Ловцова Анжелика Федоровна

Дополнительный материал к уроку по теме «Воздухоплавание и плавание судов» (7 класс)

Материал опубликован 5 April 2023 в группе

В помощь учителю

1824

13192

Воздухоплавание и плавание судов .

(Дополнительный материал к уроку по теме . Воздухоплавание и плавание судов.)

Ловцова А.Ф.

Воздухоплавание и плавание судов - это два сходных термина, потому что плавание судов обеспечивается за счёт силы Архимеда в воде, вытесненной плавающим судном, а воздухоплавание обеспечивается за счёт подъёмной силы газа, который легче воздуха (водород, гелий, горячий воздух), которая тоже считается силой Архимеда. На примере воздушно шара сила Архимеда состоит в том, что большой шар, наполненный горячим воздухом, вытесняет атмосферный воздух, что создаёт подъёмную силу, что позволяет двигаться воздушному шару вертикально и горизонтально. Разница между плаванием и воздухоплаванием состоит в том, что судно может удержаться на поверхности воды за счёт её вытеснения, а для подъёма воздушного шара нужен агрегат для нагрева воздуха. Дирижабль - это летательный аппарат в форме эллипсоида, который имеет камеру, наполненную газом, что легче воздуха.

Плавание судна — это способность лодки, катера или корабля перемещаться по воде на дальние и близкие расстояния.

Плавать в воде может любое судно: маленькая деревянная лодочка, небольшая яхта и многотонный грузовой корабль.

И если человеческий мозг вполне способен понять, почему не тонут легкие судна, то плавание тяжелых грузовых судов можно объяснить, только зная законы физики.

Для того чтобы судно не тонуло в воде, а плавало в ней, необходимо, чтобы средняя плотность судна была значительно меньше плотности жидкости.

Для того чтобы судно перемещалось по водному пространству, оно должно быть частично погружено в нее. Соответственно, у корабля всегда есть и надводная и подводная части.

Осадка судна — это глубина, на которую погружается судно в воду.

Ватерлиния — это максимальная глубина, на которую судно может погрузиться в воду.

Водоизмещение — это общее количество воды, вытесняемое погруженной частью корабля и измеряется в килограммах, так как равно массе всего судна.

Какие физические законы оказывают влияние на корабль

Главный физический закон, оказывающий влияние на корабль в воде, — это закон Архимеда.

23 BMS7 BMS

На тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая его сила, численно равная весу жидкости или газа в объеме погруженной части тела.

Формула этой закономерности выглядит таким образом:

F A = P = ρ × g × V , где:

F_A — сила выталкивания или Архимедова сила;

P — вес жидкости, вытесненной телом;

ρ — плотность жидкости;

g — ускорение свободного падения;

V — объем погруженной в жидкость или газ части тела.

Особенности использования закона Архимеда

Человечеству знание закона Архимеда позволяет управлять объектами, находящимися в жидкости или газе:

чтобы тело плавало на поверхности, нужно, чтобы плотность его была меньше плотности жидкости или газа, в котором оно находится;

чтобы тело полностью погрузилось в жидкость или газ, нужно, чтобы его плотность и плотность жидкости/газа были равны;

чтобы тело пошло ко дну, его плотность должна быть больше плотности того вещества, в котором оно находится.

Эти знания позволяют людям заниматься мореплаванием, воздухоплаванием, активно использовать морские и воздушные суда, подводные лодки. Все они функционируют в воде или воздухе по закону Архимеда.

Так, у подводных лодок есть специальные резервуары, которые в зависимости от ситуации заполняются воздухом или водой. Это необходимо, чтобы управлять лодкой и поднимать ее к поверхности или опускать на заданную глубину.

Жидкость и давление в ней

Жидкость — это одно из агрегатных состояний вещества, которое обладает текучестью и характеризуется сохранением объема.

По законам физики, любое тело, обладающее массой, производит давление на ту поверхность, на которой оно находится. В жидкости это проявляется гидростатическим давлением верхних слоев на нижние.

Математически эта закономерность выглядит таким образом:

P = ρ × g × h , где:

P — давление;

ρ — плотность жидкости;

g — коэффициент свободного падения;

h — глубина погружения.

Так как коэффициент свободного падения — величина постоянная, получается, что давление в жидкости зависит от глубины погружения в нее и от плотности самой жидкости.

Формула для условия плавания

На погруженное в воду судно действуют две физические силы:

одна из них направлена вниз — это сила тяжести тела;

другая направлена вверх и выталкивает корабль из воды — это сила Архимеда.

Чтобы судно плавало на поверхности, нужно, чтобы выталкивающая сила Архимеда значительно превышала силу тяжести судна по своему значению.

F A > F T , где F A — сила выталкивания, действующая на тело, F T — сила тяжести

Сила Архимеда будет больше в том случае, когда плотность судна будет значительно меньше плотности воды:

ρ т — плотность тела;

ρ ж — плотность жидкости.

Вычисление грузоподъемности корабля, примеры задач с кратким решением

Грузоподъемность судна — это максимально допустимый вес груза, которое оно может перевозить.

Грузоподъемность судна равна разности водоизмещения и веса самого судна.

Вычисляется по формуле:

m г р = m - m В , где:

m г р — грузоподъемность;

m — масса ненагруженного судна;

m В — водоизмещение судна.

P г р = F A - P c , где:

P г р — вес груза;

F A — сила Архимеда;

P c — вес судна.

Судно, погруженное в пресную воду, вытесняет жидкость в объеме 15000 м³. Вес судна 5000 кН. Определите грузоподъемность этого судна.

Решение: по формуле P г р = F A - P c считаем грузоподъемность судна и получаем 145000 кН.

Ответ: 145000 кН

Плот, плывущий по реке, имеет площадь 8 м². После того как на него поместили груз, его осадка увеличилась на 20 см. Определите вес помещенного на плот груза.

Решение: по формуле F A = P = ρ × g × V , где V = S × h , считаем вес груза, получаем 16 кН.

Определите силу Архимеда, которая действует на деревянный плот объемом 12 м³, при условии, что плот погружен в воду на половину своего объема.

Решение: согласно формуле F A = P = ρ × g × V , сила Архимеда, действующая на плот, равна на 60 кН.

В различных водоемах постоянно присутствуют большие и маленькие плавучие средства. Какие-то суда перевозят пассажиров, другие транспортируют грузы. Кажется невероятным, что гигантским многотонным кораблям удается не утонуть.

Любой металл, помещенный на поверхность воды, немедленно опустится на дно. А ведь нынешние суда изготовлены из металла. Феномен удержания тяжелого металлического корпуса над водой, объясняется известными физическими законами.

Всякое тело, попавшее в воду, испытает на себе влияние выталкивающей силы. Телу не удастся утонуть, пока его выталкивает сила, превышающая вес этого тела. Это и есть объяснение того, почему судно удерживается на поверхности.

Сила вытесняемой воды зависит от объема плавающего средства. Если опустить в воду металлический шар, то он немедленно утонет. Но пустая шарообразная форма, сделанная из этого же металла, но раскатанного в тонкий лист, останется на поверхности, немного погрузившись.

Любое судно, покрытое металлом, устроено так, чтобы при погружении вытеснить основанием больше воды. Таким образом, плавсредство обеспечивает себе достаточную выталкивающую силу, равную совокупному весу корабля и груза. Внутреннее устройство лайнера подразумевает обязательное наличие множества пустых отсеков. Только так можно добиться уменьшения средней плотности судна.

Плавучий лайнер находится над поверхностью воды до тех пор, пока имеет идеальную обшивку. При любой пробоине судну грозит опасность. Заполняющая внутренние полости вода способна его затопить.

РЕКЛАМА•MEDIASNIPER

Для поддержания плавучести внутри кораблей устраивают перегородки. При небольшой пробоине водой заполнится лишь один отсек, что не повлияет на общую жизнеспособность. В случае аварии затопленный отсек можно осушить с помощью насоса, а пробоину залатать.

Всякое судно погружено в воду на определенную глубину – осадку. Морские суда снабжены изображением особой грузовой линии, разграничивающей воду и корпус корабля. Нельзя допускать погружения ниже этой линии, указывающей максимальную осадку.

Функционирование подводных лодок основано на существовании специальных отсеков. Чтобы герметичная конструкция смогла погрузиться, они заполняются водой. Для подъема из глубины отсеки освобождают, выдавливая воду сжатым воздухом. Снижение плотности лодки выталкивает ее к поверхности.

https://www.nkj.ru/archive/articles/10601/

№5, 1998

НАУЧНОЕ ВОЗДУХОПЛАВАНИЕ В РОССИИ

Кандидат технических наук В. ШИМАНОВСКИЙ.

30 (12) июня 1804 года известный химик академик Яков Дмитриевич Захаров и бельгийский физик и воздухоплаватель Э.Робертсон поднялись с плаца 1-го кадетского корпуса в Петербурге в гондоле наполненного водородом аэростата. Оболочка для него - диаметром около 9 метров - была изготовлена в Петербурге, а водород поставила Академия наук. Поднявшись в воздух, шар достиг высоты 2550 метров и летел в течение 3 часов 45 минут, покрыв при этом расстояние более 60 километров. В своем рапорте Захаров отметил: "Главный предмет сего путешествия состоял в том, чтобы узнать с большею точностью о физическом состоянии атмосферы и о составляющих ее частях в разных определенных возвышениях оной". Планировалось изучить "влияние высоты на увеличение или уменьшение магнитной силы, а также увеличение или уменьшение нагревательной силы солнечных лучей".

