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技术历史、技术、我们身边的事物
飞机。 发明和生产的历史
航空理念是人类历史上最古老的理念之一。 在神话、传说、历史编年史中，人们可以找到证据，证明一个人在不同的世纪里为了实现他像鸟一样飞上天空和飞翔的古老梦想而进行了许多尝试。 但这一切都是业余的事业，热情多于算计，因此无一例外地以失败告终。 直到 XNUMX 世纪下半叶，第一个证据才出现，即重于空气的飞行有朝一日可能成为现实。 为什么这门艺术一直是一个人无法企及的梦想？ 事实是，与气球不同，飞机不会漂浮在空中，而是在飞行过程中依靠它，遵守复杂的空气动力学定律。 对飞行现象的正确解释早在 1738 世纪至 XNUMX 世纪就已经给出，但飞行艺术的科学——空气动力学——仅在 XNUMX 世纪的前几十年才出现。 为什么鸟虽然比空气重，却不掉在地上？ 事实是，在空中，所谓的升力作用在它们机翼的下表面，超过了作用在相反方向的重力。 早在 XNUMX 世纪上半叶，著名的数学家和物理学家伯努利就解释了这种力从何而来。 XNUMX 年，在他的主要著作《流体动力学》中，他推导出了现在以他的名字命名的定律。
伯努利定律（由他为液体制定，但也适用于气体）的本质是，随着流速的增加，容器壁上的压力会降低。 伯努利定律的作用在经验中是很容易观察到的，我们拿一张纸为例，在上面吹一下——纸的远边会立刻升起，好像有什么东西从下面推着它一样。 这个“东西”就是已经提到的提升力。 它的出现是因为纸张表面上方的空气比其下方的空气移动得快得多。 因此，从上方施加在片材上的压力明显小于从下方压在其上的大气压力。 如果升力大于重力，则叶片会上升。 然而，我们的经验情况在真实环境中并不那么容易复制。 为了抬高床单的边缘，我们特意以方便我们的方式吹了它。 以及如何使一些在真实气流中的有翼装置升起？ 显然，这个装置的机翼不应该是扁平的，像一张纸，而应该是这样的形状，以便从上面和下面围绕它的流动速度是不一样的——从下面它比从上面慢。 然后从上方对机翼表面的压力将小于下方。 升力可以通过改变机翼的迎角来调整（这是机翼平面与气流夹角的名称）。 攻角越大，升力越大。 但起飞是不够的——你必须能够让飞机保持在空中。 毕竟，只有当机翼的支承面相对于气流正确定向时，才能保持升力。 方向会被违反——升力会消失，飞机会坠落到地面，就像掉进一个洞里一样。 对于任何比空气重的飞行器来说，稳定性都是一个主要问题。 如果它没有提供稳定性的机制，那么它就会变成阴风的玩具。 危险在于每时每刻都在等待这样的汽车。 任何阵风或不正确的飞行员操作都可能导致飞机侧翻或机头翻滚、翻滚和坠落。 幸运的是，第一批飞行员对等待他们的危险有一个模糊但真实的想法，并且能够在一定程度上为他们做好准备。 迈向天空的第一步是在模型的帮助下完成的。 所有现代飞机的直接前身可能应该被认为是佩诺的玩具飞机，他从 1871 年开始制造并在橡胶马达的帮助下发射。 几克重，飞了几十秒。 有人可能会说，这些模型是第一个明显的证据，证明比空气重的车辆完全能够飞行。 1872 年，佩诺得出一个极其重要的结论，即飞机要稳定飞行，就需要一个尾翼。 很快，他设法使他的设备在所有三个轴上都具有良好的稳定性。
