Самолетите, взаимодействащи с атмосферата, попадат в две широки категории: по-леки от въздуха и по-тежки от въздуха. Това разделение се основава на различни принципи на полет. В първия случай, за да създадат повдигаща сила, те използват закона на Архимед, тоест използват аеростатичния принцип. При превозни средства, които са по-тежки от въздуха, подемната сила възниква поради аеродинамичното взаимодействие с атмосферата. Ще разгледаме първата категория, по-леки от въздуха самолети.
Изкачване във въздушния океан
Устройство, което използва архимедова - плаваща - сила за повдигане, се нарича балон. Това е самолет, оборудван с черупка, пълна с горещ въздух или газ, който има по-ниска плътност от заобикалящата атмосфера.
Разликата в плътността на газа вътре и извън корпуса причинява разлика в налягането, поради което има аеростатична сила на плаваемост. Това е пример за действие на принципа на Архимед.
Повдигащият се таван на самолети, по-леки от въздуха, се определя от обема и еластичността на корпуса, начина, по който е запълнен иатмосферни фактори - преди всичко спадане на плътността на въздуха с височина. Рекордът за изкачване с хора до момента е 41,4 км, безпилотен - 53 км.
Обща класификация
Балонът е общоприетото име за цял клас самолети. На първо място, всички балони са разделени на неконтролирани (балони) и контролирани (дирижабли). Има и свързани балони, използвани в различни зони за определени специални задачи.
1. балони. Принципът на полета с балон не предполага възможността за управление на самолет в хоризонтална равнина. Балонът няма двигател и рули, следователно неговият пилот не може да избира скоростта и посоката на своя полет. На топката е възможно регулиране на височината с помощта на клапани и баласт, но иначе полетът й е дрейф по въздушни течения. Според вида на пълнителя има три вида балони:
- Балони с горещ въздух.
- Charliers с газов пълнене. Най-често за тези цели са били използвани (и продължават да се използват) водород и хелий, но и двете имат своите недостатъци. Водородът е изключително запалим и образува експлозивна смес с въздуха. Хелият е твърде скъп.
- Розиерите са балони, които комбинират двата вида пълнежи.
2. Дирижабли (на френски dirigeable - "управлявани") са самолети, чийто дизайн включва електроцентрала и органи за управление. От своя страна дирижаблите се класифицират по много критерии: по твърдостчерупки, според вида на силовия агрегат и задвижването, по метода на създаване на сила на плаваемост и т.н.
Ранна история на аеронавтиката
Първото надеждно устройство, което се издигна във въздуха с помощта на архимедова сила, вероятно трябва да се счита за китайски фенер. В аналите се споменават хартиени торбички, които се издигат под въздействието на горещ въздух от лампата. Известно е, че такива фенери са били използвани във военното дело като средство за сигнализиране още през 2-3 век; възможно е да са били известни и преди.
Западната техническа мисъл стигна до идеята за възможността за такива устройства в края на 17-ти век, осъзнавайки безсмислието на опитите за създаване на мускулни устройства с маховик за човешки полет. Така йезуитът Франческо Лана проектира самолет, повдигнат с помощта на евакуирани метални топки. Техническото ниво на епохата обаче по никакъв начин не позволяваше този проект да бъде осъществен.
През 1709 г. свещеникът Лоренцо Гузмао демонстрира пред португалския кралски двор самолет, който представлява тънка обвивка, въздухът в която се нагрява от окачена отдолу мангал. Устройството успя да се издигне с няколко метра. За съжаление, нищо не се знае за по-нататъшните дейности на Гузмао.
Началото на аеронавтиката
Първият самолет, по-лек от въздуха, чийто успешен тест беше официално регистриран, бяха братята с балон Жозеф-Мишел и Жак-Етиен Монголфие. На 5 юни 1783 г. този балон прелетя над френския град Анон, преодолявайки2 км за 10 минути. Максималната височина на повдигане беше около 500 метра. Обвивката на топката беше платнена, залепена с хартия отвътре; като пълнител се използва димът от изгаряне на мокра вълна и слама, дълго време след това се нарича "газ от балон с горещ въздух". Самолетът, съответно, беше наречен "балон с горещ въздух".
