История авиации

История авиации

Мечта человечества о полёте, возможно, впервые была реализована в Китае, где полёт человека, привязанного (в виде наказания) к бумажным змеям был описан в VI веке н. э. Позднее первый управляемый полёт на дельтаплане совершил Аббас ибн Фарнас в Аль-Андалусе в IX веке н. э. У Леонардо да Винчи (XV в.) мечта о полёте нашла выражение в нескольких проектах, но он не пытался их реализовывать. Первые серьёзные попытки полёта человека были реализованы в Европе в конце XVIII века.

Привязанные воздушные шары, заполненные горячим воздухом, были усовершенствованы в первой половине XIX века и применялись в значительных масштабах в ряде войн середины столетия; наибольшую известность получило их применение во время Гражданской войны в США, когда воздушные шары использовались для наблюдения во время сражения у Питтерсберга.

Эксперименты с планёрами заложили основу строительства аппаратов тяжелее воздуха, и в начале XX века прогресс в двигателестроении дал возможность управляемого полёта с двигателем. С этого времени, авиаконструкторы изо всех сил пытались создать аппараты, которые были бы быстрее, летели дальше и выше, и имели бы более простое управление. Важные факторы, влияющие на прогресс в самолётостроении:

• Управление: Первоначально планёры управлялись путём движений телом (Отто Лилиенталь) или перекосом крыла (братья Райт). Современные самолёты используют различные средства механизации — элероны, рули направления и рули высоты. На некоторых военных самолётах (например, на истребителе Су-27) аэродинамическая устойчивость обеспечивается специальной системой, причём полёт без помощи системы фактически невозможен. Аэродинамическая неустойчивость позволяет обеспечить более высокую манёвренность летательного аппарата, недоступную для аэродинамически устойчивого аппарата.
• Мощность: Авиационные двигатели становятся всё более лёгкими и эффективными, от паровых двигателей Клемента Адера до поршневых, реактивных и ракетных двигателей.
• Материал: Первоначально летательные аппараты изготавливались из тканей и дерева, затем стали использоваться специально обработанные ткани и стальные трубки, полностью алюминиевые конструкции (в период Второй мировой войны), а сегодня всё в большей мере используются композиционные материалы.

Первые полёты

Мечта о полёте встречается в мифах разных народов мира (например, о Дедале и Икаре в греческой мифологии, или о Пушпака Вимана в Рамаяне). Первые попытки полёта также часто связаны с идее подражать птицам, как в мифе о Дедале его крылья из перьев и воска. Попытки строить крылья и спрыгивать из высоких башен продолжались даже в семнадцатом веке.

Древняя Греция

Около 400 до н. э. Архит Тарентский, древнегреческий философ, математик, астроном, государственный деятель и стратег, возможно, разработал первый летательный аппарат, представляющий собой модель птицы, и, как утверждают источники, пролетел около 200 метров.[1][2] Эта машина, которую изобретатель назвал Голубем (греч. Περιστέρα, Peristera), вероятно, подвешивалась на тросе или на стержне во время полёта.

Воздушные шары и воздушные змеи в Китае

Летающий фонарик (прототип аэростатов с оболочкой, наполненной горячим воздухом) был известен в Китае с древнейших времён. Его изобретение приписывается генералу Чжугэ Ляну (180—234 н. э., почётный титул Кунмин), который, как сообщают источники, использовал их, чтобы вселять страх во вражеские войска:

Масляная лампа была установлена под большим бумажным мешком, который поднимался с горячим воздухом от лампы. … Враги были охвачены страхом из-за света в воздухе, думая, что божественная сила помогала ему.

Однако, устройство, представляющее собой лампу в бумажном ёмкости, зарегистрировано ранее, и, согласно Джозефу Нидхэму, воздушные шары с горячим воздухом в Китае были известны III в. до н. э.

В V веке н. э. Лю Бан изобрёл 'деревянную птицу', которая, возможно, была большим бумажным змеем или ранним планёром.

В период династии Юань (XIII в.) при таких правителях, как Хубилай, прямоугольные лампы стали постоянно использоваться на праздниках, на которых присутствовало много людей. В монгольский период это изобретение, возможно, распространилось по Великому Шёлковому Пути в Среднюю Азию и на Ближний Восток. Почти идентичные парящие фонарики с прямоугольной лампой в тонкой бумаге были обычны на Тибете во время больших праздников и на индийском фестивале огней, Дивали. Однако нет никаких свидетельств, что они использовались для полёта человека.

