Полет - Flight

Полет, изобретенный человеком: Boeing 787 Royal Jordanian Airlines

Полет или летать это процесс , с помощью которого объект движется через пространство без контакта с какой - либо поверхности планеты , либо в пределах атмосферы (т.е. полета воздушного или авиации ) или через вакуум из космического пространства (т.е. космического полета ). Это может быть достигнуто путем создания аэродинамической подъемной силы, связанной с планирующей или движущей силой , аэростатически с использованием плавучести или баллистическим движением.

Многие вещи могут летать, от животных-авиаторов, таких как птицы , летучие мыши и насекомые , до естественных планеров / парашютистов, таких как патагиальные животные, анемохористые семена и баллистоспоры , до человеческих изобретений, таких как самолеты ( самолеты , вертолеты , дирижабли , воздушные шары и т. Д.) И ракеты. которые могут приводить в движение космические корабли и космические самолеты .

Инженерные аспекты полета - это сфера аэрокосмической техники, которая подразделяется на аэронавтику , изучение транспортных средств, путешествующих в атмосфере, и космонавтику , изучение транспортных средств, путешествующих в космосе, и баллистику , изучение полета снарядов.

Виды полета

Плавучий полет

Дирижабль летит, потому что сила, направленная вверх, вызванная смещением воздуха, равна или превышает силу тяжести.

Людям удалось построить летательные аппараты легче воздуха, которые поднимаются над землей и летают благодаря своей плавучести в воздухе.

Аэростат представляет собой систему , которая остается в воздухе , прежде всего , за счет использования плавучести , чтобы дать воздушного судна , ту же общую плотность как воздух. Аэростаты включают в себя бесплатные воздушные шары , дирижабли и пришвартованные воздушные шары . Основным структурным компонентом аэростата является его конверт , легкий кожи , покрывающей объем подъема газа для обеспечения плавучести , к которому присоединены другие компоненты.

Аэростаты названы так потому , что они используют «воздухоплавательный» лифт, плавучесть сила , которая не требует бокового перемещения через окружающую воздушную массу для осуществления подъемной силы. Напротив, аэродинамические конструкции в основном используют аэродинамическую подъемную силу , которая требует бокового движения по крайней мере некоторой части летательного аппарата через окружающую воздушную массу.

Аэродинамический полет

Полет без двигателя против полета с двигателем

Некоторые летающие объекты не создают движущей силы в воздухе, например, белка-летяга . Это называется скольжением . Некоторые другие вещи могут использовать поднимающийся воздух для лазания, например, хищники (при планировании) и искусственные планеры-планеры . Это называется взлетом . Однако большинству других птиц и всем самолетам с двигателем необходим источник движения для набора высоты. Это называется полетом с приводом от двигателя.

Полет животных

Женская кряква утка
Изумрудная стрекоза тау

Единственные группы живых существ, которые используют механический полет, - это птицы , насекомые и летучие мыши , в то время как многие группы эволюционировали в области планирования. Вымершие птерозавры , отряд рептилий, современников динозавров , также были очень успешными летающими животными. Крылья каждой из этих групп развивались независимо , и насекомые были первой группой животных, которая эволюционировала в полете. Все крылья групп летающих позвоночных основаны на передних конечностях, но существенно различаются по строению; у насекомых предполагается, что это сильно модифицированные версии структур, образующих жабры у большинства других групп членистоногих .

Летучие мыши - единственные млекопитающие, способные выдерживать горизонтальный полет (см. Полет летучих мышей ). Однако есть несколько планирующих млекопитающих, которые могут скользить с дерева на дерево, используя мясистые перепонки между конечностями; некоторые могут преодолевать сотни метров таким образом с очень небольшой потерей высоты. Летающие лягушки используют для той же цели сильно увеличенные перепончатые лапы, а есть летающие ящерицы, которые складывают свои подвижные ребра в пару плоских скользящих поверхностей. «Летающие» змеи также используют подвижные ребра, чтобы придать своему телу аэродинамическую форму, с возвратно-поступательным движением, почти таким же, как они используют на земле.

Летучая рыба может скользить, используя увеличенные, похожие на крылья плавники, и наблюдалась, как она парит на сотнях метров. Считается, что эта способность была выбрана естественным отбором, потому что она была эффективным средством спасения от подводных хищников. Самый продолжительный зафиксированный полет летучей рыбы составил 45 секунд.