Аэронавты обнаружили, что ветер внизу и ветер вверху могут не совпадать по направлениям, установили, что температура воздуха падает с ростом высоты, взяли пробы воздуха на разных высотах. Они определяли изменение видимости отдельных предметов на поверхности Земли, оценивали восприятие слухом звуковых колебаний на больших высотах при помощи колокольчика. Пригодился и взятый с собой рупор. Оказалось, что если крикнуть через него вниз, то отразившийся от земли звук возвращается и колеблет аэростат. Так что, зная скорость звука и измеряя время между его подачей и возвращением, можно было бы определять высоту полета.

Немаловажные для науки результаты были получены и при запуске воздушного шара участниками русской кругосветной экспедиции под командованием И. Ф. Крузенштерна. В феврале 1805 года, находясь в японском городе Нагасаки, они подняли аэростат для наблюдений за характером воздушных течений на разных высотах.

Но наиболее серьезные научные исследования при помощи аэронавтики начались в России через несколько десятилетий. Инициатором их стал известный физик, директор Главной физической обсерватории, академик Михаил Александрович Рыкачев, который сам совершил несколько полетов на аэростатах. В 1881 году он стал председателем только что созданного Воздухоплавательного отдела Русского технического общества и был одним из создателей Международной комиссии научного воздухоплавания. В 1896-1897 годах эта комиссия организовала одновременные запуски воздушных шаров для наблюдений за движением облаков вокруг Земли. Первый такой запуск был одновременно произведен в Берлине, Варшаве, Мюнхене, Париже, Петербурге и Страсбурге в ноябре 1896 года.

Профессионально занимался воздухоплаванием и Дмитрий Иванович Менделеев. Изучая свойства газов при разных давлениях, он, в частности, установил, что закон Бойля-Мариотта абсолютно справедлив лишь в относительно узком диапазоне давлений. Это в итоге привело Менделеева к совершенствованию барометра и созданию на его основе высотомера.

В 1880 году Дмитрий Иванович опубликовал классический труд "О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании", а через семь лет поднялся на аэростате сам.

7 августа 1887 года в Клину во время полного солнечного затмения состоялся запуск воздушного шара, предоставленного в распоряжение Менделеева. Полет был непростым. Поначалу предполагалось, что сопровождать ученого будет аэронавт-профессионал, но оборудования было много, а аэростат, как оказалось, на такую тяжесть рассчитан не был. И 53-летний профессор Санкт-Петербургского университета, никогда до этого не поднимавшийся в воздух, решил лететь один. Погода была дождливая, и Менделееву пришлось пробиваться через облака, самому производить рискованную поправку клапанов, а затем управлять шаром и одновременно проводить наблюдения за короной Солнца и состоянием атмосферы. Полет продолжался 3 часа 36 минут, после чего шар приземлился недалеко от Калязина, покрыв расстояние около 120 километров.

Впоследствии в статье "Воздушный полет из Клина во время затмения" ("Северный вестник" №№ 11, 12, 1887 г.) Менделеев писал:

"Кругом аэростата была масса народу,... кто-то кричал "бис", и я подумал: хорошо бы в самом деле повторять и повторять это торжество науки, хорошо потому, что есть масса чрезвычайно интересных задач, которые можно разрешить только при поднятии на аэростатах".

Подробнее см.: https://www.nkj.ru/archive/articles/10601/ (Наука и жизнь, НАУЧНОЕ ВОЗДУХОПЛАВАНИЕ В РОССИИ)

ВОЗДУХОПЛАВАНИЕ - НАУКА, ТЕХНИКА И ИСКУССТВО

Ю. БОЙКО, начальник отдела русского воздухоплавательного общества.

Подробнее см.: https://www.nkj.ru/archive/articles/10600/ (Наука и жизнь, ВОЗДУХОПЛАВАНИЕ - НАУКА, ТЕХНИКА И ИСКУССТВО)

Воздухоплавание в наше время становится все более и более массовым: тысячи ярко раскрашенных шаров плывут над всеми континентами, и даже Северный и Южный полюсы покорены путешественниками-воздухоплавателями. Для них, наконец, появился сравнительно дешевый, неприхотливый и простой в управлении летательный аппарат, путешествие на котором доставляет ни с чем не сравнимое ощущение полета.

Впервые, как принято считать, аэростат появился на свет 5 июня 1783 года. В этот день во французском городке Видалон-лез-Адонне, несколько южнее Лиона, поднялся в воздух так называемый монгольфьер - наполненный горячим дымом шар из бумаги и льняного полотна. Он был изготовлен братьями Жозефом и Этьеном Монгольфье - мастерами по производству бумаги, которых на идею создания такого шара натолкнули наблюдения за сжигаемой на костре бумагой и улетающими в небо ее обгоревшими клочками.

Существуют, впрочем, не слишком достоверные сведения и о куда более ранних полетах воздушных шаров. Например, о том, который был поднят в Пекине в 1306 году во время церемонии вступления на престол императора Фо Киена. Или о том, на котором в 1709 году летал португальский монах Бартоломео де Кусмао. Но все же официальным днем рождения аэростата считается 5 июня 1783 года.

А через два с половиной месяца в Париже на Марсовом поле был поднят в воздух и первый шарльер - шар, наполненный легким газом. Свое название он получил по имени французского профессора физики Жака Шарля, нашедшего способ заполнения шара водородом. Шарльер оказался много эффективнее монгольфьера и много опаснее его, поскольку водород в 15 раз легче воздуха, но чрезвычайно взрывоопасен. Поэтому впоследствии - после открытия гелия - шарльеры стали заполнять им.

Первые аэростаты были беспилотными, но уже в ноябре того же 1783 года на монгольфьере впервые поднялись люди - маркиз дўАрланд и Пилатр де Розье, стоявшие в прикрепленной к нижней части оболочки корзине. В центре ее находилась жаровня, поставлявшая внутрь оболочки горячий воздух, а сама корзина и оболочка были пропитаны специальным противопожарным составом.

В следующем десятилетии - во время Великой французской революции - воздушные шары начали свою военную карьеру, активно продолженную и в XIX веке. Во франко-прусской войне 1871 года, например, была с их помощью налажена постоянная связь с окруженным немцами Парижем. За 4 месяца на 65 аэростатах было переправлено 150 пассажиров и 16 675 килограммов писем и депеш общим числом более 3 миллионов.

В 1869 году в России была организована постоянная Комиссия по применению воздухоплавания к военным целям, а с 1870 года - в Усть-Ижорском саперном лагере под Петербургом велись наблюдения с аэростатов за передвижениями войск и корректирование артиллерийской стрельбы. В ряде стран появились люди, занимавшиеся аэронавтикой профессионально.

В конструкциях свободных газовых аэростатов постепенно учитывался опыт многих тысяч полетов. Более легкими и прочными стали материалы оболочек, и их пропитывали составами, сводящими к минимуму утечку несущего газа. Более надежным и удобным стал такелаж: тросы, стропы и прочее оборудование. Современный аэростат для свободных полетов почти не отличается от того, что летал полтора века назад (рисунок вверху).

Его изготовленная из шелка оболочка была снабжена вверху клапаном для выпуска газа, а внизу - отростком, "аппендиксом", который тоже свободно сообщался с атмосферой. Открывали газовый клапан при помощи проведенного от него к гондоле шнура. Туда же был проведен и другой шнур - от разрывного полотнища, которым аэронавт пользовался для быстрого выпуска газа при посадке.

Оболочка покрывалась сетью из шелкового шнура, связанного в виде петель. Книзу число петель постепенно уменьшалось, и они сходили с шара отдельными спусками, которые затем привязывались к подвесному кольцу из дерева или металлической трубки. К этому кольцу подвязывались и стропы гондолы, якорь и балластный канат - гайдроп. Манипулируя им, а также газовым клапаном и балластом, опытные аэронавты совершали длительные полеты.

Но поднимаемый на привязи свободный аэростат оказывался весьма неустойчивым. Уже при ветре более 10 метров в секунду находящийся в гондоле наблюдатель и вовсе не мог выполнять свои функции. Чтобы удержать аэростат, требовались очень прочные канаты и особо укрепленные места их присоединения к оболочке, а этот дополнительный вес снижал его подъемную силу. Для повышения устойчивости привязных воздушных шаров в ветреную погоду стали придавать им удлиненную форму и оснащать их оперением, а управлять ими - при помощи канатов, идущих к наземным лебедкам.

Свое первое практическое применение такие аэростаты нашли в военном деле: их успешно использовали еще в армии Наполеона - для подъема наблюдателей, а впоследствии - в гражданской войне 1861-1865 годов в США - для разведки и корректирования огня артиллерии. Наибольшее распространение получила в те годы конструкция привязного змейкового аэростата, который, подобно воздушному змею, устойчиво парит в воздухе за счет взаимодействия скоростного напора ветра с оболочкой. Ее внутренний объем разделен диафрагмой на два отсека: газовместилище и так называемый "воздушный баллонет", который сообщается с окружающей атмосферой и наполняется ветровым потоком.

