Авиация Братья Райт - Полёты

22 января 2011


Оглавление:
1. Братья Райт
2. Детство
3. Начало карьеры и ранние опыты
4. Полёты



Перед полётами

В июле 1899 Уилбер испытывает перекос крыла, построив и подняв полутораметровый воздушный змей формы, близкой к биплану. В результате перекоса крыльев или их искривления одна сторона крыла получает большую подъёмную силу и поднимается, начиная поворот в направлении более низкого конца. Перекос осуществлялся четырьмя тросами, прикреплёнными к воздушному змею. Тросы прикреплялись к двум палочкам, которые держал человек, запускающий змея, и который вытягивал их в противоположных направлениях, чтобы крылья поворачивались, а змей соответственно поворачивал вправо или влево.

В 1900 братья приехали в долину Китти-Хоук, Северная Каролина, чтобы начать свои эксперименты с управляемыми планёрами. Они выбрали место по совету Октава Шанюта, который предложил песчаное побережье, где есть регулярные ветры и мягкая поверхность для посадки. Они выбрали Китти Хоук после тщательного исследования метеорологических данных Национальной службы погоды, письма в метеорологическую службу. Это место, хотя и отдалённое, было ближе к Дэйтону, чем другие предложенные Шанютом места, в числе которых были Калифорния и Флорида. Отдалённость места также дала им возможность избежать интереса репортёров, которые в 1896 описали эксперименты Шанюта на озере Мичиган как нечто вроде циркового представления. Необходимо было путешествовать поездом из Дэйтона в Цинциннати; пересесть на ночной поезд в Олд поинт Комфорт, Вирджиния; далее на пароме в Норфолк; поездом в Элизабет Сити, Северная Каролина; и морским путём в Китти Хоук, расположенном на так называемых Внешних Берегах в Северной Каролине.

Планёры

В основе проекта первого полноразмерного планёра братьев Райт лежали работы их предшественников: планёр-биплан Шанюта-Херринга, который совершал успешные полёты в 1896 году около Чикаго; данные о подъёмной силе, опубликованные Лилиенталем. Стойки между крыльями их планёра были окружены тросами в их собственной модификации «Пратт Трусс» Шанюта, похожий на мост проект, которое был использован в планёре 1896 года. Братья Райт установили горизонтальный элеватор перед крыльями, а не позади их, эта особенность была сделана для того, чтобы избежать падения и крушения, аналогичных тому, что погубило Лилиенталя. Согласно некоторым биографам Райт, Уилбер, вероятно, совершал все полёты до 1902, возможно, это связано с его харизмой и стремлением защитить младшего брата от риска.

Характеристики планёров братьев Райт
Размах крыла Площадь крыла Хорда Изгиб крыла Аэродинамическое качество Длина Вес
1900 17 фт 6 д 165 фт² 5 фт 1/20 3.5 11 фт 6 д 52 фунтов
1901 22 фт 290 фт² 7 фт 1/12,*1/19 3 14 фт 98 фунтов
1902 32 фт 1 д 305 фт² 5 фт 1/20-1/24 6.5 17 фт 112 фунтов

*

Планёр 1900 года

Планёр 1900 года. Фотографий с пилотом не существует.

Братья совершали полёты на планёре только в течение нескольких дней в начале осени 1900 в Китти Хоук. На первых испытаниях, вероятно 3 октября, пилотом был Уилбер, в это время как планёр летел как бумажный змей невысоко над поверхностью земли, постоянно удерживаемый тросами. Большая часть испытаний планёра была без пилота, использовались мешки с песком, цепи и даже местный мальчик в качестве балласта. Испытывалось управление с помощью перекоса крыла с управлением с земли. Уилбер совершил около дюжины свободных полётов, все они были совершены в один день. Для этих испытаний братья переехали на 6 километров на юг к Килл Дэвил Хиллс, группе песчаных дюн высотой до 30 м. Хотя подъёмная сила планёра оказалась меньше, чем ожидалось, братья были удовлетворены, так как элеватор работал хорошо, и не произошло ни одного падения. Тем не менее, небольшое количество полётов не могло дать возможность по-настоящему испытать перекос крыла.

Пилот должен был лежать на нижнем крыле, что позволяло уменьшать аэродинамическое сопротивление. Они совершили все свои полёты в таком положении в последующие пять лет.

Планёр 1901 года

Орвилл в Китти Хоук с планёром 1901 года, нос аппарата направлен вверх; он не имел хвоста.