В 559 полёт человека на воздушном змее был задокументирован в королевстве Северной Вэй.После смерти императора Юань Ланга (513—532), его генерал Гао Хуань стал императором. После смерти Гао Хуаня него сын Гао Ян, запустил Юань Хуантоу, сына бывшего императора, на воздушном змее с башни в его столице Е. Юань Хуантоу пролетел над городскими стенами и приземлился живым, однако вскоре был казнён. Возможно, способность воздушных змеев поднять человека, как отметил несколько столетий спустя Марко Поло, была известна уже в это время.

Парашюты и планёры в Испании Омейядов и в Англии

В мусульманской Испании во время правления Омейядов в Кордовском халифате зарегистрировано несколько попыток полёта арабского учёного и изобретателя Аббаса ибн Фарнаса (его латинизированное имя — «Армен Фирман», это обстоятельство приводят к спорам, принадлежат они одному и тому же или двум разным людям), пользовавшегося покровительством эмира Абд ар-Рахмана II. В 852 он сделал крылья из ткани, натянутой на деревянные распорки. С этим похожим на зонтик аппаратом Аббас ибн Фарнас спрыгнул из минарета Великой Мечети в Кордове — в то время как он не смог лететь, его аппарат замедлил его падение, и он упал, получив незначительные травмы. Его устройство, как полагают, явилось прообразом современного парашюта.

Двадцать пять лет спустя, в возрасте 65 лет, ибн Фарнас разработал улучшенный проект, который включал первые поверхности управления полётом. Он взял этот каркас с крыльями, который, вероятно, был первым дельтапланом, и спустился с маленького холма, который назывался Джабаль ал-'арус, и, очевидно управляя им, продержался в воздухе в течение достаточно долгого времени, по некоторым подсчётам целых десять минут. Это было первой попыткой управляемого полёта, поскольку он мог изменять его высоту и направление, так как он возвратился туда, откуда начал путь. После успешного возвращения к отправной точке, он в конечном счёте упал на землю, и сказал позднее, что приземление можно улучшить, сделав хвостовую часть.Его полёт очевидно вдохновил Эйлмера Малмсберийского, который более чем через столетие (около 1010), на аппарате, похожем на планёр, пролетел около 200 метров.

Современный полёт

Легче воздуха

La France в 1884, первый полностью управляемый дирижабль

Первый общеизвестный полёт человека был совершён в Париже в 1783. Жан-Франсуа Пилатр де Розье и маркиз де Арландес пролетели 8 км на воздушном шаре разработки братьев Монгольфье, наполненном горячим воздухом. Воздушный шар нагревался огнём от сжигаемой древесины и не был управляемым, то есть перемещался по воле ветра.

Запуск воздушных шаров-зондов стал популярным развлечением в Европе в конце XVIII века, таким образом человек начал покорять высоту и атмосферу.

Работа над созданием управляемого воздушного шара (дирижабля) (который получил название воздушный корабль) продолжалась в течение 1800-х годов. Первый управляемый оснащённый паровым двигателем аппарат легче воздуха поднялся в 1852, когда француз Жиффар пролетел 24 км.

Неуправляемые воздушные шары применялись во время Гражданской войны в США армией Союза.

Следующий технологический прорыв был совершён в 1884, когда был осуществлён первый полностью управляемый свободный полёт на французском военном дирижабле с электрическим двигателем La France Шарлем Ренаром и Артуром Кребсом. Длина дирижабля составила 52 м, объём — 1 900 м³, за 23 минуты было покрыто расстояние в 8 км при помощи двигателя мощностью 8 1/2 л. с.

Тем не менее, эти аппараты были недолговечны и чрезвычайно непрочны. Регулярные управляемые полёты не совершались до появления двигателя внутреннего сгорания.

Однако дирижабли использовались и в Первой, и во Второй мировых войнах, и продолжают ограниченно использоваться и в наши дни, но их развитие было в значительной степени заторможено развитием аппаратов тяжелее воздуха.