Подобные аэростаты с успехом применялись как в первую мировую войну - для разведки и корректировки огня артиллерии, так и во вторую мировую - в качестве аэростатов заграждения. Военное использование аэростатов продолжалось и в годы "холодной войны". Аэростаты-разведчики беспрепятственно пересекали границу в толще облаков, засечь их локаторами было практически невозможно. А если даже удавалось их обнаружить, то сбить было тоже непросто: при большом объеме газа пробоины не приводят к быстрой утечке.

Для связи погруженных подводных лодок в СССР и США были разработаны аэростатные антенные системы дальней связи.

Но и в мирной жизни аэростаты применяются достаточно широко. Стратостаты, например, оказывают немалую помощь астрономам, поднимая телескопы на такие большие высоты, где прозрачность атмосферы почти идеальна. Первыми такой подъем осуществили американцы в 1957 году, когда стратостат объемом 85000 кубометров поднял телескоп "Стратоскоп-1" на высоту 24 километра. В дальнейшем подобные подъемы осуществлялись и у нас.

Известны в истории воздухоплавания и случаи запуска космических аэростатов. В 1960 году в США был запущен при помощи ракеты-носителя спутник-аэростат связи "Эхо-1". Его выполненная из полиэфирной пленки и покрытая с обеих сторон алюминиевой фольгой оболочка располагалась во время запуска в контейнере в свернутом виде. Внутри нее находились 20 килограммов самовозгорающегося порошка ацетамида. После раскрытия контейнера и нагревания солнечными лучами он превратился в газ и заполнил оболочку. На высоте 1680 километров спутник-аэростат "Эхо-1" просуществовал 9 лет и использовался как радиоотражатель. Аналогичный ему спутник-аэростат "Эхо-2" просуществовал на высоте 1030-1310 километров около 15 лет. Оба эти спутника можно именовать стратостатами - они располагались в самых верхних слоях атмосферы. Используют стратостаты и для других космических нужд: для испытания космических приборов и герметических кабин, для изучения космического излучения, для исследования струйных течений на больших высотах.

А привязные аэростаты широко применяют для самых мирных целей: для трелевки леса, разгрузки судов, в качестве аэростатов-кранов на строительстве плотин, дамб, при разработке карьеров, особенно глубоких. Удобно использовать небольшие аэростаты и для сбора семян с элитных деревьев или кедровых шишек.

В конце 1970-х годов в Киевском общественном КБ воздухоплавания была спроектирована аэростатная тропопаузная ветроэлектростанция (ТВЭС). На высоте 8000-10000 метров, где располагается тропопауза (граница между тропосферой и стратосферой), существуют постоянные ветровые потоки со скоростью 70-100 метров в секунду. Концентрация ветровой энергии на этих высотах в 20-25 раз выше, чем у поверхности Земли. Киевские конструкторы предложили установить на привязном аэростате со стеклопластиковой оболочкой ветроколесо и электрогенераторы, а получаемую энергию передавать по кабель-тросу на Землю. Предполагаемая мощность такой ветростанции должна была составить 1500 кВт, а годовая выработка - около 10 млн. кВт.ч. Проект не был осуществлен.

Последние полтора десятилетия отмечены расцветом спортивного воздухоплавания. Помимо простоты управления и сравнительной дешевизны воздушный шар отличается относительной компактностью: в собранном виде его оболочка вместе с корзиной легко умещаются в прицепе легкового автомобиля. Гелий для спортивных полетов слишком дорог: каждый его кубометр стоит около 50 рублей, а требуется для наполнения оболочки не менее 1000 кубометров. И поскольку газ после посадки приходится выпускать в атмосферу, то на гелиевых аэростатах совершаются лишь уникальные полеты - рекордные и научные - длительностью в несколько суток. Для путешествий же и обычных спортивных полетов используется, как правило, монгольфьер, схема которого приведена на рисунке вверху.

Оболочка его имеет в верхней части так называемый парашютный клапан. Открывается он при помощи шнура управления, конец которого опущен в гондолу. Сама гондола, как и два века назад, изготавливается из ивовых прутьев или тростника, которые обладают хорошими амортизирующими свойствами и выдерживают удары при грубой посадке.

Нагрузку от массы гондолы и ее содержимого передают на ткань оболочки оплетающие ее вертикальные и горизонтальные силовые ленты. Их, так же как и саму оболочку, делают теперь из легких и прочных синтетических материалов. Ткань оболочки обрабатывают так, что она становится воздухонепроницаемой, устойчивой к солнечной радиации и негорючей. Нижняя же часть оболочки - так называемая юбка - выполняется из огнестойких полимерных тканей, способных выдержать температуру до 500 градусов, температура воздуха в оболочке обычно равна 90-100 градусам Цельсия. Поддерживается она при помощи одной или двух горелок, соединенных шлангами с газовыми баллонами, а топливом служит жидкий пропан, бутан или их смесь. Жидкий газ попадает в погруженную в него трубку благодаря давлению насыщенных паров и, пройдя по шлангу и через управляемый пилотом огневой клапан, попадает в испаритель. Здесь он превращается в пар и, смешавшись с воздухом, сгорает в форсунках. Мощность горелок может достигать двух миллионов килокалорий в час. Дежурная горелка горит слабым пламенем постоянно - с тем, чтобы от нее можно было зажечь форсунки.

Газовый баллон вмещает обычно около 35 килограммов пропана, этого достаточно для 45-60 минут полета монгольфьера. Каждый баллон снабжен предохранительным клапаном и манометром. Когда в одном баллоне газ кончается, пилот переключается на другой баллон. Помимо горелок и баллонов в гондоле установлены высотомер, вариометр (измеритель вертикальной скорости), датчик температуры воздуха в оболочке, радиостанция, огнетушитель и аптечка.

Удельная подъемная сила горячего воздуха при температуре 100 градусов Цельсия составляет 0,278 килограмма на кубометр. Это значит, что шар объемом 1500- 2000 кубометров может поднимать полтонны, то есть трех - четырех человек и три - четыре баллона с пропаном. С увеличением же объема шара увеличивается, разумеется, и подъемная сила. В 1988 году в Голландии был поднят монгольфьер объемом 24000 кубометров, его 50 пассажиров размещались в комфортабельной двухпалубной корзине.

На монгольфьерах совершены уникальные полеты: перелет через Атлантический океан, подъем на высоту 18000 метров, готовится облет земного шара за две недели.

Аэростат - это летательный аппарат, он обязательно должен иметь свидетельство о его регистрации и свидетельство годности к полетам, которое выдается сразу после изготовления и продлевается комиссией после налета определенного количества часов. Сами пилоты аэростатов проходят подготовку в воздухоплавательных школах и после прохождения теоретического курса и полетов - сначала с инструктором, а затем самостоятельных - получают соответствующие документы. Ежегодно они проходят медкомиссию и проверку теоретических знаний.

Каждый полет тщательно готовится. Разрабатывается маршрут, который не должен проходить в районах аэропортов, военных объектов и т. п. В органы воздушного надзора сообщаются все данные о полете - дата, место старта, высота и цели полета. После получения разрешения на полет изучаются метеосводки: важно знать не только силу и направление ветра, но и температуру воздуха, высоту облачности, виды осадков. Все это позволяет планировать полет и обеспечить его безопасность.

Развитию воздухоплавания в нашей стране активно содействует Русское воздухоплавательное общество, основанное еще в 1880 году, выпускающее сегодня литературу по аэронавтике, организующее выставки и спортивные соревнования.

Всемирная федерация воздухоплавания проводит чередующиеся чемпионаты мира: в четные годы - для монгольфьеров, в нечетные - для газовых аэростатов. У нас в стране Федерация воздухоплавания была организована в 1990 году и с тех пор провела ряд общероссийских и международных соревнований. Ее члены участвуют в чемпионатах мира и Европы.

Стоит, пожалуй, добавить, что для жителей многих стран, а с некоторых пор и для жителей крупных российских городов уже стали привычными рекламные аэростаты, несущие на своих бортах полотнища или эмблемы рекламодателей, иногда подсвеченные изнутри, снабженные звуковещательными установками, выполненные в виде каких-то забавных фигур. Все чаще городские праздники не обходятся без этих нарядных и важно плавающих в воздухе летательных аппаратов.

Несмотря на свою относительную консервативность, аэростатная техника постоянно совершенствуется и находит воздушным шарам все новые и новые области применения. Тому немало способствуют и разработки отечественных конструкторов из воздухоплавательного центра "Авгуръ", фирм "Интеравиа", ПК "Воздух", "Аэронатц", "Аэроэкология", НПФ "Аэрогипнефо", "Урал-Джиком" и других.

Подробнее см.: https://www.nkj.ru/archive/articles/10600/ (Наука и жизнь, ВОЗДУХОПЛАВАНИЕ - НАУКА, ТЕХНИКА И ИСКУССТВО) Воздухоплавание в наше время становится все более и более массовым: тысячи ярко раскрашенных шаров плывут над всеми континентами, и даже Северный и Южный полюсы покорены путешественниками-воздухоплавателями. Для них, наконец, появился сравнительно дешевый, неприхотливый и простой в управлении летательный аппарат, путешествие на котором доставляет ни с чем не сравнимое ощущение полета.