Большинство птиц летают ( см. Полет птиц ), за некоторыми исключениями. Самые крупные птицы, страус и эму , - это наземные нелетающие птицы , как и ныне вымершие додо и форусрациды , которые были главными хищниками Южной Америки в кайнозойскую эру. У нелетающих пингвинов есть крылья, адаптированные для использования под водой, и они используют те же движения крыльев для плавания, что и большинство других птиц для полета. Большинство мелких нелетающих птиц обитают на небольших островах и ведут образ жизни, при котором полет не дает особых преимуществ.

Среди летающих животных у странствующего альбатроса самый большой размах крыльев - до 3,5 метров (11 футов); дрофа имеет наибольший вес, превысив на 21 кг (46 фунтов).

Большинство видов насекомых могут летать во взрослом возрасте. В полете насекомых используется одна из двух основных аэродинамических моделей: создание вихря на переднем крае, которое встречается у большинства насекомых, и использование хлопков и хлопков , которые есть у очень маленьких насекомых, таких как трипсы .

Механический

Механический полет: вертолет Robinson R22 Beta

Механический полет - это использование машины для полета. Эти машины включают самолеты, такие как самолеты , планеры , вертолеты , автожиры , дирижабли , воздушные шары , орнитоптеры, а также космические корабли . Планеры способны летать без двигателя. Другой вид механического полета - это парасейлинг, когда лодка тянет за собой парашютоподобный объект. В самолете подъемная сила создается крыльями; форма крыльев самолета разработана специально для желаемого типа полета. Есть разные типы крыльев: закаленные, полукруглые, стреловидные, прямоугольные и эллиптические. Крыло самолета иногда называют аэродинамическим профилем , это устройство, которое создает подъемную силу, когда через него проходит воздух.

Сверхзвуковой

Сверхзвуковой полет - это полет быстрее скорости звука . Сверхзвуковой полет связан с образованием ударных волн, которые образуют звуковой удар, который можно услышать с земли, и часто он поражает. Для создания этой ударной волны требуется довольно много энергии, и это делает сверхзвуковой полет менее эффективным, чем дозвуковой полет со скоростью примерно 85% от скорости звука.

Гиперзвуковой

Гиперзвуковой полет - это полет на очень высокой скорости, при котором тепло, генерируемое сжатием воздуха из-за его движения, вызывает химические изменения в воздухе. Гиперзвуковой полет достигается за счет повторного входа в космические корабли, такие как космический шаттл и Союз .

Баллистический

Атмосферный

Некоторые объекты создают небольшую подъемную силу или не создают ее и перемещаются только или в основном под действием импульса, силы тяжести, сопротивления воздуха и, в некоторых случаях, тяги. Это называется баллистическим полетом . Примеры включают шары , стрелы , пули , фейерверки и т. Д.

Космический полет

По сути, это крайняя форма баллистического полета, космический полет - это использование космических технологий для полета космических аппаратов в космическое пространство и через него . Примеры включают баллистические ракеты , орбитальные космические полеты и т. Д.

Космический полет используется в исследовании космоса , а также в коммерческой деятельности, такой как космический туризм и спутниковая связь . Дополнительное некоммерческое использование космических полетов включает космические обсерватории , разведывательные спутники и другие спутники наблюдения Земли .

Космический полет обычно начинается с запуска ракеты , которая обеспечивает начальную тягу для преодоления силы тяжести и отталкивает космический корабль от поверхности Земли. Оказавшись в космосе, движение космического корабля - как без движения, так и с двигателем - рассматривается в области исследований, называемой астродинамикой . Некоторые космические аппараты остаются в космосе на неопределенный срок, некоторые распадаются при входе в атмосферу , а другие достигают планетарной или лунной поверхности для приземления или столкновения.

Твердотельная двигательная установка

В 2018 году исследователям из Массачусетского технологического института (MIT) удалось запустить самолет без движущихся частей, питаемый « ионным ветром», также известным как электроаэродинамическая тяга.

История

Многие человеческие культуры создали устройства, которые летают, начиная с самых первых снарядов, таких как камни и копья, бумеранга в Австралии , горячего воздушного фонаря Kongming и воздушных змеев .