然而，这仅仅是个开始。 三十年过去了，才有可能制造出能够将人抬上天空的飞机。 在 1894 世纪末，不同国家曾多次尝试制造具有强大发动机的大型飞机。 31 年，著名发明家 Hiram Maxim 试图将一架翼展为 5 m、重约 3 吨的巨型飞机升空。 但在第一次尝试时，车就撞坏了。 马克西姆在他的经验上花费了 5 英镑，再也没有回到飞机制造领域。 美国著名天文学家塞缪尔·兰利（Samuel Langley）从美国政府获得了 20 美元，在 50 年代初期建造了几架大型飞机，每次尝试起飞时，飞机总是坠毁。 在法国，工程师克莱门特·阿德（Clement Ader）在 1900 年代后期进行了类似的实验，取得了同样的成功。 法国政府在他的设备上花费了大约 90 万法郎，拒绝了对发明人的进一步补贴。 总的来说，Maxim、Langley、Ader 和其他一些发明者选择的道路最终被证明是一条死胡同。 德国发明家奥托·李林塔尔（Otto Lilienthal）指出，航空业的发展走了一条不同的道路。 在其他人全神贯注于“机动飞行”的同时，李林塔尔给自己设定了另一个目标——首先要领悟非机动飞行的秘密。 他没有制造昂贵的机器，而是制造了轻型滑翔机并努力改进它们。 似乎滑翔机的想法是飞行员应该首先想到的，但实际上它是不同的。 直到 XNUMX 世纪，发明家们一直在模仿鸟的划船飞行来尝试起飞。 由于这种对自然的坚持不懈的努力，人类掌握滑翔飞行的时间相对较晚。 同时，实施这种飞行的技术能力已经过时了。 普遍的误解是，对于飞行，除了机翼之外，它们还假设存在某种机械力。 正是在这一点上，发明人的所有努力都集中在了这一点上。 即时摄影第一次引起了对翱翔飞行的关注。 前几章中提到的著名德国摄影师奥托马尔·安舒茨（Ottomar Anschütz）拍摄了一系列鹳飞翔的照片。 他们说这些照片在 1890 年落入 Otto Lilienthal 的眼中，促使他萌生了建造滑翔机的想法。 事实上，安舒茨的照片无可否认地证明，这样的飞行在空中是可能的，在这种飞行中，飞机的移动和提升所需的工作不是由其本身进行，而是由空中进行。 几张照片描绘了翱翔的鹳，它们被一阵风吹起。 Lilienthal 的第一架滑翔机由一个柳树、织物覆盖的框架组成，形成两层圆形、凹形的鸟状翅膀，后面有一条小尾巴。 整个设备仅重 20 公斤。 莉莲塔尔挂在他身边，双手穿过翅膀下的两条带子，顺着风向山下跑去。 起初，他保持双翼倾斜，前缘向下，然后将其下表面暴露在风中，抬起双翼，沿着上升的溪流滑翔。 通过向前、向后和向侧面平衡身体来保持平衡。 最初，飞行非常短 - 15 米，由一座小沙丘制成。 然后它们变得更长，并且发生在 30 m 高的小山上。
从 1891 年到 1896 年，李林塔尔成功进行了 2000 多次滑翔飞行。 最后，他可以在空中飞行超过 100 m，最长可达 30 秒。 因此，李林塔尔是第一个证明滑翔飞行可能性的人，也是第一个正确研究作用在机翼上的空气动力的人。 Lilienthal 的实验引起了许多国家的关注。 很快他就有了追随者。 但在 1896 年 15 月，Lilienthal 在一次飞行中被一阵强风吹起，从 XNUMX m 的高度坠落并摔断了脊椎。 就在同一天，他去世了。 未来，美国八度音游塔的实验对飞机的发展产生了很大的影响。 他的第一架滑翔机是以李林塔尔的滑翔机为蓝本的。 