Почти едновременно, на 27 август 1783 г., балон, пълен с водород, проектиран от Жак Чарлз, се издига във въздуха в Париж. Черупката беше направена от коприна, импрегнирана с разтвор на каучук в терпентин. Водородът се получава чрез излагане на железни стърготини на сярна киселина. Топка с диаметър 4 метра се пълни в продължение на няколко дни, като е изразходвала повече от 200 килограма киселина и почти половин тон желязо. Първият чарлиер изчезна в облаците пред 300 000 зрители. Обвивката на балона, която експлодира високо в атмосферата, падна 15 минути по-късно в провинцията близо до Париж, където беше унищожена от уплашени местни жители.
Първи пилотирани полети
Първите пътници на аеронавигационния апарат, който излетя на 19 септември 1783 г. във Версай, най-вероятно са безименни. Петел, патица и овен летяха в кошница с балон с горещ въздух в продължение на 10 минути и обхват от 4 км, след което кацнаха безопасно.
Полетът на хора с балон с горещ въздух за първи път се състоя на 21 ноември от същата пробивна 1783 година. Направена е от физика Жан-Франсоа Пилатър дьо Розие и двама негови другари. След това, през ноември, дьо Розие консолидира успеха си с ентусиаста на балони маркиз Франсоа. Лоран д'Арланд. Така беше доказано, че състоянието на свободен полет е безопасно за хората (съмнения все още съществуваха).
1 декември 1983 г. (наистина значима година за аеронавтиката!) Шарлиер също излита, носейки на борда си екипаж, който освен самия Дж. Чарлз включваше механик Н. Робърт.
През следващите години полетите с балони и от двата типа се практикуваха много широко, но газовите балони все още имаха известно предимство, тъй като балоните с горещ въздух изразходваха много гориво и развиваха малко повдигане. Rosiers, от друга страна, са топки от комбиниран тип, което се оказа твърде опасно.
Балон в експлоатация
Балоните много скоро започнаха да служат не само за развлекателни цели, но и за нуждите на науката и военните дела. Още по време на първия полет Чарлз и Робърт се занимаваха с измерване на температурата и налягането на въздуха на голяма надморска височина. Впоследствие научните наблюдения често са правени от балони. Те са били използвани за изследване на земната атмосфера и геомагнитното поле, а по-късно и за космическите лъчи. Балоните се използват широко като метеорологични сонди.
Военната служба с балони започва по време на Френската революция, когато вързаните балони започват да се използват за наблюдение на врага. Впоследствие такива устройства се използват за разузнаване на голяма надморска височина и регулиране на огъня не само през 19-ти, но и през първата половина на 20-ти век. По време на Великата отечествена война привързаните баражни балони бяха елементВъздушна отбрана на големите градове. По време на ерата на Студената война балони на голяма надморска височина са били използвани от разузнаването на НАТО срещу СССР. Освен това са разработени комуникационни системи за дълги разстояния за подводници, използващи привързани балони.
По-високо и по-високо
Стратосферен балон е балон от типа "charlier", способен да се издига в горните разредени слоеве на земната атмосфера - стратосферата, поради конструктивните особености. Ако полетът е пилотиран, такъв балон е пълен с хелий. В случай на безпилотен полет, той е пълен с по-евтин водород.
Идеята за използване на балон на голяма надморска височина принадлежи на Д. И. Менделеев и е изразена от него през 1875 г. Безопасността на екипажа, според учения, е трябвало да бъде осигурена от запечатана балонна гондола. Създаването на такъв самолет обаче изисква високо техническо ниво, което е постигнато едва през 1930 г. Така условията на полета изискват специално подреждане на стратосферен балон, използване на леки метали и сплави, разработване и внедряване на системи за освобождаване на баласт и терморегулация на гондола и много други.
Първият стратосферен балон FNRS-1 е създаден от швейцарския учен и инженер Огюст Пикар, който заедно с П. Кипфер за първи път се издига в стратосферата на 27 май 1931 г., достигайки височина от 15 785 m.
Създаването на тези самолети е специално разработено в СССР. Много рекорди в полетите в стратосферата са поставени през втората половина на 30-те години на миналия век от съветските аеронавти.
През 1985 г., по време на въвеждането на съветското пространствоПроектът Vega пусна два стратосферни балона, пълни с хелий в атмосферата на Венера. Те работеха на височина от около 55 км за повече от 45 часа.
