В конце XIX века человечество уже умело строить мосты, паровозы и океанские лайнеры, но самолёт оставался всё ещё недостижимым. Парадоксально, но двигатели были, аэродинамика в общих чертах понятна, планеры кое-как летали, а вот управляемого полёта не получалось.
Если вы посмотрите на конструкции ранних самолётов, то заметите, что чем больше эта этажерка похожа на неуправляемого китайского воздушного змея, тем лучше она летала. И это выявляет интересное противоречие. Если вы внимательны, то наверняка заметите его на успешных вариантах конструкций от братьев Райт. Хотя, самых важных деталей особенно и не видно, потому лучше найти видео или анимашку с моделированием полёта. Чуть ниже приведу ту, что мне удалось найти.
Причина провалов первых моделей была не в недостатке мощности или прочности, а в гораздо более тонкой области - в понимании физики устойчивости и управления движением в трёх измерениях. И здесь неожиданно решающую роль сыграл… велосипед.
Да, братья Райт известны и в велосообществе и стоят где-то у его истоков. В 1890-х годах Уилбур и Орвилл владели собственной велосипедной мастерской и магазином в Дейтоне, где они собирали, ремонтировали и даже проектировали велосипеды, зарабатывая этим на жизнь и одновременно накапливая инженерный опыт. Они работали с цепными передачами, подшипниками, рамами и балансировкой, постоянно наблюдали динамику движения и падений, а деньги от велосипедного бизнеса напрямую пошли на эксперименты с планерами и постройку их первых летательных аппаратов. Поразительно, но и тогда столь интересную работу никто особенно не поддерживал.
Знания братьев и не то, чтобы обычный опыт, сыграл тут положительную роль.
Большинство авиационных пионеров конца XIX века были опытными инженерами. Они подходили к самолёту логично, но с опасной аналогией:
Если аппарат едет вперёд - значит, он должен поворачивать влево и вправо, как повозка или автомобиль.
Так возникла идея управления рысканием. Это поворот самолёта за счёт отклонения вертикального руля, то есть вращения вокруг вертикальной оси. С точки зрения физики это выглядело разумно, но в воздухе работало плохо.
Если самолёт летит прямо и вы повернули руль направления, то нос самолёта отклоняется в сторону, но траектория движения меняется слабо. Зато резко растёт сопротивление воздуха и это легко представить наглядно. Если махать доской сначала в направлении её торца, а потом перевернуть плашмя, то усилие будет значительное и оно появилось из-за того, что доска упирается в воздух.
Так было и с самолётом, который повернул морду. Возникает боковое скольжение, потеря скорости и часто как следствие - сваливание крыла. Автомобиль поворачивает за счёт силы трения с дорогой. Самолёт же не имеет опоры, и воздух не может толкнуть его в сторону так же эффективно.
Ключевая ошибка тут одна. поворот в воздухе - это не поворот носа, а изменение направления подъёмной силы.
Уилбур и Орвилл Райт не были кабинетными инженерами. А велосипед - это идеальный учебник по неинтуитивной физике. И вот хотя бы по той причине, что вы наверняка неправильно понимаете физику поворота велосипеда.
Наивное представление такое:
Я поворачиваю руль - велосипед едет в сторону.
На практике всё сложнее. Велосипедист наклоняет велосипед. Центр масс смещается. Возникает боковая компонента силы реакции опоры. Траектория изгибается вслед за смещением массы. Именно поэтому пятно контакта в 10 сантиметров в квадрате способно повернуть тушку в 100 кг на седле.
Руль при этом нужен не для поворота как такового, а для удержания баланса в наклоне.
Поворот = наклон + баланс, а не просто вращение в горизонтальной плоскости
Когда братья Райт начали экспериментировать с планерами, они инстинктивно применили ту же логику. Самолёт, как и велосипед движется вперёд, стабилен только в динамике и требует постоянной балансировки.
Если самолёт наклонён на угол θ, то подъёмная сила L направлена перпендикулярно крылу и она раскладывается на две компоненты:
вертикальную (удерживает самолёт в воздухе) и горизонтальную (тянет его в сторону).
Именно горизонтальная составляющая подъёмной силы и закручивает траекторию в дугу. А нам оно и нужно.
Потому вместо элеронов братья Райт задумали изменение формы крыла.
У них была была гениальная идея скручивания крыла. Одно крыло слегка закручивалось вверх, угол атаки уменьшался, подъемная сила тоже. Другое крыло крутили вниз, его угол атаки увеличивался и подъёмная сила вместе с ним. Возникал дифференциальный подъём, создающий крен. Вот и повернули.
Октава Шанут создал один из лучших планеров своего времени, устойчивый, но он не решал главную проблему - активного управления креном. Братья Райт взяли геометрию Шанута, сломали догму руль - главный орган управления и сделали крен основой манёвра. И именно это превратило планер в самолёт.
Эти принципы используются и сегодня, хотя вы, вероятнее всего, полагаете, что главная роль у хвостового оперения и руля на нём. Но основной поворот (вираж) создаётся креном - элероны наклоняют самолёт, подъёмная сила крыла наклоняется вместе с ним, появляется горизонтальная составляющая силы и траектория изгибается. Руль направления на хвосте управляет рысканием, а не виражом. Его задача убрать боковое скольжение, компенсировать неблагоприятное рыскание от элеронов, помочь при асимметричной тяге (например, отказ двигателя) и стабилизировать самолёт, а не повернуть его.
Подборка специально для вас:
👍 Не забывайте подписываться и ставить лайки статье! Это важно для развития проекта.
Канал проекта в Telegram с эксклюзивными материалами!