Аппараты легче воздуха

https://elementy.ru/posters/aviation/light

Краткая история воздухоплавания

Воздухоплавание — это полет на аппаратах легче воздуха (в отличие от авиации). До начала 20-х годов XX века термин «Воздухоплавание» обозначал вообще передвижение по воздуху. Зарождение научных основ воздухоплавания и первые попытки подняться в воздух, используя законы аэростатики, относятся к XVIII веку. Как свидетельствует летопись, в России попытка подъема на большом шаре, наполненном дымом, относится к 1731 году (записки С. М. Боголепова, воспроизведенные в рукописи А. И. Сулукадзева «О воздушном летании в России с 906 лета по Р. Х.»).

В 1783 году член Петербургской академии наук Л. Эйлер вывел формулы для расчета подъемной силы аэростатов. В том же году французы братья Жозеф и Этьен Монгольфье построили аэростат, названный воздушным шаром.

По предложению французского ученого Жака Шарля воздушные шары стали наполнять водородом, подъемная сила которого более чем втрое превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема. Первый полет длительностью 2,5 ч на наполненном водородом воздушном шаре диаметром 8,5 м совершили (также в Париже) Жак Шарль и Николя-Луи Робер 1 декабря 1783 года. Воздухоплаватели провели замеры давления и температуры воздуха на высоте 3400 м.

В России первые полеты на воздушном шаре совершил француз Андре-Жак Гарнерен — 20 июня и 18 июля 1803 года в Петербурге и 20 сентября 1803 года в Москве.

После первых полетов, носивших, скорее, развлекательный характер, аэростаты стали применять с научными целями: для изучения атмосферы, географических исследований и др., а также с военными целями.

30 июня 1804 года в Петербурге русский ученый Я. Д. Захаров и бельгийский физик Э. Робертсон совершили полет на аэростате с целью наблюдения различных физических явлений. Полет продолжался 3 ч 45 мин, была достигнута высота 2550 м. Для торможения и мягкого приземления Захаров впервые применил канат с грузом на конце (гайдроп).

В феврале 1805 года участники русской кругосветной экспедиции под командованием адмирала И. Ф. Крузенштерна, находясь в городе Нагасаки (Япония), впервые для наблюдения воздушных течений отправили в полет аэростат, наполненный теплым воздухом.

В 1849 году во время борьбы Италии за независимость австрийские войска организовали с помощью небольших (объемом 82 м3) свободных (то есть не привязанных к земле канатами) аэростатов бомбардировку Венеции зажигательными и разрывными бомбами.

В 1859 году в сражении при Сольферино французский воздухоплаватель Ф. Надар с привязного аэростата производил разведку расположения австрийских войск, сделав фотоснимки позиций противника. Привязные аэростаты для разведки и корректирования артиллерийского огня применялись также в США во время Гражданской войны 1861–65 гг.

Во франко-прусской войне в 1871 году посредством свободных аэростатов была налажена связь окруженного немцами Парижа с остальной Францией. За 4 месяца на 65 аэростатах объемом 1–2 тыс. м3 было переправлено 3 млн писем и депеш общим весом 16 675 кг, а также 150 пассажиров.

В 1871 году парижские коммунары пользовались аэростатами для разбрасывания листовок революционного содержания.

С момента возникновения воздухоплавания до 70-х годов XIX века применялись только свободные и привязные аэростаты. Первый проект управляемого аэростата с воздушными винтами, вращаемыми вручную, был выдвинут в 1784 году французским военным инженером Жаном Мёнье.

В 40-х гг. XIX века проекты управляемых аэростатов были предложены русским военным инженером И. И. Третесским, предусматривавшим, в частности, ракетный двигатель, и другими изобретателями.

24 сентября 1852 года француз А. Жиффар совершил первый управляемый полет со скоростью до 11 км/ч (в безветренную погоду) на аэростате с паровым двигателем.

В 1869 году в России была организована постоянная Комиссия по применению воздухоплавания к военным целям.

С 1870 года в Усть-Ижорском саперном лагере под Петербургом производились наблюдения с аэростатов за передвижениями войск и корректирование артиллерийской стрельбы по невидимым с земли целям.

В 1875 году русский ученый Д. И. Менделеев выдвинул идею стратостата и обосновал выбор конструкции отдельных его частей.

19 августа 1887 года Менделеев на военном аэростате совершил полет из города Клина длительностью 3 ч 36 мин на высоте 3350 м для наблюдения солнечного затмения. Русские ученые использовали для научных целей и учебные полеты офицеров, снабжая аэростаты метеоприборами.

В 1897 году, вылетев на аэростате объемом 5000 м3 с острова Шпицберген, шведский воздухоплаватель С. Андре с двумя спутниками пытался достичь с попутным ветром Северного полюса, но попытка была неудачной, воздухоплаватели погибли.

В захватнической войне 1899–1902 гг. против буров английские войска применяли сферические привязные аэростаты.

В русско-японской войне 1904–05 гг. и русские, и японские войска использовали привязные аэростаты для корректирования артиллерийского огня.

С начала XX века получили распространение более совершенные змейковые аэростаты, созданные немцем А. Парзевалем в 1893 году. Такого типа аэростаты, имея сравнительно обтекаемую форму, вертикальный стабилизатор и боковые паруса, были устойчивы в воздухе и допускали наблюдение при скорости ветра до 60 км/ч.

Змейковые аэростаты — аппараты, использующие не только подъемную силу легкого газа, но и возникающую аэродинамическую силу при обтекании аэростата ветром, аналогичную подъемной силе, действующей на крыло самолета.

Также весьма эффективны были и привязные змейковые аэростаты для разведки поля боя и корректирования артиллерийской стрельбы. Только Россия, Франция и Германия в период Первой мировой войны имели на фронтах около 550 таких аэростатов наблюдения объемом 820–1050 м3, поднимаемых на высоту 600–2000 м. К концу войны в Великобритании, Франции и Италии змейковые аэростаты объемом 100–270 м3 стали подниматься как заграждения против самолетов на высоту 2–4 км.

Советские воздухоплаватели активно участвовали в годы Гражданской войны в боях под Царицыном, Камышином и др. Новым в боевом использовании привязных аэростатов был подъем их для разведки и корректирования артиллерийского огня с судов речных флотилий (на Волге и Днепре), а также с бронепоездов.

Впервые советский аэростат был поднят 16 марта 1919 года с бронепоезда «Черноморец», действовавшего на Южном фронте. 2-й воздухоплавательный отряд во взаимодействии с бронепоездом «Воля» за 2 недели ожесточенных боев произвел 75 подъемов аэростатов. Советские военные воздухоплаватели совершили на всех фронтах за годы Гражданской войны около 7 тыс. боевых подъемов, проведя в воздухе более 10 тыс. часов.

27 июля 1920 года в честь 2-го конгресса 3-го Интернационала состоялся полет свободного аэростата. Н. Д. Анощенко, И. И. Олеринский и Л. Э. Куни поднялись на аэростате с Красной площади в Москве, достигли высоты около 5000 м и приземлились у города Богородска.

С 1921 года начались регулярные полеты на аэростатах с учебной и тренировочной целями и одновременно проводились научные наблюдения.

8–9 ноября 1922 года Н. Д. Анощенко, И. И. Мейснер и Н. Г. Стобровский на свободном аэростате совершили полет продолжительностью 22 ч 10 мин на расстояние 1273 км (из Москвы до озера Лиекса в Северной Карелии). Это было рекордное достижение.

12 октября 1924 года Обществом друзей воздушного флота были проведены первые Всесоюзные воздухоплавательные состязания, в которых участвовало 8 аэростатов (пять аэростатов объемом по 640 м3, два — по 1437 м3 и один — 2000 м3). Была достигнута наибольшая высота 2485 м и продолжительность полета 23 ч 10 мин.

В 30-е годы для изучения стратосферы в разных странах совершались полеты на стратостатах.

Стратостаты — это летательные аппараты легче воздуха, предназначенные для полета на высотах более 15 км. Имеют герметичную кабину. Применялись для исследования высотных слоев атмосферы.

27 мая 1931 года бельгийцы А. Пикар и М. Кипфер на стратостате объемом 14 300 м3 пробыли в воздухе 16 ч и поднялись на высоту 15 780 м, а 12 августа 1932 года на том же стратостате Пикар и М. Козине пробыли в воздухе 11 ч 45 мин и поднялись на высоту 16 370 м.

30 сентября 1933 года советские стратонавты Г. А. Прокофьев, К. Д. Годунов и Э. К. Бирнбаум на стратостате (конструкции К. Д. Годунова) «СССР-1» объемом около 25 тыс. м3 достигли высоты 19 тыс. м, пробыв в воздухе 8 ч 20 мин.

30 января 1934 года советские стратонавты П. Ф. Федосеенко, А. Б. Васенко и И. Д. Усыскин на стратостате «ОАХ-1» объемом 24 920 м3 достигли высоты 22 тыс. м, пробыв в воздухе 7 ч 04 мин.

11 ноября 1935 года американские стратонавты А. Стивенс и О. Андерсон на стратостате «Эксплорер-2» объемом 105 000 м3 поднялись на высоту 22 066 м. Полеты стратостатов и шаров-зондов с автоматическими радиопередатчиками до высоты 40 км значительно расширили применение воздухоплавания для научных исследований.

В СССР воздухоплавание получило распространение также и в спортивных целях — в состязаниях на продолжительность, высоту и дальность полета.

9 марта 1935 года пилот В. А. Романов и профессор И. А. Хвостиков на аэростате с открытой гондолой достигли высоты 9800 м, а 3 сентября 1935 года И. И. Зыков и А. М. Тропин на аэростате объемом 2200 м3 осуществили рекордный полет продолжительностью 91 ч 15 мин из Москвы в Актюбинскую область.