然后，Chanute 开始对它们进行各种改动，最终创造了一架带有均匀机翼的双翼飞机。 他还非常注意尾部单元的设计，在那里放置了可移动的升降舵和方向舵。 这架滑翔机成为航空史上的标志性设计。 简单、合理、轻便，但同时又经久耐用，它是当时最好的飞机。 它最显着的特点——带有水平轮廓的机翼设计——后来被普遍接受。 Chanute 是第一个停止盲目模仿鸟翼形状的人。 然而，滑翔机的对齐方式与 Lilienthal 的对齐方式相同 - 飞行员从下方悬挂在安全带上，并与他的身体保持平衡，保持设备的稳定性。 然而，沙努特仍然是天空中难得的客人。 它的飞行持续时间以秒计算，范围 - 几十米。
真正意义上的飞行艺术最早是由威尔伯和奥维尔赖特兄弟掌握的，他们是美国小镇代顿一家自行车车间的老板。 他们在航空业建立了一段沉闷的平静时期开始了他们的实验：花费大量资金的 Ader 和 Maxim 的飞行器没有飞行，勇敢的滑翔机飞行员 Lilienthal 坠毁。 莱特夫妇设定的直接目标是实现稳定和可控的飞行。 1899 年，他们做出了第一个（事实证明，也是最了不起的）发现——他们发现，为了确保飞机的横向稳定性，有必要使机翼末端弯曲。 威尔伯·赖特想到了这个想法。 有一天，在折弯一个纸箱时，他突然想到，用同样的方法可以弯曲飞机机翼的末端——一个向上，另一个向下——从而避免它掉到一边。 在那之后，赖特开始考虑他的第一架滑翔机的结构，并选择了由 Chanute 设计的方案——一种双翼飞机，有两个支撑面位于另一个下方。 兄弟俩在 1900 年建造了他们的第一架滑翔机。 他准确地复制了 Chanute 的设备，并且在尺寸上大大超过了它们。 但也存在一些差异。 赖特夫妇放弃了尾巴，他们说这“与其说是帮助，不如说是令人讨厌”。 他们还通过移动重心放弃了稳定性调节，并为他们的设备提供了真正的方向舵。 在滑翔机之前，他们放置了一个水平表面 - 所谓的“电梯”。 通过上下倾斜该表面，可以平衡设备在飞行方向上的所有振荡（纵向稳定性）。 通过使机翼弯曲来提供横向稳定性。 这是历史上第一个自信地服从掌舵的滑翔机。 他完美的通过了考验——不仅轻松的腾空而起，还举起了一个人。 飞行员没有像以前其他设计师那样从设备底部挂在皮带上，而是像滑橇一样躺着。 1901 年，赖特制造了第二架与第一架相似但更大的滑翔机。 测试这些设备后，他们确信自己缺乏空气动力学的理论知识。 然而，当时这门科学还处于起步阶段。 在收集了他们能得到的所有关于尸体飞行的描述的书籍之后，莱特人确信他们不能带着这样的行李飞得很远。 他们决定自己编译缺失的表格。 可以通过两种方式测量在空气中运动的物体的阻力：要么以一定的速度在平静的空气中移动物体，要么在静止的物体周围吹气，以一定的速度引导空气。 Langley 和 Maxim 专门以第一种方式进行了他们的实验，用手在空中旋转物体或模型。 使用这种方法，很难测量旋转的平面或模型在某个时间或另一个角度是什么角度。 此外，由于离心力的影响，测试结果失真。 毫不奇怪，它们不一致且不准确。 赖特选择了第二种方式。 同年，他们建造了一个“风洞”——一个由风扇强制空气进入的风洞。 在当时，这是一项了不起的发明，立即使他们获得了超越其他设计师的巨大优势，并迅速将他们推向了目标。 在他们的管道中，兄弟俩测试了 200 多种不同型材形状的模型。 它们由铁皮制成，因此可以以各种方式弯曲。 