Надеясь увеличить подъёмную силу, они построили планёр 1901 года с намного большей площадью крыла и совершили 50 — 100 полётов в июле и августе на расстояния от 6 до 118 м. Планёр несколько раз терял скорость, но эффект парашюта от элеватора позволил Уилберу совершать безопасные приземления, вместо падения. Эти инциденты заставили братьев Райт обратиться к схеме «утка», которую они использовали вплоть до 1910 года. Планёр, тем не менее, оставил две большие нерешённые проблемы. Во-первых, он смог обеспечить только приблизительно одну треть расчётной подъёмной силы, а во-вторых не всегда мог должным образом отреагировать на перекос крыла, поворачивая в противоположном направлении — это было вызвано аномальным перемещением центра давления крыла сильно изогнутого профиля на малых углах атаки.

Слабая подъёмная сила, действующая на планёры, привела Райт к тому, чтобы подвергнуть сомнению точность данных Лилиенталя, а также «коэффициент Смитона» для давления воздуха, который использовался в течение более чем 100 лет и было частью принятого уравнения для подъёмной силы.

Расчёт подъёмной силы
L = k\;S\;V^2\;C_L

L = Подъёмная сила в фунтах
k = Коэффициент давления воздуха
S = Общая площадь поверхности в квадратных футах
V = Скорость в милях в час
CL = Коэффициент подъёмной силы

Копия аэродинамической трубы братьев Райт в Центре авиации и Космонавтики в Вирджинии.

Формула для расчёта, которой пользовались братья Райт позволяла рассчитывать подъёмную силу для крыльев разной формы. На основании данных, полученных при запусках воздушных змеев и планёров, Уилбер определил, что число Смитона составляет около 0.0033, а не 0.0054, как было общепринято и что приводило к ошибке в расчётах.

Вернувшись домой, братья установили на велосипед миниатюрное крыло Лилиенталя и противодействующую пластину на третье, горизонтальное свободновращающееся колесо велосипеда перед рулём. Результаты, основанные на времени поворота третьего колеса, подтверждали их подозрения относительно расчёта подъёмной силы, однако были недостаточно надёжны и требовали усовершенствования прибора. Братья Райт также сделали вывод о том, что эмпирические исследования с крыльями различной формы на полноразмерных планёрах слишком дороги и отнимали много времени. Отложив свой велосипед с третьим колесом, они создали аэродинамическую трубу и стали проводить систематические испытания на миниатюрных крыльях с октября по декабрь 1901 года. Изобретённые ими «весы» для удерживания крыльев в туннеле, были сделаны из велосипедных спиц и металлолома и выглядели весьма неэстетично, однако были настолько же важны для окончательного успеха, как и и их планёры. Устройство братьев Райт для измерения подъёмной силы позволило сделать расчёт коэффициентов для каждого типа крыла. Также они могли наблюдать работу крыльев через стекло в верхней части аэродинамической трубы.

Планёр 1902 года

Большое усовершенствование
Слева — планёр 1901 года, управляемый Уилбером и Орвиллом. Справа — планёр 1902 года, управляемый Уилбером и Дэном Тэйтом, помощником.
Усовершенствования видны при сравнении. Планёр 1901 года летит с крутым углом атаки из-за слабой подъёмной силы и высокого лобового сопротивления. Планёр же 1902 года летит под плоским углом и держится на тросах практически вертикально, что демонстрирует гораздо лучшее аэродинамическое качество летательного аппарата.

Лилиенталь совершал испытания «вращающейся руки» только на крыльях нескольких форм, и Райт ошибочно предполагали, что его расчёты были корректны и к их крыльям, которые имели другую форму. Братья Райт совершили огромный шаг вперёд и произвели основные испытания в аэродинамической трубе на 200 крыльях различных форм и профилей, которые сопровождались глубоким тестированием 38 из них. Испытания, согласно их биографу Говарду, «были самыми важными и успешными авиационными экспериментами, когда-либо проводимыми в столь короткое время с таким небольшим количеством материалов и с таким скромным бюджетом». Ключевым открытием была эффективность более длинных и более узких крыльев: они имели лучшее аэродинамическое качество. Такие формы обеспечивали намного лучшее аэродинамическое качество, чем более широкие крылья, которые братья применяли до того.

Получив новые знания и рассчитав более точное значения числа Смитона, Райт разработали свой планёр 1902 года. Получив данные испытаний в аэродинамической трубе, они сделали профиль более плоским, уменьшив изгиб крыла. Крылья планёра 1901 года имели значительно больший изгиб, это весьма неудачная особенность аппарата Райт была скопирована непосредственно с чертежей Лилиенталя. Получив новые результаты испытаний в аэродинамической трубе, Райт отказались от использования данных Лилиенталя, используя теперь только собственные расчёты в своих проектах.

