Samoloty wchodzące w interakcje z atmosferą dzielą się na dwie szerokie kategorie: lżejsze od powietrza i cięższe od powietrza. Podział ten opiera się na różnych zasadach lotu. W pierwszym przypadku, aby wytworzyć siłę nośną, posługują się prawem Archimedesa, czyli wykorzystują zasadę aerostatyki. W pojazdach cięższych od powietrza siła nośna powstaje w wyniku oddziaływania aerodynamicznego z atmosferą. Przyjrzymy się pierwszej kategorii, samolotom lżejszym od powietrza.
Wznoszenie się w oceanie powietrza
Urządzenie, które wykorzystuje Archimedesa - siłę wyporu - siłę do podnoszenia, nazywa się balonem. Jest to samolot wyposażony w powłokę wypełnioną gorącym powietrzem lub gazem o gęstości mniejszej niż otaczająca atmosfera.
Różnica gęstości gazu wewnątrz i na zewnątrz skorupy powoduje różnicę ciśnień, dzięki której występuje aerostatyczna siła wyporu. To jest przykład działania zasady Archimedesa.
Sufit podnoszący samolotów lżejszych od powietrza zależy od objętości i elastyczności skorupy, sposobu jej wypełnienia iczynniki atmosferyczne - przede wszystkim spadek gęstości powietrza wraz z wysokością. Rekord dla wejścia załogowego do tej pory wynosi 41,4 km, bezzałogowego - 53 km.
Klasyfikacja ogólna
Balon to powszechna nazwa całej klasy samolotów. Przede wszystkim wszystkie balony dzielą się na niekontrolowane (balony) i sterowane (sterowce). Istnieją również balony na uwięzi używane w różnych obszarach do niektórych zadań specjalnych.
1. Balony. Zasada lotu balonem nie oznacza możliwości sterowania samolotem w płaszczyźnie poziomej. Balon nie posiada silnika i sterów, dlatego jego pilot nie może wybrać prędkości i kierunku swojego lotu. Na kuli regulacja wysokości jest możliwa za pomocą zaworów i balastu, ale poza tym jej lot jest dryfem po prądach powietrza. W zależności od rodzaju wypełniacza istnieją trzy rodzaje balonów:
- Balony na ogrzane powietrze.
- Charliery z napełnieniem gazem. Najczęściej do tych celów używano (i nadal stosuje się) wodór i hel, ale oba mają swoje wady. Wodór jest skrajnie łatwopalny i tworzy z powietrzem mieszaninę wybuchową. Hel jest za drogi.
- Rosieres to balony, które łączą oba rodzaje wypełnień.
2. Sterowce (francuski sterowiec - „sterowane”) to samoloty, których konstrukcja obejmuje elektrownię i sterowanie. Z kolei sterowce klasyfikuje się według wielu kryteriów: sztywnościpocisków, według typu jednostki napędowej i napędu, według metody wytworzenia siły wyporu i tak dalej.
Wczesna historia aeronautyki
Pierwsze niezawodne urządzenie, które wzbiło się w powietrze z pomocą sił Archimedesa, powinno być prawdopodobnie uważane za chińską latarnię. Kroniki wspominają o papierowych torebkach unoszących się pod wpływem gorącego powietrza z lampy. Wiadomo, że takie latarnie były używane w sprawach wojskowych jako środek sygnalizacyjny już w II-III wieku; możliwe, że były znane wcześniej.
Zachodnia myśl techniczna doszła do pomysłu możliwości takich urządzeń pod koniec XVII wieku, zdając sobie sprawę z daremności prób stworzenia muskularnych urządzeń z kołem zamachowym do lotu człowieka. W ten sposób jezuita Francesco Lana zaprojektował samolot podnoszony za pomocą ewakuowanych metalowych kul. Jednak poziom techniczny epoki w żaden sposób nie pozwolił na realizację tego projektu.
