейских стран.

А в 1901 г. и позже было поставлено несколько рекордов высоты, на которую смогли подняться пилотируемые аэростаты.

Профессора Берсон и Сюринг 30 июня 1901 г. смогли подняться на аэростате на высоту 10 800 м, что стало официальным рекордом, хотя есть мнение, что еще в 1862 г. Джеймс Глейшер поднялся на 11 275 м. Но, во-первых, этот рекорд не был зафиксирован так официально, как достижение начала XX в., а во-вторых — тогда не существовало приборов, которые могли бы с такой точностью измерить высоту полета.

А в 1931 г. швейцарский физик Огюст Пикар совершил полет в стратосферу, взлетев в герметической капсуле на высоту 15 281 м. В следующем году он перекрыл собственный рекорд, поднявшись на 16 201 м. Побит этот рекорд был три года спустя американцами капитанами Орвилом Андерсеном и Альбертом Стивенсом, которые в небе над Южной Дакотой достигли высоты 22 066 м.

Популярность аппаратов, обеспечивавших свободный полет в воздушном пространстве, не ослабевала. Например, в 30-х гг. этот вид спорта приобрел большое количество поклонников. И именно в нашей стране было поставлено много необыкновенных по своей смелости рекордов. Так, в 1935 г. Б. А. Романов смог подняться на высоту 9,8 км, что само по себе не так удивительно, потому что поднимались и выше. Главным было то, что он находился в открытой корзине, а ведь именно на высоте 8—10 км (в разных широтах) начинается стратосфера, условия которой почти непригодны для дыхания и существования в ней человека — чрезвычайно низкие температуры, малое содержание водорода и, напротив, высокое — озона, другие характеристики сильно отличаются от свойств тропосферы, в которой обитаем мы.

В том же году И. И. Зыков и А. М. Тропин пробыли в небе на аэростате 91 ч 15 мин. Этот полет вошел в список мировых рекордов. Впечатляющим был и одновременный старт 25 воздушных шаров, который осуществили советские воздухоплаватели три года спустя.

Но после катастрофы 1937 г., о которой будет рассказано ниже («Дирижабли»), производство и применение аэростатической техники было приостановлено до начала 60-х гг. Это вполне объяснимо, несмотря на изобретение более безопасных и прочных материалов и использование гелия вместо легко воспламеняющегося водорода. Психология человека оказалась решающим фактором.

Но через некоторое время воздухоплавание все же возродилось. В 1962 г. было создано ЛОКБВ (Ленинградское общественное конструкторское бюро воздухоплавания), целью которого было именно возрождение в СССР воздухоплавательной техники. За пять лет до этого появилась комиссия воздухоплавания Географического общества.

Один из сотрудников этих организаций, Феликс Дубинин, разработал собственный проект монгольфьера и воплотил его в жизнь. Для того времени — далекие 60-е — аэростат получился очень и очень неплохим, особенно если учесть условия и уровень информированности создателя. Идея пришла после заметки в английском журнале, где Дубинин увидел фотографию теплового дирижабля (термодирижабля) компании «Камерон Баллунз». Кроме этой заметки и учебников по дирижаблестроению, материалов не было. К сказанному стоит добавить, что в то время именно монгольфьеров нигде не строили, кроме Англии. А выехать туда, чтобы поучиться и набраться опыта, возможности не было.

Но тем не менее проект удался. Помогали сторонники предприятия. Например, один химзавод подарил Феликсу лавсановые пленки для оболочки. Конструкцию горелок и идею использования пропана как горючего он нашел на базе жидкого газа в пригороде. В остальном, как говорил конструктор, он руководствовался законом Архимеда и проектами дирижаблей К. Э. Циолковского.

В процессе разработки Ф. Дубинин применял и собственные нововведения, например двухслойную оболочку, которая сохраняет тепло гораздо дольше, чем обычная, и соответственно увеличивается продолжительность полета. Кстати, в современных аэростатах это изобретение почему-то не используется, и время полета составляет в среднем 2—3 часа.

В целом монгольфьер получился похожим на те, что государственные предприятия начали выпускать на два десятилетия позже. Объем оболочки баллона (в форме огромной груши) составил 2000 м3. Корзина была рассчитана на двух человек. Высота полета и прочие летные качества тоже были достаточно современными. Этот аэростат оказался первым во время «возрождения» летательных аппаратов легче воздуха. В то же время было детально разработано вообще очень большое количество проектов, лишь часть из которых воплощена в жизнь. Назовем лишь некоторые из них.

Арктический дирижабль С. С. Свердлова. Дирижабль для строительства А. И. Васина. Система безориентирной стабилизации дирижаблей Ф. Д. Дубинина. «Ленинградский пожарник» и полутермодирижабль Б. Г. Курдюкова. Применение атомного двигателя для дирижабля — проект Б. К. Федюшина и А. А. Булычева. Новый тип термодирижабля В. Н. Инфантьева. Безбалластный пневмодирижабль П. А. Сапелова. Цельнометаллический дирижабль В. Б. Мурычева. Туристский дирижабль — проект Р. П. Стронга. «Ленинградский лесовоз» Б. С. Шендерея. Двухкорпусный дирижабль Р. М. Мазурова и трехкорпусный — В. К. Шашукова, а также однокорпусный, рассчитанный на 100 т груза, предложенный А. П. Ескевичем. И многие, многие другие.

По всей видимости, либо зарубежные сторонники аэронавтики действовали более убедительно, либо что-то еще помогло, но дирижаблестроение на западе развито намного сильнее, чем у нас. Хотя множество оригинальных идей предложено именно русскими и советскими изобретателями и инженерами. В то время, когда в СССР действовали преимущественно одиночки и добровольные организации, в Европе уже развивались новые виды спорта, естественно, воздушного.

Ставились новые рекорды. К примеру, в 1981 г. — сравнительно недавно — французские спортсмены пробыли в кабине монгольфьера 30 ч и преодолели на практически неуправляемом аппарате 1100 км, а год спустя американцы поднялись на высоту 17 160 м. Естественно, совершенствуется и техника, и по своим возможностям новые аэростаты далеко обогнали те, которые производились хотя бы в начале века. Одна только радиосвязь значит очень многое. С ее помощью легче и узнавать координаты, и разговаривать с теми, кто остался внизу.

Рекордными оказываются и размеры некоторых современных аэростатов. Например, самым большим в мире аэростатом для перевозки людей считают пассажирский «300А» фирмы «Тендер энд Колт»: объем 8495 м3, диаметр 26,46 м, высота 27,19 м (приблизительно с 10-этажный дом).

Самый большой в мире пассажирский монгольфьер «Тендер энд Колт»

А вообще самым большим и самым быстрым в мире монгольфьером, когда-либо поднимавшимся в воздух, является аппарат «Вирджин Оцука Пасифик Флайер» той же фирмы «Тендер энд Колт», объем оболочки которого составляет 73 624 м3, а высота — 68 м. Если уж сравнивать с привычными ориентирами, то это высота 25-этажного дома. Во время тихоокеанского перелета в 1991 г. максимальная скорость, которой достиг аэростат, составила 385 км/ч. Этот рекорд не перекрыт до сих пор. Во время того же полета был поставлен еще один рекорд — на дальность. «Вирджин» пролетел 10 878 км.

Раз уж зашла речь о достижениях аэростатической техники, назовем еще некоторые.

Наибольшая высота, которой достигли пилоты на аэростате, составляет 34 668 м. Рекорд поставили Малколм Д. Росс и В. А. Пратер из ВМС Соединенных Штатов. Неофициальным же рекордом остается полет Николаса Пиантанида, который поднялся на 37 735 м. Во время этого полета он погиб. А беспилотный аэростат в октябре 1972 г. (объем его оболочки, к слову, составлял 1,35 миллиона кубометров) поднялся в небо над Калифорнией на высоту —51 815 м.

Такой гигантский размер, оказывается, не рекордный. Самым большим построенным аэростатом считается аппарат фирмы «Уинсен Рисерч, Инк.». Объем его оболочки составлял 2 000 000 м3.

Самый продолжительный полет совершили Д. Камерон и К. Дэви на гибридном аэростате в конце июля 1978 г. Время полета — 96 ч 24 мин., то есть более четырех суток. Правда, дальность этого полета уступала признанному мировому рекорду, установленному аэростатом «Вирджин Оцука Пасифик Флайер».

Сейчас планируется полет, который побьет оба эти рекорда, так как будет кругосветным, и аэростат «Индевор» фирмы «Камерон Баллунз» пробудет в воздухе от 12 до 20 суток, покрыв расстояние в 12 190 км. Пилот все это время будет находиться в герметической кабине с системами жизнеобеспечения. «Индевор» будет представлять из себя увеличенную в три раза копию аэростата «ULD-1» той же компании, который уже установил 24 мировых и международных рекорда, в том числе и этот: в 1984 г. за 33 ч с небольшим совершил перелет над территорией Австралии.

В настоящее время создаются организации, профессионально занимающиеся разработкой и производством аэростатов. Среди них заслужила известность «Камерон Баллунз», которую возглавил английский бизнесмен и инженер Дональд Камерон. Компания не только выпускает все новые и новые модели, но и проводит многоэтапную проверку аппаратов на прочность в различных условиях.

Таких видов тестирования для каждого аэростата предусмотрено более 200. И покупатель, приобретая новый «камерон», может быть абсолютно уверен в нем. Каждая деталь(а детали поставляют различные фирмы из Японии, Индонезии, Швейцарии, США) выполняется на самом высоком уровне. Известность компании за рубежом и оборот средств позволяют вести такую работу. «Камерон Баллунз» специализируется не только на аэростатах, но и на дирижаблях — одна из моделей, производимых компанией для России, изображена на рисунке.

Дирижабль АС-120 Мк.П производства компании «Камерон Баллунз»

Компания производит также самые большие и вместительные аэростаты. Например, двухъярусная гондола аэростата «Нашуа Намбер Уан» N-850 способна вместить 50 пассажиров, и при этом аппарат сохраняет все свои летные свойства, заметим, довольно приличные.

Двухъярусная гондола аэростата «Нашуа Намбер Уан» N-850, выпускаемого фирмой «Камерон Баллунз»

Почему-то самым сложным для английской фирмы оказалось сотрудничество с Советским Союзом. Никто не собирался оказывать поддержку на высоком уровне, и в дело опять вступили энтузиасты.

Одним из таких любителей, предложивших свое сотрудничество, оказался Геннадий Опарин. Сейчас он — признанный пилот тепловых аэростатов и дирижаблей. Он рассказывал, как Дональд задумал совершить перелет из Лондона в СССР, поставив очень выгодные условия: он обещал подарить аэростат и обучить пилотов. Но советские чиновники отнеслись к идее с профессиональным подозрением.

Геннадий Опарин, узнав о проекте, связался с Камероном и отечественными организациями. Через некоторое время все уладилось (естественно, не без шероховатостей). Сложнее всего обстояло дело с государственными границами, потому что нужно было оговорить точное время и место пересечения каждой.

Аппарат строили по специальным разработкам и эскизам. Оболочку собственно баллона изготовили из современных материалов — кевлара и углеволокна. Она получилась по-настоящему огнеупорной и очень прочной. Специально для этого предприятия была сделана горелка, мощное оснащение получила экспедиция в плане связи — несколько раций, отражатель. Парашюты, костюмы, прочие атрибуты… В целом подготовились основательно.

1 октября 1990 г. метеоусловия создались благоприятные, и аэростат «Доктус» с Геннадием и Дональдом на борту взлетел. Сначала их сопровождал британский вертолет, потом они остались совсем одни в воздушном пространстве. Правда, с землей связывались каждые десять минут, благо средства связи позволяли. На высоте 3 км аэронавты пролетели Северное море, миновали побережье Голландии, Германии, Дании и Швеции. Над Эстонией поднялся ветер 14 м/с, создалась очень плохая видимость. Кроме того, передали плохой прогноз из Ленинграда. Аэростат подняли на высоту около 5 км и снизились только к Латвии. Там, недалеко от Риги, и приземлились.

Так получилось, что посадка пришлась на картофельное поле, местные фермеры очень перепугались. Правда, с ними все быстро уладилось. А посреди ночи, когда оболочку свернули и заснули, Геннадия и Дональда разбудили… сотрудники КГБ. Они сказали, что поступила информация: прилетел большой желтый шар с иностранными надписями, поднялась перестрелка. Последнее, конечно же, было выдумкой.

Полет продолжался 45 ч 55 мин., и за это время был проделан путь в 2200 км. Результат в общем очень хороший, но тем не менее нового рекорда аэронавты не поставили. А Геннадий мечтает установить именно рекорд. Для этого он, правда, выбрал не аэростат, а дирижабль.

Подводя некоторые итоги, хочется отметить, что аэростаты стали не только транспортным средством, но и своеобразным символом нашего времени. Дело в том, что эти аппараты первыми осуществили извечную мечту человека подняться в воздушное пространство. Кроме того, они стали служить человеку во многих областях его деятельности (наука, военное дело, спорт, развлечения и другие), то есть органично влились в его жизнь. И теперь усилиями энтузиастов, часто поддерживаемых людьми, скажем так, с возможностями, этот символ бережно сохраняется и развивается.

ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ ЛЕГЧЕ ВОЗДУХА

Дирижабли

Дирижабль имеет более сложное устройство, хотя в основу его построения положен именно аэростат. Главное отличие состоит в управляемости и в форме. Обтекаемость корпуса позволяет развивать скорости, значительно превосходящие скорость движения простого воздушного шара, а также лететь более целенаправленно. Как правило, дирижабли оснащены двигателем и оперением, что позволяет изменять не только высоту, но и направление полета. Одно из их преимуществ даже перед современной авиатехникой состоит в том, что они более безопасны, как это ни парадоксально звучит. На самом деле даже при выключении абсолютно всех двигателей они не пикируют, а плавно снижаются, тем самым сохраняя жизнь пассажирам и экипажу.

Новые аппараты теперь не являются игрушкой ветра, который несет их туда, куда дует сам. Современные дирижабли, которые могут развивать скорость до 200 км/ч (то есть до 55 м/с), способны противостоять очень сильному ветру, даже штормовому. А если учесть, что штормы случаются не так уж и часто, то применение дирижаблей вполне оправданно (о чем подробнее будет рассказано ниже). Во время Второй мировой войны патрульные дирижабли оставались в воздухе, даже когда начинались сильные шторма и вылет самолетов был невозможен. Вот как отличается современная техника от старой проверенной. Кроме того, многие дирижабли совершают полеты при сильнейшей облачности и даже при обледенении.

Само слово «дирижабль» (dirigeable) по-французски обозначает «управляемый» и происходит от глагола diriger, то есть «управлять, руководить». Другое название — «цеппелин» — относится к дирижаблям определенной конструкции, разработанной и в 1900 году поставленной на серийное производство немецким военным инженером Фердинандом Цеппелином. Позже название стало синонимом слова «дирижабль». Кроме того, употребительным названием, потерявшим свой метафорический смысл, стал термин «воздушное судно», а более разговорным и упрощенным — «воздушный корабль».

Одним из первопроходцев в этой области считается француз Анри Жиффар, который 24 сентября 1852 г. совершил первый полет на дирижабле с паровым двигателем мощностью 3 л. с. Паровая машина приводила в движение трехлопастный винт диаметром 3,35 м. Жиффар пролетел 27 км со средней скоростью 8 км/ч, что в то время было хорошим достижением. Оболочка дирижабля имела объем 2492 м3 и длину почти 44 м.

Дирижабль, на котором Анри Жиффар поднялся в воздух в 1852 г.

Летательные аппараты такого рода широко применялись примерно до середины XX в. в самых различных целях — перевозка грузов и пассажиров, научные исследования, военные наблюдения и т. п. Позже, с развитием собственно самолетной авиации, их производство и применение естественным образом пошли на убыль. И только с 60—70-х гг. дирижабли снова начали выпускать.

Но расскажем обо всем по порядку.

Первый проект дирижабля в 1784 г. опубликовал французский лейтенант инженерных войск Жан-Батист Мари Менье. Этот аппарат так и не был построен. Проект действительно было затруднительно реализовать в то время. Дело в том, что по описанию дирижабль имел внутреннюю и внешнюю оболочки (внешняя служила для аэродинамики), а самого двигателя не было. Три больших двухлопастных винта должны были приводиться в движение экипажем из 80 человек.