29 сентября — 4 октября 1937 года на советском дирижабле «СССР В-6» объемом 19 тыс. м3 с тремя двигателями мощностью по 177 квт (240 л. с.) был установлен мировой рекорд продолжительности полета — 130 ч 27 мин. На борту дирижабля находились 16 человек экипажа. Командир экипажа И. В. Паньков.

Наибольших успехов среди женщин добилась А. П. Кондратьева, которая 14–15 мая 1939 года на сферическом аэростате «СССР ВР-31» объемом 600 м3 пролетела за 22 ч 44 мин расстояние 481 км.

16 марта 1941 года С. С. Гайгеров и Б. А. Невернов совершили рекордный (по продолжительности и дальности) полет на аэростате из Москвы в Новосибирскую область, пролетев за 69 ч 20 мин 2767 км.

К началу Великой Отечественной войны из 24 официально зарегистрированных мировых рекордов в области воздухоплавания 17 были завоеваны советскими воздухоплавателями. Широкое применение воздухоплавание нашло в годы Великой Отечественной войны 1941–45 гг. Аэростаты наблюдения вели длительную артиллерийскую разведку, корректировали огонь батарей. Большое распространение в системе противовоздушной обороны Москвы, Ленинграда и других городов от налетов немецко-фашистской авиации получили аэростаты заграждения (АЗ).

После окончания Великой Отечественной войны спортивное и научное Воздухоплавание в Советском Союзе продолжает развиваться. 3 июля 1945 года на аэростате «СССР ВР-70» объемом 600 м3 поднялись в воздух С. А. Зиновеев и А. М. Боровиков для научных наблюдений атмосферного электричества.

9 июля 1945 года с аэростата «СССР ВР-63» они провели наблюдение солнечного затмения.

11 ноября 1945 года на субстратостате «ВР-79» объемом 2700 м3 Г. И. Голышев и М. И. Волков поднялись на высоту 11 500 м для изучения физических явлений в верхних слоях атмосферы.

27 апреля 1949 года на аэростате «СССР ВР-79» объемом 2700 м3 П. П. Полосухин и А. Ф. Крикун поднялись на высоту 12 100 м.

25–28 октября 1950 года советские аэронавты С. А. Зиновеев, С. С. Гайгеров и М. М. Кирпичев совершили полет на том же аэростате из Москвы в Казахстан, пролетев по прямой около 3200 км за 84 ч 24 мин. Полет происходил на высоте более 5 тыс. м.

50-е годы ознаменовались большим скачком в изучении физики атмосферы и, в частности, закономерностей движения воздушных масс. Были открыты так называемые струйные течения в атмосфере. Возникла возможность создания карт струйных течений над всем земным шаром и прогнозирования трассы полета аэростата с момента его старта на несколько суток предстоящего полета. Одновременно с расширением знаний по физике атмосферы произошли и существенные изменения в воздухоплавательной технике. Химическая промышленность выпустила новые пластические материалы для изготовления оболочек аэростатов (полиэтилен, полиэтилентерефталат и др.). Эти материалы прозрачны, прочны, морозостойки, очень легки (1 м2 такой пленки весит 30–50 г) и мало нагреваются лучами Солнца.

На аэростате, выполненном из таких материалов, можно достичь высоты около 40 км и продолжительности полета более 15 суток. Достижения радиотехники, электроники, автоматики, точного приборостроения и др. позволили создать надежно летающие и выполняющие сложную исследовательскую программу беспилотные свободные аэростаты, называемые автоматическими аэростатами. Ими пользуются для изучения воздушных струйных течений, для географических и медико-биологических исследований в нижних слоях стратосферы, как стартовыми площадками для запуска метеорологических ракет, подъема телескопов и т. д.

Интересно, что...

Дискуссия между сторонниками аппаратов легче и тяжелее воздуха на протяжении XIX века была очень бурной. Желающие могут познакомиться с этой дискуссией по художественным произведениям, например Жюля Верна.

Во Вторую мировую войну Япония, используя уже открытые в то время струйные течения, пыталась атаковать территорию США с помощью шаров-зондов.

Исследования верхних слоев атмосферы с помощью стратостатов позволили определить параметры космических систем жизнеобеспечения.

Далее: Аэростаты (они же воздушные шары, они же монгольфьеры). Теоретические основы полета аппаратов легче воздуха

https://elementy.ru/posters/aviation/light

Аэростаты (они же воздушные шары, они же монгольфьеры)

Теоретические основы полета аппаратов легче воздуха

Аппараты легче воздуха не имеют аналогов в живой природе, но именно тепловые воздушные шары и шары, заполненные водородом, впервые позволили посмотреть на землю с высоты птичьего полета.

Принцип создания подъемной силы в аппаратах легче воздуха достаточно прост и сродни плавучести корабля. И в том и в другом случае подъемная сила возникает из-за разности между силой Архимеда и силой тяжести:

Fп = Fa – mg = ρвоздухаVg – сгазаVg = Vg(ρвоздуха – ρгаза),

где V — объем аппарата (воздушного шара), а ρгаза — плотность газа, которым наполнен воздушный шар. Ясно, что чем больше объем шара и чем меньше плотность газа, наполняющего шар, тем больше подъемная сила.

В качестве газа, которым наполняется воздушный шар, можно использовать либо теплый воздух, либо газ с малой плотностью, например водород или гелий.

Величина подъемной силы одного кубического метра подогретого воздуха может быть принята равной примерно 300 гс, одного кубического метра гелия — 1000 гс, одного кубического метра водорода — 1200 гс.

Далее: Первый аппарат легче воздуха, способный поднять человека. Шар братьев Монгольфье (Франция), 1783 г.

Первый аппарат легче воздуха, способный поднять человека

Шар братьев Монгольфье (Франция), 1783 г.

Диаметр — 10 м

Время полета — 25 мин

Известен тем, что:
с полета шара братьев Монгольфье начался отсчет эры воздухоплавания.

Этот аэростат с оболочкой, наполненной горячим воздухом, получил свое название по фамилии изобретателей братьев Монгольфье — Жозефа и Этьена.

На этом шаре в Париже 21 ноября 1783 года. Жан-Франсуа Пилатр де Розье и Франсуа Лоран д'Арланд поднялись и совершили 25-минутный полет. Впоследствии все аппараты, использующие в качестве подъемного газа горячий воздух, стали называть «монгольфьерами».

Далее: Шары-монгольфьеры сегодня. Фиеста радиоуправляемых шаров-монгольфьеров на базе школы «Интеллектуал»

Шары-монгольфьеры сегодня

Фиеста радиоуправляемых шаров-монгольфьеров на базе школы «Интеллектуал»

Диаметр — 6 м
Объем — 120 м3
Подъемная сила — 36 кгс

В конце 50-х годов XX века в Англии и США возобновились работы по тепловому воздухоплаванию. В настоящее время ежегодно производится до 600 аппаратов ведущими фирмами: «Cameron Balloons», «Thunder and Colt», «Lindstrand Balloons», «Sky Balloons». Аппараты используются как для спортивных, так и для рекламных целей. Немаловажную роль в возрождении воздухоплавания сыграл Дон Кэмерон — владелец фирмы «Cameron Balloons».

Международная авиационная федерация (ФАИ) разработала правила проведения соревнований воздухоплавателей.

В России (СССР) возрождение воздухоплавания на тепловых аэростатах началось в 1988 году. Первый монгольфьер советского производства (так было написано на его оболочке) поднялся в Москве на Тушинском аэродроме 28 июля 1989 года.

Наиболее известное место проведения соревнований воздухоплавателей в России — город Великие Луки. Кроме этого, фиесты проходят в Дмитрове и Рязани.

В Москве в 2007 году среди школьников прошла первая в России Фиеста радиоуправляемых шаров-монгольфьеров на базе школы «Интеллектуал».

Радиоуправляемые шары-монгольфьеры представляют собой уменьшенную копию больших аппаратов. Диаметр шара 6 м., объем 120 м3. Подъемная сила нагретого воздуха в шаре равна примерно 36 кгс. Шар имеет уменьшенную плетенную корзину, в которой находится газовая горелка с запасом газа и радиоуправляемое устройство подачи газа в горелку.

Задача участника фиесты — включая и выключая горелку и тем самым поддерживая нужную температуру воздуха, привести шар в заранее заданное место на площадке, где проводится соревнование.

Фиеста проводилась уже два года подряд при содействии фонда «Династия» на территории школы «Интеллектуал» в 2007-м и 2008 гг.

Далее: Дирижабли

Дирижабли

Дирижабль — летательный аппарат легче воздуха, способный перемещаться, в отличие от монгольфьера, практически в любом направлении практически вне зависимости от направления ветра.

Для дирижабля обязательно наличие двигательной установки. При соответствующей силовой установке скорость движения может достигать более 100 км/ч. Форма дирижабля сигарообразная, вытянутая из-за требований аэродинамики. Отношение длины к диаметру лежит в пределах от 4 (дирижабли-монгольфьеры) до 10 (жесткие дирижабли).

