На чем летает человек
Первые летательные аппараты
Ещё в древние времена люди мечтали подняться в воздух и научиться летать, подобно птицам. История донесла до нас немало свидетельств попыток различных людей смастерить крылья и полетать. Так, в 1020 г. английский монах Эйлмер из Малмсбери, вдохновлённый греческим мифом об Икаре, сделал искусственные крылья и спрыгнул с башни местного аббатства. Пролетев небольшое расстояние, при приземлении монах сломал ноги и хотел, усовершенствовав конструкцию и добавив хвост, повторить полёт, но аббат запретил ему это. Большинство же «изобретателей» заканчивали куда хуже — разбивались насмерть. И всё же — какова история летательных аппаратов и когда появились первые удачные приспособления, позволявшие людям подняться в воздух?
Начинается история полётов в древнем Китае. Ещё в 3-4 веках до н. э. китайцы изобрели воздушный змей. Изначально это приспособление использовалось для развлечения народа на всяких праздниках.
китайский воздушный змей в форме дракона
Однако вскоре воздушным змеям нашли и другое применение. Например, рыбаки стали использовать воздушных змеев для ловли рыбы, привязывая к ним приманку, воздушные змеи применялись для обмена сигналами на больших расстояниях, с их помощью даже доставляли сообщения и разбрасывали листовки. Конечно же, китайцев посетила и мысль, что большой воздушный змей может поднять в воздух и человека. Полёт на воздушном змее был довольно рискованным, однако история сохранила свидетельства удачных полётов. Первое дошедшее до нас письменное упоминание о таком полёте относится к 559 году. В этом году жестокий император Ци Вэньсюаньди приказал запускать на больших воздушных змеях своих политических оппонентов, осуждённых на казнь. Одному из них удалось пролететь несколько километров и благополучно приземлиться за чертой города.
Удивительно, что прошли тысячи лет, прежде чем полёты на дельтапланах, т. е., фактически таких же простых летательных аппаратах без двигателя, как и китайский воздушный змей, стали популярными и получили распространение. Одним из энтузиастов таких полётов стал Отто Лилиенталь, совершивший конце 19 в. более 2000 успешных полётов на планерах собственной конструкции. Он использовал те же материалы, что и китайцы — деревянные прутья и шёлк.
фото — полёты Лилиенталя
К сожалению, один из полётов закончился несчастным случаем — порыв ветра опрокинул планер и Лилиенталь упал, сломав позвоночник. «Жертвы неизбежны» — сказал он по этому поводу. А современная история дельтапланеризма началась лишь в 70-е годы 20 в. Датой рождения современного дельтаплана считается 1971 год.
До появления самолётов и вертолётов самым простым способом совершить полёт было использование летательных аппаратов легче воздуха — воздушных шаров и дирижаблей. Что интересно, история здесь снова ведёт нас в Китай. Вероятно, ещё в 3м в. до н. э. в Китае были изобретены воздушные фонарики. Этот фонарик — простая конструкция из рисовой бумаги с небольшой горелкой внутри.
китайские воздушные фонарики
Китайцы использовали воздушные фонарики в церемониях и как средство сигнализации. Прошли тысячи лет, прежде чем на воздушных шарах начали летать люди.
Изобретателями воздушного шара считаются братья Монгольфье из Франции. Руководствовались братья не совсем правильными идеями — им пришла в голову мысль сделать аналог облака и поместить его в мешок, чтобы оно могло поднять этот мешок в воздух. С этой целью они наполняли свои шары дымом от сожжения смеси соломы и мокрой шерсти. Тем не менее, их подход привёл к успеху. Сначала браться проводили эксперименты с небольшими шарами у себя дома, а затем устроили большую демонстрацию воздушного шара для жителей своего города Анноне. Это произошло 4 июня 1783 года. Вскоре о воздушном шаре узнали в Париже, и осенью того же года братья Монгольфье запускали свои шары уже в Версале. Впервые на воздушном шаре решили запустить пассажиров — ими стали овца, утка и петух. Наконец, убедившись, что полёт на воздушном шаре не повредит человеку, 19 октября 1783 года первый полёт на воздушном шаре совершили люди.