Прототипом управляемых аэростатических аппаратов стал дирижабль с баллонетом (газонепроницаемым отсеком внутри оболочки размером 800 м2). 15 июля того же года братья Робер, разработавшие (на основе идеи Менье) и построившие аппарат, сами же совершили на нем первый полет. Он оказался не совсем удачным, потому что давление газа в баллонете стало опасно высоким, и пришлось прорезать оболочку. Тем не менее рейс окончился в общем благополучно и вошел в историю. О первом аппарате с двигателем уже было рассказано. А в 1872 г. австриец Пауль Генлейн построил первый дирижабль, приводимый в действие четырехцилиндровым двигателем внутреннего сгорания мощностью уже 5 л. с. Правда, осуществлялись только подъемы в воздух. На свободные полеты не хватило денег.

С тех пор дирижабли с двигателями активно строятся и применяются. Например, уже три года спустя был сооружен первый дирижабль с электрическим двигателем. Пилотом являлся Гастон Тиссандье, француз. Двигатель же представлял собой динамомашину Сименса и 24 бихромат-калиевые аккумуляторные батареи и был установлен в гондоле дирижабля.

С развитием техники появились полностью управляемые воздушные судна. Двенадцать месяцев спустя, в 1884 г., во Франции совершал первые полеты дирижабль «Франция», мощность электродвигателя которого составляла 9 л. с. Винт был четырехлопастным деревянным, диаметром 7 м. Полет проходил с максимальной скоростью 23,5 км/ч, и было преодолено расстояние в 8 км. Шарль Ренар и Артур Кребс, пилотировавшие аппарат, совершили круговой полет и приземлились на месте старта.

В 1888 г. взлетел дирижабль на бензиновом двигателе. Доктор Карл Вельферт (Германия) установил на самодельном аэростате небольшой двигатель Даймлера (более совершенные разновидности которого активно использовались и впоследствии, например на «Гинденбурге») мощностью 2 л. с., превратив его тем самым в дирижабль. В том же году состоялся пробный полет аппарата, но пилотировал его механик доктора. 9 лет спустя Вельферт и другой механик, Кнабе, погибли во время полета на дирижабле. Оболочка воспламенилась от двигателя, и газ взорвался.

Позже случаи гибели пилотов и пассажиров дирижаблей перестали быть редкостью, хотя до такой периодичности, с которой в наше время сообщается о гибели экипажей и пассажиров рейсовых и военных самолетов, не доходило. Гибель четырех человек в 1909 г. и пяти в следующем стала причиной, по которой общественность нередко выступала против использования дирижаблей.

В 90-е гг. XIX в. К. Э. Циолковский разрабатывал проект создания нового типа дирижабля — цельнометаллического безбалластного, который позволял бы поднимать в воздух грузы огромной тяжести. Опыты создания таких аппаратов были уже в конце XIX в., но в производство их так и не запустили, потому что Циолковский, по сути, только предложил идею и пути ее осуществления, а масштабная работа по выяснению оптимальных технических характеристик дирижаблей такого типа только ведется. Строить их было бы действительно очень выгодно, поэтому и в настоящее время ведутся активные разработки.

Один из аппаратов такого типа, «Металлобаллон» конструкции Германа Шварца, совершил полет в 1897 г., который оказался единственным.

В те же годы вводятся некоторые новшества. К примеру, на озере Констанс был построен первый плавучий ангар для дирижабля «LZ-1» графа Цеппелина, чье имя увековечено в названии дирижаблей.

Из этого ангара 2 июля 1900 г. был совершен пробный полет дирижабля собственной конструкции графа. «LZ-1» находился в воздухе около 20 мин. с пятью пассажирами на борту. Двигатель (даймлеровский) был довольно мощным — 16 л. с., и размеры большие — длина 128 м, диаметр 11 м 73 см, а объем 11 327 м3. Но аппарат плохо слушался управления, и потребовались доработки.

В 1901 г. дирижабли стали, если так можно выразиться, публичным явлением. Бразилец Альберто Сантос-Дюмон облетел на 33-метровом дирижабле вокруг Эйфелевой башни в Париже и завоевал первый приз в 100 000 франков.

Первым настоящим дирижаблем, то есть таким, который является дирижаблем в современном употреблении этого слова, считают аппарат «Лебоди» французских братьев

Французский дирижабль «Лебоди» конструкции братьев Лебоди

Лебоди, построенный и продемонстрированный годом позже. Первые полеты на нем составляли 37,98 и 60 км.

Следующая модель такого аппарата, увеличенная, стала первым в мире военным дирижаблем. «Лебоди II» обладал двигателем мощностью 40 л. с. и оболочкой объемом 2660 м3.

Тем временем продолжалась разработка собственно цеппелинов. Первый разбился во время третьего полета. Модель «LZ-2» была неудачной и погибла после первого же полета. Зато третья оказалась по-настоящему качественной и была приобретена военными в 1909 г. Название «LZ-3» сменили на «Z-1».

С тех пор военная техника стала постоянно пополняться дирижаблями. В том же году французский «Сантос-Дюмон» испытывался в качестве авиаматки, то есть несущего для аэроплана «14 бис». Позже такие испытания для перевозки более совершенных самолетов проводились англичанами в 1918 г., когда на дирижабле «R-23» были в буквальном смысле подвешены сразу несколько аэропланов.

Английский дирижабль «R-23», используемый в качестве авиаматки

Мощным военным дирижаблем стал английский «Нулли Секундус», иначе называемый дирижаблем номер 1, который совершил свой первый полет в 1907 г. с полковником Джоном Каппером, капитаном У. А. К. Кингом и механиком Сэмюэлем Коуди на борту. Мощность двигателя составляла 50 л. с. (уже на третьей модели — 80), длина — 37 м. Первым же русским военным дирижаблем («Лебедев») стал французский аппарат с французским же двигателем «Панар» на борту.

Английский военный дирижабль «Нуми секундус»

Кроме военных целей, дирижабли стали использоваться и в политических. Например, в 1908 г. над Лондоном появился аппарат, с которого пилотировавшая его суфражистка разбрасывала листовки, призывавшие к борьбе за права женщин.

Но цеппелины широко использовались и гражданскими авиакомпаниями, например «Делаг». Дирижабли «LZ-5» и «LZ-6» стали пассажирскими. Первый из них был также действующим экспонатом на международной выставке дирижаблей во Франкфурте-на-Майне.

Но множество «LZ» все-таки использовались военными (в кодировке немецких военных они назывались «Z» или «L» с соответствующим порядковым номером). Одним из первых стал цеппелин «LZ-14» который в ВМФ проходил как «L-1». Он же стал первым погибшим немецким военным дирижаблем. В 1913 г. его сбили во время маневров над Северным морем. При этом погиб весь экипаж, состоявший из военных и гражданских лиц.

Немецкий военный цеппелин «LZ-14» («L-1»)

А дирижабль «LZ-37» был сбит в воздушном бою. Его подбил летчик Р. А. Дж. Варнфорд на легком самолете-истребителе «Моран-Сольнье» в 1915 г. Происходило это так.

Варнфорд обнаружил дирижабль в небе над Кале и стал преследовать его. Аппарат стремительно удалялся и одновременно поливал истребитель пулеметным огнем. Варнфорд зашел над дирижаблем и сбросил на него все шесть 9-килограммовых бомб, которые у него были. Одна взорвалась, и горящий дирижабль упал на землю, придавив собой двух монахинь. Погиб весь экипаж, кроме одного человека. Варнфорд, награжденный за удачное проведение операции крестом Виктории, разбился две недели спустя, когда у биплана, на котором он летел, отвалился хвост.

Истребитель «Моран-Сольнье», на котором британский летчик Варнфорд сбил немецкий цеппелин «LZ-37» в 1915 г.

Вернемся к гражданской дирижаблевой авиации.

Авиакомпания «Делаг» (официальное название которой было «Die Deutsche Luftschiffahrt») создана в 1909 г. фон Цеппелином, и поэтому не вызывают сомнений марки дирижаблей, которые там использовались. За три года ее функционирования не было ни одной жертвы, несмотря на то что три аппарата потерпели аварии. По подсчетам, за это время в крупнейшие города Германии дирижабли перевезли 34 000 человек. В 1919 г. маршруты были возобновлены, и за каждый рейс перевозились 23 пассажира. А в 1912 г. с полета дирижабля «Ганза» той же авиакомпании по маршруту Гамбург — Копенгаген — Мальме начались международные гражданские рейсы дирижаблей.

Пассажирский дирижабль «Ганза» авиакомпании «Делаг»

Трансатлантические рейсы дирижаблей начались в 1919 г. Правда, это была не пассажирская перевозка, а скорее пробный полет, прошедший весьма успешно. Экипаж из 30 человек на британском дирижабле «R-34» совершил путешествие из Великобритании в Штаты (2—6 июля) и обратно (9—13 июля) за общее время 183 ч и 8 мин., и при этом было пройдено расстояние в 10 187 км.

А в 1930 г. британский же «R-100» совершил уже двойной трансатлантический перелет. Он считается одним из самых быстрых дирижаблей. В пути он развивал скорость до 131 км/ч, выполняя полеты между Кардингтоном в Англии и Монреалем в Канаде.

Дирижабль стал и средством связи. Аппарат «Бета 1», поднявшийся в воздух в 1910 г., стал первым британским дирижаблем с беспроволочным телеграфом на борту. В Германии в 1912 г. работала авиапочта. Корреспонденцию, естественно, перевозили дирижабли.

Английский скоростной дирижабль «R-100», который в 1930 г. совершил двойной перелет через Атлантику

Усовершенствование материалов и технологий не прекращалось. И изменения были весьма существенными. Например, в 1918 г. впервые для наполнения оболочек применен гелий. Это, естественно, был американский дирижабль (о причинах см. ниже) под названием «С-7», произведенный фирмой «Гудиир». Позже гелий стал довольно широко использоваться на американских воздушных кораблях — например, на «ZR-1 Шенандоа».

Американский гелиевый дирижабль «ZR-1 Шенандоа»

До этого применялся водород, как, например, на дирижабле «Америка», на котором американский журналист пытался пересечь Северную Атлантику. Об опасных свойствах водорода уже говорилось и на примере будет рассказано еще.

Водородный дирижабль «Америка»

Нововведения и использование удачных технологий позволили осуществлять эксперименты, о которых разработчики несколько лет назад не могли и мечтать. Грандиозно смотрелась стыковка дирижабля «ТС-3» и самолета-биплана Сперри «Мессенджер», которую произвели в 1924 г. Особым приспособлением для операции служила так называемая стыковочная трапеция.

Естественно, новые возможности позволяли совершать и более масштабные мероприятия и путешествия.

Примером здесь может служить первый полет дирижабля на Северный полюс.

Экспедицию предпринял знаменитый норвежский исследователь Роалд Амундсен, который приобрел для этой цели итальянский аппарат, назвал его «Норвегия» и вместе с итальянцем Умберто Нобиле и американцем Линкольном Эллсуортом достиг полюса. Путешественники сбросили флаги своих стран и повернули обратно. Впоследствии опыт такого путешествия пригодился для научных исследований.

Дирижабль «Норвегия», на котором Амундсен совершил путешествие на Северный полюс

Одним из самых впечатляющих стало кругосветное путешествие на воздушном судне «Граф Цеппелин». Полет был осуществлен 8—29 августа 1929 г. Маршрут, по которому следовал дирижабль, отправной точкой имел город Лейкхерст (штат Нью-Джерси, США) и проходил через Фридрихсхафен (Германия) и Токио (Япония). Заканчивался путь в Лос-Анджелесе (США). Трассу в более чем 35 000 км «Граф Цеппелин» прошел за 21 сутки и 5 ч. Вообще же цеппелин налетал более миллиона миль (то есть почти 2 млн. км) и перевез 13 100 пассажиров.

Помимо гелия, дорогого и добывавшегося тогда только в Соединенных Штатах Америки, в качестве наполнителя оболочки (а также топлива для двигателя) использовали так называемый блаугаз, сложное химическое соединение, в состав которого входили этилен, метилен, пропилен, бутилен, водород и этан. Газ хранился в баллонете. Первый раз новый состав был успешно применен в 1931 г. немецкими дирижаблестроителями.

Но не все было так радужно. Случались, как и с аэростатами, досадные промахи, нередко стоившие многих человеческих жизней. О некоторых таких эпизодах будет рассказано ниже.

С дирижаблями происходили крупные катастрофы. В качестве примеров можно привести гибель немецкого «Гинден-бурга» в 1937 г. и советского дирижабля «В-6» год спустя. «В-6» был послан на помощь сотрудникам дрейфующей научно-исследовательской станции «Северный полюс», но над Кольским полуостровом попал под действие сильных воздушных масс и потерпел крушение.

Авария немецкого же дирижабля, одного из самых крупных в мировой истории, была настолько масштабной, что на ней стоит остановиться подробнее.

«Гинденбург» (на его борту готическими буквами было крупно написано: Hindenburg) поражал своими размерами. Длина — 248 м (на 8 м длиннее «Титаника»), в поперечнике посреди — 40 м. Его объем составлял 200 000 м3. Для того времени это был самый большой в мире цеппелин. Он имел серебристый цвет и, как принято говорить, форму сигары. С легкой руки одного из баварских поэтов его называли «гордым ангелом», и, честно говоря, он оправдывал это прозвище. На родине же, в Германии, дирижабль построили под безликим кодовым обозначением «LZ-129».

Путешествие для 1937 г. тоже было масштабным — из Европы в Америку. Воздушный корабль со скоростью 140 км/ч вел капитан Макс Прусс. Рабочая часть дирижабля состояла из 16 отсеков, наполненных топливом — водородом. Пассажирская часть, то есть верхняя палуба, включала 26 двухместных кают, ресторан с баром, салон с танцзалами и библиотеку. По бокам располагались два больших коридора для прогулок и огромные иллюминаторы для обзора. Но была еще и нижняя палуба. На ней находились кухня, оснащенная электрическими плитами, туалеты и ванные комнаты с мраморными ваннами, а также помещение для курения. Имелись даже лифты, соединявшие палубы. Они были отделаны красным деревом.

Поражают размеры, а также комфорт и обустроенность, конкурировавшие с современными пассажирскими лайнерами. Но больше всего поражает рискованность этого путешествия. Дело в том, что водород, которого, напомним, находилось на цеппелине 200 000 м3, является самым взрывоопасным газом. Достаточно было малейшей искры, чтобы прогремел взрыв, который унес бы жизни всех, находившихся на борту «Гинденбурга». Подсчитали, что в этом случае диаметр огненного шара достиг бы нескольких сотен метров. И тем не менее организаторы посчитали предприятие возможным. Кто знает, что было главным — деньги, а может быть, престиж… Сейчас это не так уж важно.

Вместо водорода в баллоны можно было закачать гелий, который абсолютно негорюч. В этом случае, как утверждают специалисты, «Гинденбург» можно бьшо бы обстреливать даже из зенитных орудий, и ничего страшного не случилось бы. Повреждены оказались бы только два или три баллона из пятнадцати. А по подсчетам, дирижабль вполне мог бы находиться в воздухе и с восемью-девятью целыми баллонами. Но вся проблема была в том, что единственное известное в то время природное месторождение гелия имелось только на территории Соединенных Штатов Америки, и закупать его немцам было никак невозможно в связи со специальным законом, принятым в США, который запрещал продажу гелия нацистам.

Немецкий цеппелин почти бесшумно приближался к Нью-Йорку. Его встречали сотни американцев, среди которых, конечно, было и большое количество журналистов. Один из них, чикагский репортер Герберт Моррисон, в ожидании «Гинденбурга» вел прямой репортаж на радио с нью-йоркского аэропорта Лейкхерст, куда была запланирована посадка дирижабля. Он рассказывал о внутреннем устройстве, о комфорте, о новейших технологиях и впечатляющих размерах летающего корабля. И вдруг течение его восторженной речи прервалось возгласом: «О, Господи! Он горит! Он падает! Он падает на людей вниз!»

Дирижабль «Гинденбург», который лучшие специалисты проектировали и строили несколько месяцев, сгорел всего за 4 сек. Еще приблизительно 30 сек. падали на землю гигантские обломки его гондолы и каркаса.

Взрыв был виден в радиусе 25 км. Как ни кощунственно сейчас это говорить, но зрелище и в самом деле было внушительным. Авария одновременно напоминала огненный фонтан, водопад и распустившийся в небе ослепительный цветок. Все произошло настолько быстро, что из стоявших на земле наблюдателей поначалу мало кто понял что-то.