Современные дирижабли на самом деле немного тяжелее воздуха — то есть они имеют отрицательную плавучесть. Разница между массой дирижабля (с экипажем и грузом) и массой вытесненного им воздуха называется массой перетяжеления (Мперетяжеления). Эта избыточная масса компенсируется подъемной силой двигательной установки, которая проектируется таким образом, что позволяет создавать усилие для поступательного и подъемного движения. Если бы не было этой массы перетяжеления, то, чтобы посадить дирижабль, приходилось бы выпускать часть гелия, а при высадке экипажа облегченный дирижабль резко бы взмывал вверх. Благодаря избыточной массе в случае аварии, например при отказе двигателя, аппарат плавно садится.

В зависимости от используемого типа каркаса дирижабли делятся на «жесткие», «полужесткие» и «мягкие».

Мягкий дирижабль характеризуется отсутствием каркаса. Кабина (гондола) крепится непосредственно на оболочку с помощью системы тросов и силовых элементов на оболочке. Также крепится силовая установка и оперение (кили и стабилизаторы). Оболочка, как правило, не разделяется на секции, но внутри могут быть образованы отдельные замкнутые полости для компенсации воздухом изменения давления внутри оболочки.

Полужесткий дирижабль — летательный аппарат легче воздуха с силовой рамой, расположенной снаружи, снизу или внутри оболочки. Аэродинамическая нагрузка (аэродинамические силы, действующие на дирижабль) частично воспринимается оболочкой и, в большей степени, силовой рамой. Гондола и силовая установка расположены на раме, оперение может крепиться к оболочке. Оболочка чаще всего не разделяется на отсеки, но внутри могут быть образованы отдельные замкнутые полости для компенсации воздухом изменения давления внутри оболочки.

Жесткий дирижабль — конструктивно выполнен как форменная конструкция с натянутой на нее внешней оболочкой. Легкий газ закачивается в баллонеты, расположенные внутри оболочки, однако возможны и другие варианты исполнения. Силовая установка расположена на силовой ферме, кабина и жилые помещения могут быть частично размещены внутри оболочки. Типичным примером являются дирижабли графа Цеппелина.

По своим характеристикам данные типы дирижаблей можно расположить следующим образом: жесткий — гигантские дирижабли; полужесткий — дирижабли меньшего размера, которые можно отнести к тяжелому классу; мягкий — дирижабли среднего и малого класса. Конкретные размеры зависят от свойств материалов и применяемого легкого газа.

Интересно что...

Во время Второй мировой войны Германия построила более сотни дирижаблей, до 12 воздушных судов одновременно участвовали в налетах на Великобританию.

Тогда же на дирижаблях применялся «перископ наоборот» — наблюдательная гондола с человеком на борту, которая спускалась с борта корабля и позволяла ему не показываться из облачности.

До гибели «Гинденбурга» будущее дирижаблестроения казалось безоблачным; фантасты, современники «цеппелинов», видели небо будущего заселенное этими «мастодонтами».

Эффективное управление подъемной силой дирижабля до сих пор остается интересной задачей, над решением которой продолжают биться конструкторы. В качестве одного из достаточно перспективных вариантов рассматривается подогрев газа.

Цельнометаллический бескаркасный дирижабль с изменением объема в полете и с подогревом газа

Дирижабль К. Э. Циолковского, 1887 г.

Чрезвычайно прогрессивный для своего времени, но так и не реализованный полностью проект

Известен тем, что:

проект дирижабля К. Э. Циолковского широко обсуждается до сих пор; возможно, применение новых материалов позволит реализовать его идеи, но уже на новом уровне.

Проект пытались реализовать в 1934 году, но после смерти К. Э. Циолковского работы свернули. Оболочку использовали при строительстве в Москве станции метро «Маяковская».

Циолковский Константин Эдуардович (1857–1935) — русский ученый и изобретатель в области воздухоплавания, авиации и ракетной техники; основоположник современной космонавтики. Основные работы Циолковского посвящены научному обоснованию цельнометаллического аэростата (дирижабля), аэроплана обтекаемой формы, поезда на воздушной подушке и ракеты для межпланетных путешествий. Первым печатным трудом о дирижаблях был «Аэростат металлический управляемый» (1893), в котором дано научное и техническое обоснование конструкции дирижабля с металлической оболочкой.

Далее: Серийный дирижабль Германии времен Первой мировой войны. Дирижабли жесткой системы «Цеппелин», 1914–1935 гг.

Серийный дирижабль Германии времен Первой мировой войны

Дирижабли жесткой системы «Цеппелин», 1914–1935 гг.
Дирижабль LZ 127 «Граф Цеппелин» (на фото), 1928 г.

Объем оболочки — 105 000 м3

Максимальный диаметр — 30,5 м

Длина — 236,6 м

Максимальная скорость — 128 км/ч

Крейсерская скорость — около 115 км/ч

Дальность полета — более 10 000 км

Высота полета — до 3000 м

Несущий газ (водород) размещался в 17 отсеках

Экипаж — 40–45 человек

Пассажировместимость — 20 человек

Известен тем, что:
само наименование «Цеппелин» стало нарицательным для обозначения дирижаблей жесткой конструкции.

Первый дирижабль жесткой конструкции с алюминиевым каркасом был поднят в воздух 3 ноября 1897 года. Автором конструкции был венгр Давид Шварц, а изготовление обеспечил граф Цеппелин.

Фердинанд фон Цеппелин (1838–1917) — немецкий пионер дирижаблей жесткой системы, граф, генерал. Организатор производства и серийного выпуска дирижаблей жесткой конструкции.

В 1900 году в Германии совершил первый полет дирижабль Ф. Цеппелина. С 1900-го по 1937 год дирижабли графа Цеппелина не имели себе равных.

Всего за годы дирижаблестроительного бума в Германии было построено 130 жестких дирижаблей, за которыми закрепилось название «цеппелины».

Это были дирижабли жесткой системы, конструкция которых вскоре стала основной для дирижаблей, строившихся в Германии, Англии и США.

В итало-турецкой войне 1911–12 годов итальянские войска наряду с привязными змейковыми аэростатами впервые использовали для бомбометания и разведки три дирижабля полужесткой системы. Накануне и во время Первой мировой войны 1914–18 годов. в наиболее развитых капиталистических странах на вооружении находились разные типы дирижаблей объемом от 1500 м3 (английский мягкий дирижабль для обнаружения подводных лодок) до 68 тыс. м3 (немецкий жесткий дирижабль для бомбардировки и дальней разведки). Скорость их полета была 80–130 км/ч, высота 3500–5000 м. Во время войны они эффективно участвовали в морской разведке и охране берегов, в борьбе с подводными лодками на местах стоянок морских судов и при сопровождении судов в море.

После окончания Первой мировой войны в США, Франции, Италии, Германии и других странах продолжалось строительство дирижаблей различных систем объемом от 1400 м3 (полужесткая система) до 184 тыс. м3 (жесткая система) для перевозки пассажиров, грузов и для военных целей.

Достижения воздухоплавания в этих странах нашли свое отражение в полетах дирижаблей 20-х годов.

Желание более равномерно распределить вес гондолы, силовой установки, топлива и полезного груза по всей длине дирижабля побудило конструкторов создать килевую конструкцию, с рамой внизу дирижабля, которая равномерно распределяет нагрузку на баллон с газом, которая в конце 1910-х годов воплотилась в дирижаблях полужесткой конструкции.

Это новое направление в дирижаблестроении приобрело наиболее преданных сторонников во Франции (братья Поль и Пьер Лебоди) и особенно в Италии, где Умберто Нобиле в 1919 году построил полужесткий дирижабль «Рома». Фирма «Goodyear» («Гудиер») построила свой первый полужесткий дирижабль RS-1 объемом 19 440 м3 в 1923 году. За ним последовали дирижабли «Норвегия» и «Италия» (1928 год.).

В мае 1926 года норвежец Руаль Амундсен на дирижабле полужесткой системы «Норвегия» (конструкции итальянского инженера Умберто Нобиле) объемом 18,5 тыс. м3, оборудованном тремя двигателями мощностью по 185 кВт (250 л. с.), совершил за 71 ч беспосадочный перелет с острова Шпицберген через Северный полюс на Аляску. В 1928 году на таком же дирижабле Нобиле отправился в полет через Северный полюс. В 1929 году немецкий дирижабль жесткой системы «Граф Цеппелин» объемом 105 тыс. м3 совершил кругосветный перелет протяженностью 35 тыс. км за 21 день (с тремя промежуточными посадками). Средняя скорость полета была 177 км/ч. Позже, в 1932–37 годах, дирижабль, совершив 136 полетов в Южную Америку и 7 полетов в США, перевез 13 110 пассажиров.

Одним из принципиальных отличий дирижабля LZ 127 «Граф Цеппелин» от других цеппелинов было использование для работы двигателей как жидкого, так и газообразного горючего (блау-газа), плотность которого была близка к плотности воздуха, а теплотворная способность значительно выше, чем у бензина. Это позволяло существенно увеличить дальность полета и избавляло от необходимости затяжелять дирижабль по мере выработки топлива (затяжеление дирижаблей осуществлялось путем выпуска части несущего газа, что создавало ряд экономических и пилотажных неудобств); кроме того, применение блау-газа вело к меньшей, чем в случае установки многочисленных тяжелых баков с бензином, нагрузке на каркас. Блау-газ находился в 12 отсеках в нижней трети каркаса дирижабля, объем которых мог быть доведен до 30 000 м3 (для водорода в таком случае оставалось 105 000 м3 – 30 000 м3 = 75 000 м3). Бензин брался на борт в качестве дополнительного топлива.