W 1709 r. ksiądz Lorenzo Guzmao zademonstrował portugalskiemu dworowi królewskiemu samolot, który był cienką skorupą, w której powietrze było ogrzewane przez podwieszony od dołu piecyk. Urządzenie zdołało wznieść się kilka metrów. Niestety nic nie wiadomo o dalszych działaniach Guzmao.
Początek aeronautyki
Pierwszym samolotem lżejszym od powietrza, którego pomyślny test został oficjalnie zarejestrowany, byli bracia balonowi Joseph-Michel i Jacques-Etienne Montgolfier. 5 czerwca 1783 r. balon przeleciał nad francuskim miastem Annone, pokonując2 km w 10 minut. Maksymalna wysokość podnoszenia wynosiła około 500 metrów. Powłoka kuli była płócienna, od wewnątrz oklejona papierem; Jako wypełniacz stosowano dym ze spalania mokrej wełny i słomy, przez długi czas nazywany „gazowym balonem na gorące powietrze”. Samolot został nazwany odpowiednio „balonem na ogrzane powietrze”.
Niemal równocześnie, 27 sierpnia 1783 roku, balon wypełniony wodorem, zaprojektowany przez Jacquesa Charlesa, wzbił się w powietrze w Paryżu. Skorupę wykonano z jedwabiu impregnowanego roztworem gumy w terpentynie. Wodór uzyskano przez wystawienie opiłków żelaza na działanie kwasu siarkowego. Kula o średnicy 4 metrów była napełniana przez kilka dni, zużywając ponad 200 kilogramów kwasu i prawie pół tony żelaza. Pierwszy charlier zniknął w chmurach na oczach 300 000 widzów. Powłoka balonu, która eksplodowała wysoko w atmosferze, spadła 15 minut później na wsi pod Paryżem, gdzie została zniszczona przez przestraszonych mieszkańców.
Pierwsze loty załogowe
Pierwszymi pasażerami aparatu lotniczego, który wystartował 19 września 1783 r. w Wersalu, byli najprawdopodobniej bezimienny. Kogut, kaczka i baran leciały w koszu balonu na ogrzane powietrze przez 10 minut i zasięg 4 km, po czym wylądowali bezpiecznie.
Lot ludzi na balonie na ogrzane powietrze po raz pierwszy miał miejsce 21 listopada tego samego przełomowego roku 1783. Został wykonany przez fizyka Jean-Francois Pilatre de Rozier i dwóch jego towarzyszy. Następnie, w listopadzie, de Rozier skonsolidował swój sukces z entuzjastą baloniarstwa markizem François. Laurenta d'Arlanda. Tym samym udowodniono, że stan swobodnego lotu jest bezpieczny dla człowieka (wątpliwości nadal istniały).
1 grudnia 1983 r. (naprawdę ważny rok dla aeronautyki!) Charliere również wystartował, niosąc na pokładzie załogę, w skład której oprócz samego J. Charlesa wchodził mechanik N. Robert.
W kolejnych latach loty balonami obu typów były bardzo szeroko praktykowane, ale balony gazowe nadal miały pewną przewagę, ponieważ balony na ogrzane powietrze zużywały dużo paliwa i miały niewielki udźwig. Z kolei Rosiers to kulki typu kombinowanego, które okazały się zbyt niebezpieczne.
Balon w służbie
Balony bardzo szybko zaczęły służyć nie tylko celom rozrywkowym, ale także potrzebom nauki i spraw wojskowych. Już podczas pierwszego lotu Charles i Robert zajmowali się pomiarami temperatury i ciśnienia powietrza na dużej wysokości. Następnie z balonów często dokonywano obserwacji naukowych. Wykorzystano je do badania atmosfery i pola geomagnetycznego Ziemi, a później promieni kosmicznych. Balony są szeroko stosowane jako sondy meteorologiczne.