Последние секунды немецкого цеппелина «Гинденбург»

Ничего не могли понять и специалисты, которые впоследствии анализировали вероятные причины аварии. До сегодняшнего дня так и не выдвинули версию, которая достоверно объясняла бы утечку водорода. Одни говорят о противонаци-стском заговоре. Другие — об иных акциях. Наиболее правдоподобным остается предположение об электростатическом разряде, который зажег водород именно в тот момент, когда из люка спустили причальный трос, оказавшийся влажным. Именно он послужил причиной возникновения этого заряда. Гибель «Гинденбурга» и по сей день остается одной из самых загадочных аварий в воздухе. Самое обидное, что дирижабль почти достиг своей цели и не дотянул до приземления всего несколько минут.

Жертв трагедии оказалось меньше, чем могло быть. Погибло — в основном от ожогов — всего несколько человек, в том числе капитан Макс Прусс. Так, спаслось 67 пассажиров, то есть большая часть, а из встречавших не пострадал никто. Отчасти это объясняется тем, что гондола, также загоревшаяся, оторвалась и спланировала вниз с тросами и обрывками прорезиненной обшивки «сигары», которые в этом случае сыграли роль парашюта. Но также помогла простая случайность. Примеры спасения от смерти, часть из которых приведена ниже, доказывают это.

Дитрих Дрюке, 45 лет, чуть не дремал в салоне, сидя на диване с сигарой во рту и раскладывая пасьянс. И в этот момент на него неожиданно обрушилась крыша. Но Дрюке не получил ни единой царапины благодаря спинке дивана, удачно высокой и необычайно крепкой. Он просто оказался забаррикадирован обломками, и вскоре спасатели вытащили его на воздух.

Карл Хохталер, четырнадцати лет, в панике выпрыгнул из окна и попал прямо в лужу горящего дизельного топлива, на котором при полете работали мощные двигатели «Даймлер». По счастливой случайности именно в этот момент разорвался баллон с водой, и огонь потух. Мальчик остался мокрым с головы до ног, но живым.

Лиза Готппид, старушка семидесяти двух лет, летела в Нью-Йорк к своему сыну. Она спаслась и вовсе не обычным образом. Будучи в весьма преклонном возрасте, она по своему обыкновению дремала в каюте и проснулась от грохота и неприятных толчков. Фрау Готтшид накинула халат, раскрыла дверь каюты и вышла в коридор, но, присмотревшись, она обнаружила, что это не коридор, а посыпанная песком площадка, на которую приземлилась гондола. По случайности она оказалась в том обломке, который пострадал меньше других. Мало что понявшая старушка увидела сына и прямо в халате пошла к нему, а потом долго сокрушалась, что весь ее багаж сгорел.

Именно с 1937 г., вошедшего в историю авиакатастроф, приостановилось дирижаблестроение. И только в последние годы их производство начало носить более или менее широкий характер. Да и то их использование откатилось примерно на тот же уровень, с которого все и начиналось, — более для развлечения и для экспериментов, чем для серьезного массового использования. Напоминала о себе катастрофа «Гинденбурга».

В это же время в СССР свернули и строительство аэростатов. Прекратилось производство летательных аппаратов легче воздуха и в других европейских странах.

В 60-е гг. XX в. снова появились энтузиасты воздухоплавания. Стали возрождаться дирижабли, аэростаты и даже самые первые образцы, которые мы называем монгольфьерами.

Мы уже писали о деятельности Дональда Камерона и о его сотрудничестве с российским аэронавтом Геннадием Опариным. Хочется вернуться к рассказу о них уже в связи с дирижаблями.

Дело в том, что Геннадий собирался установить рекорд в скорости полета на дирижабле и пробыть в небе 6-7 ч. А использовать он хотел технику, которую ему предоставит компания Камерона. Это, по всей видимости, был «тепловик» «АС-120 Мк.П», созданный специально для российских коллег.

Немного расскажем об устройстве этого «спортивного» цеппелина. Он двухместный, и поэтому гондола небольшая. Объем же самой оболочки составляет 3400 м2. Отсек для пилотов довольно тесен, потому что, кроме кресел (под которыми — баки для газа), в нем находится горелка и — в корме — двигатель «Ротекс-582». Кстати, сам двигатель разработан фирмой «Гандер и Кольт», бывшим конкурентом Камерона. Ныне ее сотрудники (в том числе главный конструктор Криспин Уильяме) работают в «Камерон Баллунз», потому что в 1998 г., когда «Гандер и Кольт» разорилась, Дональд пригласил их к себе.

В передней части кабины находится прозрачный обтекатель, который позволяет хорошо просматривать окрестности и перспективу. Сзади располагается двухлопастный пропеллер, который приводится в движение «Ротексом». Шасси (три колеса) совсем небольшое, такое, которого было бы достаточно для устойчивой посадки. Весь дирижабль имеет следующие технические характеристики: нормальная скорость — 24 км/ч, длина — 35,5 м, наибольшая ширина — 13 м. Весит аппарат 245 кг.

Гондола дирижабля «АС-120 Мк.П»

В настоящее время проводятся тренировочные полеты. Уже выявлен ряд небольших недочетов, которые предстоит исправить. Кроме того, в процессе тренировок приходят идеи по улучшению качества и летных свойств дирижабля. Плюс ко всему прочему добавилась новая функция использования летательных аппаратов легче воздуха — рекламная, что сейчас достаточно актуально.

Появление в небе дирижабля в наше время — явление нечастое, и поэтому он сразу обращает на себя внимание. Особенно если на его борту двухметровыми буквами написано слово «Балтика» с тремя горизонтальными волнистыми чертами слева. Дело в том, что Геннадий Опарин участвует в рекламной акции пивоваренной компании «Балтика». Как показала практика, воздушная реклама (что само по себе уже непривычно) не вызывает таких негативных эмоций, как порядком надоевшая щитовая или реклама во всех без исключения средствах массовой информации, включая Интернет.

Применение дирижаблей и — в несколько более ограниченных масштабах — аэростатов в современной жизни разнообразно. В первую очередь, это своеобразный спорт и научные наблюдения. Огромные возможности предоставляет использование такой техники в Арктике. (Об этом будет сказано немного позже.)

Еще в 1931 г., когда оболочки дирижаблей наполнялись опасным водородом, на Север была отправлена интернациональная экспедиция, результаты которой один из ее участников, Р. Л. Самойлович, оценил таким образом: «За 106 ч арктического полета дирижабль проделал такую работу, которую при нормальных экспедициях на ледоколах можно выполнить лишь в 2—3 года упорного настойчивого труда».

Для подобных исследований требуется даже не один вид дирижабля, а несколько. Например, Ордена Ленина Арктический Антарктический институт в 1986 г. сообщал, что предоставляемая им авиационная техника по некоторым параметрам не позволяет проводить определенные исследования, и поэтому научному учреждению были нужны аппараты следующих типов: дирижабль для осуществления визуальной ледовой разведки, для инструментальной разведки, дирижабль-грузовик и некоторые другие.Для решения этой задачи потребовалась разработка новых технологий. Например, для того, чтобы поддерживать постоянную высоту полета, выработали новый состав топлива. В итоге получили «корабль» объемом 50 000 м3, способный без дозаправки совершать перелеты в 15 000 км со средней скоростью 70 км/ч.

Естественно, у военных с развитием авиации острая необходимость в применении такой техники постепенно отмирает. И, несмотря на это, опыт показывает, что и военные применяют дирижабли — в первую очередь для патрулирования, что намного (в 14 раз) дешевле авиации. Так, в США еще в середине XX в. для этих целей использовалось 120 дирижаблей.

А для ученых это настоящий клад. Дирижабли помогают метеослужбам, геологам, нефтяникам... Их можно применять как альтернативу непомерно дорогим спутникам, естественно, на низкой орбите — от 10 до 20 км над землей.

Разрабатываются и уже осуществляются проекты применения дирижаблей на... других планетах. Так, Феликс Дубинин совместно с сотрудниками Института космических исследований выдвинул и в черновом варианте проработал идею исследований на Венере с помощью аэростатической техники. Дело в том, что атмосфера на высоте 50—60 км имеет вполне приемлемую температуру, близкую к земной (на поверхности — в десятки раз больше), и нормальное давление.

Таким образом, использование пока беспилотных дирижаблей, оснащенных соответствующей техникой, вполне возможно на этой планете. Это намного экономичнее и эффективнее высадки на поверхность дорогих аппаратов, которые собирают ничтожно мало информации и работают чуть ли не считаные минуты. А тепловую энергию венерианской атмосферы можно было бы использовать для работы самого дирижабля (аэростата).

Такие попытки в наше время — уже реальность. В один из визитов на Венеру послали и аэростатический аппарат (французского производства). Эксперимент оказался удачным. А ведь атмосфера есть не только на Венере, но и на других планетах Солнечной системы и некоторых их спутниках. Так что, воз-духотехника вполне может покорить и космическое пространство. Для этого, естественно, применяются и технологии несколько иного качества. Например, вместо гелия (к слову, редкого и потому дорого) используют особую смесь, основным компонентом которой является метан.

Кстати, проблема газа, которым наполняют оболочку дирижабля, стоит давно, и попытки ее решения многочисленны. Проблема состоит в том, что основными газами, использовавшимися в этом случае, традиционно являлись водород и гелий. Но водород опасен (вспомним катастрофу на «Гинденбурге»), а гелий дорог и редок.

Альтернативное решение было найдено в использовании нагретого воздуха, с чего и начиналось применение аэростатов. Такие аппараты называются термодирижаблями, или тепловыми дирижаблями, а среди инженеров — тепловиками.

К слову сказать, проводилось сопоставление термодирижаблей и вертолетов. Оказалось, что на трассе протяженностью 500 км и при одинаковой грузоподъемности расход горючего у дирижабля меньше, чем у вертолета. Чем не аргумент? А при снижении скорости и при увеличении грузоподъемности дирижабль становится еще более экономичным. Такие аппараты уже строятся, правда, в основном только на Западе и небольшие — объемом до 3000 м3, максимум — 7000 м3.

Дирижабли строятся почти везде — в США, Великобритании, Франции, Германии, Канаде, Австралии, Новой Зеландии, Китае и других странах. И только в России дирижаблестроение остается чуть ли не на уровне увлечения одиночек-любителей и производства энтузиастами. Конечно, это преувеличенно, потому что есть даже особые предприятия, но масштаб подобной деятельности в нашей стране настолько уступает зарубежной аэронавтике, что сравнивать не приходится.

А ведь дирижабли выгодны как экономически, так и экологически. Они способны перевозить грузы практически любого веса (например, 660 т) и любых размеров — и все-таки до сих пор не находят широкого признания в России. Хотя еще Циолковский в свое время писал: «Сделайте серебряный дирижабль, и он вам будет давать 100% чистой прибыли на затраченный капитал, даже дирижабль из чистого золота даст приличный процент» (из его книги «Аэростат металлический управляемый»).

Проекты предлагаются самые разные. Например, термостат Юрия Ишкова из МАИ. Суть его — в особом двигателе с подогревом газа. Для этого используются специальные горелки и выхлопные газы двигателя. А подъемная сила — упомянутые 660 т. Такой груз дирижабль способен перенести на расстояние 5000 км со скоростью 170 км/ч. Экипаж тоже довольно большой — 24 человека. По проекту Ишкова, аппарат имеет форму диска диаметром 200 м, и рабочее название такого типа моделей — термоплан. Частично он наполнен водородом с добавками, которые предотвращают его воспламенение. Подсчитано, что термостат в 5—6 раз эффективнее самолета и в 24 — вертолета. Не стоит спрашивать, есть ли смысл в его использовании.

Или вертостат — гибрид аэростата и вертолета. Разработал его Адольф Ларин. Его аппарат способен поднимать в воздух и производить различные операции с грузами до 40 т, и к тому же он очень маневренный. Проекты суперкрана на 400 т, совершеннейшие киевские дирижабли «Д-1» и «Д-4» (грузоподъемностью соответственно 14 и 125 т), тюменский самолет-дирижабль-вертолет… Большинство из них до сих пор остаются разработками.

И это несмотря на то, что делались чуть ли не официальные заказы. В частности, представители Якутии в 1995 г. заявили, что нуждаются в большегрузных дирижаблях для перевозок руды в Китай и строительства газопровода. Они интересовались, можно ли приобрести или построить на заказ серию подобных аппаратов. В принципе, отвечали им сотрудники НИИ, это возможно. Но кредитов на необходимое предприятие так и не нашлось…

А за рубежом проекты — пассажирские, грузовые, военные — осуществляются, и весьма успешно. Среди них можно отметить «Sentinel-500», который существует в двух вариантах — военный, для патрулирования и борьбы с подлодками (грузоподъемность 30 т) и гражданский, рассчитанный на перевозку 200 пассажиров. Успешно применяются и обрели широкую известность «Skyship-600» на 22 человека и грузовой «Helistat» на 24 т. В Германии возрождаются и совершенствуются цеппелины серий «LZ» (из числа которых был и печально известный «Гинденбург») и «WDL».

Первое место среди стран — производителей дирижаблей занимают Соединенные Штаты Америки. В них изготовление подобной воздухотехники не прекращается с 30-х гг. XX в. Просто там анализируют свои и чужие ошибки и делают соответствующие выводы. А в списке аппаратов, поставленных на производство, можно найти термодирижабли, небольшие воздушные такси, аппараты-гибриды, огромное количество грузовых дирижаблей.

Технологии производства, естественно, тоже совершенствуются. Водород и прорезиненные ткани для оболочки стали достоянием истории. Среди новых применяющихся разработок — угленовые композитные конструкции, тедларовые идакроновые оболочки (помимо популярных нейлоновых), двигатели с поворотом оси, технология сжатия гелия для изменения подъемной силы, навигационные системы со стекло-волоконными линиями связи.

Наконец, к услугам разработчиков теперь — совершенные цифровые технологии.

В России масштабное строительство дирижаблей плохо развито по нескольким взаимосвязанным причинам. Нужно понять, что аэростаты и дирижабли — новый вид транспорта (каким бы парадоксом это ни являлось), который может конкурировать с традиционной авиацией. И потому для них нужны и собственные системы — свои аэродромы, станции заправки, ремонтные базы, вообще инфраструктура и — что немаловажно — кадры, которые, как известно, решают все. И это требует гигантских затрат. Возникает вопрос, оправданы ли они будут.

Оказывается, что оправданы. Нужно только отбросить консервативное мнение, что дирижабли — архаичный вид транспорта. Потому что на самом деле это не так. Современные аппараты легче воздуха и действительно по многим качествам конкурируют с самолетами и вертолетами.

Назовем эти качества, чтобы наши утверждения не были голословными. Во-первых, дирижабли в состоянии поднять в воздух и транспортировать груз любого веса и любых габаритов, о чем уже говорилось. И это дешевле, чем использовать для тех же задач самолеты с вертолетами. Во-вторых, они обеспечивают намного большую безопасность. В последнее время аварии грузовых и пассажирских самолетов стали особенно частыми, а в случае с дирижаблями даже отключение всех двигателей сразу не заставит упасть аппарат на землю камнем: постепенное остывание газа и большая площадь самого летательного аппарата решают эту проблему.

По словам одного из конструкторов «Skyship» Роджера Мунка, «если происходит даже полный отказ двигателей при взлете, вы все равно продолжаете подъем. Если моторы останавливаются в полете и корабль остается совсем без энергии, даже электрической, он все равно никуда не падает, а только дрейфует, и пассажиры знай себе наслаждаются видами. Пилот всегда может управлять высотой, выпуская балласт или газ. Посадочная скорость машины всего 16—24 км/ч, и если пилот совсем уж растеряется, то дирижабль может стукнуться о землю — но так, что никто и ногу не вывихнет». Самолеты в этих случаях ведут себя совсем по-другому…

Далее, для дирижабля не требуется раз гоночная площадка и вообще какие-то особенные условия для старта, как у вертолета, только, по подсчетам специалистов, применение дирижаблей для тех же целей в 20—30 раз дешевле. То же можно сказать и о посадочной площадке — ею может быть хоть палуба корабля, хоть поляна в лесу. Таким образом, и проблема особых аэродромов оказывается не такой большой.

Экономия вообще является одним из главных факторов, которые определяют преимущества таких летательных аппаратов. Например, намного дешевле стали бы промышленные перевозки, которые сейчас осуществляются при помощи поездов и дорогостоящего оборудования. Примерами могут служить трассы к сырьевым базам на севере страны, перевозки опор высоковольтных линий электропередач. Уменьшение нагрузки на железнодорожные перевозки пищевой продукции и экономия на рефрижераторах (естественный рефрижератор — холод на высоте 3 км) тоже служат хорошими примерами.