Полезная нагрузка дирижабля «Граф Цеппелин» составляла порядка 25 т (при заполнении водородом мешков, предназначенных для блау-газа, — около 55 т), максимальная скорость — 128 км/ч, крейсерская — около 115 км/ч. Дальность полета — более 10 000 км. Экипаж насчитывал 40–45 человек. Этот дирижабль длиной 241 и диаметром до 40,5 м был первым летательным аппаратом, совершавшим трансатлантические коммерческие рейсы. Его двигали четыре дизельных мотора. Дирижабль был оснащен новейшими навигационными приборами и оборудованием, множество технических приспособлений обеспечивало комфорт.

Снизу, непосредственно к корпусу дирижабля, в передней его части жестко крепилась главная гондола, длина которой составляла 40 м, ширина — 6 м и максимальная высота — 2,25 м (самая большая в истории дирижаблестроения гондола). В передней части гондолы находилась рубка управления, за ней — служебные и далее — пассажирские помещения. По комфортабельности LZ 127 значительно превосходил тогдашние (а в некоторых отношениях и современные) самолеты. Пассажиры размещались в десяти двухместных оборудованных каютах со спальными местами. В передней части пассажирского отсека находилась просторная кают-компания площадью 25 м3, в которой одновременно могли разместиться 28 человек. Через наклонные окна кают и салона обеспечивались достаточно хороший обзор и освещение. Кухня была рассчитана на обслуживание более 50 человек в течение нескольких суток. Кроме того, имелись почта, умывальные комнаты и пр.

Далее: Гелиевые дирижабли США. «Акрон» (USS Akron, ZRS-4), на фото, 1931 г. и «Макон» (USS Macon, ZRS-5), 1933 г.

Гелиевые дирижабли США

«Акрон» (USS Akron, ZRS-4), на фото, 1931 г. и «Макон» (USS Macon, ZRS-5), 1933 г.

Объем оболочки — 175 000 м3

Диаметр — 40 м

Длина — 240 м

Крейсерская скорость — 90 км/ч

Максимальная скорость — 130 км/ч

Дальность полета — 19 594 км

Высота полета — до 3000 м

Боевой экипаж — 89 бойцов и офицеров

Вооружение: семь пулеметов

Дополнительное оборудование: четыре самолета

Известен тем, что:
их судьба, как и судьба всех крупных дирижаблей, построенных в 30-е годы XX века, оказалась трагической. «Акрон» и «Макон» погибли при схожих обстоятельствах: сильный ветер и резкий поворот привел к разрушению хвостовой части и падению.

В США первым дирижаблем жесткой конструкции был дирижабль ВМС США «Шенандоа» (ZR-1) с металлическим корпусом, который имел такую же (но несколько более удлиненную) форму, как германские цеппелины периода Первой мировой войны. Затем появились дирижабли «Акрон» и «Макон».

«Акрон» и «Макон» были построены корпорацией «Гудиер–Цеппелин». Они использовали гелий в качестве несущего газа и имели ряд новшеств в своей конструкции.

Главная кабина управления размещалась под корпусом в передней части дирижабля. Внутри корпуса этих гигантских дирижаблей был предусмотрен встроенный самолетный ангар с раздвижным полом. В ангаре можно было разместить пять специальных самолетов. Самолет заправлялся топливом и затем с помощью круговой подвесной монорельсовой дороги перемещался на трапецию, которая опускала его вниз для осуществления взлета и поднимала на борт дирижабля после возвращения.

Эти дирижабли могли швартоваться к стационарной или перевозимой на гусеничном тягаче мачте.

Дирижабль «Макон» имел крейсерскую скорость 136 км/ч при дальности полета 16 000 км. Общий вес дирижабля составлял 200 тонн при полезной нагрузке 90 т. В запасе еще оставалось 15 т динамической подъемной силы, которую можно было использовать для компенсации веса ледяной корки или других непредвиденных нагрузок. Эти дирижабли имели отличную маневренность и могли осуществить разворот с радиусом, который лишь в четыре раза превышал их длину.

Далее: Гибель «Гинденбурга» 6 мая 1937 года. Цеппелин LZ 129 «Гинденбург» (Германия), 1936 г.

Гибель «Гинденбурга» 6 мая 1937 года

Цеппелин LZ 129 «Гинденбург» (Германия), 1936 г.

Объем оболочки — 175 000 м3

Объем оболочки — 200 000 м3

Диаметр — 41,2 м

Длина — 245 м

Скорость полета — 135 км/ч

Высота полета — 3500–5000 м

Экипаж — 40–61 человек

Пассажировместимость — 50–72 человека

Известен тем, что:
трагедия «Гинденбурга» привела к полному сворачиванию работ по водородным дирижаблям.

Немецкий водородный пассажирский дирижабль «Гинденбург» начал свои полеты с пассажирами в мае 1936 года и совершал по 2 рейса в неделю через Атлантику.

3 мая 1937 года шикарный цеппелин «Гинденбург» отбыл из Франкфурта (Германия) в Лейкхерст (Нью-Джерси) с 97 пассажирами на борту. Путешествие длилось три дня, но не слишком утомляло богатых пассажиров. К их услугам были библиотека, бар, прекрасная кухня — лучшие повара Германии готовили изысканные блюда, которые подавали на голубом с позолотой фарфоре, на борту стояло даже специально сконструированное легкое пианино. Одним словом, это был настоящий летающий дворец. Огромный и величавый, он играл в авиации такую же роль, как могучий «Титаник» в судоходстве, и по жестокой иронии судьбы тоже был обречен на гибель.

Всё шло гладко до самого Нью-Джерси, где штормовая погода не позволила сразу подойти к причальной мачте. Дирижабль кружил над ней несколько часов, пока не стих ветер. Наконец он завис над местом причаливания, и команда сбросила швартовы, за которые дирижабль потянули вниз с высоты 60 м. Пассажиры собрали вещи и приготовились к выходу. Вдруг над кормой дирижабля поднялся дымок, за ним второй, и почти сразу вся гигантская сигара вспыхнула. Кому-то удалось спрыгнуть на землю, другие сгорели заживо или разбились вместе с упавшей гондолой. Всего погибло 36 человек. Это случилось 6 мая 1937 года.

Катастрофа дирижабля «Гинденбург» стала переломным моментом в сражении за покорение воздушного пространства. После нее были прекращены работы по водородным дирижаблям почти одновременно во всех странах.

Дирижабли сохранились только в США, где располагались предприятия по выработке гелия.

Водородные дирижабли применялись в годы Великой Отечественной войны в СССР как привязные аэростаты заграждения. Кроме этого, для перевозки специальных грузов в тылу применялся дирижабль мягкой системы «В-12» объемом 3 тыс. м3. Также в СССР в 1944 году под руководством инженера Б. А. Гарфа был сконструирован и построен дирижабль «Победа» объемом 5 тыс. м3, показавший отличные летные качества. С 1945-го по 1947 год этот дирижабль применялся на Черном море для отыскания минных полей, затонувших судов и др.

Начиная с 1950-х годов в Советском Союзе полеты дирижаблей прекратились и возобновились уже в 90-е годы XX века.

В США и ФРГ до 1960-х годов эксплуатировалось несколько дирижаблей мягкой системы. Большинство их полетов совершалось с рекламными целями.

Далее: Дирижабли сегодня. «Скайшип» (Великобритания)

Дирижабли сегодня

«Скайшип» (Великобритания)

Объем — до 6000 куб. м.

Скорость — до 100 км/ч

Известен тем, что:
современные дирижабли мягкого типа «Skyship» работают по охране морской границы США.

Тепловые аэростаты братьев Монгольфье более двух веков назад доказали возможность полета человека на воздушном шаре. Беспилотные шары-«фонарики» известны уже несколько тысячелетий у разных народов. Дирижабль — «управляемый» воздушный шар — может быть также тепловым или газовым. Тепловые дирижабли довольно широко представлены в мире и используются как спортивные, туристические и рекламные. Они летают недалеко и недолго, с небольшой скоростью, требуют хорошей погоды для наполнения и полета. Зато относительно недороги, компактны в хранении и транспортировке, не требуют какого либо оборудования для взлета и посадки.

В России сейчас летают два таких дирижабля: «Балтика» английской фирмы «Cameron Balloons» (Геннадий Опарин, Санкт-Петербург) и чешский дирижабль фирмы «Кубичек» (фирма «Авгуръ», Москва). Оба аппарата двухместные объемом 2500 куб. м. Есть даже одноместный тепловой дирижабль «Полярный гусь» («Авгуръ») , установивший мировой рекорд по высоте полета — почти 9000 м.

Газонаполненные дирижабли — вполне серьезные летательные аппараты, в мире их насчитывается более 20. Это широко известные мягкие дирижабли «Skyship» («Небесные корабли»).

Современные дирижабли выполняют довольно широкий спектр задач. Новая немецкая компания со старым названием «Цеппелин» также строит дирижабли типа «Цеппелин НТ» объемом 7000 куб. м. Эти летательные аппараты оснащены двумя и более поршневыми авиадвигателями с поворотом воздушных винтов и могут взлетать и садиться вертикально. В России сейчас «на ходу» два одноместных дирижабля фирмы «Аэростатика» (Москва), два двухместных дирижабля «Ау-12» объемом 1200 куб. м. и один восьмиместный «Ау-30» («Авгуръ», Москва) объемом 5000 куб. м.