在莱特兄弟之前，从未有过如此系统地测量风洞中各种攻角的机翼表面和轮廓的电阻值。 这些顽固的系统实验的结果对他们的进一步成功具有决定性意义，这并不奇怪。 所有这些实验的主要结果是确定了所谓的压力中心，即在不同攻角下机翼上所有压力的总和。 在飞机设计和计算其稳定性时，合力位置或压力中心的值是绝对必要的。 另一个重要结果是确定不同速度下的机翼升力和阻力。 兄弟俩将他们的研究结果系统化在特殊的表格中，然后作为他们的袖珍指南。 在那之后，已经考虑到空气动力学调查，他们开始设计一个新的机身。 1902 年的第三架滑翔机与前两架不同，它有一个垂直尾翼。 飞行员躺在下层飞机的切口之间的一个特殊的摇篮里，用手肘抬起，用手控制前面的电梯，并通过侧身移动身体，用钢丝绳斜切机翼的末端。 启动滑翔机，两个人逆风从高山上奔跑。 之所以安排尾部，是因为之前的两个滑翔机有绕水平轴旋转的趋势，并且在机翼翘曲期间可能会翻滚。 赖特意识到，仅仅通过弯曲机翼是不可能实现滑翔机良好可控性的。 起初，垂直方向舵是固定的，但后来发现滑翔机在侧向倾斜时不再服从方向舵，Orville Wright 建议让垂直方向舵可移动。 然后，通过将其转向对面的机翼，可以恢复横向平衡。 因此，降低和升高机翼的阻力差异将得到补偿。 威尔伯同意他兄弟的意见，并用一个重大改进补充了他的想法：由于垂直方向舵必须在机翼末端弯曲的那一刻转动，所以最好用钢丝绳将方向舵和机翼连接起来，以便对它们起作用同时。 在那之后，一个杠杆的运动变得可以控制横向稳定性。 因此，在航空史上，莱特兄弟第一次使用了可移动的垂直方向舵。 这是他们在掌握空气元素的道路上的第二个非凡发现。 当赖特需要左转时，他转动了摆臂； 同时，通过线材降低了右翼的后缘（即转弯外）。 因此，右翼弯曲得更陡峭并吸入更多空气，被向上引导。 与此同时，转弯内的左翼下降了。 结果，飞机作为一个整体在曲线内倾斜。 用于转动的右转向杆 a 具有双重运动。 引导它向前（推开它），飞行员以这样的方式作用在两臂杆 K 上，使得转向杆将方向盘向左移动。 向后拉这个转向杆（朝向你自己）导致方向盘向右移动。 另一方面，杠杆 a 向左的偏移使杆 C 产生相同的运动，通过推力 e 使机翼弯曲：右 - 下，左 - 上。 通过向右和向左倾斜操纵杆而使轴承表面变形既可以独立于方向舵的变形（通过前后移动操纵杆）进行，也可以与其一起进行。
轴承表面的翘曲也有助于在阵风期间保持横向稳定性。 当一阵风使飞机向一侧倾斜时，飞行员立即拿起较陡的下降机翼，同时减小会合角（轴承面与运动方向的角度；越大，阻力越大，因此升力）在升起的机翼中。 因此，飞机纠正了侧倾，挡住了一阵风。 对于这种对风的反作用，仅需要将杠杆a向右或向左移动。 然而，机翼从平面到螺旋表面的这种转变产生了不良后果——整个机身在一定程度上绕着它的轴线转动，就像螺旋桨在平移运动中开始旋转一样。 为了平衡这种不需要的旋转，使用了前垂直新月形表面 v 和 w，固定在升降舵的表面之间，升降舵的旋转方向与旋转舵的运动相反。 第二个转向杆控制飞行高度。 当向前按下时，控制面变得更平，滑翔机降低了它的机头。 用新安装的垂直方向舵测试机身立即得到了很好的结果。 滑翔机很好地服从了掌舵，有时会在空中翱翔整整一分钟。 那个时候，世界上没有人能夸耀如此出色的成绩。 我们可以说，即便如此，莱特兄弟的滑翔机也是地球上最先进的飞机。 