Дирижабль является более дешевым по потреблению энергии, что объясняется следующим. Отношение полезной мощности такого аппарата к его весу меньше, чем у самолетов, что дает возможность сократить массу двигателя и, следовательно, расход топлива.

Разрабатывается и проект нового вида экологически чистого источника электроэнергии: это использование ветра в самых высоких слоях тропосферы. База для переработки такой энергии в электрическую вполне может располагаться на высотном дирижабле. Авторы проекта — киевские ученые Р. А. Гохман, И. П. Спицын и А. Г. Полянкер.

К слову нужно сказать о новом источнике энергии для самих дирижаблей. Он существует пока только в проекте, потому что является более дорогим из-за современного уровня развития техники. Речь идет о солнечной энергии и о солнечных батареях. Дело в том, что полет дирижабля проходит на большой высоте и аппарат почти все время освещен солнцем. Было бы заманчиво, учитывая огромную незанятую площадь оболочки, разместить на ней батареи, которые принимали бы втуне пропадающую солнечную энергию и преобразовывали бы ее в электрическую.

Проблема в том, что такие батареи, которые применяются, к примеру, на космических кораблях, то есть поликристаллические, очень дорогие. Выход может быть найден в использовании намного более дешевых аморфных кремниевых пленок. Они очень тонкие и наносятся практически на любую поверхность — гладкую или шероховатую. То есть пленкой вполне можно было бы покрыть и оболочку дирижабля. Единственный их недостаток — маленький коэффициент полезного действия, всего около 5%.

Но все же при помощи простых вычислений оказывается, что такие солнечные батареи выгодны: при объеме дирижабля 50 000 м3 и площади оболочки 7000 м2 они дают около 100 кВт электроэнергии, то есть шестую часть общей, которая затрачивается. Не так уж много, но и немало. Интегрированный двигатель, то есть использующий сразу несколько видов энергии, является наиболее экономичным.

Эта идея уже реализуется в Японии. В настоящее время разрабатывается проект стратосферного дирижабля объемом 400 000 м3 и площадью солнечных батарей 4400 м2. Мощность электродвигателей составляет 513 кВт. А небольшие аппараты такого типа уже строятся.

Другой проект предусматривает в качестве энергии для движения дирижабля атомную. С одной стороны, дирижабли в состоянии поднимать в воздух огромные грузы, в том числе реактор с биологической защитой и газовые турбины, и использование атомной энергии позволило бы двигателю достигать фантастической мощности. С другой стороны, существует вероятность аварии такого аппарата (последствия, очевидно, легко себе представить, если вспомнить об известных событиях в Чернобыле и в двух японских городах) несмотря на большую безопасность аэростатической техники по сравнению с авиационной; кроме того, еще нужно выяснить, оправдает ли себя такой аппарат с экономической точки зрения.

Но все же проект создания дирижабля на атомном ходу очень заманчив и, как оказывается, уже разрабатывается в Австрии и в других странах. По одному из проектов масса силовой установки самого атомодирижабля составит 54 т, а перевозить он сможет 200 т груза либо (пассажирский вариант) 800 человек плюс 60 т груза, что, согласитесь, немало. Объем дирижабля — 360 000 м3, а длина — 324 м. Таким образом, реактор, и так снабженный биозащитой, будет удален от пассажирских кают на 150—200 м. А вариант термоплана, грузоподъемность которого составит 9000 т, разрабатывается С. М. Егером. Перспективы заманчивые. И все же…

Возвращаясь к источнику электроэнергии для нас самих, хочется немного подробнее рассказать о киевском проекте. Аппарат, который должен поставлять электроэнергию на Землю, поднимется на высоту 10—12 км, в зону устойчивых воздушных течений, со скоростью около 25 м/с. На дирижабле будут установлены воздушная турбина и электрогенератор для преобразования энергии в электрическую. Длина аппарата — 168 м, диаметр —50 м, а объем — 220 000 м3. Сама энергия будет передаваться вниз специальным кабелем-тросом. Проект грандиозен и пока трудновыполним, но обещает большую экономию электроэнергии, вырабатываемой традиционными видами электростанций.

Проект затрагивает глобальные проблемы, например, при-родоиспользование, позволяющее максимально сберечь ресурсы и одновременно свести к минимуму вредное влияние на человека, животных и окружающую природу новых технологий, которые используют радиоактивные вещества.

Один из выходов — как раз в применении аэростатической техники. Разумеется, что современные проекты, как бы детально они ни были разработаны, являются лишь началом в той грандиозной работе, которую предстоит провести. Потребуется создание новых материалов, значительно более легких и одновременно прочных, использование новых составов газов и так далее.

Используя аэростатическую технику, можно не только помочь сбережению ресурсов планеты (а они не являются неисчерпаемыми), но и минимизировать влияние человека на так называемые экостабильные ландшафты. Употребление воздушной, а не наземной техники сведет к минимуму наземную инфраструктуру, уродующую природный, исконный облик Земли. Как неоднократно подмечалось, воздушная техника окажется более экономичной и в финансовом плане. Потребуются только большие стартовые вложения. Но без этого не обходится ни одно начинание, которое обещает выгоды в дальнейшем.

Особенно актуальны летательные аппараты легче воздуха при освоении и обустройстве Сибири и Севера. В этих регионах не потребуется создания специальных поселений и целых инфраструктур, так как обслуживающий персонал сведется к минимуму — к вахтовым бригадам.

Те же дирижабли в сложных условиях для обитания человека станут идеальным средством транспортировки людей, грузов, в том числе нефти, руды, газа (такие возможности уже рассматривались и были признаны вполне реальными). Еще в 1971 г. представлялись убедительные доводы в пользу применения дирижабельной техники для строительства газопроводов. И тем не менее такие проекты в России почему-то не торопятся осуществлять. Причина остается загадкой.

Сейчас полеты на дирижаблях, как, впрочем, и сами дирижабли, стоят недешево. Отчасти это объясняется тем, что они, повторимся, все еще являются редкостью и экзотическим явлением, особенно у нас в стране. Это одна из причин популярности таких летательных аппаратов у крупных предпринимателей. Говорят, летать на дирижаблях стало даже престижнее, чем плавать на собственной яхте.

Если обучиться управлению автомобилем можно в любом городе, окончив специальные курсы, то овладеть искусством воздухоплавания, естественно, не так просто. Однако такие курсы все же существуют в Санкт-Петербурге и Москве. За соответствующую плату научиться пилотировать дирижабли можно довольно быстро. Однако советуют идти несколько другой дорогой — войти в команду, где работают профессионалы, два-три года проработать там подмастерьем, то есть на практике учиться обслуживанию и ремонту теплового дирижабля, а потом перейти и к полетам на нем.

Популярность аэростатов и дирижаблей все растет. Как видно, летательные аппараты легче воздуха обретают новую жизнь.

Начиналось все с фантастических идей, в которые никто не верил. Потом энтузиастов стало столько же, сколько и тех, кто мешал новому начинанию (последних, вероятно, все же больше). Аэростатическая техника начала завоевывать все новые и новые позиции — поначалу она служила для экспериментальных полетов, спортивных мероприятий и развлечений, а затем для науки, промышленности и военных целей.

Воздухотехника стала популярным видом пассажирского транспорта. Конечно, развитие воздухоплавания не обходилось без отдельных промахов и даже катастроф, в числе которых одно из главных мест занимает гибель «Гинденбурга». Провалы надолго выбивали из колеи. Но все же аэронавтика не умерла. В наше время появляется все больше и больше сторонников этого вида воздушного транспорта и его разнообразного использования. Это объясняется не только тем, что совершенствуются технологии производства, материалы и топливо, но и тем, что аэростатическая техника решает многие трудности, связанные с экологией и в целом с антропогенным влиянием на планету.

АЭРОДИНАМИКА

Перевод

АЭРОДИНАМИКА

раздел механики сплошных сред, в котором изучаются закономерности движения воздуха и других газов, а также характеристики тел, движущихся в воздухе. К аэродинамическим характеристикам тел относятся подъемная сила и сила сопротивления и их распределения по поверхности, а также тепловые потоки к поверхности тела, вызванные его движением в воздухе. В аэродинамике рассматриваются такие тела, как самолеты, ракеты, воздушно-космические летательные аппараты и автомобили. В атмосферной аэродинамике изучаются процессы диффузии твердых частиц (например, дыма, смога, пыли) в атмосфере и аэродинамические силы, действующие на здания и другие сооружения. Ниже рассматриваются проблемы, связанные с движением летательных аппаратов, однако те же принципы можно применить к описанию других явлений, изучаемых в общей гидроаэромеханике. Здесь изложены физические законы, управляющие движениями воздуха, и концепции, необходимые для понимания механизмов возникновения подъемной силы и силы сопротивления при различных скоростях полета, включая течения с ударными волнами. На очень больших высотах (свыше 60 км) вследствие очень низкой плотности воздуха возникают некоторые изменения картины обтекания тела.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДУХА И ДРУГИХ ТЕКУЧИХ СРЕД

В аэродинамике принимаются во внимание такие свойства воздуха, как плотность, давление, температура и молекулярный состав. Воздух состоит из молекул ряда химических элементов, в основном азота (78%) и кислорода (21%). Имеются также небольшие примеси аргона, углекислого газа, водорода и других газов. Число молекул в единице объема воздуха чрезвычайно велико: на уровне моря при температуре 15° С в 1 м3 содержится 2,7Ч1025 молекул. Плотность определяется как масса воздуха, содержащегося в единице объема. Давление представляет собой силу, действующую на единицу площади. Молекулы воздуха находятся в непрерывном движении; они соударяются с ограничивающей воздух поверхностью и отражаются от нее. Сумма всех импульсов, сообщаемых молекулами, падающими на единицу площади поверхности за единицу времени, равна давлению. Температура воздуха (или какого-либо другого газа) служит мерой средней кинетической энергии молекул (равной половине произведения массы на квадрат скорости), отнесенной к единице массы. Важной физической характеристикой газа, зависящей только от температуры, является скорость звука. Скорость звука a (м/с) в воздухе можно вычислить, зная абсолютную температуру T (K), по формуле . Связь между давлением p, плотностью r и абсолютной температурой T дается формулой p = rRT, где R - газовая постоянная, равная 287,14 м2/с2ЧК для воздуха. Из этой формулы следует закон Бойля, согласно которому при постоянной температуре p/r = const, т.е. изменение плотности прямо пропорционально изменению давления. Изменения давления и плотности воздуха по высоте согласуются с этими законами. Давление и плотность уменьшаются, по сравнению с их значениями на уровне моря, в 2 раза на высоте 6 км, в 5 раз на высоте 12 км и в 100 раз на высоте 30 км. В нижних слоях атмосферы температура воздуха также снижается при увеличении высоты. Стандартная температура на уровне моря составляет 288 К. Она уменьшается до 256 К на высоте 5 км и до 217 К на высоте 12 км. Важной характеристикой движущейся среды является ее вязкость. Вязкость проявляется через свойство прилипания текучей среды к поверхности, тогда как невязкая среда свободно скользит вдоль обтекаемой поверхности. Чтобы проиллюстрировать влияние вязкости, порождающей силу, замедляющую течение (силу сопротивления), рассмотрим две большие параллельные друг другу пластины A и B (рис. 1), одна из которых движется относительно другой. Вязкая среда прилипает к каждой из пластин. Случайные движения молекул создают эффект "перемешивания", стремящегося выровнять средние скорости течения, скорость которого на пластине B равна V, а на пластине A - нулю. Результирующее распределение скоростей также приведено на рис. 1, где длина стрелок пропорциональна величине скорости в данной точке течения по высоте между пластинами. Таким образом, на движущуюся пластину B действует сила, тормозящая ее движение. Чтобы обеспечить движение пластины B при наличии торможения, к ней должна быть приложена противодействующая сила. Такая же сила стремится привести в движение пластину A.

Рис. 1. СИЛА ВЯЗКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, или влияние вязкости течения на пластины A и B. Пластина B движется по отношению к пластине A со скоростью V, изображенной стрелкой. Распределение скоростей жидкости между пластинами также показано соответствующими стрелками.

Величина силы, необходимой для поддержания движения пластины B со скоростью 1 м/с (или удержания на месте неподвижной пластины A), при условии, что расстояние между пластинами равно 1 м, а площадь каждой из них - 1 м2, называется коэффициентом вязкости m. Для воздуха при температуре 0° С и давлении 1 атм m = 1,73*10-5 H*c/м2. Эксперименты показывают, что коэффициент вязкости воздуха изменяется в зависимости от температуры пропорционально T0,76.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ

Аэродинамика описывается фундаментальными физическими законами механики сплошных сред. Эти законы называются "законами сохранения", так как они выражают свойство сохранения массы, энергии и импульса для каждого элементарного объема движущейся среды. При использовании законов сохранения важную роль играет принцип относительности движения, сформулированный Галилео Галилеем (1564-1642), согласно которому сила, действующая на тело в воздушном потоке, зависит только от относительной скорости движений тела и воздуха и не зависит от того, движется ли тело в покоящемся воздухе или же воздух движется относительно неподвижного тела. Применим законы сохранения не к отдельным молекулам, а к некоторому движущемуся элементарному объему среды, содержащему большое число молекул. Этот упрощенный подход представляется неизбежным, если вспомнить, что молекулы, помимо своего перемещения вместе с течением, совершают случайные движения, и законы, описывающие эти движения, должны учитывать столкновения между различными молекулами, в которых изменяются их направления движения, скорости и т. д. Рассмотрим, например, элементарный объем в форме кубика со стороной 0,01 мм, объем которого равен 10-6 мм3. В этом малом объеме все еще содержится 2,7*10 10 молекул, и каждая из них движется случайно. Однако вследствие того, что объем содержит большое число молекул, он будет перемещаться со средней скоростью вдоль линий тока течения, изображенных на рис. 2.

Рис. 2. ЛИНИИ ТОКА при обтекании цилиндра. Между линиями тока A и B расход (массовый поток) воздуха через линию A1B1 равен расходу через линию A2B2.