Уилбер Райт пилотирует планёр 1902 года над Килл Дэвилс Хиллс 10 октября 1902. Единственный задний руль управляем; он заменил первоначально установленный двойной руль. Фотография сделана Лорин Райт.

Как и ранее, первые полёты планёр братьев Райт 1902 года совершал как непилотируемый воздушный змей. Работа с аэродинамической трубой оказалась весьма полезной: подъёмная сила планёра соответствовала расчётной. Новый планёр также имел новую особенность: жёсткий вертикальный руль, который должен был устранить ряд возникавших ранее проблем.

К 1902 году братья поняли, что перекос крыла приводил к различному лобовому сопротивлению окончаний крыльев. Большая подъёмная сила на одном конце крыла также приводила к увеличению лобового сопротивления, что не давало аппарату повернуть в сторону опущенного конца крыла. Так вёл себя бесхвостый планёр 1901 года.

Усовершенствованная форма крыла позволила совершать более далёкие перелёты, а задний руль предотвращал нежелательное отклонение от курса, причём настолько эффективно, что это создавало новую проблему. Иногда, когда пилот пытался выровнять аппарат после поворота, планёр не отвечал на корректирующий перекос крыла и продолжал поворот. Планёр скользил в сторону более низкого окончания крыла, что приводило к снижению с вращением вокруг вертикальной оси. Райт назвали это явление «хорошее рытьё»; современные авиаторы называют его «резкий разворот на землю».

Орвилл не мог не видеть, что жёстко зафиксированный руль создаёт сопротивление эффекту корректирующего перекоса крыла при попытке выровнять планёр после поворота. Он записал в своём дневнике ночью 2 октября: «я изучал новый вертикальный руль». Братья тогда приняли решение сделать задний руль подвижным, чтобы решить эту проблему. Они прикрепили на петлях руль и соединили его с механизмом перекоса крыла, в результате чего одним движением пилот одновременно управлял и отклонением руля, и перекосом крыла. Испытания показали, что подвижный руль должен отклоняться в обратном направлении от того крыла, которое имеет большее лобовое сопротивление при перекосе крыла. Противодействующая сила, создаваемая повёрнутым крылом, позволила корректирующему перекосу крыла надёжно восстанавливать положение после поворота или волнения ветра. Кроме того, когда планёр разворачивался с креном, давление руля преодолевало эффект разницы в лобовых сопротивлениях, и нос аппарата выравнивался в направлении поворота, устраняя неблагоприятное отклонение от курса.

Таким образом братья Райт открыли истинное предназначение подвижного вертикального руля. Его роль состояла не в изменении направления полёта, а скорее в выравнивании аппарата во время поворотов с креном и в выравнивании в случае крена и порывов ветра. Фактически поворот — изменение направления — совершался с помощью контроля горизонтального вращения перекосом крыла. Принципы остались теми же самыми, когда перекос крыла заменили элероны.

Уилбер делает поворот подвижным рулём 24 октября 1902 года.

С помощью нового метода управления Райт впервые достигли истинного контроля своим аппаратом, это произошло 8 октября 1902 и стало важнейшим изобретением в истории авиации. В сентябре и октябре они совершили от 700 до 1 000 полётов, самый длительный из которых продолжался 26 секунд, а его дальность составила 190 м. Сотни хорошо управляемых полётов после установки убедили братьев начать строить летающий аппарат тяжелее воздуха с двигателем.

Таким образом, братья Райт смогли контролировать планёр по трём осям: перекосом крыла — крен, носовым элеватором — тангаж и хвостовым рулём — рыскание. 23 марта 1903 братья Райт подали заявку на свой знаменитый патент для «летающей машины», основанную на полётах их успешного планёра 1902 года. Некоторые историки авиации полагают, что создание системы управления полётом по трём осям на планёре 1902 года было так же, а возможно ещё более существенно, чем установка двигателей на Флайер 1903 года. Петер Якаб из смитсоновского института полагает, что усовершенствование планёра 1902 года по сути является изобретением самолёта.