первый полёт на воздушном шаре
Воздушные шары имели существенный недостаток — их полёт зависел от направления ветра, поэтому в течение 19 в. не прекращались попытки создать управляемый летательный аппарат с двигателем. Пробовали как варианты с установкой двигателя на воздушный шар, так и с установкой двигателя на планер. Но несмотря на то, что идея управляемого полёта была высказана вскоре после полёта первого воздушного шара, прошло больше ста лет, прежде чем управляемый полёт стал реальностью. Лишь в 1884 году французы Шарль Ренар и Артур Кребс смогли построить дирижабль, способный свободно перемещаться в любом направлении. Их дирижабль имел удлинённую форму и был оснащён электрическим двигателем, работавшим на аккумуляторах.
дирижабль Ренара и Кребса
Попытки поставить двигатель на планер и изобрести, таким образом, самолёт, долгое время не приводили к особым успехам. Среди таких попыток был, например, самолёт Можайского. Можайский, контр-адмирал российского флота, стал изобретать самолёт ещё в 50-е годы 19 в. Начав с планеров, которые поднимали в воздух запряжённые лошади, Можайский перешёл к конструированию самолёта с двигателем. К сожалению, паровые двигатели, которыми он пробовал оснастить самолёт, были слишком тяжёлыми, и удержать его в воздухе не могли, хотя и имеются свидетельства, что самолёт Можайского был способен взлетать на короткое время.
самолёт Можайского (модель)
Можайский потратил на изобретательскую деятельность все свои деньги, продал имение и в конце концов умер от болезни в нищете. Тогдашние российские чиновники не заинтересовались идеями Можайского и не стали финансировать его работу, в результате общепризнанными изобретателями самолёта стали американцы братья Райт. Они совершили свой первый подтверждённый полёт в 1903 году, через 13 лет после смерти Можайского.
Первый документально зафиксированный полёт самолёта конструкции братьев Райт состоялся 17 декабря 1903 года. При этом самолёт запускался с помощью рельсовой катапульты, а расстояние, которое он пролетел, составило всего 30 метров.
первый полёт самолёта братьев Райт
Братья Райт изобрели не только сам самолёт, но и лёгкий бензиновый двигатель для него, что и стало настоящим прорывом в самолётостроении. Тем не менее от первого полёта до активного развития авиации прошло время. В следующем году братья Райт в присутствии журналистов не смогли повторить свой успех, самолёт отправился в ангар, а изобретатели занялись конструированием новой, более совершенной модели. Военное ведомство США не спешило заключать контракт с братьями Райт, сомневаясь в способности велосипедных механиков (именно такая специальность была у изобретателей) сконструировать что-то стоящее. В Европе же сообщения о полётах братьев Райт и вообще считали враньём. Лишь в 1908 г. после впечатляющих демонстрационных полётов, проведённых изобретателями как в США, так и в Европе, мнение изменилось, а братья Райт стали не только знаменитыми, но и богатыми.
В 1909 г. российское правительство, наконец, осознало важность изобретений в области авиации. Оно отказалось покупать самолёт братьев Райт и приняло решение создать собственный самолёт самостоятельно. Первый российский аэроплан построил и в 1910 году совершил на нём полёт профессор Александр Кудашев.
Персональные летательные аппараты. Понять и подождать
Последние 20 лет появляются интересные пилотируемые сверхлегкие летательные аппараты нетрадиционных схем – это квадракоптеры, гексокоптеры и пр. Они разрабатываются как машины для транспортировки людей или средство для полета в свое удовольствие. Это поиск новых решений, применение новых технологий, другими словами, естественный процесс развития легкой авиации.
Конструкторы стремятся создать компактный летательный аппарат, обеспечивающий простой доступ к небу с небольших площадок. К их особенностям я бы отнес:
Официально термин Персональный летательный аппарат (Personal air vehicle) был введен NASA в 2003 г. и предполагал предоставление быстрого транспортного решения клиенту «от двери до двери». Такой аппарат по мнению NASA должен был способен ездить по дорогам как автомобиль и летать, используя небольшие аэродромы или просто подходящие площадки.
Требования к персональному летательному аппарату от NASA (2003г).
Транспортные проблемы мегаполисов, а также мечта о полете со двора собственного дома, заставляли изобретателей развивать направление персонального авиатранспорта.
Семьдесят лет спустя, компания Airbus представила концепт городской модульной транспортной системы.