Можно с уверенностью назвать сегодняшнее состояние дирижаблестроения «эпохой возрождения», ибо есть планы постройки дирижаблей размерами не меньше легендарного «Гинденбурга» — этого наполненного водородом монстра объемом 200 000 куб. м и 250 м в длину. Так, фирма «Lockheed Martin» не смогла спрятать от любопытных фотографов довольно большой аппарат, имеющий совмещенную трехкорпусную оболочку и посадочное шасси — воздушную подушку. Отметим, что строительством дирижаблей занимаются страны, которые уже это делали в 20-30-е годы прошлого века: Англия, Франция, Германия, США и Россия.

На сегодняшний день ни один из летающих дирижаблей не способен проплывать большие расстояния — их дальность не превышает 1200 км. Все они имеют мягкую конструктивную схему. Большие и тяжелые грузы пока тоже не возят, да и нужно ли это? А вот восстановить, скажем, трансатлантический рейс на дирижабле было бы вполне реально.

Большие перспективы ожидаются в широком применении автономных беспилотных дирижаблей, размеры которых могут измеряться километрами, а длительность полета более полугода на высотах более 20 000 м!

У дирижаблей, без сомнения, большое и светлое будущее. Немного понадобится времени, что бы огромные сигары в небе над городом стали привычным украшением, а полет на дирижабле, наполненном гелием, или дирижабле-монгольфьере — доступным удовольствием.

Аппараты тяжелее воздуха

Теоретические основы полета аппаратов тяжелее воздуха

Человек имел возможность наблюдать и изучать свободнолетающие «аппараты» задолго до создания первого самолета — у него перед глазами всегда был пример летящей птицы. В легендах любого народа можно найти сказочного героя, способного перемещаться по воздуху, причем способы эти чрезвычайно разнообразны.

Столь же разнообразными были и представления о механизме полета птиц. Высказывалось даже предположение, что подъемная сила крыла вызывается электрическими зарядами, возникающими на распущенных перьях, когда птица раскрывает крылья.

Однако полет на аппарате тяжелее воздуха стал возможен совсем недавно (по меркам человеческой истории) и более чем через сто лет после первого полета на воздушном шаре (аэростате) братьев Монгольфье.

Планеры, или безмоторные летательные аппараты

Наблюдения за парением птиц привели к экспериментам с использованием восходящих воздушных потоков и созданию планеров. Однако серьезным недостатком планера как транспортного средства является то, что он не способен взлететь самостоятельно.

В 1891 году Отто Лилиенталь изготовил планер из ивовых прутьев, обтянутых тканью. За период с 1891-го по 1896 год им было совершено до 2000 полетов. 9 августа 1896 года Отто Лилиенталь погиб. Копию его аппарата можно увидеть в музее Н. Е. Жуковского в Москве на ул. Радио.

Планеризм был популярен в 30-х годах XX века. С проектов планеров начинало большинство известных авиаконструкторов, например О. К. Антонов, С. П. Королев, А. С. Яковлев. Применение современных материалов и аэродинамических форм привело к тому, что в условиях устойчивых восходящих потоков, например в горной местности, планеры способны совершать многочасовые и даже многосуточные полеты.

Аэродинамические схемы планеров стали основой для аппаратов тяжелее воздуха, приводимых силой мышц человека, — «мускулолетов», а также других аппаратов с малой скоростью полета.

Потомками планеров являются «дельтапланы» и «парапланы». Парапланерный спорт в настоящее время чрезвычайно популярен.

Уменьшенные модели парапланов используются как спортивный снаряд для буксировки горных и водных лыжников. Подобный аппарат можно изготовить самостоятельно даже в домашних условиях.

Попытки создать летательный аппарат, способный самостоятельно взлетать, садиться в заданной точке и снова оттуда взлетать, оканчивались неудачей не только из-за недостатка знаний, но и по причине отсутствия пригодного двигателя. В равной степени верно утверждение, что появление нового двигателя, более легкого и мощного или основанного на другом принципе создания движущей силы, приводит к революционному прорыву в развитии авиации.

Теоретические основы полета аппаратов тяжелее воздуха были разработаны Н. Е. Жуковским в начале XX века. Необходимые экспериментальные данные были получены еще в XIX веке А. Ф. Можайским, О. Лилиенталем и др.

Далее: Вертолеты. Основные идеи и краткая история

Вертолеты

Основные идеи и краткая история

Вертолет, или, иначе, геликоптер, создает подъемную силу за счет вращения винта, в отличие от самолета, у которого подъемная сила создается поступательным движением аппарата.

R — равнодействующая аэродинамических сил на винте,
Y — подъемная сила, уравновешивающая силу тяжести,
P — горизонтальная составляющая силы R для движения в горизонтальном направлении,
А — положение винта при висении,
Б — положение винта при горизонтальном полете

Воздух обтекает лопасти вращающегося винта вертолета. Поскольку для создания подъемной силы не имеет существенного значения, создается ли движение путем перемещения всего аппарата или перемещением одного крыла относительно воздуха, то и основной принцип появления данной силы неизменен.

Иными словами, лопасть винта вертолета представляет собой аналог крыла самолета, у которого верхняя часть более «выпуклая», чем нижняя — для эффекта Бернулли.

Кроме того, как и крыло самолета, лопасть винта вертолета образует определенный угол атаки с горизонталью. Это делается для того, чтобы сила сопротивления воздуха при движении лопасти давала составляющую, направленную вверх.

Винт, в соответствии с 3-м законом Ньютона, воздействует на воздух с той же силой, с какой воздух действует на винт. Это приводит к движению воздуха. Движение воздуха направлено сверху вниз. Получается, что вертолет как бы висит на воздушных струях.

Движение воздуха на режиме висения

Вращение винта, в соответствии с законом сохранения момента импульса, создает так называемый «реактивный момент», закручивающий летательный аппарат в противоположную сторону. Для компенсации применяют либо соосную схему с двумя винтами, вращающимися в разные стороны, либо, чаще, используют малый хвостовой «подруливающий» винт, задача которого — создать момент в направлении, противоположном действию реактивного момента. Следует отметить, что реактивный момент свойственен не только вертолетам. В равной степени он возникает и на вращающемся винте у самолета (компенсируется вращением винтов в разные стороны, положением элеронов или рулей высоты).

Когда винт вертолета работает в горизонтальной плоскости, параллельно земле, вертолет может только висеть, поднимаясь выше и ниже (что, кстати, невозможно для самолетов). Чтобы вертолет начал двигаться вперед, ему необходимо изменить угол наклона винта так, чтобы винт толкал аппарат не только вверх, но и вперед.

Идея создания подобного аппарата, взлетающего при помощи винта, была высказана еще Леонардо да Винчи в 1475 году. Неоднократно совершались попытки построить подобный аппарат, в том числе и в России. Так, в 1754 г. М. В. Ломоносовым были проведены экспериментальные работы по определению подъемной силы летательного аппарата с соосными винтами. Однако практическое использование вертолета без мощного двигателя, даже при удачной попытке поднять аппарат в воздух, было невозможно. Вертолет в лучшем случае мог поднять вверх только себя самого.

Первый в истории вертикальный полет состоялся 24 августа (по другим источникам, 29 сентября) 1907 года и продолжался одну минуту. Вертолет, построенный братьями Луи и Жаком Бреге (Louis & Jacques Bréguet) под руководством профессора Шарля Рише (Charles Richet), поднялся в воздух на 50 см.

Аппарат И. И. Сикорского

В России первый вертолетоподобный аппарат, с соосными винтами, создал и довел до стендовых испытаний в 1909–1910 гг. И. И. Сикорский, однако этой машине не хватало подъемной силы.

Вертолет Б. Н. Юрьева 1911 года

Вертолет классической схемы (с большим и малым винтами) появился после изобретения Б. Н. Юрьевым в 1911 году автомата перекоса.

Автомат перекоса — устройство, изменяющее угол наклона каждой лопасти несущего винта по мере движения по окружности. Подобное решение позволило в разных секторах, ометаемых винтом, иметь разные подъемные силы. За счет этого плоскость, в которой вращается несущий винт вертолета, переходит из горизонтального положения в наклонное, наклоняя при этом всю машину, то есть плоскость вращения винта образует некоторый угол с горизонтом. За счет этого поворота у «подъемной силы» появляется составляющая, направленная вперед. Автомат перекоса находится на втулке винта и управляется с помощью рукоятки в кабине пилота. С помощью этого устройства вертолет способен совершать поступательное движение.

К сожалению, попытки поднять в воздух первый вертолет Б. Н. Юрьева с несущим винтом диаметром 8 м и подруливающим винтом, вынесенным на хвостовую балку, оказались неудачными из-за недостаточной прочности вала главного винта.

Интересно, что...

Современные вертолеты способны выполнять такие фигуры высшего пилотажа, как «петля Нестерова».

Скоростные вертолеты (скорость более 450 км/час) имеют комбинированную двигательную установку с подъемным винтом и маршевым двигателем, например винтокрыл В-12.

Существуют аппараты, сочетающие в себе возможности самолета и вертолета, — конвертопланы, например «Ospry».

Есть вертолеты, способные садиться на воду, такие как Ми-14 и Ка-28.