С двигателем

Первый полёт Флайера-1 17 декабря 1903 года, пилотирует Орвилл, Уилбер — на земле. Фотография Джона Т. Дэниелса со спасательной станции Килл Дэвил Хиллс, использован фотоаппарат Орвилла на треножнике

В 1903 году братья Райт построили оснащённый двигателем Флайер-1, материалом которому послужил обычный для аппаратов Райт конструкционный материал — ель, крепкое и лёгкое дерево. Они также разработали и изготовили деревянные пропеллеры, а также бензиновый двигатель, изготовленный в их магазине велосипедов. Они полагали, что модель пропеллера будет простым вопросом и планировали использовать расчёты для корабельных винтов. Однако их библиотечные исследования не привели к нахождению каких-либо базовых формул для морских или воздушных винтов, и они оказались без отправной точки в этом вопросе. Они обсуждали и долго спорили по этому поводу, пока не пришли к выводу, что пропеллер — по сути то же крыло, только вращающееся в вертикальной плоскости. На этом основании они для проектирования пропеллеров воспользовались данными большего количества испытаний в аэродинамической трубе. В окончательном варианте диаметр пропеллера составил 2,6 м, лопасти были сделаны из трёх склеенных кусков ели. Братья Райт выбрали двойной «толкающий» пропеллер, который должен действовать на больший объём воздуха, чем одинарный относительно медленный пропеллер, и не будет влиять на поток воздуха по передней кромке крыльев.

Уилбер сделал в марте 1903 запись в своей записной книжке о том, что пропеллер опытного образца имел КПД 66 %. Современные испытания в аэродинамической трубе пропеллеров образца 1903 года показали, что они имели КПД более 75 % в условиях первых полётов, а фактически имели максимальный КПД 82 %. Это очень большое достижение, учитывая, что современные деревянные пропеллеры имеют максимальный КПД 85 %.

Ранние двигатели, использованные братьями Райт, как считается, до наших дней не сохранились, более поздний экземпляр, серийный номер 17 1910 года, находится в экспозиции Музее авиации Новой Англии в Виндзор Локс.

Братья Райт написали нескольким изготовителям двигателей, но ни один из них не смог удовлетворить их требования к весу авиационного двигателя. Они обратились к механику их магазина, Чарли Тэйлору, который построил двигатель через шесть недель при постоянных консультациях с братьями. Чтобы вес двигателя был достаточно низким, его основные части были сделаны из алюминия, что было редкостью в то время. Двигатель Райт-Тэйлора был примитивным вариантом современных инжекторных систем, он не имел ни карбюратора, ни топливного насоса. Бензин стекал под своим весом в картер через резиновую трубку из топливного бака, установленного на распорке крыла.

Цепь цепной передачи напоминала аналогичную велосипедную, однако она была произведена предприятием, производящим сверхпрочные цепи для автомобильных двигателей. Стоимость постройки «Флайера-1» составила менее тысячи долларов, это значительно меньше, чем 50 000 долларов, полученных Самуэлем Лэнгли на строительство его Аэродрома. «Флайер-1» имел размах крыла 12 м, весил 283 кг, и был оснащён двигателем мощностью 9 kW и весом 77 кг.

После недель задержек в Китти Хоук, вызванных поломкой пропеллера во время испытаний двигателя, Уилбер выиграл в орлянку право первым взлететь и совершил попытку взлёта 14 декабря 1903 года, однако самолёт упал сразу после взлёта, «Флайер-1» при этом незначительно пострадал. В письме к семье Уилбер писал, что испытание принесло «только частичный успех», констатируя, что «мощности вполне достаточно, и если бы не пустяковая ошибка и не недостаток опыта с этой машиной и этим методом старта, машина несомненно полетела бы красиво». После ремонта братья Райт наконец поднялись в воздух 17 декабря 1903, совершив два полёта, каждый от уровня земли при встречном ветре скоростью 43 км/час. Первый полёт совершил Орвилл, он пролетел 36.5 метров за 12 секунд, этот полёт был зарегистрирован на известной фотографии. Следующие два полёта были длиной около 52 и 60 метров, совершённые Уилбером и Орвиллом соответственно. Их высота была около 3 метров над уровнем земли. Запись Орвилла Райта о последнем полёте в этот день:

Сразу же после полудня Уилл отправился в четвёртый, и последний, полет. Машина делала скачки вверх и вниз, как прежде, но к моменту, когда она пролетела 300 или 400 футов, Уилл почувствовал, что она управляется намного лучше и движется замечательно ровно. Это происходило до тех пор, пока аппарат не достиг небольшого пригорка, находившегося на расстоянии около 800 футов от места старта. В это время вновь началась килевая качка, и машина внезапно устремилась к земле. Расстояние над землей в 852 фута было пройдено за 59 секунд. Рама переднего руля была сильно повреждена, но главная рама не пострадала совсем. Мы оценили, что машина может быть приведена в удовлетворительное состояние для полётов снова через день или два.



Просмотров: 4951


<<< Пруссис, Христофор Францевич
Рисер-Ларсен, Яльмар >>>