Согласно другому условию, этот элементарный объем должен быть настолько мал, чтобы средние скорости в каждой его точке можно было считать приблизительно одинаковыми. Например, если рассматривается обтекание сферы диаметром 10 мм, то элементарный кубик со стороной 0,01 мм будет достаточно малым для того, чтобы он рассматривался как одно целое, перемещающееся вдоль линии тока. Таким образом, мы рассматриваем элементарный объем среды, который достаточно велик для того, чтобы в нем содержалось большое число молекул, и достаточно мал по сравнению с "характерным масштабом" течения. На очень больших высотах, где плотность воздуха мала, понятие частицы среды теряет смысл, и приходится рассматривать движения отдельных молекул. Линии тока течения определяются как траектории частиц текущей среды. Линии тока могут быть визуализированы с помощью струек дыма, вдуваемого в воздушный поток. В применении к рассматриваемым частицам текущей среды закон сохранения массы означает, что массовый поток воздуха, проходящего между линиями тока A и B на рис. 2, один и тот же, в каком бы месте он ни измерялся. Следовательно, поток воздуха через линию A1B1 такой же, как поток воздуха через линию A2B2. Этот закон называется еще уравнением неразрывности, и течение, удовлетворяющее этому условию, называется непрерывным течением. Закон сохранения импульса является выражением второго закона Ньютона в применении к частицам текущей среды. Он может быть записан в следующей форме: Сила = Изменение импульса за секунду. Следствием этого закона является связь между давлением p, плотностью r и скоростью v. Если скорость течения достаточно мала (так что плотность можно считать постоянной всюду в поле течения), то выполняется следующее простое соотношение: p + 1/2 rv2 = const. Эта формула, известная как закон Бернулли, была получена швейцарским математиком и инженером Даниилом Бернулли (1700-1782). Течение, которое удовлетворяет этому уравнению, называется несжимаемым, поскольку оно применимо как к жидкостям, которые практически несжимаемы, так и к газам, если скорости их движения малы по сравнению со скоростью звука. Если скорость в какой-либо точке потока больше половины скорости звука, то расчеты по этой формуле будут содержать значительные погрешности. Такие течения называются сжимаемыми. Третий закон сохранения, используемый для описания деталей поля течения, выражает условие сохранения энергии. Применительно к течениям можно рассматривать два рода кинетической энергии: энергию, связанную с основным (упорядоченным) течением, и энергию, соответствующую случайным движениям молекул. Энергию, связанную со структурой отдельных молекул и атомов, мы рассматривать не будем, так как ее влияние становится заметным лишь при очень высоких температурах. В расчете на единицу объема кинетическая энергия упорядоченного движения записывается как 1/2 rv2, тогда как кинетическая энергия случайных (неупорядоченных) движений равна rcpT, где cp - удельная теплоемкость при постоянном давлении и T - абсолютная температура воздуха. Согласно закону сохранения энергии для установившихся течений, сумма отнесенных к единице объема энергиий упорядоченного и случайного движений сохраняет постоянное значение: срT + 1/2 v2 = const. Из этого уравнения энергии видно, что если скорость течения v увеличивается, то его температура T уменьшается. Параметры течения и движущегося тела. Силу, действующую на движущееся тело, можно выразить с помощью некоторого безразмерного параметра. Этот параметр получается, если силу отнести к некоторой комбинации существенных характеристик среды и течения, также имеющей размерность силы. По второму закону Ньютона сила F равна произведению массы на ускорение и имеет размерность ml/t 2, где m - масса, выраженная в кг, l - длина и t - время (с). Величиной, имеющей размерность силы, является произведение плотности r, квадрата скорости движения тела в среде v2 и площади S. Искомый безразмерный параметр, который называется коэффициентом силы, определяется следующим соотношением:

Множитель 1/2 вводится из соображений удобства, так как такой же множитель содержится в уравнении Бернулли, приведенном выше. Сила как векторная величина, характеризуется своими компонентами, имеющими различные направления. Соответственно этому различают три коэффициента сил: коэффициент подъемной силы (нормальной к скорости набегающего потока), коэффициент силы сопротивления (направленной вдоль скорости набегающего потока) и коэффициент боковой силы (ортогональной двум предыдущим). Сам коэффициент силы зависит от других безразмерных параметров. Одним из них является число Рейнольдса Re, введенное английским инженером Осборном Рейнольдсом (1842-1912). Этот критерий определяется формулой

Здесь m - коэффициент вязкости, имеющий размерность m/lt. Длина l, входящая в определение критерия Рейнольдса, является характерным масштабом течения. Для течения около сферы в качестве l можно взять диаметр сферы, для самолета это хорда крыла, а для трубы - ее диаметр. Это означает, что можно сравнивать числа Рейнольдса для течений различных сред (с различными значениями r и m) около двух сфер или двух геометрически подобных самолетов. Однако не имеет смысла сравнивать числа Рейнольдса течений около сферы и около самолета, так как эти тела не являются геометрически подобными и нельзя определить один масштаб длины, устанавливающий соответствие между этими двумя видами течений. Сопоставление чисел Рейнольдса для течений около двух сфер может служить указанием об относительном влиянии вязкости среды на характер течения. Вторым определяющим критерием является число Маха M, M = v/a, введенное австрийским физиком Эрнстом Махом (1838-1916). Число Маха может служить мерой влияния сжимаемости на аэродинамические характеристики тел. Излагаемые здесь сведения касаются главным образом влияния чисел Рейнольдса и Маха на аэродинамические характеристики, т.е. на подъемную силу и сопротивление крыльев и других элементов самолета. Ниже будет показано, что каждое из этих чисел определяет некоторые особенности обтекания, соответствующие высоким или низким значениям размера тела, скорости или высоты полета.

НЕСЖИМАЕМЫЕ ТЕЧЕНИЯ

Подъемная сила. Когда крыло обтекает поток, движущийся с числом Маха, значительно меньшим единицы (т.е. скорость течения значительно меньше скорости звука), то распределения давлений по его верхней и нижней поверхностям имеют вид, показанный на рис. 3. Приведенные там же линии тока характеризуют траектории элементарных частиц текущей среды, скорости которых связаны с давлением уравнением Бернулли. Возникновение областей пониженного и повышенного давления означает, что скорость течения на верхней поверхности больше, чем на нижней. Так как давление на нижней поверхности соответственно больше, то на крыло действует сила, направленная вверх, или подъемная сила. При постоянном значении числа Рейнольдса подъемная сила Y пропорциональна плотности воздуха r, квадрату скорости полета v2, площади крыла S и углу атаки a между хордой крыла и направлением движения. Эта зависимость записывается в виде Y = 1/2 rv2Ska, где k - коэффициент пропорциональности. Разделив обе стороны этого соотношения на 1/2 rv2S, получим выражение для безразмерного коэффициента подъемной силы

т.е. CY пропорционален углу атаки.

Рис. 3. ПОДЪЕМНАЯ СИЛА КРЫЛА образуется при обтекании воздухом поверхности крыла, создающего показанные пунктиром распределения давления: на верхней поверхности давление уменьшается вследствие увеличения скорости течения, а на нижней поверхности - увеличивается, толкая крыло вверх.

Коэффициент пропорциональности k принимает различные значения для крыльев различной формы в плане (рис. 4), и его величина зависит также от удлинения крыла l, определяемого соотношением l = b2/S, т.е. от отношения квадрата размаха крыла b2 к площади его поверхности S. Согласно теории, разработанной немецким ученым Людвигом Прандтлем (1875-1953),

При углах атаки, меньших чем 12°, истинное значение k приблизительно на 10% меньше значения, определяемого по этой формуле.

Рис. 4. ФОРМЫ КРЫЛА В ПЛАНЕ - возможные формы крыла (вид сверху). а - прямоугольное крыло; б - эллиптическое крыло; в - стреловидное крыло; г - треугольное крыло.

Влияние удлинения на величину коэффициента k и, следовательно, на подъемную силу крыла называется концевым эффектом. На рис. 5 приведен вид крыла сзади. Вследствие разности давлений происходит перетекание воздуха с нижней поверхности на верхнюю около конца крыла. Это круговое движение воздуха сохраняется позади крыла, и оно порождает концевые вихри, показанные на рис. 5,б.

Рис. 5. ОБТЕКАНИЕ КРЫЛА (вид сзади). а - крыло, изображенное прямолинейным отрезком, окружено линиями тока, иллюстрирующими перетекание воздуха из области повышенного давления на нижней поверхности в область пониженного давления на верхней поверхности; б - вихри, образующиеся около концов крыла. Эти концевые вихри вызывают некоторое уменьшение эффективности крыла как несущей поверхности. Снижение эффективности, отражаемое уменьшением коэффициента k в соответствии с приведенным выше выражением, тем больше, чем меньше удлинение крыла.

На образование концевых вихрей расходуется некоторая часть мощности, необходимой для осуществления полета, и, следовательно, должна появляться сила сопротивления, обусловленная подъемной силой, которая называется индуктивным сопротивлением Xi. Согласно теории крыла Прандтля,

или

Наличие в знаменателе формулы для Xi величины b2 имеет важное значение при проектировании самолета: при заданных весе и скорости полета самолета индуктивное сопротивление в установившемся полете (когда вес уравновешивается подъемной силой) существенно уменьшается при увеличении размаха крыла. Эти соотношения выполняются строго только для крыла эллиптической формы в плане (рис. 4), однако они пригодны для приближенной оценки аэродинамических характеристик прямоугольных крыльев с удлинениями свыше трех. Прежде чем обсуждать другие ограничения, касающиеся применимости этих формул, необходимо понять происхождение вязкого сопротивления и влияния вязкости на подъемную силу крыла.

Влияние вязкости. Выше был определен коэффициент вязкости и отмечалось, что вязкая среда характеризуется свойством прилипания к твердой поверхности. Вследствие этого на поверхности тела, движущегося в вязкой среде, образуется пограничный слой, в котором скорость изменяется от скорости движения поверхности тела до скорости свободного течения на внешней границе пограничного слоя. Пограничный слой схематически изображен на рис. 6. В настоящее время исследования пограничного слоя базируются на результатах основополагающих работ Прандтля и Теодора фон Кармана (1881-1963).

Рис. 6. ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ на плоской пластине (изображенной горизонтальной линией). Вблизи передней кромки пластины течение ламинарное (слоистое). За точкой перехода (соответствует вертикальной штриховой линии) течение турбулизуется. Одна из важных проблем аэродинамики - определение положения точки перехода, которое зависит от характеристик шероховатости поверхности, толщины и формы тела, а также от турбулентности внешнего течения и ряда других факторов.

Рисунок 6 показывает, что течение в пограничном слое слоистое (ламинарное) вблизи точки его зарождения (около передней кромки тела), но постепенно завихряется (становится турбулентным) ниже по течению. Одной из важных проблем аэродинамики является определение положения точки перехода от ламинарного течения к турбулентному. Турбулентный пограничный слой намного толще ламинарного, и их толщины зависят от числа Рейнольдса Re, определяемого как произведение величины rv/m на расстояние от передней кромки x. Толщина пограничного слоя d дается следующими соотношениями:

Так, на расстоянии x = 1 м от передней кромки при v = 10 м/с, r = 1,23 кг/м3, m = 1,73 x 10-5 кг/мЧс толщина ламинарного пограничного слоя составляет 0,62 x 10-2 м, а толщина турбулентного пограничного слоя - 2,5 x 10-2 м. Таким образом, турбулентный пограничный слой в четыре раза толще ламинарного; тем не менее в обоих случаях эти толщины относительно малы. Чтобы ускорить воздух в пограничном слое, к нему нужно приложить некоторую силу, и реакция на эту силу является силой сопротивления, которая называется сопротивлением трения. Коэффициенты сопротивления трения для ламинарного и турбулентного пограничных слоев даются формулами

Если при условиях, указанных выше, вычислить силу трения, действующую на единицу площади, то окажется, что турбулентное трение в 25 раз больше ламинарного. Следовательно, для уменьшения силы сопротивления трения, действующей на самолет, необходимо сохранять ламинарный режим течения в пограничном слое. Кроме сопротивления трения, существует еще сопротивление формы, действующее на тело, помещенное в поток. Возникновение силы сопротивления этого типа разъясняется на рис. 7, который показывает, что среднее давление на фронтальной части поверхности летательного аппарата выше, чем в набегающем потоке, а на теневой части поверхности оно меньше давления в набегающем потоке. Суммируя все силы давления, получим сопротивление формы, которое для плохо обтекаемого тела, такого, как показанный на рис. 7 цилиндр, в сотни раз превышает сопротивление трения. Напротив, для хорошо обтекаемого тела, такого, как крыло при малых углах атаки, сопротивление формы меньше, чем сопротивление трения.

Рис. 7. СОПРОТИВЛЕНИЕ ФОРМЫ цилиндра в сотни раз выше, чем у хорошо обтекаемого тела, вытянутого вдоль линий тока. Среда, движущаяся в направлении, указанном стрелкой (слева направо), создает повышенное давление на поверхности тела, обращенной к набегающему потоку. На тыльной части тела создается пониженное давление.

Когда угол атаки крыла превышает некоторое критическое значение (заключенное в диапазоне от 12 до 15°), поток отрывается от верхней поверхности; происходит срыв потока с крыла. Он сопровождается резким падением подъемной силы и ростом сопротивления крыла. На рис. 8,а,б показаны картины линий тока около крыла до и после срыва потока. При малых углах атаки с увеличением этого угла коэффициент подъемной силы возрастает, а затем, вследствие срыва потока, проходит через максимум и резко уменьшается.

Рис. 8. СРЫВ ПОТОКА на крыле. Линии тока при безотрывном обтекании крыла (а) непрерывно огибают как нижнюю, так и верхнюю поверхности крыла, создавая подъемную силу. Если угол атаки крыла становится слишком большим, то течение отрывается от верхней поверхности (б) и подъемная сила резко уменьшается (в). а - безотрывное обтекание; б - срыв потока; в - CYMAX.

Самолет совершает посадку при большом угле атаки, при котором коэффициент подъемной силы близок к максимальному значению. Чем больше этот максимум, тем меньше посадочная скорость, и по этой причине на самолете используются различные специальные устройства для увеличения максимальной подъемной силы (средства механизации крыла). Чтобы "затянуть" срыв на более высокие углы атаки и, следовательно, увеличить максимальную подъемную силу, используют предкрылки, закрылки и отсос воздуха из пограничного слоя через поверхность (рис. 9).

Рис. 9. КРЫЛЬЯ и различные устройства для увеличения подъемной силы (средства механизации крыла), расположенные в порядке возрастания (снизу вверх) коэффициента максимальной подъемной силы CYMAX : крыло без механизации; крыло с предкрылком; крыло с закрылком; крыло с двухщелевым закрылком; крыло с предкрылком и двухщелевым закрылком; крыло с предкрылком, двухщелевым закрылком и отсосом воздуха с верхней поверхности. Последний вариант создает наибольшую подъемную силу при больших углах атаки, которые используются при посадке самолета.

СЖИМАЕМЫЕ ТЕЧЕНИЯ

Если скорость движения тела (или воздуха относительно неподвижного тела) становится сравнимой со скоростью звука, то плотность воздуха в течении изменяется, и в коэффициентах аэродинамических сил проявляется влияние сжимаемости. Это влияние можно охарактеризовать с помощью числа Маха. Рассмотрим сначала тонкое тело с заостренным носком, такое, как игла или лезвие бритвы, при нулевом угле атаки. Создаваемые носком такого тела возмущения давления малы, и эти возмущения распространяются во все стороны от носка со скоростью звука a, равной 340 м/с при стандартной температуре 288 К (15° С). Рассмотрим два режима полета и две волновые диаграммы, иллюстрирующие распространение возмущений (волн) давления. Диаграмма рис. 10,а соответствует дозвуковому полету (с M < 1), а рис. 10,б - сверхзвуковому полету (с M > 1). Тело, движущееся со скоростью v, проходит расстояние AB за время t, так что AB = vt. За это же время волна проходит расстояние at и уходит вперед относительно тела в случае дозвукового полета. При сверхзвуковом полете волна отстает от тела, и ее фронт, касательный к окружностям распространения возмущений, образует угол b с направлением движения тела. Так как угол ACB прямой, то

Можно видеть, что все возмущения давления образуют волновой фронт, наклоненный под углом b, который тем меньше, чем больше число Маха. Волны, генерируемые заостренными тонкими телами, называются волнами Маха, в отличие от ударных волн, рассматриваемых ниже, и угол b называется углом Маха.

Рис. 10. ВОЛНОВЫЕ СТРУКТУРЫ, генерируемые тонким заостренным телом, перемещающимся из точки A в точку B с дозвуковой (а) или сверхзвуковой (б) скоростью. При дозвуковой скорости полета возмущения давления, распространяющиеся со скоростью звука в виде круговых волн, движутся перед телом. При сверхзвуковой скорости полета тело движется быстрее, чем волны. Фронты волны изображаются линиями BC и BD, касательными к круговым волнам.

Существуют волны давления двух типов: волны сжатия и волны разрежения. При переходе через волну сжатия происходит сжатие воздуха, и, следовательно, его плотность и давление увеличиваются. Обратная картина наблюдается в волне разрежения, при прохождении через которую имеет место разрежение воздуха, приводящее к уменьшению плотности и давления. Математический анализ уравнений течения показывает, что если образуется некоторая совокупность следующих друг за другом волн сжатия, то происходит усиление головной волны, так как последующие волны догоняют ее и сливаются с ней. Образующаяся при этом интенсивная волна называется ударной, и ее свойства отличаются от свойств более слабых волн Маха. Так, последовательность волн разрежения не улавливается головной волной, и, следовательно, ударная волна всегда является волной сжатия. Напомним, что до сих пор рассматривалось тонкое заостренное тело; затупленное тело большой толщины при сверхзвуковой скорости движения порождает сильные возмущения, т.е. ударные волны, а не волны Маха. Ударная волна движется со скоростью, превышающей скорость звука, и чем больше интенсивность волны (т.е. чем больше изменения плотности и давления в ней), тем быстрее она движется. (Например, ударная волна, возникающая при взрыве атомной бомбы, в начале своего пути перемещается со скоростью, составляющей несколько миллионов километров в час.) Угол между фронтом ударной волны и направлением течения больше угла Маха, так как скорость перемещения этой волны больше скорости звука a. Следующий пример дает количественное представление об образовании ударных волн и волн Маха. При M = 2 волна, генерируемая телом клиновидной формы (рис. 11), имеет характеристики, сходные с характеристиками волн Маха, если угол при вершине клина меньше 8°. Если этот угол больше 8°, то образуется ударная волна. На рис. 11 также приведено распределение давления на поверхности клина. При переходе через ударную волну в вершине клина давление скачкообразно увеличивается и остается постоянным до встречи с веером волн разрежения, порождаемым обтеканием угла B. Затем оно снова принимает постоянное значение, сохраняющееся до тех пор, пока не достигается ударная волна, исходящая из точки C. Линия тока abcdef состоит из прямолинейных участков, концы которых соответствуют пересечениям с волнами, генерируемыми изломами поверхности тела. Форма этой линии тока сильно отличается от формы соответствующей линии в дозвуковом течении (рис. 8), в котором линии тока начинают искривляться еще перед телом и остаются гладкими при изменении своей формы, вызванном присутствием тела.