它已经具备飞机的所有显着特征：它有两个经过空气动力学计算正确的机翼，前部有水平升降舵，后部有垂直方向舵，机翼末端弯曲以实现横向稳定性（副翼）。 滑翔机非常易于管理 - 它上下，左右转动而不会失去稳定性。 为了成为一架飞机，滑翔机只缺少一个东西——带螺旋桨的马达。 赖特于 1903 年初开始创建它。 他们计算出他们需要一个非常轻巧的小型汽油发动机，至少有 8 马力才能飞行。 尽管他们尽了最大的努力，他们还是无法购买成品发动机。 然后他们决定自己做，坐下来计算。 很快，一个重约 90 公斤、带水冷和电点火的四缸发动机项目准备就绪。 铝制外壳是在当地锻造的。 所有其他零件都是兄弟们自己在他们的工作室制作的。 尽管这项工作对他们来说是全新的，但发动机在组装后立即开始工作，兄弟们认为这是未来成功的保证。 另一个问题是螺旋桨的制造。 当然，当时还没有螺旋桨的理论计算。 经过大量的实验和激烈的辩论，赖特用加拿大松木制成了两个木制螺旋桨。 每个都有两个刀片并安装在铁轴上。 它们相互旋转并被放置在每个机翼的后面（而不是按照后来的习惯在前面）。 传输是在链条的帮助下进行的。 准备好发动机、螺旋桨和变速箱后，赖特开始着手制造飞机本身。 它的设计与 1902 年的滑翔机完全相同，但更加耐用。 和以前一样，飞行员处于仰卧位。 第一架飞机在小鹰号的海上进行了测试（兄弟俩在那里测试了他们所有的滑翔机）。 在这里，14 年 1903 月 3 日，威尔伯赖特进行了第一次机动飞行——持续了 5 秒。 飞行了 32 m 后，飞机坠毁。 在 17 月 59 日多次尝试后，威尔伯进行了一次更长的飞行：飞机在空中停留了 260 秒，飞行了 59 米。由于大风，今年不得不停止进一步的飞行。 回到代顿的兄弟们对他们取得的成果非常满意。 乍看之下，这次仅持续了 XNUMX 秒的飞行，似乎是一项微不足道的成就，但对于当时来说，却是一场巨大的胜利。 在莱特兄弟之前，没有任何一个比空气重的装置，不仅能飞到一百两米，还能直接升空。 赖特立即开始制造第二架飞机，于 1904 年 16 月完工，并为其制造了新的 3 马力发动机。 飞机测试在代顿进行，使用大牧场作为机场。 为了升到空中，他们想出了一个特殊的装置，那就是一座塔，塔的顶部挂着一个重约半吨的货物。 货物在电缆的帮助下连接到飞机，并在坠落期间产生了加速起飞的力量。 兄弟俩学会了极其谨慎地飞行。 起初，掌握滑翔机，他们做了很多起飞和降落。 稍有危险，他们就把车停在了场地上。 长时间的飞行在低空（约5 m）绕了一圈。 逐渐地，飞行的持续时间增加了。 在 5 月，一架飞机已经可以在空中停留 XNUMX 分钟左右，飞行距离可达 XNUMX 公里。 1905 年冬天，制造了第三架配备 20 马力发动机的飞机。 秋天，在掌握了所有控制的秘密后，赖特开始了长途飞行。 5 月 38 日，飞机在空中飞行，直到汽油耗尽 - 39 分钟，在此期间它飞行了 XNUMX 公里。 然而，这些记录在美国没有得到任何承认，几乎无人知晓。 此外，发明者试图让政府对他们的飞机感兴趣的所有尝试都没有成功。 然而，这解释得很简单——当时所有记者和官员的注意力都被兰利的实验所吸引。 在兰利彻底失败后，创造一架飞机似乎是一个不可能的梦想。 有关两名自学成才的机械师使用能够在空中停留数十分钟的简易装置组装飞机的报道似乎完全是无稽之谈。 一项专利的颁发也拖了好几年。 