К лучшему пониманию

Первой печатной публикацией об авиации были «Эскизы машины для полёта по воздуху» Эммануила Сведенборга, изданные в 1716. Эта летающая машина состояла из лёгкого каркаса с натянутой на него крепкой тканью и имела два больших весла или крыла, двигающихся на горизонтальных осях таким образом, что при движении вверх они не встречали сопротивления, а при движении вниз создавали подъёмную силу. Сведенборг знал, что эта машина не будет лететь, но рассматривал её как отправную точку и был уверен, что проблема будет решена. Он говорил:

кажется, что легче говорить о такой машине, чем создать её в действительности, поскольку она требует большей силы и меньше веса, чем есть в человеческом теле. Наука механика могла бы, возможно, предложить способ, а именно использовать сильную спиральную пружину. Если эти преимущества и требования были бы достигнуты, возможно однажды найдётся тот, кто — то сможет понять, как лучше использовать наш эскиз и изыскать возможность сделать дополнения, которые позволят достигнуть того, что мы можем только предложить. Всё же в природе есть достаточно доказательств и примеров, когда такие полёты могут быть безопасными, тем не менее, когда настанет время первых испытаний, вам, вероятно, придется заплатить за этот опыт, но вы не сможете обойтись силой рук или ног.

Сведенборг показал в в своей работе, что наличие двигателя у летательного аппарата является важнейшим условием полёта.

В последние годы XVIII века сэр Джордж Кэйли провёл первое серьёзное изучение физики полёта. В 1799 он создал схему планёра, которая, за исключением вертикальной проекции, полностью соответствовала современным, хвост его использовался для управления, а пилот находился ниже центра масс для обеспечения стабилизации полёта; эта модель совершила полёт в 1804. За последующие пятьдесят лет Кэйли продолжал работать над физикой полёта, за это время он изучил большую часть основ аэродинамики и ввёл такие термины как подъёмная сила и лобовое сопротивление. Он использовал двигатели внутреннего и внешнего сгорания, в качестве топлива для которых использовался порох, но остановился на резиномоторе Альфонса Пено, что позволяло делать модели с двигателем более простыми. Позднее Кэйли использовал его исследования для постройки полномасштабного аппарата, который совершил беспилотный полёт в 1849, а в 1853 был совершён уже пилотируемый короткий полёт в Бромптоне, недалеко от Скарборо в Йоркшире.

В 1848 Джон Стрингфеллоу осуществил успешный испытательный полёт модели с паровым двигателем, в Чарде, Сомерсет, Англия. Эта модель была 'беспилотной'.

Модель планера Яна Внека. Краковский этнографический музей.

В 1866 польский крестьянин, скульптор и плотник по имени Ян Внек построил и летал на управляемом планёре. Внек был неграмотным самоучкой и мог рассчитывать только на свои познания о природе, основанные на наблюдении полёта птиц и на собственном опыте и навыках строителя и скульптора. Ян Внек был твердо привязан к своему планёру грудью и бедрами и он управлял планёром, смещая концы крыльев с помощью верёвок, прикреплённых к стременам в его ногах.Церковные записи отмечают, что в январе этого же года Ян Внек слетел со специально сделанной рампы с крыши церкви Одпорышува; высота церкви составляла 45 м, при этом церковь находилась на холме высотой 50 м, то есть полная высота составляла 95 м. Ян Внек совершил несколько публичных полётов на существенные расстояния с 1866 по 1869, как правило, во время религиозных праздников, карнавалов и празднований Нового года. Внек не оставил никаких известных письменных записей или рисунков, то есть, не оказал никакого влияния на прогресс в авиации. Недавно профессор Тадеуш Северин, директор Краковского Музея Этнографии , обнаружил церковные записи с описанием деятельности Яна Внека.

В 1868 француз Жан-Мари Ле Бри совершил первый полёт, при котором поднялся выше точки старта, на своём планёре L’Albatros artificiel с помощью конной тяги на берегу. Ле Бри по сообщениям достиг высоты 100 метров, преодолев расстояние 200 метров.

В 1874 Фелих дю Темпл в Бресте (Франция) построил Моноплан, большой самолёт из алюминия, с размахом крыла 13 метров и весом 80 кг (без пилота). Было произведено несколько испытаний, стартовал планёр с трамплина, полёт продолжался короткое время и благополучно возвратился.