Рис. 11. КЛИНОВИДНОЕ КРЫЛО в сверхзвуковом потоке (а) и давления на участках AB и BC крыла (б).

Система волн, изображенная на рис. 11, кардинально изменяется, если угол при вершине клина превышает критическое значение, величина которого возрастает с числом Маха. При этом ударная волна, генерируемая носком тела, искривляется и отходит от тела вперед. Возникает отсоединенная ударная волна. Например, если при M = 2 угол клина больше 23°, то ударная волна будет отсоединенной. При угле клина, равном 23°, образуется присоединенная ударная волна, если M > 2, и отсоединенная, если M < 2. При M = 5 критический угол увеличивается до 41°. Аналогичные явления имеют место при обтекании тел с коническими носовыми частями, однако для конуса критический угол при фиксированном числе Маха больше, чем для клина. Например, при M = 2 критический угол конуса составляет 40°, тогда как для клина он равен 23°. На рис. 12 приведен фотоснимок, иллюстрирующий сверхзвуковое течение с отсоединенной ударной волной около затупленного тела и присоединенной - около тонкого конуса.

Рис. 12. УДАРНЫЕ ВОЛНЫ, создаваемые затупленным и тонким телами в потоке с М = 10 в аэродинамической трубе. В этом исследовании, моделирующем вход ракеты в плотные слои атмосферы, фотографические изображения картин обтекания были получены с помощью теневого метода (прибора Теплера).

Непосредственно за передней частью отсоединенной ударной волны всегда возникает область дозвукового течения. Здесь сверхзвуковой поток встречается с прямым скачком уплотнения, при переходе через который он преобразуется в дозвуковое течение. Если скачок уплотнения наклонен относительно направления течения, то при прохождении через косой скачок течение остается сверхзвуковым, однако число Маха за скачком уменьшается. Прямые скачки уплотнения часто возникают в сверхзвуковых течениях в трубах или при истечении сверхзвуковой струи в атмосферу.

Течения в трубах. Сверхзвуковое течение в трубе можно создать только в том случае, если в трубе имеется поджатие или горловина (рис. 13). Если отношение давлений p0/pв достаточно велико, то в горловине с площадью поперечного сечения Aкр достигается скорость звука, а в последующей части трубы скорость течения становится сверхзвуковой. Число Маха течения на выходе Мв определяется отношением площадей Ав/Акр. Приведенная ниже таблица иллюстрирует эту зависимость.

Если относительное давление р0/рв меньше значения, приведенного в таблице, то в расширяющейся части трубы возникает прямой скачок уплотнения, за которым течение снова становится дозвуковым.

Рис. 13. СВЕРХЗВУКОВОЕ ТЕЧЕНИЕ в трубе можно создать, если в трубе имеется поджатие или горловина. Воздух вытекает из резервуара высокого давления, и если отношение давлений внутри и вне резервуара достаточно велико, то в выходном сечении течение будет сверхзвуковым.

Влияние сжимаемости. Теперь можно приступить к рассмотрению аэродинамических характеристик крыльев и других тел во всем используемом на практике диапазоне скоростей и высот полета, в котором необходимо учитывать влияние сжимаемости. Весь интервал скоростей полета самолета можно разбить на следующие диапазоны: дозвуковой, трансзвуковой, сверхзвуковой и гиперзвуковой. Это деление нельзя однозначно определить в терминах числа Маха безотносительно к форме тела и углу атаки. Тем не менее в каждом диапазоне течение обладает специфическими особенностями, которые отличают данный диапазон от остальных. Аэродинамическое сопротивление, обусловленное влиянием сжимаемости, называется волновым. Ударные волны, образующиеся при движении тела, сообщают течению некоторую энергию. Эта энергия препятствует перемещению тела. Другими словами, когда образуется ударная волна, возникает волновое сопротивление, и требуется дополнительная сила для его преодоления. Следовательно, полная сила сопротивления, действующая на тело в сверхзвуковом течении, складывается из вязкого сопротивления (состоящего из сопротивления трения и сопротивления формы), индуктивного, рассмотренного выше, и волнового сопротивлений. Диапазон несжимаемых течений, рассмотренных выше, соответствует М < 0,4. В этом диапазоне единственным существенным параметром, влияющим на коэффициенты подъемной силы и силы сопротивления, является число Рейнольдса. В диапазоне дозвуковых скоростей, которому соответствуют числа Маха от 0,4 до 0,7, впервые начинает проявляться влияние сжимаемости. Это влияние сказывается главным образом на величине коэффициента пропорциональности k между коэффициентом подъемной силы CY и углом атаки крыла a. В случае крыла большого удлинения в потоке с 0,4 Ј M Ј 0,7 этот эффект описывается соотношением

где k1 - значение параметра k для несжимаемого течения. Например, при M = 0,6 коэффициент пропорциональности на 25% больше, чем в несжимаемом течении. В этом диапазоне чисел Маха волновое сопротивление отсутствует, так как течение всюду дозвуковое и скачки уплотнения не образуются. Диапазон трансзвуковых скоростей, который иногда называется диапазоном "смешанного течения", начинается с числа Маха, при котором в некоторой точке на поверхности скорость течения становится звуковой, и распространяется до значения числа Маха, при котором течение становится сверхзвуковым повсюду. Ряд картин течения из трансзвукового диапазона приведен на рис. 14. Отличительной особенностью таких течений является наличие дозвуковых и сверхзвуковых областей потока, т.е. если скорость набегающего потока лишь немного меньше дозвуковой, то около тела появляются области течения со сверхзвуковыми скоростями, а если набегающий поток слегка сверхзвуковой, то существуют области течения с дозвуковыми скоростями. Такой "смешанный" характер течения создает существенные трудности для их теоретического исследования и систематизации данных об аэродинамических характеристиках тел в этом диапазоне скоростей. Ударные волны, показанные на рис. 14, создают относительно большое волновое сопротивление. Вследствие этого, а также из-за того, что при трансзвуковых скоростях часто возникают опасные колебания некоторых элементов самолета, летчики предпочитают летать либо при дозвуковой, либо при сверхзвуковой скорости. Трансзвуковой рост сопротивления крыла иллюстрирует кривая, приведенная на рис. 15. Экспериментальные исследования в трансзвуковом диапазоне осложняются тем, что в этом диапазоне скоростей относительно небольшие изменения чисел Рейнольдса и Маха оказывают значительное влияние на аэродинамические характеристики.

Рис. 14. СХЕМЫ ТЕЧЕНИЙ около крыла при различных скоростях трансзвукового диапазона. Левые рисунки соответствуют дозвуковой скорости набегающего потока, при возрастании которой увеличивается протяженность области сверхзвукового течения около крыла. Справа показаны схемы течений при сверхзвуковой скорости набегающего потока, когда около крыла образуются области дозвукового течения.

Рис. 15. КОЭФФИЦИЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ имеет максимум в трансзвуковом диапазоне. По этой причине, а также вследствие потери управляемости летчики предпочитают летать на дозвуковых или сверхзвуковых скоростях.

В сверхзвуковом диапазоне течение на всей поверхности тела, за исключением небольших участков вблизи передней кромки, является сверхзвуковым; рассчитать аэродинамические характеристики в этом диапазоне намного проще, чем в любом другом диапазоне скоростей. Приближенные формулы для вычисления коэффициентов подъемной силы и силы сопротивления тонкого крыла здесь имеют вид

В последней формуле величина t/c есть отношение толщины t к хорде крыла c. Эта формула показывает, что крыло сверхзвукового самолета должно быть тонким, а из соображений прочности следует, что оно должно иметь относительно небольшой размах. Это одна из важнейших причин, по которой на сверхзвуковых самолетах используют крылья малого удлинения. Гиперзвуковое течение отличается от сверхзвукового в двух аспектах, каждый из которых проявляется постепенно по мере увеличения числа Маха. Во-первых, при числах Маха свыше 8 возмущения, генерируемые даже тонкими телами, становятся сильными ударными волнами. Поэтому изменения плотности и давления в них не подчиняются законам, справедливым для более слабых волн Маха, генерируемых при более низких сверхзвуковых скоростях. Следовательно, формулы для определения подъемной силы и силы сопротивления крыла в гиперзвуковом потоке должны отличаться от соответствующих формул для сверхзвуковых течений. Конкретный вид этих формул зависит от формы крыла в плане и формы поперечного сечения, однако в гиперзвуковом течении коэффициент CY пропорционален a2, а - комбинации (t/c)3 и a3. Один из методов нахождения распределения давления на телах, движущихся с гиперзвуковыми скоростями, описывается ниже в связи с проблемой полета на больших высотах. Второй, более существенной особенностью гиперзвукового течения является сильное аэродинамическое нагревание поверхности тела.

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ НАГРЕВАНИЕ

Нагревание тела, движущегося с большой скоростью, описывается теоретическим уравнением энергии, приведенным в разделе "Фундаментальные законы". Формула, которая может рассматриваться как первое приближение к реальности, записывается в виде

где T0 - температура торможения, т.е. абсолютная температура частицы воздуха, когда она тормозится до состояния покоя (как, например, в носовой части тела), v - скорость и cр - удельная теплоемкость при постоянном давлении, равная 1000 м2/с2 К. Эту формулу можно также представить в виде T0 - T = v2/2ср. Следовательно, в точке торможения (точке A на рис. 8,а) температура воздуха на величину v2/2000 выше температуры воздуха в окружающей атмосфере. Например, для тела, движущегося с М = 10 на высоте, соответствующей уровню моря (a = 340,3 м/с), температура воздуха должна быть на 5800 К выше температуры окружающего воздуха. В действительности температура торможения меньше по ряду причин, из которых наиболее существенной является то, что часть энергии воздуха расходуется в процессах диссоциации, в которых молекулы разлагаются на составляющие их атомы, и ионизации, в которых электроны отрываются от атомных ядер. Эти процессы осложняют описание явления аэродинамического нагревания, однако не устраняют связанных с ним проблем. Столь высокая температура, которая близка к температуре на поверхности Солнца, создает одну из наиболее серьезных проблем высокоскоростного полета. Полет с M = 10 в атмосфере невозможен, так как все известные материалы плавятся и испаряются при температурах, даже более низких, чем 6000 К. (Наиболее тугоплавкий из металлов - вольфрам - плавится при температуре 3700 К. Керамические материалы и керметы - смеси керамических материалов с металлами - плавятся при температуре 2500 К или еще ниже.) Практическое решение состоит в том, чтобы высокоскоростной полет осуществлялся на очень больших высотах, а затем происходило быстрое снижение летательного аппарата (стадия спуска) с быстрым уменьшением скорости в тех областях, где аэродинамическое нагревание будет наибольшим. Чтобы осуществить быстрое торможение, спускаемый аппарат должен обладать большим сопротивлением (сопротивление формы намного больше сопротивления трения). Высокий коэффициент сопротивления не является помехой для полета на очень больших высотах, так как там вследствие разреженности воздуха малы как сила сопротивления, так и тепловые потоки к поверхности тела. При быстром торможении на первоначальной стадии спуска в атмосфере скорость уменьшается до значений, при которых температура торможения уже не будет столь высокой. Рекомендации для прохождения атмосферы, как и для входа в атмосферу, могут быть сформулированы в терминах летного коридора, показанного на рис. 16. Ограничение на высоту установившегося полета следует из условия, что сумма аэродинамической подъемной и центробежной сил должна превышать силу тяжести. Аэродинамическая подъемная сила пропорциональна плотности воздуха и квадрату скорости полета, а центробежная сила (эта сила удерживает, например, спутник на околоземной орбите) пропорциональна квадрату скорости полета. Следовательно, при низких скоростях полета плотность воздуха должна быть достаточно большой (соответственно - высота должна быть достаточно низкой), чтобы аэродинамическая подъемная сила компенсировала большую часть силы тяжести, тогда как при больших скоростях полета на больших высотах центробежная сила будет полностью компенсировать силу тяжести. На основе этих соображений определяется верхняя граница летного коридора (рис. 16). Область над этой границей обозначена символически как G > Y + ЦС, где G - сила тяжести (вес летательного аппарата), Y - подъемная сила и ЦС - центробежная сила. Положение нижней границы летного коридора, показанного на рис. 16, определено из условия, что допустимая температура обшивки летательного аппарата равна 1600 К. Положение верхней границы зависит от веса тела и площади несущей поверхности; положение нижней границы определяется предельной температурой, при которой материал обшивки сохраняет необходимые прочностные свойства. Ясно, что для поддержания непрерывного полета необходимо, чтобы изображающая летательный аппарат точка, определяемая значениями высоты и скорости полета, попадала внутрь летного коридора. Показанные на рисунке траектории спуска тем не менее пересекают нижнюю границу (время прохождения атмосферы настолько мало, что обшивка не успевает нагреться до температуры торможения).

Рис. 16. ЛЕТНЫЙ КОРИДОР для летательных аппаратов (таких, как спутники), движущихся в атмосфере и выше, показан двумя штриховыми линиями. Непрерывными линиями изображены траектории движения четырех летательных аппаратов: спутника, крылатой ракеты и двух баллистических ракет. 1 - спуск ракеты при начальной скорости 4,5 км/с; 2 - спуск ракеты при начальной скорости 9 км/с; 3 - летный коридор; 4 - спутник; 5 - ракета.

Влияние вязкости. Вследствие прилипания текущей среды всюду на поверхности летательного аппарата температура воздуха близка к температуре торможения. Наибольшие проблемы возникают вблизи точки торможения по двум причинам: во-первых, в эту область поступает воздух, который претерпевает сжатие в головной ударной волне, и, следовательно, тепловые потоки здесь больше, чем на других участках поверхности тела летательного аппарата; во-вторых, температура у поверхности на некотором удалении от точки торможения несколько меньше температуры торможения. Сопротивление формы и сопротивление трения существенно зависят от скорости полета, однако принципы, сформулированные при рассмотрении течений несжимаемой жидкости, остаются неизменными. Коэффициенты трения для ламинарного и турбулентного режимов течения начинают заметно уменьшаться при M > 3, однако по-прежнему турбулентное сопротивление трения существенно выше ламинарного.

ПОЛЕТ НА БОЛЬШИХ ВЫСОТАХ

На очень больших высотах нельзя использовать понятие элементарного объема текущей среды, намного меньшего обтекаемого тела, но содержащего большое число молекул. Таким образом, обтекание тела на очень больших высотах нельзя описать с помощью линий тока, которые были определены выше как траектории элементарных частиц среды, движущихся около тела. Теперь течение должно рассматриваться как совокупность большого числа столкновений между молекулами, движущимися случайно около летящего тела. Этот режим течения, называемый свободномолекулярным, имеет место при M/Re < 3, что соответствует полету на высотах свыше 130 км. С другой стороны, на высотах меньше 30 км плотность воздуха все еще достаточна для того, чтобы его можно было рассматривать как сплошную среду; тогда можно ввести линии тока как траектории элементарных частиц текущей среды, обсуждавшиеся выше. Например, обтекание спутников может рассматриваться как свободномолекулярное течение. Тем не менее вследствие большой скорости полета их аэродинамическое сопротивление довольно велико, так что постепенно спутник снижается, а затем входит в плотные слои атмосферы и сгорает из-за аэродинамического нагревания. Свободномолекулярное течение, иногда называемое ньютоновским, было предложено И.Ньютоном как универсальный режим обтекания тел на всех высотах и при любых скоростях полета. Например, подъемную силу, действующую на плоскую пластину, Ньютон вычислил как импульс, передаваемый в единицу времени всеми молекулами, которые налетают на поверхность пластины. Этот механизм существенно отличается от несжимаемого течения, в котором распределение давления на поверхности тела и, следовательно, подъемная сила определяются с помощью уравнения Бернулли, связывающего между собой скорость и давление. Бернуллиевский режим называется течением сплошной среды, так как в этом случае движущаяся среда рассматривается как однородная субстанция (континуум), а движения отдельных молекул не учитываются. Одним из следствий различия этих режимов является то, что коэффициент подъемной силы крыла пропорционален углу атаки для случая течения сплошной среды и квадрату угла атаки в свободномолекулярном течении, а именно CY = 2 (a/57,3)2, если угол атаки a выражен в градусах. Для крыла с относительным удлинением 6 при угле атаки a = 10° приведенная ранее формула для течения сплошной среды дает CY = 0,82, тогда как в свободномолекулярном течении CY = 0,061. Этот пример показывает, что коэффициент подъемной силы на низких высотах по формуле Ньютона составляет меньше 8% истинного значения подъемной силы крыла при заданной скорости полета. Однако на очень больших высотах, где справедлива формула Ньютона, сила сопротивления мала и могут быть реализованы большие скорости полета, так что величина подъемной силы, равная CY Ч1/2 rv2S, может достигать требуемого значения для уравновешивания силы тяжести. Ньютоновская модель течения соответствует также течению в относительно плотных слоях атмосферы, если число Маха настолько велико, что большая часть ударной волны остается присоединенной к поверхности тела.