Надо отметить, что за семьдесят лет мир не увидел ни одной серийной машины, которую можно было бы отнести к персональном летательным аппаратам. Если убрать требование возможности передвижения по дорогам как автомобиль, к таким аппаратам с натяжкой можно отнести легкие вертолеты.
Но вертолеты не стали массовым «летающим такси». Прежде всего, отпугивает высокая стоимость предложения. Массовому потребителю это не по карману. Рынку нужны более дешевые решения.
Создание экономичного ЛА вертикального взлета с автономной системой управления может дать следующие преимущества:
Начнем с машин, которые я отнес бы к снарядам для активного отдыха.
1.1. GEN H-4
В 2000 году японская корпорация GEN Corporation представила ультралегкий вертолет соосной схемы. Силовая установка состоит из четырех двухцилиндровых двигателей. Отказ двух двигателей позволяет совершить безопасную посадку. Управление шагом винта (как общим, так и циклическим) не предусмотрено. Фактически, несущий винт – это воздушный винт неизменяемого шага. Управление вертолетом – балансирное.
1.2. Martin Jetpack
Новозеландская компания Martin Aircraft в 2008 году представила, пожалуй, единственный, на сегодняшний день, персональный аппарат вертикального взлета, готовый к серийному производству. Работа над проектом идет уже более 35 лет.
1.3. Aerofex Aero-X
Управление аппаратом происходит при помощи отклонения потока за воздушными винтами, для чего используется направляющий аппарат на выпускном отверстии кольцевых каналов.
Высота полета искусственно ограничена 3 метрами, для спасения пилота при столкновении с землей аппарат оснащен воздушными подушками.
1.4. Flyboard Air
Пожалуй один из самых компактных индивидуальных летательных аппаратов разработал Фрэнк Запата со своей командой — Flyboard Air.
1.5. ArcaBoard
Летающая доска от компании Arca space corporation оснащена 36 электромоторами с вентиляторами в кольцевых каналах, питание осуществляется от аккумуляторов.
2.1. CH-7 Kompress
(добавлен для сравнения) 
Итальянская компания Helisport в 1996 году приступила к серийному производству ультролегкого вертолета CH-7 «Kompress Charle». Плотная тандемная компоновка кабины малого миделя обеспечивает хорошие скоростные характеристики и дальность полета. На сегодняшний день изготовлено более 330 машин.
2.2. Volocopter VC200
Немецкие авиастроители из компании E-volo разработали двухместный мультикоптер оснащенный 18 независимыми электродвигателями с воздушными винтами неизменяемого шага.
Управляется аппарат за счет изменения оборотов двигателей. Система управления автоматически поддерживает заданные параметры полета, управляя индивидуальной скоростью вращения каждого двигателя.
2.3. Ehang 184
Китайская компания Ehang занимается разработкой одноместной электрической машины, напоминающей увеличенный квадрокоптер. По задумке создателей, это должен быть полностью автономный летательный аппарат (autonomous aerial vehicle), пассажиру остается просто указать пункт прибытия, весь полет от взлета до посадки обеспечит бортовая система управления.
Летательный аппарат перемещается, используя тягу четырех соосных воздушных винтов неизменяемого шага. Управление осуществляется за счет изменения скорости вращения каждого из восьми независимых электродвигателей.
Сравнение
Ниже представлено сравнение перечисленных аппаратов с вертолетом. Сравнение проводилось по 3 критериям:
Выводы
1. Вертикальный взлет
Вертикально взлетающая машина с топливной эффективностью самолета позволит завоевать рынок ближних авиаперевозок. Однако, представленные ЛА очень далеки по летным характеристикам даже от классического вертолета.
На сегодняшний день нет конструктивного решения, позволяющего осуществлять вертикальный взлет, посадку и быть эффективнее вертолета.
небольшое отступление
Тут выглядит интересным демонстрационный образец, представленный агентством DARPA. Вертикально взлетающий аппарат XV-24A с поворотным крылом и разнесенной электрической двигательной установкой.
По заявлению разработчиков, эта машина будет эффективнее вертолета на 25…50% (имеется ввиду топливная эффективность). Импеллеры, разнесенные по длине крыла, позволяют управлять циркуляцией потока, а также препятсвуют срыву потока на больших углах атаки. Электропитание осуществляется от генератора на газотурбинном двигателе.
