Создание реактивной авиации и космической техники

Скорость самолетов можно было увеличить только при переходе к качественно новым типам двигателей: к реактивным и ракетным.

В годы первых пятилеток вначале в Харьковском авиационном институте, а затем в ЦИАМе под руководством А. М. Люльки были выполнены работы по созданию воздушно-реактивных двигателей (ВРД). Естественно, что опытно-конструкторские работы опирались как на теоретические исследования, проведенные Б. С. Стечкиным еще в конце 20-х годов, так и на возрастающие возможности советской промышленности. Накопленный опыт позволил опередить аналогичные работы, проводившиеся за рубежом.

Еще в 1903 г. выдающийся русский ученый и изобретатель Константин Эдуардович Циолковский предложил схему жидкостного ракетного двигателя. Опираясь на теоретические работы К. Э. Циолковского, в первой трети нашего века в СССР, США, Германии и других странах начали создавать опытные ракеты и ракетные двигатели, развивавшие тягу до 3000 Н. В СССР работы проводились в Москве од руководством Ф. А. Цандера и С. П. Королева в группе по изучению реактивного движения (ГИРД), и в Ленинграде в газодинамической лаборатории (ГДЛ) под руководством В. П. Глушко. В 1933 г. в СССР все эти работы были объединены в Реактивном научно-исследовательском институте (РНИИ), сотрудникам которого удалось к началу войны создать ракетный планер, воздушно-реактивные ускорители, метеорологические ракеты, наземные ракетные установки («катюши») и ряд других изделий. В начале войны был создан один из первых в мире истребителей БИ с жидкостным ракетным двигателем, летные испытания которого начали уже весной 1942 г.

К концу войны ракетные и реактивные истребители появились в Германии и Англии. Все первые реактивные истребители имели много общего с поршневыми самолетами, хотя превосходили их по скорости на 150 – 200 км/ч. Оказалось, что с ростом скорости возникает целый ряд новых явлений, без серьезного изучения которых нельзя идти дальше.

Так, при полете со скоростью, близкой к скорости звука, возникали опасные вибрации отдельных частей самолета, резко ухудшалось его управление. Воздушно-реактивные двигатели имели еще сравнительно небольшую тягу (8000 – 20 000 Н), они были мало экономичны, поэтому самолеты имели небольшой радиус действия.

Многочисленные и тщательные исследования, проведенные в послевоенные годы, позволили выяснить большое число вопросов, и уже в конце 1948 г. на истребителе А. С. Лавочкина ЛА-176 с двигателем ВК-1 была достигнута скорость полета, равная скорости звука.

В начальный период развития реактивных двигателей существовали две схемы воздушно-реактивных двигателей: с осевыми и центробежными компрессорами, однако по мере накопления опыта стало ясно, что центробежные уступают по своим характеристикам многоступенчатым осевым компрессорам. Это привело к тому, что в 50-е годы для ВРД стали применять только осевые компрессоры. Тяга таких ВРД возросла до 100 кН (10 тс), снизился расход топлива, что позволило существенно улучшить характеристики самолетов, в конструкции которых тоже произошли большие изменения. Крылья самолетов стали тонкими и сдвинутыми назад (стреловидными), удалось справиться с устойчивостью трансзвукового полета, взлетом и посадкой сверхзвуковых самолетов. За время с 1950 г. по I960 г. подавляющая часть авиации стала реактивной.

Значительное развитие в послевоенный период получили вертолеты. Сразу после войны были созданы вертолеты Ми-1 конструкции М. Л. Миля и Ка-15 конструкции Н. И. Камова с поршневыми двигателями конструкции А. Г. Ивченко. Оба эти вертолета имели грузоподъемность до 300 кг. В период 1950—1965 гг. было выпущено несколько различных типов вертолетов, снабженных вначале мощными поршневыми, а затем турбореактивными двигателями. Современные вертолеты выполняются по разным схемам и имеют различные эксплуатационные характеристики, обеспечивающие им широкое поле деятельности.

В 1975 году Аэрофлот начал регулярные рейсы на Ту-144 — первом сверхзвуковом пассажирском самолёте. В 1976 году British Airways начали трансатлантические рейсы на сверхзвуковом самолёте Конкорд. Несколькими годами ранее военный разведывательный Lockheed SR-71 установил рекорд, когда пересёк Атлантику менее чем за 2 часа.