ТРУДНОСТИ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Полет на высотах в диапазоне высот от 30 км (ниже превалируют течения сплошной среды) до 130 км, где реализуется свободномолекулярное течение, чрезвычайно трудно проанализировать теоретически. Экспериментальные исследования также осложняются тем, что вследствие низкой плотности потока требуется высокоточная измерительная аппаратура, с помощью которой можно было бы измерить малые подъемную силу и силу сопротивления, действующие на тело.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

Для экспериментального исследования законов аэродинамики используется один из двух подходов: либо летательный аппарат, оборудованный соответствующей измерительной аппаратурой, совершает полет, либо неподвижное тело, оборудованное измерительными датчиками, обтекается воздушным потоком. Как отмечалось выше, в отношении явлений обтекания оба случая эквивалентны. Практически все экспериментальные исследования аэродинамических явлений, связанных с обтеканием самолета, проводятся на маломасштабных моделях. Возможность перенесения полученных результатов на натурные условия зависит от значений критериев подобия, таких, как число Рейнольдса rvl/m. Рассмотрим, например, модель самолета, выполненную в масштабе 1/4. Если при испытаниях величина rv/m в четыре раза больше, чем в условиях полета натурного самолета, то числа Рейнольдса для обеих ситуаций равны. Тогда, согласно теории, будут равными и коэффициенты сил, действующих на модель и на самолет. Для достижения равенства чисел Рейнольдса можно было бы попытаться увеличить плотность r. Однако на практике измеряют аэродинамические характеристики модели в некотором диапазоне чисел Рейнольдса, каждое из которых значительно меньше натурного значения, и с помощью теоретических соображений пересчитывают измеренные коэффициенты сил и определяют их натурные значения. Выбор метода аэродинамического исследования зависит от его цели, однако наиболее простым, дешевым и надежным средством экспериментальных исследований является аэродинамическая труба. Модель выставляется в искусственно создаваемый воздушный поток таким образом, чтобы можно было измерить действующие на нее силы и моменты сил или исследовать особенности течения около модели. Рисунок 13 может рассматриваться как весьма приблизительная схема сверхзвуковой аэродинамической трубы. Воздух высокого давления истекает через трубу, и на тело, помещенное в сечении Aв, воздействует поток с числом Маха, зависящим от отношения площадей Aв/Aкр (см. табл.). В экспериментальных исследованиях аэродинамического нагрева, например, при условиях, соответствующих входу в атмосферу возвращаемого космического аппарата, модель и аэродинамическая труба сгорят, если время измерений не ограничить. В таких исследованиях высокие температуры и давления часто создают ударной или детонационной волной; соответствующее устройство называется ударной трубой. Ударная волна возникает при разрыве диафрагмы, разделяющей области высокого и низкого давления. По мере продвижения ударной волны по трубе газ, прошедший через ударную волну, нагревается, сжимается и движется вслед за ней. При расширении потока создается течение с большим числом Маха и высокой температурой торможения. Время существования такого течения измеряется миллисекундами, так что суммарная тепловая нагрузка остается невысокой. Однако, используя чувствительную измерительную аппаратуру, можно определить температуру в точке торможения и величину тепловых потоков к модели. Специальные устройства позволяют также измерить распределение давления. Летные испытания используются главным образом для окончательной проверки расчетных данных теории и результатов испытаний в аэродинамических трубах. В летных испытаниях самолеты и ракеты оборудуются измерительной аппаратурой и телеметрическими средствами, позволяющими передавать распределения температур и давлений на наземную станцию, где они записываются, расшифровываются и изучаются. Еще одним способом, используемым в некоторых специальных исследованиях, является испытание моделей в свободном полете. Модель выстреливается в длинную трубу, в которой давление может изменяться в широком диапазоне, что позволяет варьировать число Рейнольдса. Скорость движения модели определяется посредством сопоставления фотоснимков, полученных в различные моменты времени, а распределения температур и давлений телеметрическими средствами передаются на регистрирующий блок. В таких испытаниях можно исследовать проблемы устойчивости полета, такие, как возникновение "болтанки" носка. Модель, которая опрокидывается в полете, является аэродинамически неустойчивой (центр давления у нее расположен впереди центра масс).

СМЕШАННЫЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Ниже дано краткое описание ряда интересных аэродинамических явлений, встречающихся в реальных условиях.

Влияние нестационарности течения. Наиболее широко распространенным нестационарным явлением является, по-видимому, образование вихрей (аналогичных тем, которые создаются, например, лодочными веслами или ложечкой в чашке кофе). Вихри представляют собой области пониженного давления на поверхности жидкости. При обтекании цилиндра или пластины, установленной нормально к потоку, вихри сходят поочередно с двух боковых сторон тела с частотой, определяемой числом Струхаля v/nl = const, где n - число вихрей, образующихся за секунду, а l - характерная длина (диаметр цилиндра или ширина пластины). Соответствующий след называется вихревой дорожкой. Это явление создает некоторые проблемы на практике. Возникновение аэродинамической тряски (бафтинга) объясняется тем, что вихри, образующиеся за крылом, установленным под большим углом атаки, проходят над хвостовым оперением и вызывают колебательное изменение угла атаки, сопровождаемое пульсациями аэродинамических сил. При определенных условиях бафтинг может вызвать разрушение самолета. Еще одним нестационарным эффектом является возникновение сил, действующих на ракету, установленную на пусковой платформе. Вихревая дорожка, порождаемая поперечным ветром, вызывает раскачивание ракеты, и при неблагоприятных условиях обшивка может потерять устойчивость (покоробиться). Флаттер крыла самолета происходит вследствие взаимозависимости между упругими свойствами крыла и пульсациями подъемной силы, порождаемыми деформациями или отклонениями, вызванными аэродинамическими силами. Как правило, флаттер возникает в узком диапазоне скоростей полета и не проявляется вне этого диапазона. При полете самолета в воздухе "шквальные" нагрузки, вызванные турбулентностью атмосферы, могут стать причиной серьезных неудобств.

Влияние ударных волн. Когда ударные волны, порождаемые сверхзвуковым самолетом, достигают земли, они создают сильный импульс давления, или шум, и чем больше скорость полета, тем больше интенсивность этого шума. Еще один эффект, известный как звуковой удар, возникает, когда самолет выходит из пикирования с большой скоростью. При этом воздух под крылом сжимается, и образуется ударная волна, которая движется по направлению к земле; в зоне ударной волны на поверхности земли слышны хлопки, и могут даже вылетать стекла из окон. Это явление можно сопоставить со звуком, создаваемым кожаным бичом, - звук порождается сжатием воздуха на кончике бича, которое затем перемещается с большой, но необязательно сверхзвуковой скоростью. См. также ГИДРОАЭРОМЕХАНИКА.

авиация

Перевод

авиа́ция

широкое понятие, связанное с полётами в атмосфере на летательных аппаратах тяжелее воздуха. Охватывает летательные аппараты, наземные средства, обеспечивающие подготовку летательных аппаратов к полётам и выполнение полётного задания, аэропорты, аэродромы и пр. сооружения, предназначенные для обслуживания авиапассажиров, приёма и выдачи грузов, хранения и ремонта летательных аппаратов и т. д. В понятие «авиация» входит также личный состав, включая экипажи воздушных судов и специалистов по техническому обслуживанию авиационной техники и управлению воздушным движением, персонал аэропортов, ремонтные службы и пр. Основу авиационной техники составляют летательные аппараты – самолёты, вертолёты, планёры, винтокрылы. По назначению летательных аппаратов принято различать авиацию гражданскую (общего назначения и специальную) и военную.

Гражданская авиация общего назначения обеспечивает перевозки пассажиров и грузов (в т. ч. почты), медицинское обслуживание населения, а также различные виды авиационного спорта. Она имеет в своём распоряжении авиалайнеры (в т. ч. аэробусы), самолёты местных воздушных линий, административные, санитарные и личные самолёты, пассажирские вертолёты, спортивные самолёты. Авиация специального назначения выполняет различные сельскохозяйственные работы (борьба с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур и лесов, высев трав, риса и др., подкормка посевов и пр.), участвует в тушении лесных пожаров, проводит ледовую разведку, аэрофотосъёмку, охрану лесов и рек от браконьеров, выполняет разнообразные спасательные работы, разведку косяков рыб и скоплений морского зверя, обеспечивает связь, проводит научные исследования, в частности по метеорологии.

Военная авиация предназначена для поражения авиационных, сухопутных и морских военных группировок противника, нарушения работы тыла и транспорта, поддержки с воздуха своих сухопутных войск и флота, для воздушной разведки и пр. Военная авиация составляет основу военно-воздушных сил (ВВС) страны, входит в состав военно-морских сил (ВМС), войск противовоздушной обороны (ПВО), сухопутных войск (армейская авиация). ВВС включают бомбардировочную, истребительную, разведывательную и транспортную авиацию. Авиация ВМС включает истребительно-бомбардировочную, противолодочную, торпедоносную, штурмовую, разведывательную авиацию. Особенность армейской и морской авиации – широкое использование боевых вертолётов.

Обеспечение эксплуатации авиационной техники требует строительства аэропортов, соответствующего оборудования аэродромов и гидроаэродромов, создания центров и пунктов управления воздушным движением, оснащённых новейшими компьютерными системами, радиотехническими (в т. ч. радиолокационными) средствами, системами слепой посадки (в условиях плохой видимости), приводными радиомаяками и т. д. Создание авиационной техники – задача авиационной промышленности. Теоретические и конструкторско-технологические разработки по новой авиационной технике выполняют научно-исследовательские организации и специальные конструкторские бюро.

Развитие авиации тесно связано с развитием и совершенствованием летательных аппаратов, и прежде всего самолётов. Так, с увеличением скоростей полётов и грузоподъёмности летательных аппаратов потребовалось удлинить взлётно-посадочные полосы и сделать более прочным их покрытие. Увеличение числа авиапассажиров привело к расширению аэропортов и увеличению числа авиарейсов, что, в свою очередь, потребовало разработки новых радиотехнических и светотехнических средств, чтобы обеспечить возможность полётов в любое время суток практически в любых погодных условиях. Повышение скорости, высоты, дальности полётов и грузоподъёмности летательных аппаратов позволило существенно расширить область практического использования авиации.

В становлении и развитии авиации принято выделять три основных периода: зарождение и начальный период развития авиации; период винтомоторной авиации; период реактивной авиации. Эта периодизация в значительной мере условна, в основу её положены изменения лётно-технических характеристик самолётов. Мечта человека подняться в воздух существовала много веков. О многочисленных попытках летать с помощью искусственных крыльев существует немало документов (летописей). В 1783 г. состоялись полёты на воздушном шаре братьев Монгольфье. В 1885 г. российский морской офицер А. Ф. Можайский построил самолёт, названный им воздухоплавательным снарядом. При попытке взлёта самолёт Можайского потерпел аварию; восстанавливать его не стали. Значительный вклад в теорию и практику летания внёс немецкий учёный О. Лилиенталь. В 1891—96 гг. он построил и облетал несколько планёров. Значительным прогрессом в развитии авиации в нач. 20 в. стали успешные полёты братьев Орвилла и Уилбера Райт на самолёте собственной конструкции с поршневым двигателем внутреннего сгорания, работавшим на керосине. Вслед за ними создают самолёты А. Сантос-Дюмон (Бразилия), Г. Вуазен, Л. Бле-рио, А. Фарман, Э. Ньюпор, Л. Бреге (Франция), А. Ро, Дж. де Хэвилленд, Ф. Хендли Пейдж (Великобритания),

А. Фоккер, Г. Юнкерс (Германия), Дж. Капрони (Италия), И. И. Сикорский, Я. М. Гаккель, А. А. Пороховщиков, Л. П. Григорович и др. (Россия). В 1907 г. появились первые вертолёты (один из них построили братья Л. и Ж. Бреге совместно с Ш. Рише, другой – П. Корню), способные подниматься на небольшую высоту с людьми на борту. Наиболее распространёнными схемами самолётов были биплан и моноплан с хвостовым оперением, вынесенным на конец открытой фермы или закрытого корпуса фюзеляжа. Каркас самолётов был деревянным, обшивка фюзеляжа и крыльев – матерчатая. Монопланы имели тянущий, а бипланы – тянущий или толкающий воздушные винты с приводом от бензинового поршневого авиационного двигателя. Таких двигателей на самолётах было от одного до четырёх (напр., на самолётах «Русский витязь», «Илья Муромец» И. И. Сикорского). Самолёты Германии, Франции, Великобритании, России активно участвовали в боевых действиях во время 1-й мировой войны. Война стимулировала развитие авиационной техники, т. к. для победы в воздухе необходимо иметь самолёты лучше, чем у противника. В результате значительно возросли лётно-технические характеристики самолётов всех классов: скорость – от 100–120 до 200–220 км/ч; потолок – с 2000–3000 до 6000–7000 м; грузоподъёмность (бомбовая нагрузка) достигла 2–3.5 т; мощность двигателей возросла с 60–90 до 300 кВт. Но, пожалуй, важнейшим итогом этого периода стало появление во многих странах авиационной промышленности, ознаменовавшее переход от полукустарного изготовления аэропланов (как тогда называли самолёты) к серийному производству летательных аппаратов на основе научных расчётов и исследований с учётом новейших достижений науки и технологий.

1900—1914 («Эра Пионеров»)

[править]

Легче воздуха

Основные статьи: История воздухоплавания, Дирижабль, Цеппелин (дирижабль)

Сантос-Дюмон #6 у Эйфелевой башни во время завоевания Немецкого приза.

Первыми летательными аппаратами, которые стали выполнять регулярные контролируемые рейсы, стали мягкие дирижабли (позже названные «блимпы» (от англ. «толстяки», «неуклюжие»)); самый успешный ранний проект этого типа летательного аппарата был разработан бразильцем Альберто Сантос-Дюмоном. Сантос-Дюмон эффективно установил на воздушный шар двигатель внутреннего сгорания. 19 октября 1901 он стал всемирно известен, после того как он на своём дирижабле «Номер 6» пролетел над Парижем из Сен-Клу, вокруг Эйфелевой Башни и вернулся менее чем через тридцать минут, чтобы выиграть приз. После такого успеха своих дирижаблей Сантос-Дюмон спроектировал и построил ещё несколько аппаратов.

В то же самое время, когда мягкие дирижабли начали завоёвывать признание, развитие твердых дирижаблей также не стояло на месте. Впоследствии именно твердые дирижабли смогли переносить больше грузы, чем самолёты, в течение многих десятилетий. Конструкция таких дирижаблей и её развитие связаны с немецким графом Фердинандом фон Цеппелином.

Строительство первых дирижаблей-Цеппелинов началось в 1899 на плавающем сборочном цехе на Боденском озере в Заливе Манзелл, Фридрихсхафен. Он было предназначено для того, чтобы упростить процедуру старта, поскольку цех мог плыть по ветру. Опытный дирижабль «LZ 1» (LZ обозначало «Luftschiff Zeppelin») имел длину 128 м, на нём были установлены два двигателя Даймлер мощностью 14.2 л.с. (10.6 кВ) и балансировался путём перемещения веса между его двумя гондолами.

