Глобальная сеть воздушных маршрутов охватывает весь земной шар, а самолеты ежедневно перевозят миллионы пассажиров и тонны грузов. Кандидат технических наук, доцент по специальности «Механика жидкости, газа и плазмы» Института физики КФУ Евгений Марфин объясняет, как многотонные металлические машины покоряют небо.
«Все, что летает тяжелее воздуха, существует в равновесии четырех сил, — поясняет ученый. — Вес тянет вниз, сопротивление воздуха мешает двигаться вперед. И две силы, которые человек научился создавать: подъемная сила, удерживающая машину в воздухе, и тяга, толкающая ее сквозь атмосферу».
Аэродинамика — это раздел физики, изучающий движение воздуха и взаимодействие воздушных потоков с твердыми телами. Эта наука лежит в основе современной авиации, автомобилестроения и многих других технических областей.
История развития
История аэродинамики началась с теоретических разработок. Леонардо да Винчи (1452-1519) в XV веке создал первые чертежи летательных аппаратов. В XVII–XVIII веках швейцарский физик и механик Даниил Бернулли (1700–1782) открыл фундаментальную связь между скоростью движения воздуха и давлением — чем быстрее движется воздух, тем ниже его давление. Параллельно с ним английский ученый Исаак Ньютон (1642–1727) сформулировал основополагающие законы механики, включая третий закон: «Действию всегда есть равное и противоположное противодействие». Эти открытия сначала применялись в кораблестроении, а к концу XIX века стали основой для создания первых летательных аппаратов.
Развитие авиационных двигателей
Эпоха управляемого полета началась с «Флайера-1» братьев Райт. Самолет поднялся в воздух в 1903 году благодаря скромному 12-сильному бензиновому двигателю, который через цепную передачу раскручивал два деревянных пропеллера. Почти полвека пропеллер оставался единственным способом создания тяги. Следующим шагом стал переход к реактивной тяге в 1940-х годах. Принцип работы был основан на отбрасывании массы сгоревших газов, что создает движущую силу.
Современный стандарт — турбовентиляторный двигатель, разработанный в 1960г., который мы видим под крыльями современных самолетов. Вентилятор впереди захватывает воздух: большая его часть (до 90%) проходит по внешнему контуру, создавая тихую и эффективную тягу. Этот внешний контур работает как сверхмощный пропеллер, закованный в кокон. Меньшая часть воздуха сжимается, смешивается с топливом, сгорает и раскручивает турбину, которая приводит в действие и компрессор, и вентилятор. Например, двигатель ПД-14 для МС-21 создает тягу в 14 тонн.
Физические принципы полета
Ключевым элементом является аэродинамический профиль крыла, чья асимметричная конструкция — выпуклая сверху и плоская снизу — определяет поведение воздушных потоков. Когда самолет движется, воздух обтекает крыло особым образом. Благодаря выпуклости верхней части поток воздуха вынужден ускоряться, чтобы обогнуть крыло за то же время, что и нижний поток. Это создает разницу давлений: над крылом оно снижается, а под крылом остается повышенным. Именно эта разница обеспечивает 80% подъемной силы, необходимой для полета в типичном крейсерском режиме.
Важнейшую роль играет угол атаки — угол между крылом и направлением воздушного потока. Согласно законам физики, при отклонении воздуха вниз возникает противоположная сила, направленная вверх. Этот механизм формирует оставшиеся 20% подъемной силы и особенно важен при взлете и посадке.
Современные достижения
Технологические инновации в авиации достигли впечатляющих результатов. Современные сверхкритические профили крыльев позволяют самолетам эффективно преодолевать воздушное пространство на трансзвуковых скоростях с минимальным волновым сопротивлением. Специальные системы активного управления в режиме реального времени следят за обтеканием крыла, своевременно гася любые нежелательные вибрации и колебания, вызванные турбулентностью.
Роль пилота в современном полете кардинально изменилась. Сегодня он выступает не просто как летчик, а как оператор сложной автоматизированной системы. Бортовые компьютеры и автопилот непрерывно анализируют все параметры полета, самостоятельно корректируя угол атаки, тягу двигателей и положение закрылков. Такая автоматизация не только повышает безопасность полетов, но и позволяет достигать максимальной эффективности при выполнении каждого маневра.
Путь от хрупкого «Флайера», пролетевшего 12 секунд, до крупнейшего пассажирского лайнера Airbus A380, пересекающего океаны, занял чуть более века. В основе — все те же фундаментальные открытия: формула Бернулли, третий закон Ньютона. И тысячи инженеров, которые научились не бороться с воздухом, а использовать его свойства: текучесть, сжимаемость и инерцию.