Ещё одним человек, который внёс вклад в искусство полета, был Фрэнсис Герберт Венхэм, который неудачно пытался построить ряд беспилотных планеров. Он обнаружил, что больший вклад в подъём от крыла, похожего на птичье, производится в передней его части, из чего заключил, что длинные и тонкие крылья будут эффективнее, чем похожие на крылья летучей мыши, обычно используемыми его коллегами, потому как они имеют больший передний край относительно их веса. Сегодня эта характеристика известна как относительное удлинение крыла. Он представил свои исследования недавно созданному Королевскому Аэронавигационному Обществу Великобритании в 1866, и решил получить практическое подтверждение, построив первую в мире аэродинамическую трубу в 1871. Члены Общества использовали аэродинамическую трубу и определили, что изогнутые крылья обладают значительно лучшими показателями подъёма, чем ожидалось по исследованиям Кэйли, основанными на ньютоновской механике, а аэродинамическое качество при 15 градусах составляет приблизительно 5:1. Таким образом была ясно продемонстрирована возможность практического строительства аппаратов тяжелее воздуха; оставались, однако, проблемы двигателей и управления полётом.

Братья Райт

Следуя принципу Лилиенталя прыжка перед полётом, братья построили и испытали ряд бумажных змеев и планёров с 1900 по 1902 до того, как построить аппарат с двигателем. Планёры успешно летали, однако не так, как Райт ожидали, исходя из экспериментов и писем их предшественников XIX века. Их первый планёр, запущенный в 1900, его подъёмная сила составляла около половины того уровня, который они ожидали. Их второй планёр, построенный в следующем году, оказался ещё менее удачным. После этого Райт построили собственную аэродинамическую трубу и создали большое количество сложных устройств для измерения подъёмной силы и испытали около 200 проектов крыла. В результате Райт исправили свои ранние ошибки в вычислениях аэродинамических показателей крыла, хотя они не учитывали эффект Рейнольдса (известного с 1883), который дал им ещё большее преимущество. Их испытания и вычисления позволили построить третий планёр, на котором они летали в 1902. Он был сделан намного лучше предыдущих моделей. В итоге, установив строгую систему проектирования, испытании в аэродинамической трубе и лётные испытания опытных полноразмерных образцов, Райт не только построили действующий самолёт, но также внесли вклад в современный подход к авиастроению.

Флайер-1 братьев Райт: первый подтверждённый полёт управляемого самолёта с двигателем.

Братья Райт, по видимому, являлись первой командой авиастроителей, которая проводила серьёзные исследования одновременного решения проблем управления и двигателей. Обе проблемы оказались трудными, но они никогда не теряли интереса к ним. В итоге они разработали и построили двигатель, который мог обеспечить необходимую мощность и решили проблему управления с помощью системы, известной как «перекос крыла». Хотя этот метод использовался только в течение очень короткого периода истории авиации, он был эффективен при низких скоростях полёта, этот метод стал ключевой точкой в развитии управления летательными аппаратами, приведя непосредственно к созданию современных элеронов. В то время как многие пионеры авиации, в вопросах безопасности полёта полагались в значительной степени на удачу, в проекте Райт учитывалась потребность полёта без неблагоразумного риска для жизни и здоровья, избегая аварий. Именно это, а не недостаток мощности, было причиной для низкой скорости и для взлёта при встречном ветре. Это была также причиной для конструкционного решения с центром тяжести сзади, схемы утка, и крыльев с отрицательным углом в поперечной плоскости.

Согласно Смитсоновскому институту и ФАИ Райт совершили первый длительный управляемый полёт аппарата тяжелее воздуха с двигателями в песчаных дюнах в 8 км от Китти Хаук, Северная Каролина 17 декабря 1903

Первый полёт совершил Орвилл Райт, преодолев 37 м за 12 секунд, что было зарегистрировано на известной фотографии. В четвёртом полёте в тот же самый день Уилбер Райт пролетел 260 м за 59 секунд. Полёты были засвидетельствованы 4 свидетелями и деревенским мальчиком, в результате чего их первые публичные полёты и являются первыми хорошо задокументированными.