Первый полёт Цеппелина состоялся 2 июля 1900. Он продолжался в течение всего 18 минут, поскольку LZ 1 был вынужден приземлиться на озеро после того, как механизм балансирования веса сломался. После ремонта аппарата технология жёсткого дирижабля успешно была испытана в последующих полётах, побив рекорд скорости на 6 м/с французского дирижабля Франция на 3 м/с, но этого ещё было недостаточно для привлечения значительных инвестиций в дирижаблестроение. Это произошло через несколько лет, в результате граф получил необходимое финансирование.

[править]

Лэнгли

Основная статья: Лэнгли, Самуэль

Эксперимент Самуэля Лэнгли на реке Потомак, 1903.

После выдающихся успехов в астрономии и во время работы в Смитсоновском институте в качестве Секретаря, Самуэль Пирпонт Лэнгли начал серьёзные исследования в области аэродинамики в учреждении, которое называется сегодня Университетом Питтсбурга. В 1891 он издал детальное описание своих исследований — «Эксперименты в Аэродинамике», а затем начал конструировать свои аппараты. 6 мая 1896 «Аэродром Лэнгли номер 5» совершил первый успешный неуправляемый полёт габаритного аппарата тяжелее воздуха с двигателем. Он был запущен с помощью пружинной катапульты, установленной на вершине плавучего дома на реке Потомак около Квантико, Вирджиния. Два полёта были совершены в этот день, один на 1 005 м и второй на 700 м со скоростью около 41 км в час. В обоих случаях «Аэродром номер 5» с целью сохранения аппарата целым, он был посажен на воду, так как не был оборудован механизмом приземления.

28 ноября 1896 был совершён ещё один успешный полет с «Аэродромом номер 6». Этот полёт был засвидетельствован и сфотографирован Александром Грэмом Беллом. Аппарат пролетел 1 460 м «Аэродром номер 6» являлся модификацией более раннего аппарата «Аэродром номер 4». Тем не менее, изменения были настолько значительны, что он получил другой номер.

После успехов «Аэродрома номер 5» и «номер 6» Лэнгли начал искать финансирование для строительства полномасштабной версии аппарата, способного поднять человека. В условиях идущей Испано-американской войны американское правительство предоставило ему 50 000 долл. для создания летательного аппарата, способного переносить человека, для разведывательных целей. Лэнгли планировал строительство увеличенной версии, известной как «Аэродром А», и начал работу с меньшего аппарата, получившего название «Четверть Аэродрома», который дважды поднимался в воздух 18 июня 1901, и затем ещё раз с более современным и более мощным двигателем в 1903.

К базовому аппарату, очевидно успешно испытанному[источник не указан 968 дней], Лэнгли стал подбирать подходящий двигатель. Он заключил контракт со Стивеном Балзером на постройку одного из них, но был разочарован, так как его мощность составила только 8 л.с. (6 кВт) вместо требуемых 12 л.с. (9 кВт). Помощник Лэнгли, Чарльз М. Мэнли, после этого переработал проект в с двигателем со звездообразно расположенными пятью цилиндрами и водяным охлаждением, который развивал мощность 52 л.с. (39 кВт) при 950 оборотах в минуту, этот результат был удвоен только спустя годы. Имея двигатель и планер, Лэнгли мог собрать аппарат, на которые возлагал большие надежды.

К сожалению, построенный самолёт оказался был слишком хрупким. Лэнгли, очевидно, не учёл эффект масштабирования[источник не указан 968 дней], и простое увеличение в размерах изначально маленьких моделей привело к созданию конструкции, которая была слишком тяжела, чтобы удержать себя. Два запуска в конце 1903 закончились падением «Аэродрома» в воду сразу после запуска.

Его попытки получить дальнейшее финансирование были неудачными, и вскоре после того, как он прекратил работу братья Райт совершили успешный полёт на своем аппарате Флайер.

Гленн Кёртисс сделал несколько модификаций «Аэродрома» и совершал успешные полёты на них в 1914 — таким образом Смитсоновский институт имеет основания утверждать, что «Аэродром» Лэнгли был первым аппаратом, «способным к полёту».

[править]

Густав Уайтхед

Основная статья: Уайтхед, Густав

Эскиз Дика Хауэлла, 14 августа 1901.

14 августа 1901 в Файрфилде, Коннектикут, Густав Уайтхед совершил полёт длиной около 800 м на оснащённом двигателем аппарате на 15-метровой высоте, о чём сообщили газеты Bridgeport Herald, New York Herald и Boston Transcript. Никаких фотографий полёта сделано не было, но существует рисунок — самолёт в воздухе -, сделанный репортёром Bridgeport Herald Диком Хауэллом, который присутствовал при полёте вместе с помощниками Уайтхеда и другими свидетелями. Эта дата предшествует первому полёту братьев Райт более чем на два года. Несколько свидетелей поклялись и подписали показания под присягой о ряде других полетов в течение лета 1901 до случая, описанного выше, который стал достоянием прессы.

Пример таких показаний:

«Летом 1901 он пролетел на машине от Говард Авеню Ист до Уордин Авеню, пролетев по границе собственности, принадлежащей газовому заводу. Харуорт вспоминает, после приземления летающая машина просто перевернулась, а последующий „прыжок“ вернул его на Говард Авеню.» [18]

(Согласно старым и современным картам это расстояние составляет около 200 м.)

Аэроклуб Бостона и промышленник Хорсман из Нью-Йорка Нанимали Уайтхеда в качестве специалиста по ручным планёрам, авиамоделям, воздушным змеям и двигателям для летательных аппаратов. Уайтхед пролетел небольшое расстояние на своём планёре.

Согласно сообщениям свидетеля[источник не указан 968 дней], Уайтхед пролетел около 1 км в Питсбурге ещё в 1899. Этот полёт закончился крушением, когда Уайтхед попытался избежать столкновения с трехэтажным зданием, пролетая над домом. После этого крушения Уайтхеду запретили любые дальнейшие эксперименты с полётами в Питсбурге. По этой причине он переехал в Бриджпорт.

В январе 1902, по его утверждению, он пролетел 10 км над Лонг Айленд Саунд на модернизированном Номер 22.

В 1930-х свидетели дали 15 подтвержденных присягой и подписанных показаний под присягой, большинство из них засвидетельствовало полёты Уайтхеда; каждый из них засвидетельствовал полёт над Саунд. Две современных точных копии его Номер 21 успешно совершили полёт.

[править]

Братья Райт

Основная статья: Братья Райт

Следуя принципу Лилиенталя прыжка перед полётом, братья построили и испытали ряд бумажных змеев и планёров с 1900 по 1902 до того, как построить аппарат с двигателем. Планёры успешно летали, однако не так, как Райт ожидали, исходя из экспериментов и писем их предшественников XIX века. Подъемная сила их первого планера, запущенного в 1900 году, составляла около половины ожидаемого уровня. Их второй планёр, построенный в следующем году, оказался ещё менее удачным. После этого Райт построили собственную аэродинамическую трубу и создали большое количество сложных устройств для измерения подъёмной силы и испытали около 200 проектов крыла. В результате Райт исправили свои ранние ошибки в вычислениях аэродинамических показателей крыла, хотя они не учитывали эффект Рейнольдса (известного с 1883), который дал им ещё большее преимущество. Их испытания и вычисления позволили построить третий планёр, на котором они летали в 1902. Он был сделан намного лучше предыдущих моделей. В итоге, установив строгую систему проектирования, испытании в аэродинамической трубе и лётные испытания опытных полноразмерных образцов, Райт не только построили действующий самолёт, но также внесли вклад в современный подход к авиастроению.

Флайер-1 братьев Райт: первый подтверждённый полёт управляемого самолёта с двигателем.

Братья Райт, по видимому, являлись первой командой авиастроителей, которая проводила серьёзные исследования одновременного решения проблем управления и двигателей. Обе проблемы оказались трудными, но они никогда не теряли интереса к ним. В итоге они разработали и построили двигатель, который мог обеспечить необходимую мощность и решили проблему управления с помощью системы, известной как «перекос крыла». Хотя этот метод использовался только в течение очень короткого периода истории авиации, он был эффективен при низких скоростях полёта, этот метод стал ключевой точкой в развитии управления летательными аппаратами, приведя непосредственно к созданию современных элеронов. В то время как многие пионеры авиации, в вопросах безопасности полёта полагались в значительной степени на удачу, в проекте Райт учитывалась потребность полёта без неблагоразумного риска для жизни и здоровья, избегая аварий. Именно это, а не недостаток мощности, было причиной для низкой скорости и для взлёта при встречном ветре. Это была также причиной для конструкционного решения с центром тяжести сзади, схемы утка, и крыльев с отрицательным углом в поперечной плоскости.

Согласно Смитсоновскому институту и ФАИ Райт совершили первый длительный управляемый полёт аппарата тяжелее воздуха с двигателями в песчаных дюнах в 8 км от Китти Хаук, Северная Каролина 17 декабря 1903

Первый полёт совершил Орвилл Райт, преодолев 37 м за 12 секунд, что было зарегистрировано на известной фотографии. В четвёртом полёте в тот же самый день Уилбер Райт пролетел 260 м за 59 секунд. Полёты были засвидетельствованы 4 свидетелями и деревенским мальчиком, в результате чего их первые публичные полёты и являются первыми хорошо задокументированными.

Уилбер начал четвёртый и последний полёт около 12 часов. Первые несколько сотен футов самолёт поднимался и опускался, как и перед этим, однако получив опыт управления, он смог гораздо лучше им управлять. Этот полёт оказался наиболее продолжительным, за 59 секунд было преодолено расстояние в 260 м. После последнего приземления каркас сильно пострадал, однако главная часть машины осталась целой. Братья оценили, что аппарат мог быть приведен в лётное состояние через один-два дня. [19] Каждый полёт самолёта 14 и 17 декабря — в особенно тяжёлых условиях 17-го — заканчивался жестким и непреднамеренным приземлением. [20]

При восстановлении аппарата Флайер-III после серьёзной аварии 14 июля 1905 Райт сделали радикальные перемены в конструкции. Они почти удвоили размер элеватора и руля и перенесли их вдвое дальше от крыльев. Они добавили две жёсткие вертикальные лопасти («блинкерсы») между элеваторами, и дали крыльям очень небольшой положительный угол. Они отсоединили руль восстановленного Флайера-III от управления перекосом крыла, и, как во всем будущем самолете, стали использовать отдельную ручку управления. При испытаниях Флайера-III, возобновленных в сентябре, результат был получен почти немедленно. Резкие взлёты, спуски и повороты, которые мешали пилотированию Флайеров-I и -II, прекратились. Незначительные аварии, которые преследовали братьев Райт, также завершились. Полёты на перепроектированном Флайере-III начались с длительностей более 20 минут. Таким образом Флайер-III стал реальным, кроме того, надёжным самолётом, который мог лететь продолжительное время и вернуть пилота к отправной точке благополучно, приземлившись без повреждений. 5 октября 1905 Уилбер пролетел 38.9 км за 39 минуты 23 секунды. [21]

Согласно апрельскому выпуску 1907 года журнала Scientific American[22], братья Райт обладали наибольшим знанием об управлении аппаратов тяжелее воздуха в то время. Однако тот же самый выпуск журнала также подтверждает, что никаких публичных полётов не было сделано в США до этого апрельского выпуска 1907.

[править]

Другие ранние полёты

Первая киносъёмка полёта, сделанная Уилбером Райтом 24 апреля 1909

Основная статья: Список пионеров авиации

В то время, в десятилетие 1900—1910, большое количество других изобретателей совершило (или утверждало, что совершило) короткие полёты.

Лиман Гилмор объявил, что совершил полёт 15 мая 1902.

В Новой Зеландии, фермер и изобретатель из Южного Кентербери Ричард Пирс построил самолёт-моноплан, который, по сообщениям, поднялся в воздух 31 марта 1903.

Карл Ято из Ганновера совершил короткий полёт с двигателем в августе 1903, спустя несколько месяцев после Пирса. Конструкция крыла Ято и скорость полёта не позволяли его поверхностям управления работать таким образом, чтобы ими можно было управлять самолетом.

Также летом 1903, по утверждению свидетелей, Престон Уотсон, совершил свои первые полёты в Эррол недалеко от Данди на востоке Шотландии. И в этот раз, однако, недостаток фотографических или документальных свидетельств делает информацию о полёте труднопроверяемой. Многие заявления о первых полётах сложно однозначно проверить в связи с тем, что многие эти полёты были сделаны в очень низкой высоте, что, возможно, являются следствием экранного эффекта, а также есть определённые сложности в классификации полёта с двигателями и без.

Братья Райт провели целую серию полётов (около 150) в 1904 и 1905 в Прерии Хаффман в Дейтоне, Огайо, свидетелями которых были их друзья и родственники. Газетные репортеры не освещали эти полёты после неудачного полёта в мае 1904.

Публичные представления полётов на большой высоте были проведены Дэниелом Мэлони на планёре с двойным крылом Джона Монтгомери в марте и апреле 1905 года в Санта-Клара, Калифорния. Эти полёты получили широкое освещение в американских СМИ и на них было продемонстрировано превосходное управление аппаратом, он поднимался на высоту до 1 200 м и приземлялся в заранее определённых местах.

Альберто Сантос-Дюмон совершил публичный полёт в Европе 13 сентября 1906 в Париже. Он использовал элеватор-утку и крыло с положительным углом, пролетел при этом расстояние в 221 м. Впервые самолёт не нуждался во встречном ветре и катапульте, поэтому часто этот полёт рассматривают как первый истинный полёт самолёта с двигателем. Также, так как более ранние полёты Пирса, Ято, Уотсона и братев Райт получили меньше внимания в прессе, чем полёт Сантаса-Дюмона, он был очень важен с точки зрения привлечения внимания общества к авиации, особенно в Европе и Бразилии.

Два изобретателя, Анри Фарман и Джон Уильям Данн, также работали над машинами, оснащёнными двигателями. В январе 1908 Фарман выиграл Гран при на аппарате, который пролетел 1 км, хотя к этому времени были уже совершены и более дальние перелёты. Например, братья Райт покрыли расстояние в 39 км к 1905. Ранняя работа Данна финансировалась британскими вооружёнными силами, и испытания проводились в условиях повышенной секретности в Глен Тилт в Хайленде. Его лучший из ранних проектов, D4, поднялся в воздух в декабре 1908 недалеко от Блэр Атолл в Пертшире. Главный вклад Данна в развитие ранней авиации был в стабильности полёта, которая была ключевой проблемой у самолётов братьев Райт и Сэмюэля Коди.

14 мая 1908 братья Райт совершили первый полёт самолёта с двумя людьми на борту, пассажиром был Чарли Фёрнас.

8 июля 1908 Тереза Пельте стала первой женщиной, которая поднялась на самолёте в качестве пассажира, совершив полёт на 200 м с Леоном Делагранжем в Милане, Италия.

Томас Селфридж стал первым человеком, погибшим в авиакатастрофе самолёта 17 сентября 1908, когда самолёт, пилотируемый Орвиллом Райтом и пассажиром которого был Селфридж, разбился во время испытаний для заключения контракта с Армией США в Форт Майр в Вирджинии.

В конце 1908 госпожа Харт О. Берг стала первой американкой, которая стала пассажиром самолёта, пилотом был Уилбер Райт, полёт состоялся в Ле-Ман, Франция.

25 июля 1909 Луи Блерио на моноплане Blériot XI пересёк Ла-Манш, получив приз газеты Daily Mail. Его полёт из Кале в Дувр продолжался 37 минут.

22 октября 1909 Раймонд де Ларош стала первой женщиной-пилотом, совершившей одиночный полёт на аппарате тяжелее воздуха с двигателем. Она же стала первой женщиной в мире, которая получила лицензию пилота.

Разногласия по вопросу приоритета в создании самолета состояли в том, что Пирс и Ято не утруждали себя информированием прессы о своих изобретениях, в отличие от братьев Райт, которые запатентовали своё изобретение и провели серьёзную рекламную кампанию, кроме того, многие первые самолёты, возможно, были лишь простейшими изобретениями. Например, румынский инженер Траян Вуя (1872—1950), как утверждалось, построил первый самодвигающийся аппарат тяжелее воздуха, способный самостоятельно взлетать без использования встречного ветра и полностью управляемый его собственным двигателем. Вуя пилотировал самолёт, который он разработал и построил 18 марта 1906, в Монтессоне около Парижа. Ни один из его полётов не был длиннее 30 м. Для сравнения, в октябре 1905, братья Райт уже совершили полёт 39 минут и дальностью 39 км.