В последнюю четверть XX века прогресс в авиации замедлился. Более не было революционных результатов в скоростях полёта, расстояниях и технологии, развитие в этот период осуществлялось в основном в области авионики. Но были и достижения в разных областях: например, в 1979 году Gossamer Albatross стал первым аппаратом, приводимым в действие мускульной силой человека, пересёкшим пролив Ла-Манш, в 1981 г. космический самолёт Спейс Шаттл совершил свой первый орбитальный полёт (доказав, что большой аппарат может подняться в космос, обеспечить поддержку жизнеобеспечения в течение нескольких дней, повторно войти в атмосферу на орбитальной скорости, а затем приземлиться на взлётно-посадочной полосе подобно обычному самолёту), в 1986 г. Дик Рутан и Джина Игер совершили кругосветный полёт на самолёте без дозаправки и не приземляясь. В 1999 г. Бертран Пиккард стал первым человеком, который облетел Землю на воздушном шаре.Успехи в развитии авиации в значительной мере связаны с достижениями двигателестроительных конструкторских бюро, которые возглавляют талантливые конструкторы и ученые А. М. Люлька, Н. Д. Кузнецов, С. П. Изотов, В. А. Лотарев и другие.

Авиация во всех странах непрерывно развивается, появляются новые идеи, создаются новые конструкции. Советская авиация находится на переднем крае мировых достижений, советским самолетам и вертолетам принадлежит значительное число международных рекордов.

Решая задачу превращения авиации в массовый вид транспорта, охватывающий все районы страны, работники авиационной промышленности и гражданского воздушного флота обеспечили быстрый рост пассажирских и грузовых перевозок. В табл. 2 приведены краткие данные о развитии ГВФ.

Таблица 2

Параллельно с развитием реактивной техники шла разработка ракет и ракетных двигателей. Опираясь на довоенный опыт создания отечественных ракет и ракетных двигателей, используя достижения в родственных областях науки и техники, советские ученые и инженеры, действующие по единому государственному плану, уже в 1919 г. начали запуски геофизических ракет для исследования верхних слоев атмосферы. В 1957 г. была запущена первая советская многоступенчатая баллистическая ракета, полет которой показал, «что имеется возможность пуска ракет в любой район земного шара» («Правда», 1957 г., 27 августа). На базе мощной ракетной техники, созданной под руководством С. П. Королева и В. П. Глушко, в Советском Союзе 4 октября 1957 г. был осуществлен запуск первого в мире искусственного спутника Земли. Советский социалистический строй позволил сделать то, о чем мечтал К. Э. Циолковский еще в 1895 г.: совершить великий шаг человечества – вылететь за атмосферу и создать спутники Земли.

Буквально за несколько лет совершенство ракет возросло настолько, что уже в начале 1961 г. была закончена постройка космической ракеты, предназначенной для вывода на орбиту межпланетных автоматических станций и пилотируемых кораблей «Восток». 12 апреля 1961 г. первый корабль-спутник «Восток» (массой 4 730 кг), пилотируемый летчиком-космонавтом Юрием Алексеевичем Гагариным был выведен на околоземную орбиту и совершил первым виток вокруг нашей планеты. Этот полет показал, что человек может летать в космос – началась новая эра в развитии космонавтики.

Успехи в деле освоения околоземного пространства, полеты космических летательных аппаратов к Лупе и другим планетам и мягкий спуск на эти далекие космические тела, успешные полеты многих космонавтов вокруг Земли, выход человека в космос, высадка люден на Луне, создание космической системы радиосвязи, метеорологических наблюдений и многое-многое другое – все это произошло за одно десятилетие.

Космические исследования начали приобретать международный характер. Проведены запуски спутников с аппаратурой, созданной в разных странах. Успешно осуществляется программа «Интеркосмос», в которой сотрудничают девять стран социалистического содружества и в соответствие с которой уже летали международные космические экипажи. Впервые на орбите была проведена стыковка и совместный полет космических кораблей советского «Союз» и американского «Аполлон».

Россия борется за то, чтобы самолеты и ракеты которые могут принести огромные разрушения своим ядерным оружием, никогда не были бы использованы для уничтожения. Наоборот, развитие науки, техники и общественных отношений создает все больше оснований для мирного использования величайших достижении человечества.

XXI век

В начале XXI века, в развитии дозвуковой авиации наметилась тенденция на создание дистанционно управляемых или полностью автономных транспортных средств. Был создан целый ряд беспилотных летательных аппаратов. В апреле 2001 беспилотный самолёт RQ-4 Global Hawk пролетел от авиабазы Эдвардс в США до Австралии без остановок и дозаправок. Это — самый длинный перелёт между двумя пунктами, когда-либо совершённый беспилотным самолетом, время полёта составило 23 часа и 23 минуты. В октябре 2003 г. первый состоялся полностью автономный трансатлантический перелёт управляемого компьютером самолёта.

Concorde G-BOAB на хранении в лондонском аэропорту Хитроу после окончания полётов этого типа самолётов. Этот самолёт находился в воздухе 22296 часов с первого своего полёта в 1976 г. до последнего полёта в 2003 г.