2. Источник питания
Появившиеся электрические двигатели (и контроллеры) с низкой удельной мощностью и возросшая энергоемкость аккумуляторов позволяют создавать полностью электрические машины. Однако, по экспертной оценке (работа проведена коллегами, не публиковалась), при увеличении энергоемкости аккумуляторов в 25-30 раз на единицу массы и снижении стоимости расходования ресурса батареи в 1,5-3 раза, по сравнению с сегодняшними показателями, применение полностью электрической транспортной авиации станет экономически оправданным. Так что, пока это вопрос неблизкого будущего.
Для примера, электрический самолет Airbus E-FAN созданный в 2014 г., имеет дальность полета около 150 км, тогда как его бензиновый одноклассник Cessna 150 летает на дальность 680 км.
3. Компактность
Создание компактного ЛА коммерчески оправдано — это небольшие размеры площадки для взлета и посадки, небольшая площадь для хранения и пр. Но, как можно видеть из сравнительной таблицы выше, замена несущего винта несколькими меньшего диаметра существенно снижает кпд двигательной установки и как следствие, приводит к падению дальности.
4. Автономное управление
Современный автопилот в связке с наземной инфраструктурой позволяет автоматизировать все этапы полёта.
Можно предположить, что система управления, обеспечивающая построение маршрута, управление ЛА, и даже подбор площадки для посадки могла бы быть построена в уже в ближайшее время.
В статье описано текущее положение дел. Технологии еще не созрели для создания персонального летательного аппарата, к которому проявит интерес массовый рынок. Возможно, потребуются десятилетия. Но, представленные аппараты вполне могут использоваться для развлечения или решения специальных задач, если не принимать во внимание их стоимость.
Виды воздушного транспорта
Как способ перемещения грузов и людей в нужную точку или хотя бы в заданном направлении воздушный транспорт появился в 20-м веке. До этого люди уже умели летать на воздушных шарах. Однако невозможность управлять аэростатами приводила к тому, что они летали туда, куда угодно ветрам, а не туда, куда хотели бы отправиться люди.
Весьма ярко эффективность воздушного шара как транспорта описана в романе Жюля Верна «Таинственный остров». Как известно, его героям, хотевшим убежать из осаждённого города, нужно было преодолеть по воздуху едва ли десяток километров. На практике вышло, что буря забросила их практически на другой край Земли, где героям пришлось всеми силами бороться за выживание.
Первые самолёты, которые начали активно строить в начале 20-го века, не давали поводов рассуждать о возможности создать такую отрасль, как воздушный транспорт. Инженеры и лётчики мечтали не о грузах, а о том, чтобы удачно приземлиться и не повредить аэроплан.
Появление воздушного транспорта
С увеличением надёжности самолётов появились и мысли об их коммерческом использовании. Уже в 1910 году самолёт братьев Райт поработал курьером, доставив около 100 килограммов шёлка из магазина на дом покупателю. Понятно, что этот полёт носил рекламный характер, а его стоимость вряд ли была ниже стоимости перевезённого груза.
Примерно также начинались и коммерческие пассажирские перевозки. В том же 1910 мэр города Санкт-Петербург (не того, что в России, а того, что во Флориде), пожелал отправиться на самолёте в Тампу, расположенную примерно в 38 километрах южнее. По суше добраться в Тампу можно было за пять долларов. За полёт с чиновника содрали 400 – видимо, понимали, что заплатит он всё равно не из своего кармана.
Авиация развивалась быстро, и уже в 1919 году в Германии началось регулярное авиасообщение между Берлином и Веймаром. Чуть позже открылись линии Париж – Лондон и Париж – Брюссель. Так начиналось неумолимое развитие воздушного транспорта…
Виды воздушного транспорта
Самолёты
Львиную долю современных воздушных перевозок выполняют самолёты. В 2016 году они перевезли 3,7 млрд. пассажиров. На рынке грузоперевозок доля авиации невелика и не превышает 1 – 2%. Тем не менее, около трети товаров, продающихся через Интернет, перевозятся авиатранспортом.
Главное достоинство и особенность авиационного транспорта – скорость. На современном уровне развития авиации доставка грузов или пассажиров практически в любую, пусть и самую отдалённую точку земного шара, занимает максимум сутки. При этом современные авиалайнеры весьма комфортны. Для большинства пассажиров, не имеющих физиологических или психологических противопоказаний, даже серьёзный по длительности полёт может быть хорошим отдыхом.