Авиация

Джордж Кэли изучал полет с научной точки зрения в первой половине XIX века, а во второй половине XIX века Отто Лилиенталь совершил более 200 полетов на планере и был одним из первых, кто понял полет с научной точки зрения. Его работа была воспроизведена и расширена братьями Райт, которые совершали планирующие полеты и, наконец, первые управляемые и расширенные пилотируемые полеты.

Космический полет

Космические полеты , особенно полеты человека в космос, стали реальностью в 20 веке после теоретических и практических открытий Константина Циолковского и Роберта Х. Годдарда . Первый орбитальный космический полет был в 1957 году, а Юрий Гагарин был проведен на борту первого пилотируемого орбитального космического полета в 1961 году.

Физика

Дирижабли легче воздуха могут летать без каких-либо значительных затрат энергии.

Есть разные подходы к полету. Если объект имеет меньшую плотность, чем воздух, то он плавучий и может парить в воздухе без затрат энергии. Тяжелее воздуха корабль, известный как Aerodyne , включает в себя скребки животных и насекомое, самолеты и вертолеты . Поскольку аппарат тяжелее воздуха, он должен создавать подъемную силу, чтобы преодолевать свой вес . Сопротивление ветру, вызванное движением аппарата по воздуху, называется сопротивлением и преодолевается движущей силой, за исключением случая скольжения .

Некоторые транспортные средства также используют тягу для полета, например, ракеты и реактивные самолеты Harrier Jump Jump .

Наконец, при полете баллистических летающих объектов преобладает импульс .

Силы

Основные силы, действующие на самолет тяжелее воздуха

Силы, относящиеся к полету,

Эти силы должны быть сбалансированы для обеспечения устойчивого полета.

Толкать

Силы на поперечном сечении крыла

С неподвижным крылом самолета создает тягу вперед , когда воздух выталкивается в направлении , противоположном направлению полета. Это можно сделать несколькими способами, включая вращающиеся лопасти пропеллера или вращающийся вентилятор, выталкивающий воздух из задней части реактивного двигателя , или выбрасывая горячие газы из ракетного двигателя . Прямая тяга пропорциональна массе воздушного потока, умноженной на разницу в скорости воздушного потока. Обратную тягу можно создать для облегчения торможения после приземления, изменив шаг лопастей винта с переменным шагом или используя реверсор тяги на реактивном двигателе. Винтокрылые летательные аппараты и летательные аппараты V / STOL с вектором тяги используют тягу двигателя, чтобы выдерживать вес самолета, и векторную сумму этой тяги вперед и назад для управления скоростью движения.

Поднимать

Подъемная сила определяется как составляющая аэродинамической силы , перпендикулярная направлению потока, а сопротивление - как составляющая, параллельная направлению потока.

В контексте поток воздуха по отношению к летающим телу, лифт сила является составляющей части аэродинамической силы , которая является перпендикулярной к направлению потока. Аэродинамическая подъемная сила возникает, когда крыло вызывает отклонение окружающего воздуха - воздух затем вызывает силу на крыло в противоположном направлении в соответствии с третьим законом движения Ньютона .

Лифт обычно ассоциируются с крылом в качестве самолета , хотя подъема также порождаются роторами на вертолетном (которые эффективно вращающиеся крыла, выполняя ту же функцию , не требуя , что воздушное судно двигаться вперед по воздуху). В то время как общепринятое значение слова « подъемник » предполагает, что подъемная сила противодействует силе тяжести, аэродинамическая подъемная сила может быть в любом направлении. Когда самолет крейсерской , например, лифт делает противостоять гравитации, но подъем происходит под углом при подъеме, по убыванию или банковской. На высокоскоростных автомобилях подъемная сила направлена ​​вниз (так называемая «прижимная сила»), чтобы поддерживать устойчивость автомобиля на дороге.

Тащить, тянуть

Для твердого объекта, движущегося в жидкости, сопротивление является составляющей чистой аэродинамической или гидродинамической силы, действующей противоположно направлению движения. Следовательно, сопротивление препятствует движению объекта, и в транспортном средстве его необходимо преодолевать с помощью тяги . Процесс создания подъемной силы также вызывает некоторое сопротивление.

Отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению

Соотношение скорости и сопротивления для типичного самолета

Аэродинамическая подъемная сила создается движением аэродинамического объекта (крыла) по воздуху, который из-за своей формы и угла отклоняет воздух. Для продолжительного полета по прямой и горизонтальной плоскости подъемная сила должна быть равна и противоположна весу. Как правило, длинные узкие крылья способны отклонять большое количество воздуха с низкой скоростью, тогда как меньшие крылья нуждаются в более высокой скорости движения вперед, чтобы отклонить эквивалентное количество воздуха и, таким образом, создать эквивалентную подъемную силу. Большие грузовые самолеты, как правило, используют более длинные крылья с большими углами атаки, тогда как сверхзвуковые самолеты, как правило, имеют короткие крылья и в значительной степени полагаются на высокую скорость движения для создания подъемной силы.

Однако этот процесс подъема (отклонения) неизбежно вызывает задерживающую силу, называемую сопротивлением. Поскольку подъемная сила и сопротивление являются аэродинамическими силами, отношение подъемной силы к сопротивлению является показателем аэродинамической эффективности самолета. Отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению - это отношение L / D, произносимое как «отношение L к D». Самолет имеет высокое отношение L / D, если он создает большую подъемную силу или небольшое сопротивление. Отношение подъемной силы / сопротивления определяется путем деления коэффициента подъемной силы на коэффициент сопротивления, CL / CD.

Коэффициент подъемной силы Cl равен подъемной силе L, деленной на (плотность r, умноженная на половину скорости V в квадрате, умноженную на площадь крыла A). [Cl = L / (A * .5 * r * V ^ 2)] На коэффициент подъемной силы также влияет сжимаемость воздуха, которая намного больше при более высоких скоростях, поэтому скорость V не является линейной функцией. На сжимаемость также влияет форма поверхностей самолета.

Коэффициент сопротивления Cd равен сопротивлению D, деленному на (плотность r, умноженная на половину скорости V в квадрате, умноженную на контрольную площадь A). [Cd = D / (A * .5 * r * V ^ 2)]

Отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению для практических самолетов варьируется от примерно 4: 1 для транспортных средств и птиц с относительно короткими крыльями до 60: 1 или более для транспортных средств с очень длинными крыльями, таких как планеры. Больший угол атаки по сравнению с движением вперед также увеличивает степень отклонения и, таким образом, создает дополнительную подъемную силу. Однако больший угол атаки также вызывает дополнительное сопротивление.

Отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению также определяет качество и дальность скольжения. Поскольку качество полета основано только на соотношении аэродинамических сил, действующих на самолет, вес самолета не повлияет на него. Единственный эффект веса - это изменение времени, в течение которого самолет будет планировать - более тяжелый самолет, планирующий с большей скоростью, прибудет в ту же точку приземления за более короткое время.

Плавучесть

Давление воздуха, действующее на объект в воздухе, больше, чем давление выше давления. Плавучесть в обоих случаях равна весу вытесняемой жидкости - принцип Архимеда справедлив для воздуха так же, как и для воды.

Кубический метр воздуха при обычном атмосферном давлении и комнатной температуре имеет массу около 1,2 килограмма, поэтому его вес составляет около 12 ньютонов . Следовательно, любой объект размером 1 кубический метр в воздухе поднимается с силой в 12 ньютонов. Если масса объекта размером 1 кубический метр превышает 1,2 килограмма (так что его вес превышает 12 ньютонов), он падает на землю при выпуске. Если объект такого размера имеет массу менее 1,2 килограмма, он поднимается в воздух. Любой объект, имеющий массу меньше массы равного объема воздуха, поднимется в воздух - другими словами, любой объект, менее плотный, чем воздух, будет подниматься.

Отношение тяги к массе

Соотношение тяги к весу составляет, как предполагает его название, отношение мгновенной тяги к весу (где средство веса вес на Земле стандартного ускорения «ы ). Это безразмерный параметр, характерный для ракет и других реактивных двигателей, а также транспортных средств, приводимых в движение такими двигателями (обычно космических ракет-носителей и реактивных самолетов ).

Если отношение тяги к весу превышает местную силу тяжести (выраженную в gs ), то полет может происходить без какого-либо поступательного движения или какой-либо аэродинамической подъемной силы.

Если удельная тяга, умноженная на подъемную силу, превышает местную силу тяжести, тогда возможен взлет с использованием аэродинамической подъемной силы.

Динамика полета

Наклон вверх крыльев и оперения самолета, как это видно на этом Боинге 737 , называется двугранным углом.