直到 1906 年春天，经过长时间的拖延，专利终于收到了。 与此同时，飞机的建造对莱特工作室来说是一个难以承受的负担。 1905年，由于经济困难，他们被迫停止飞行。 三年来没有人记得他们的发明。 直到 1907 年，他们成功的传言在法国引起的炒作才最终引起当地官员的注意。 同年，他们从美国陆军部收到了一架飞机的订单，并为此支付了 100 美元。 1908 年的飞机已经有两个座位供飞行员和乘客使用。 在这方面，控制杆被重做。 同年，新飞机在法国进行了演示，并在欧洲引起轰动。 威尔伯·赖特（Wilber Wright）开玩笑地打破了当时法国飞行员和设计师创造的所有记录。 21月1日，他创造了绝对纪录，在空中停留了5小时，31月2日，他以20小时1分钟的成绩打破了这个纪录。 这是赖特胜利的时刻。 他们的每一次飞行都吸引了成千上万的观众。 屏住呼吸，人们准备好几个小时跟随飞机，它描述了一个又一个规则的圆圈在场地上空。 最有名的人想见兄弟。 飞机订单从四面八方如雨后春笋般落到他们身上。 莱特飞机公司在纽约成立，资本为 XNUMX 万美元。 Wilber Wright was elected its chairman. 第一家飞机工厂建在代顿。
但赖特的设计理念对欧洲大陆的影响并不像人们最初预期的那么大。 尽管“权利”最初得到了一些分配，但他们的设备方案很快就被认为不够完美。 管理它们需要很高的技巧。 由于没有机尾，这些飞机有一种危险的打盹倾向。 1909年的几次灾难对“权利”的影响就清楚地表明了这一点。 原因很明显——赖特的飞机没有法国飞机设计师一直为他们的汽车提供的那种“Fenot tail”。 在赖特的飞机中，这个尾巴的作用是由前部升降舵发挥的，用手控制。 因此，该方向盘操作的最轻微延迟或方向盘本身及其驱动器的故障总是有失去平衡和灾难的威胁，而“Peno尾巴”在这些情况下会自动采取行动。 到莱特一家抵达法国时，这里已经有一所成熟的航空学校——建造了数十架飞机，并创造了几项备受瞩目的记录。 诚然，这些机器还不能真正飞起来，而是跳得很远。 为了成为完美的飞机，欧洲的飞机缺少两件东西——一个用于弯曲机翼的装置和一个形状完美的螺旋桨。 法国设计师Voisin取得了最大的成功。 1907 年，他在赛车手法尔曼的命令下制造了法曼 1 型飞机，在莱特兄弟出现之前，它被认为是最好的。 在这架飞机上，法尔曼在同年创造了飞行距离记录 - 771 m，并且第一次成功绕圈飞行。 与莱特兄弟的飞机不同，法尔曼的双翼飞机根据佩诺系统具有纵向稳定性的尾翼。 尾部极大地方便了飞机的控制。 此外，法尔曼的飞机配备了起落架，他借助起落架迎风起飞。 法国人从赖特那里借用了机翼翘曲系统和螺旋桨形状后，他们的飞机开始在各方面超越海外同行。 这在 1909 年的国际比赛中已经很明显了。 总的来说，今年是飞机大获全胜的一年。 杰出的法国飞行员 Blériot 驾驶他的 Blériot-11 飞机飞越英吉利海峡。 与此同时，法尔曼创造了他的奇妙飞机“Farman-3”——耐用、稳定、听话控制。 这架飞机成为当时的主要训练机 - 来自许多国家的数千名飞行员参加了它的课程 - 并且是第一批开始批量生产的飞机之一。 作者：Ryzhov K.V.
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