Wojskowa służba balonowa rozpoczęła się podczas Rewolucji Francuskiej, kiedy balony na uwięzi zaczęły być używane do monitorowania wroga. Później takie urządzenia były wykorzystywane do rozpoznania na dużych wysokościach i regulacji ognia nie tylko w XIX, ale także w pierwszej połowie XX wieku. Podczas Wielkiej Wojny Ojczyźnianej balony zaporowe na uwięzi były elementemObrona powietrzna dużych miast. W epoce zimnej wojny balony na dużych wysokościach były używane przez wywiad NATO przeciwko ZSRR. Ponadto opracowano systemy komunikacji dalekiego zasięgu dla okrętów podwodnych z wykorzystaniem balonów na uwięzi.
Wyżej i wyżej
Balon stratosferyczny to balon typu „charlier”, zdolny do wznoszenia się w górne, rozrzedzone warstwy ziemskiej atmosfery - stratosfery, ze względu na cechy konstrukcyjne. Jeśli lot jest załogowy, taki balon jest wypełniony helem. W przypadku lotu bezzałogowego jest on wypełniony tańszym wodorem.
Pomysł wykorzystania balonu na dużych wysokościach należy do D. I. Mendelejewa i został przez niego wyrażony w 1875 roku. O bezpieczeństwo załogi, według naukowca, miała dbać zaplombowana gondola balonowa. Jednak stworzenie takiego samolotu wymaga wysokiego poziomu technicznego, który osiągnięto dopiero do 1930 roku. Warunki lotu wymagają więc specjalnego rozmieszczenia balonu stratosferycznego, zastosowania metali i stopów lekkich, opracowania i wdrożenia systemów zwalniania balastu oraz termoregulacji gondoli i wielu innych.
Pierwszy balon stratosferyczny FNRS-1 został stworzony przez szwajcarskiego naukowca i inżyniera Auguste Picarda, który wraz z P. Kipferem po raz pierwszy wzniósł się do stratosfery 27 maja 1931 r., osiągając wysokość 15 785 m.
Stworzenie tych samolotów zostało specjalnie opracowane w ZSRR. Wiele rekordów w lotach do stratosfery zostało ustanowionych w drugiej połowie lat 30. przez sowieckich aeronautów.
W 1985 roku, podczas realizacji przestrzeni sowieckiejProjekt Vega wystrzelił w atmosferze Wenus dwa balony stratosferyczne wypełnione helem. Pracowali na wysokości około 55 km przez ponad 45 godzin.
Pierwszy sterowiec
Próby stworzenia balonu sterowanego w locie poziomym zaczęto podejmować niemal natychmiast po pierwszych lotach balonów na ogrzane powietrze i charlierów. J. Meunier zaproponował nadanie samolotowi kształtu elipsoidalnego, podwójnej skorupy z balonikiem oraz wyposażenie go w śmigła napędzane siłą mięśni. Jednak ten pomysł wymagał wysiłku 80 osób…
Przez wiele lat, ze względu na brak odpowiedniej jednostki napędowej do warunków lotu, sterowany balon pozostawał tylko marzeniem. Dokonał tego dopiero w 1852 roku Henri Giffard, którego samochód odbył swój pierwszy lot 24 września. Sterowiec Giffarda miał ster i silnik parowy o mocy 3 koni mechanicznych, który obracał śmigło. Objętość pocisku wypełnionego gazem wynosiła 2500 m3. Miękka skorupa sterowca ulegała zawaleniu pod wpływem zmian ciśnienia atmosferycznego i temperatury.
Przez długi czas po locie pierwszego sterowca inżynierowie starali się osiągnąć optymalną kombinację mocy i masy silnika, aby ulepszyć konstrukcję skorupy i gondoli urządzenia. W 1884 r. na sterowcu zainstalowano silnik elektryczny, a w 1888 r. benzynowy. Dalszy sukces branży sterowców związany był z rozwojem maszyn ze sztywnym płaszczem.