Динамика полета - это наука об ориентации и управлении воздушными и космическими аппаратами в трех измерениях. Три критических параметра динамики полета - это углы поворота в трех измерениях относительно центра масс транспортного средства , известные как тангаж , крен и рыскание ( объяснение см. В разделе « Вращения Тейта-Брайана» ).

Контроль этих размеров может включать в себя горизонтальный стабилизатор (то есть «хвост»), элероны и другие подвижные аэродинамические устройства, которые контролируют угловую устойчивость, то есть положение полета (которое, в свою очередь, влияет на высоту и курс ). Крылья часто слегка наклонены вверх - они имеют «положительный двугранный угол », который обеспечивает внутреннюю стабилизацию крена.

Энергоэффективность

Чтобы создать тягу, чтобы иметь возможность набирать высоту и продвигаться по воздуху, чтобы преодолеть сопротивление, связанное с подъемной силой, все это требует энергии. Различные объекты и существа, способные летать, различаются по эффективности их мускулов, двигателей и тому, насколько хорошо это переводится в прямую тягу.

Эффективность движения определяет, сколько энергии вырабатывают транспортные средства из единицы топлива.

Диапазон

Диапазон, которого может достичь привод от летных изделий, в конечном итоге ограничен их сопротивлением, а также тем, сколько энергии они могут хранить на борту и насколько эффективно они могут превратить эту энергию в движущую силу.

Для самолетов с двигателем полезная энергия определяется их долей топлива - какой процент взлетной массы составляет топливо, а также удельной энергией используемого топлива.

Соотношение мощности к весу

Все животные и устройства, способные к продолжительному полету, нуждаются в относительно высоком соотношении мощности к весу, чтобы иметь возможность создавать достаточную подъемную силу и / или тягу для взлета.

Взлет и посадка

Транспортные средства, которые могут летать, могут взлетать и приземляться разными способами . Обычные самолеты ускоряются по земле до тех пор, пока не будет создана достаточная подъемная сила для взлета , и полностью изменить процесс посадки . Некоторые самолеты могут взлетать на малой скорости; это называется коротким взлетом. Некоторые летательные аппараты, такие как вертолеты и прыжковые реактивные самолеты Harrier, могут взлетать и приземляться вертикально. Ракеты также обычно взлетают и приземляются вертикально, но некоторые конструкции могут приземляться и горизонтально.

Навигация, навигация и контроль

Навигация

Навигация - это системы, необходимые для расчета текущего местоположения (например, компас , GPS , LORAN , звездный трекер , инерциальный измерительный блок и высотомер ).

В самолетостроении успешная аэронавигация предполагает пилотирование самолета с места на место, не заблудившись, нарушая законы, применимые к самолетам, и не ставя под угрозу безопасность тех, кто находится на борту или на земле .

Методы, используемые для навигации в воздухе, будут зависеть от того, выполняет ли воздушное судно правила визуального полета (VFR) или правила полетов по приборам (IFR). В последнем случае пилот будет осуществлять навигацию исключительно с использованием приборов и радионавигационных средств, таких как маяки, или по указанию диспетчеров управления воздушным движением под контролем радара . В случае VFR пилот будет в основном ориентироваться с использованием точного счисления в сочетании с визуальными наблюдениями (известными как лоцманская проводка ) со ссылкой на соответствующие карты. Это можно дополнить радионавигационными средствами.

Руководство

Система управления является устройство или группу устройств , используемых в навигации по с корабля , самолета , ракет , ракеты , спутника или другого подвижного объекта. Обычно руководство отвечает за вычисление вектора (т. Е. Направления, скорости) к цели.

Контроль

Обычная система управления полетом самолета с неподвижным крылом состоит из поверхностей управления полетом , соответствующих органов управления кабиной, соединительных рычагов и необходимых рабочих механизмов для управления направлением самолета в полете. Органы управления двигателем самолета также считаются средствами управления полетом, поскольку они изменяют скорость.

Движение

В случае с самолетами воздушное движение контролируется системами управления воздушным движением .

Предупреждение столкновений является процессом управления космического корабля , чтобы попытаться предотвратить столкновения.

Безопасность полетов

Безопасность полетов - это термин, охватывающий теорию, расследование и категоризацию отказов в полете , а также предотвращение таких отказов посредством регулирования, обучения и подготовки. Его также можно применять в контексте кампаний, информирующих общественность о безопасности авиаперелетов .

Смотрите также

использованная литература

Примечания
Библиография

внешние ссылки

Полет путеводитель от викигида