Однако за скорость, как всегда, приходится платить, причём как в прямом, так и в переносном смыслах. Авиатранспорт – это дорого. Далее, современные вместительные и грузоподъёмные самолёты могут сесть далеко не на любую взлётно-посадочную полосу, то есть транспортное может значительно удлиниться за счёт финального отрезка маршрута, который нужно преодолеть по земле. Наконец, оформление документов и другие процедуры перед взлётом и после посадки иной раз приводят к тому, что чистое полётное время оказывается меньше, чем время, затраченное на дорогу до аэропорта и предполётные процедуры.
Несмотря на имеющиеся недостатки, авиатранспорт становится всё популярнее. Этому помогает высокая конкуренция среди перевозчиков, заставляющая снижать цены на билеты. Способствует выгодному для пассажиров ценообразованию и наличие лоукостеров – авиакомпаний, на рейсах которых пассажиры получают минимум комфорта и дополнительных услуг. Цены на билеты у лоукостеров иногда бывают в несколько раз ниже, чем аналогичные цены у традиционных авиакомпаний.
Что касается грузов, перевозимых на самолётах, то их можно условно разбить на несколько категорий:
Таким образом, перевозки самолётами, со всеми их достоинствами, имеют ряд серьёзных недостатков, и вряд ли можно предполагать, что в обозримом будущем они смогут заменить наземный транспорт.
Вертолёты
Винтокрылые летательные машины поднялись в воздух чуть позднее первых самолётов – первые более или менее успешные полёты относят к 1907 – 1924 годам (историки техники до сих пор сомневаются, какой именно полёт можно считать первым).
Первыми ценили преимущества вертолёта как средства транспорта военные. Уже в 1930-х годах Генеральные штабы ряда стран заказал и конструкторам машины, способные взлетать и садиться вертикально. Это требование, по сути, подразумевало возможность зависать в воздухе.
Вертолёт оказался незаменимым транспортом в сложных и чрезвычайных ситуациях. Низкую (относительно самолётов) скорость вертолёты компенсируют отличной маневренностью. Способность же сесть практически на пятачок, а потом взлететь с него и вовсе не нуждается в комментариях.
Современные тяжелые вертолёты, способны переместить 40 тонн груза на 500 км за один рейс. Тем не менее, среди гражданских моделей больше ценится на грузоподъёмность, а маневренность. Именно это качество позволяет вертолётам занимать свою нишу в воздушных перевозках.
Немного забытой истории — Дирижабли
За последние несколько десятков лет мы привыкли, что воздушный транспорт – это самолёты и вертолёты. Ну, может быть, ещё разные диковинки вроде дельтапланов или экранопланов. А ведь ещё в 1930-х годах самолёты смотрелись довольно бледно на фоне дирижаблей – настоящих монстров воздушного океана. А потом дирижабли исчезли, оставшись лишь на иллюстрациях в технических журналах.
Дирижабли – летательные аппараты легче воздуха с двигателями – строили десятками. Они совершали трансокеанские перелёты, поражая зрителей на земле размерами, а пассажиров в воздухе роскошью. Существовала, помимо одиночных рейсов по всему миру, регулярная линия из Германии в Южную Америку.
Эпоха дирижаблей закончилась резко и по не до конца понятным причинам. Да, случилось несколько знаковых аварий.
Катастрофа дирижабля «Гинденбург» в США
Но в те времена (перед Второй Мировой войной) аварийность обычного транспорта также была очень высокой. Дирижабли были пожароопасными, но уже был известен гелий и способы его промышленного получения. Огромные воздушные сигары были медленными, но крейсерская скорость даже современных контейнеровозов гигантов ещё меньше.
И самое главное: судно придёт туда, где есть порт. Поезд – туда, где есть железная дорога. Автомобиль – туда, где есть хотя бы подобие обычной дороги. Дирижаблю же для причаливания нужна лишь мачта высотой несколько десятков метров, хоть в пустыне, хоть посреди тайги, хоть на полюсе.
Скорее всего, дирижабли стали жертвой технологической инерции. Во время Второй Мировой производство самолётов поставили на отлаженный поток. Дирижабли могли повредить целой отрасли вместе с её смежниками. Время энтузиастов-одиночек прошло, а государствам было не до дирижаблей – мир вступил в атомную эру. Небесная слава проходит так же, как и земная…