Уилбер начал четвёртый и последний полёт около 12 часов. Первые несколько сотен футов самолёт поднимался и опускался, как и перед этим, однако получив опыт управления, он смог гораздо лучше им управлять. Этот полёт оказался наиболее продолжительным, за 59 секунд было преодолено расстояние в 260 м. После последнего приземления каркас сильно пострадал, однако главная часть машины осталась целой. Братья оценили, что аппарат мог быть приведен в лётное состояние через один-два дня. Каждый полёт самолёта 14 и 17 декабря — в особенно тяжёлых условиях 17-го — заканчивался жестким и непреднамеренным приземлением.

При восстановлении аппарата Флайер-III после серьёзной аварии 14 июля 1905 Райт сделали радикальные перемены в конструкции. Они почти удвоили размер элеватора и руля и перенесли их вдвое дальше от крыльев. Они добавили две жёсткие вертикальные лопасти («блинкерсы») между элеваторами, и дали крыльям очень небольшой положительный угол. Они отсоединили руль восстановленного Флайера-III от управления перекосом крыла, и, как во всем будущем самолете, стали использовать отдельную ручку управления. При испытаниях Флайера-III, возобновленных в сентябре, результат был получен почти немедленно. Резкие взлёты, спуски и повороты, которые мешали пилотированию Флайеров-I и -II, прекратились. Незначительные аварии, которые преследовали братьев Райт, также завершились. Полёты на перепроектированном Флайере-III начались с длительностей более 20 минут. Таким образом Флайер-III стал реальным, кроме того, надёжным самолётом, который моглететь продолжительное время и вернуть пилота к отправной точке благополучно, приземлившись без повреждений. 5 октября 1905 Уилбер пролетел 38.9 км за 39 минуты 23 секунды.

Согласно апрельскому выпуску 1907 года журнала Scientific American, братья Райт обладали наибольшим знанием об управлении аппаратов тяжелее воздуха в то время. Однако тот же самый выпуск журнала также подтверждает, что никаких публичных полётов не было сделано в США до этого апрельского выпуска 1907.

Вертолёт

В 1877 Энрико Форланини создал беспилотный вертолет, оснащённый паровым двигателем. Он поднялся на высоту 13 метров, где оставался в течение около 20 секунд, вертикально взлетев в парке в Милане.
Вертолёт Поля Корню, построенный в 1907, был первой летающей машиной, которая поднялась над землёй, используя крутящиеся лопасти вместо крыльев.

Первый пилотируемый вертолёт, который поднялся над землёй, был сконструирован Полем Корню. Этот полёт состоялся в 1907 году, однако первым практическим вертолётом был Focke FA-61 (Германия, 1936).

Гидросамолёт

Первый гидросамолёт был построен в марте 1910 французским инженером Анри Фабром. Он получил имя Le Canard ('утка'), он взлетел с воды и пролетел 800 метров во время первого рейса 28 марта 1910. Эти эксперименты были поддержаны пионерами авиации Габриэлем и Шарлем Вуазенами, которые приобрели несколько поплавков Фабра и установили их на свой самолёт Canard Voisin. В октябре 1910 Canard Voisin стала первым гидросамолётом, который пролетел над рекой Сеной, а в марте 1912 первым гидросамолётом, стартовавшем с авианосца La Foudre ('молния').

Другие ранние полёты

В то время, в десятилетие 1900—1910, большое количество других изобретателей совершило (или утверждало, что совершило) короткие полёты.

Лиман Гилмор объявил, что совершил полёт 15 мая 1902.

В Новой Зеландии, фермер и изобретатель из Южного Кентербери Ричард Пирс построил самолёт-моноплан, который, по сообщениям, поднялся в воздух 31 марта 1903.

Карл Ято из Ганновера совершил короткий полёт с двигателем в августе 1903, спустя несколько месяцев после Пирса. Конструкция крыла Ято и скорость полёта не позволяли его поверхностям управления работать таким образом, чтобы ими можно было управлять самолетом.

Также летом 1903, по утверждению свидетелей, Престон Уотсон, совершил свои первые полёты в Эррол недалеко от Данди на востоке Шотландии. И в этот раз, однако, недостаток фотографических или документальных свидетельств делает информацию о полёте труднопроверяемой. Многие заявления о первых полётах сложно однозначно проверить в связи с тем, что многие эти полёты были сделаны в очень низкой высоте, что, возможно, являются следствием экранного эффекта, а также есть определённые сложности в классификации полёта с двигателями и без.