В коммерческой авиации начало XXI века отмечено прекращением эксплуатации Concorde. Сверхзвуковые полёты оказались коммерчески несостоятельны, поскольку переход звукового барьера без негативных последствий был возможен только над океаном. Кроме того, Concorde имел слишком большой расход топлива и мог перевозить ограниченное количество пассажиров.

Нефтяной кризис и поиск альтернативных видов топлива

Основные статьи: Пик нефти, Альтернативное топливо

Первое столетие полётов с двигателем требовало роста производства жидкого топлива из нефти, и таким образом развитие авиации является символом эры нефти, в это время добыча и потребление нефти возрастали по экспоненте. В то время как другие важнейшие виды транспорта (автомобильный, железнодорожный, водный) также зависят от жидкого топлива, авиация зависит в значительно большей степени, так как другие доступные источники энергии (например, электрические батареи) недостаточно практичны для полётов.

С 2003 по 2008 годы цены на нефть выросли в 6 раз. В отличие от предыдущих кризисов, такое большое увеличение цены на нефть на этот раз не было связано с какими-либо существенными сокращениями поставок нефти или снижения её мировых запасов, а скорее с невозможностью стран-экспортёров нефти увеличить её добычу в достаточной мере, чтобы удовлетворить растущий спрос со стороны новых крупных потребителей нефти — быстрорастущих экономик, таких как Китай и Индия. Ряд исследователей считает, что пик нефти, возможно, уже прошёл, или его достижение будет неизбежным, а значит цены на нефть могут продолжать увеличиваться, возможно в течение многих лет, и до беспрецедентных уровней.

Увеличение цен на нефть оказывает сильное влияние на гражданскую авиацию. К частности из-за его высокого расхода топлива в расчёте на 1 пассажира Concorde обладал слабой конкурентоспособностью даже тогда, когда нефть была относительно дешева. Дозвуковые реактивные лайнеры использует меньше топлива в пассажира, но топливная составляющая представляет собой существенную долю цены на билет, а топливные ценовые надбавки делают пассажирские перелёты более дорогими.[24][25] Тем временем прогресс в технологиях, таких как видеоконференция, уменьшает стоимость виртуальной альтернативы по сравнению с физическом присутствием, что имеет особое значение для бизнеса. Некоторые эксперты нефтедобывающей промышленности, такие как Мэтью Симмонс призывают к более широкому применению таких технологий вместо использования транспорта.

Потребность в обеспечении топливом авиации (особенно военной авиации) привела к увеличению исследований дополнительные источников жидких топлив для авиации, таких как биотопливо. Увеличение производства большого количества жидких топлив по доступным ценам может быть одним из решений для авиации, если мировое нефтяное производство действительно фактически достигает максимума и входит в фазу необратимого снижения, как предсказано теорией Хабберта.

Высокие цены на топливо могут стимулировать развитие самолётов схемы «летающее крыло» в связи с их более высокой топливной эффективностью.

1.7. Контрольные вопросы

1. Какие первые попытки были предприняты людьми чтобы летать?

2. Что такое аэростат и когда его начинали применять?

3. Когда и кем были изобретены первые планеры и модели самолетов?

4. Когда и кем был создан впервые полетевший самолет?

5. Какое развитие авиация получила в период 1917-1945 гг?

6. Основные этапы развития реактивной техники.

Бортовое оборудование

бортовое оборудование — совокупность агрегатов, приборов, машин, систем, комплексов и других технических средств, устанавливаемых на борту летательного аппарата для обеспечения управляемого полёта, жизнедеятельности экипажа и пассажиров, решения целевых задач в соответствии с назначением летательного аппарата. Б. о. служит для измерения, преобразования, передачи, обработки информации, её отображения на индикаторах, управления летательным аппаратом и его системами, контроля за состоянием летательного аппарата и параметрами его движения, связи экипажа с наземными системами и другими летательными аппаратами.

К Б. о., обеспечивающему управляемый полёт, относятся: пилотажно-навигационное оборудование, радиосвязное оборудование, электрооборудование, светотехническое оборудование, гидравлическое оборудование, система отображения информации, системы охлаждения Б. о. Для повышения безопасности полётов летательные аппараты оснащаются противообледенительными системами, противопожарной системой и др. Б. о. обеспечения жизнедеятельности экипажа и пассажиров включает систему кондиционирования воздуха, кислородное оборудование, аварийно-спасательное оборудование, системы регулирования давления. Для решения целевых задач предназначаются обзорно-прицельная система, разведывательное, десантно-транспортное оборудование, пассажирское, санитарное Б. о. и т. д.