Sukces i tragedia Zeppelinów
Przełom w tworzeniu sterowców związany jest z imieniem hrabiego Ferdynandavon Zeppelin. Lot jego pierwszej maszyny, zbudowanej w Niemczech nad Jeziorem Bodeńskim, odbył się 2 lipca 1900 roku. Pomimo awarii, która spowodowała przymusowe lądowanie na jeziorze, projekt sztywnych sterowców po dalszych testach uznano za sukces. Konstrukcja maszyny została ulepszona, a sterowiec Ferdinanda von Zeppelin został zakupiony przez niemieckie wojsko. W czasie I wojny światowej sterowce były już używane przez wszystkie wiodące mocarstwa.
Sztywna skorupa statku powietrznego składała się z metalowej ramy w kształcie cygara, pokrytej tkaniną pokrytą powłoką cellon. Wewnątrz ramy zamocowano butle gazowe wypełnione wodorem. Samolot był wyposażony w stery rufowe i stabilizatory, miał kilka silników ze śmigłami. W dolnej części ramy znajdowały się zbiorniki, przedziały ładunkowe i silnikowe, pokłady pasażerskie. Objętość sterowca mogła osiągnąć 200 m3, długość kadłuba była ogromna. Na przykład długość niesławnego Hindenburga wynosiła 245 m. Prowadzenie tak ogromnej maszyny było niezwykle trudne.
W okresie międzywojennym sterowce były szeroko wykorzystywane jako środek transportu, w tym w lotach transatlantyckich. Jednak szereg katastrof, z których najsłynniejszą był upadek sterowca Hindenburg w wyniku pożaru, a wysoki koszt tych maszyn nie działał na ich korzyść. Ale głównym czynnikiem ograniczenia przemysłu sterowców była nadchodząca II wojna światowa. Charakter działań wojennych wymagał masowego użycialotnictwo dużych prędkości i nie było w nim poważnego miejsca dla sterowców. W rezultacie i po wojnie nie było ich odrodzenia jako powszechnie używanego pojazdu.
Balony i nowoczesność
Mimo rozwoju lotnictwa, sterowce i balony nie odeszły w zapomnienie, wręcz przeciwnie, pod koniec XX wieku zainteresowanie nimi ponownie wzrosło. Wynika to z postępu w rozwoju zaawansowanych technologicznie materiałów oraz komputerowych systemów sterowania i bezpieczeństwa, a także ze stosunkowego potanienia produkcji helu. Sterowce mogą odrodzić się jako maszyny, które wykonują ważne zadania w niektórych branżach specjalnych, na przykład w konserwacji platform wiertniczych lub w transporcie ładunków wielkogabarytowych na odległych obszarach. Wojsko ponownie zaczęło wykazywać zainteresowanie tymi samolotami.
Miniaturowe sterowce są również wykorzystywane do różnych zastosowań, takich jak filmowanie do transmisji telewizyjnych.
Przyzwyczajeni do samolotów, helikopterów i statków kosmicznych, społeczeństwo ponownie zainteresowało się aeronautyką. Festiwale balonowe w różnych krajach świata, w tym w Rosji, stały się częstym zjawiskiem. Dzięki odpornym na ciepło lekkim materiałom i specjalnym palnikom zasilanym butlami gazowymi balony na ogrzane powietrze przeżywają drugą młodość. Wynaleziono również balony na ogrzane powietrze słoneczne, które generalnie nie wymagają spalania paliwa.
Duże zainteresowanie wśród sportowców i widzów wywołują zawody i urzekające masowe starty wielu urządzeń odbywających się nakażdy festiwal balonów. Wydarzenia te od dawna stanowią integralną część branży rozrywkowej.
Trudno przewidzieć, jaka przyszłość czeka samoloty lżejsze od powietrza. Ale możemy śmiało powiedzieć: mają tę przyszłość.