Първи дирижабъл
Опитите за създаване на балон, управляван в хоризонтален полет, започнаха да се правят почти веднага след първите полети на балони с горещ въздух и чарлиери. J. Meunier предложи да се даде на самолета елипсоидална форма, двоен корпус с балонет и да се оборудва с витла, задвижвани от мускулна сила. Тази идея обаче изисква усилията на 80 души…
Дълги години, поради липсата на подходящ захранващ блок за условията на полета, управляваният балон остава само мечта. Беше възможно да се осъществи едва през 1852 г. от Анри Гифар, чиято кола направи първия си полет на 24 септември. Дирижабълът на Giffard имаше кормило и парна машина с мощност 3 конски сили, която въртеше витлото. Обемът на напълнената с газ черупка беше 2500 m3. Меката обвивка на дирижабъла беше подложена на колапс при промени в атмосферното налягане и температурата.
Дълго време след полета на първия дирижабъл инженерите се опитваха да постигнат оптимална комбинация от мощност и тегло на двигателя, да подобрят дизайна на корпуса и гондолата на устройството. През 1884 г. на дирижабъла е монтиран електрически двигател, а през 1888 г. - бензинов. По-нататъшният успех на индустрията на дирижабълите беше свързан с развитието на машини с твърд корпус.
Успех и трагедия на Цепелините
Пробивът в създаването на дирижабли се свързва с името на граф Фердинандфон Цепелин. Полетът на първата му машина, построена в Германия на Боденското езеро, се състоя на 2 юли 1900 г. Въпреки повредата, която доведе до принудително кацане на езерото, дизайнът на твърдите дирижабли, след допълнителни тестове, се счита за успешен. Дизайнът на машината е подобрен, а дирижабълът на Фердинанд фон Цепелин е закупен от германските военни. През Първата световна война цепелините вече са били използвани от всички водещи сили.
Твърдата обвивка на дирижабъла се състоеше от метална рамка с форма на пура, покрита с плат, покрит с целон. Вътре в рамката бяха прикрепени газови бутилки, пълни с водород. Самолетът беше оборудван с кормови кормила и стабилизатори, имаше няколко двигателя с витла. Резервоарите, товарните и двигателните отделения, пътническите палуби бяха разположени в долната част на рамката. Обемът на дирижабъла можеше да достигне 200 m3, дължината на корпуса беше огромна. Например дължината на прословутия Хинденбург беше 245 м. Карането на такава огромна машина беше изключително трудно.
През периода между световните войни цепелините са били широко използвани като транспортно средство, включително в трансатлантическите полети. Въпреки това редица бедствия, най-известното от които е сривът на дирижабъла Хинденбург в резултат на пожар, и високата цена на тези машини не изиграха в тяхна полза. Но основният фактор за ограничаването на индустрията на дирижабълите беше предстоящата Втора световна война. Естеството на войната изискваше масово използваневисокоскоростна авиация, а в нея нямаше сериозно място за дирижабли. В резултат на това и след войната не е имало възраждането им като широко използвано превозно средство.
Балони и модерност
Въпреки развитието на авиацията, дирижаблите и балоните не изчезнаха в забвение, а напротив, в края на 20-ти век интересът към тях отново се увеличи. Това се дължи на напредъка в разработването на високотехнологични материали и компютърни системи за управление и безопасност, както и на относителното поевтиняване на производството на хелий. Дирижаблите могат да се преродят като машини, които изпълняват важни задачи в някои специални индустрии, например при поддръжката на нефтени платформи или при транспортирането на обемисти товари в отдалечени райони. Военните отново започнаха да проявяват известен интерес към тези самолети.
Миниатюрните дирижабли се използват и за различни приложения, като например заснемане на телевизионни предавания.
Свикнали със самолети, хеликоптери и космически кораби, обществеността отново се интересува от аеронавтиката. Фестивалите на балони в различни страни по света, включително Русия, станаха често явление. Благодарение на топлоустойчивите леки материали и специалните горелки, задвижвани от газови бутилки, балоните с горещ въздух преживяват втора младост. Изобретени са и слънчеви балони с горещ въздух, които обикновено не изискват изгаряне на гориво.
Голям интерес сред спортисти и зрители предизвикват състезания и очарователни масови стартове на много уреди, провеждани навсеки фестивал на балони. Тези събития отдавна са неразделна част от развлекателната индустрия.
Трудно е да се предвиди какво очаква бъдещето на самолетите, по-леки от въздуха. Но можем уверено да кажем: те имат това бъдеще.