Б. о. развивалось от простейших приборов и механизмов до сложных автоматизированных комплексов в процессе расширения и усложнения задач, возлагаемых на летательный аппарат, улучшения летно-технических характеристик (увеличение дальности, скорости, диапазона высот полёта), совершенствования средств противовоздушной оборон. Рост объёма воздушных перевозок также предъявил ряд требований к летательным аппаратам: увеличение пассажировместимости, повышение безопасности полётов, обеспечение регулярности полётов при сниженных метеоминимумах (см. Минимум погодный) и в любое время суток, расширение географических районов полётов, в том числе по необорудованным трассам и над океаном, обеспечение полётов по международным трассам с соблюдением требований к эшелонированию, повышение комфорта для пассажиров при возросших скоростях и высотах полёта. Удовлетворение этих требований вызвало необходимость создания и установки на борту сложных высокоточных пилотажно-навигационных комплексов, мощных KB радиостанций, высокопроизводительных систем кондиционирования воздуха с точным автоматическим регулированием температуры, давления, влажности воздуха в гермокабине. Задача преодоления противовоздушной обороны привела к разработке и применению бортовых средств радиоэлектронного противодействия, созданию систем обеспечения автоматического полёта на предельно малых высотах с обходом препятствий. Сокращение располагаемого экипажем времени на принятие решения по управлению летательным аппаратом и его системами потребовало автоматизации управления, создания более совершенных систем отображения информации и сигнализации. Выполнение растущих требований к Б. о. достигается путём совершенствования характеристик аппаратуры, машин, агрегатов, систем и комплексов оборудования на базе применения новых материалов и технологий. Широко используются цифровая техника, микроэлектроника, что обеспечивает расширение функцией, возможностей аппаратуры, снижение ее массы и повышение надёжности.

Структурно аппаратура, машины и агрегаты на борту летательного аппарата объединяются в системы, предназначенные для решения одной или несколько функцией, задач. На летательном аппарате насчитываются десятки систем Б. о. разного назначения (например, пневмо-, гидро- и электроснабжения, кондиционирования воздуха, автоматического управления, инерциальной навигации). Часто отдельные системы входят в комплексы. Комплекс Б. о. — совокупность функционально связанных систем, приборов, датчиков, объединённых вычислительным устройством, работающих по определенному алгоритму, решающих несколько самостоятельных задач. Комплексы Б. о. как одна из форм структурной интеграции бортового оборудования позволяют рационально использовать имеющуюся на летательном аппарате информацию, оптимизировать аппаратурный состав, алгоритмы работы, резервирование, что приводит к повышению надёжности решения сложных функциональных задач и снижению массы конструкции. На летательном аппарате эксплуатируются пилотажно-навигационные, прицельно-навигационные, прицельно-пилотажно-навигационные комплексы, комплексы разведки, радиосвязи и т. д. Внедрение цифровой техники значительно облегчает комплексирование.

Дальнейшее развитие Б. о. направлено на повышение экономичности и эффективности летательного аппарата и безопасности полётов. Первоочередными задачами являются; оптимизация режимов полёта по расходу топлива; обеспечение стабилизации и управления неустойчивым летательным аппаратом; непосредственное управление подъемной и боковой силами для повышения манёвренности летательного аппарата; дальнейшая автоматизация управления сложными режимами полёта и выполнения боевых задач; облегчение деятельности и повышение эффективности работы экипажа на всех режимах использования летательного аппарата; снижение массы, габаритных размеров, энергопотребления и повышение надёжности Б. о.

Для решения этих задач предусматривается создание самонастраивающихся адаптивных систем управления; многоуровневых вычислительных систем, решающих среди прочих задачи сокращения расхода топлива, предупреждения о приближении к опасным режимам полёта; информационных полей на базе плоских экранов и многорежимных пультов управления; систем сенсорного, речевого управления, а также биокибернетических систем управления оборудованием; экспертных систем в помощь лётчику; бортовых автоматизированных систем со встроенными в аппаратуру системами контроля ее работоспособности; глобальных систем навигации и связи с применением искусственных спутников Земли; высокоточных автономных навигационных систем, использующих физические поля Земли, систем на базе лазерных волоконно-оптических гироскопов; волоконно-оптических линий информационного обмена большой пропускной способности; миниатюрных с цифровым выходом датчиков давления, температуры, перемещения, расхода топлива и т. п. Разработка новых систем базируется на широком применении больших, сверхбольших и сверхскоростных интегральных схем, элементов, использующих поверхностные акустические волны, плоских экранов, в том числе на жидких кристаллах, конструктивной и функциональной интеграции, модульного принципа построения аппаратуры. Для успешного решения летательным аппаратом функциональных задач важное значение имеет математическое обеспечение многоуровневой вычислительной системы. Объём команд в программах вычислителей составляет сотни тысяч байт. Перспективы развития Б. о. — применение языков высокого уровня, модульное построение программ, использование алгоритмов искусственного интеллекта.