Братья Райт провели целую серию полётов (около 150) в 1904 и 1905 в Прерии Хаффман в Дейтоне, Огайо, свидетелями которых были их друзья и родственники. Газетные репортеры не освещали эти полёты после неудачного полёта в мае 1904.

Публичные представления полётов на большой высоте были проведены Дэниелом Мэлони на планёре с двойным крылом Джона Монтгомери в марте и апреле 1905 года в Санта-Клара, Калифорния. Эти полёты получили широкое освещение в американских СМИ и на них было продемонстрировано превосходное управление аппаратом, он поднимался на высоту до 1 200 м и приземлялся в заранее определённых местах.

Альберто Сантос-Дюмон совершил публичный полёт в Европе 13 сентября 1906 в Париже. Он использовал элеватор-утку и крыло с положительным углом, пролетел при этом расстояние в 221 м. Впервые самолёт не нуждался во встречном ветре и катапульте, поэтому часто этот полёт рассматривают как первый истинный полёт самолёта с двигателем. Также, так как более ранние полёты Пирса, Ято, Уотсона и братев Райт получили меньше внимания в прессе, чем полёт Сантаса-Дюмона, он был очень важен с точки зрения привлечения внимания общества к авиации, особенно в Европе и Бразилии.

Два изобретателя, Анри Фарман и Джон Уильям Данн, также работали над машинами, оснащёнными двигателями. В январе 1908 Фарман выиграл Гран при на аппарате, который пролетел 1 км, хотя к этому времени были уже совершены и более дальние перелёты. Например, братья Райт покрыли расстояние в 39 км к 1905. Ранняя работа Данна финансировалась британскими вооружёнными силами, и испытания проводились в условиях повышенной секретности в Глен Тилт в Хайленде. Его лучший из ранних проектов, D4, поднялся в воздух в декабре 1908 недалеко от Блэр Атолл в Пертшире. Главный вклад Данна в развитие ранней авиации был в стабильности полёта, которая была ключевой проблемой у самолётов братьев Райт и Сэмюэля Коди.

14 мая 1908 братья Райт совершили первый полёт самолёта с двумя людьми на борту, пассажиром был Чарли Фёрнас.

8 июля 1908 Тереза Пельте стала первой женщиной, которая поднялась на самолёте в качестве пассажира, совершив полёт на 200 м с Леоном Делагранжем в Милане, Италия.

Томас Селфридж стал первым человеком, погибшим в авиакатастрофе самолёта 17 сентября 1908, когда самолёт, пилотируемый Орвиллом Райтом и пассажиром которого был Селфридж, разбился во время испытаний для заключения контракта с Армией США в Форт Майр в Вирджинии.

В конце 1908 госпожа Харт О. Берг стала первой американкой, которая стала пассажиром самолёта, пилотом был Уилбер Райт, полёт состоялся в Ле-Ман, Франция.

25 июля 1909 Луи Блерио на моноплане Blériot XI пересёк Ла-Манш, получив приз газеты Daily Mail. Его полёт из Кале в Дувр продолжался 37 минут.

22 октября 1909 Раймонд де Ларош стала первой женщиной-пилотом, совершившей одиночный полёт на аппарате тяжелее воздуха с двигателем. Она же стала первой женщиной в мире, которая получила лицензию пилота.

Разногласия по вопросу приоритета в создании самолета состояли в том, что Пирс и Ято не утруждали себя информированием прессы о своих изобретениях, в отличие от братьев Райт, которые запатентовали своё изобретение и провели серьёзную рекламную кампанию, кроме того, многие первые самолёты, возможно, были лишь простейшими изобретениями. Например, румынский инженер Траян Вуя (1872—1950), как утверждалось, построил первый самодвигающийся аппарат тяжелее воздуха, способный самостоятельно взлетать без использования встречного ветра и полностью управляемый его собственным двигателем. Вуя пилотировал самолёт, который он разработал и построил 18 марта 1906, в Монтессоне около Парижа. Ни один из его полётов не был длинее 30 м. Для сравнения, в октябре 1905, братья Райт уже совершили полёт 39 минут и дальностью 39 км.