* ЗАКАЗАТЬ АВТОРСКИЙ РЕФЕРАТ, КУРСОВУЮ ИЛИ ДИПЛОМ*

тел. 728 - 3241

АВИАЦИОННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА, двигатель и движитель летательного аппарата, единый комплекс устройств и агрегатов, обеспечивающих силу тяги и подъемную силу для полета и ускорения летательного аппарата. Автомобиль движется благодаря трению покоя между колесом и дорогой. Воздушная Среда не обладает трением покоя, поэтому и сила тяги, и подъемная сила летательного аппарата определяются изменением количества движения среды, в которой он движется. Любой авиационный движитель (например, винт) захватывает поток воздуха, натекающий на летательный аппарат, и отбрасывает его с увеличенной скоростью назад, что приводит к возникновению реактивной силы, направленной вперед и равной изменению количества движения в единицу времени. Кроме того, должна существовать поддерживающая сила, благодаря которой летательный аппарат не падает. Самолет поддерживают крылья, которые тоже изменяют количество движения воздуха, отбрасывая его вниз и создавая подъемную силу. При движении самолета в воздушной среде возникает сила сопротивления движению, для преодоления которой нужна сила тяги, создаваемая двигателем. Подъемная сила и сила тяги вертолета создаются вращающимися лопастями.
Физические принципы создания сил летательным аппаратом. Для создания силы тяги и подъемной силы необходимо выполнение трех условий. Во-первых, необходим источник энергии, поскольку нужно увеличить скорость, а значит, и кинетическую энергию потока воздуха. Почти во всех случаях энергию на борту самолета или вертолета получают при сжигании углеводородного топлива (или водорода) с кислородом воздуха. В качестве вспомогательной используется электрическая энергия, запасенная в аккумуляторах. Первоначальный энтузиазм, вызванный овладением атомной энергией, не привел к созданию практичного ядерного двигателя для летательного аппарата.
Во-вторых, поскольку при горении выделяется тепловая энергия, на борту должно иметься средство преобразования тепловой энергии в механическую, которая может быть использована для увеличения кинетической энергии потока. Преобразование энергии происходит в тепловом двигателе (см. ниже). На небольших винтовых самолетах до сих пор устанавливаются поршневые двигатели. На крупных современных самолетах обычно используются газотурбинные двигатели, основные агрегаты которых – компрессор, камера сгорания и турбина, вращающая компрессор. По второму закону термодинамики доля тепловой энергии, превращаемая в механическую, определяется температурой источника тепла (в данном случае температурой горения топлива) и температурой окружающей среды. Для углеводородных топлив температура горения составляет около 2500 К. Температура в стратосфере, где летают современные самолеты, около 200 К; поэтому теоретический (термический) КПД равен 1 - 200/2500 = 0,92 или 92%, что, конечно, является высоким значением; однако реальный КПД значительно ниже, поскольку эффективная температура рабочего тела в камере сгорания существенно ниже температуры горения топлива, а кроме того, возникают потери на сжатие и расширение в воздухозаборнике и турбокомпрессоре. Реальный КПД современных двигателей летающих в стратосфере самолетов около 40%.
В-третьих, должно быть средство, которое обеспечивало бы передачу механической энергии потоку для увеличения его скорости (или количества движения). Для этого существует несколько возможностей. Энергия двигателя может передаваться воздушному винту, который ометает большую площадь потока, т.е. захватывает большой расход, и несколько увеличивает его скорость. Для привода винта используют поршневые и турбовинтовые двигатели. Существуют двигатели, которые механическую энергию затрачивают на увеличение кинетической энергии горячих выхлопных газов, расширяющихся в сопле; это – турбореактивные двигатели.

Полезная работа двигателя – работа, затрачиваемая на движение летательного аппарата. Полезная мощность – работа, совершаемая в единицу времени, – равна произведению силы тяги на скорость летательного аппарата. Следовательно, тяговый КПД (КПД движителя) равен отношению полезной мощности к мощности двигателя. Можно показать, что этот КПД равен удвоенной скорости летательного аппарата, деленной на сумму скорости полета и скорости реактивной струи (относительно летательного аппарата). С другой стороны, тяга равна массовому расходу реактивной струи, умноженному на разность скоростей струи и аппарата. Таким образом, высокая скорость реактивной струи приводит к большой тяге на единицу расхода и к малому тяговому КПД..

Воздушный винт, захватывая большой расход и сравнительно ненамного увеличивая скорость струи, обладает высоким КПД. Турбореактивный двигатель представляет другую крайность: расход в нем сравнительно невелик (поперечное сечение двигателя невелико), а скорость струи высока, поэтому он имеет невысокий КПД. Турбовентиляторные двигатели (рис. 5) похожи на турбовинтовые тем, что вентилятор ускоряет дополнительный расход рабочего тела, не проходящий через турбокомпрессор, который затем истекает через сопло. Скорость реактивной струи в турбовентиляторном двигателе ниже, чем в турбореактивном, но выше, чем в турбовинтовом; соответственно, он имеет промежуточное значение КПД. Самое широкое применение турбовентиляторные двигатели нашли в современных дозвуковых транспортных самолетах.
Типы авиационных двигателей. Любая авиационная силовая установка должна иметь в своем составе указанные выше агрегаты, но они могут быть самыми разными в зависимости от условий эксплуатации двигателя. К ним относятся: скорость и высота полета, маневренность, дальность, взлетно-посадочные требования. Кроме этих условий, на характеристики двигателя влияют отношение тяги к расходу топлива (чаще используют величину, обратную этому отношению, – удельный расход топлива), отношение тяги к весу силовой установки, уровень шума при взлете и посадке, капитальные затраты и стоимость обслуживания, надежность. Все эти критерии необходимо рассмотреть при выборе силовой установки для конкретного применения.
Главным критерием, определяющим выбор силовой установки, является скорость полета. Скорость полета лучше всего определять числом Маха – отношением скорости полета летательного аппарата к скорости звука на заданной высоте. При M < 0,5 наиболее эффективным движителем является винт, который при этих условиях, как правило, и используется; винт приводится во вращение обычным поршневым двигателем, роторным двигателем или газовой турбиной. Для более высоких скоростей полета (но меньше скорости звука, M < 1) предпочтительнее использование турбовентиляторных двигателей с большим расходом через вентилятор, поскольку они обладают наилучшим сочетанием отношения тяги к расходу топлива, отношения тяги к весу, надежностью, уровнем шума. На боевых самолетах, таких, как истребители и штурмовики, которые должны летать при около- и сверхзвуковых скоростях и обладать высокой маневренностью, устанавливают турбовентиляторные двигатели с форсажом. В таких двигателях после турбины в специальную форсажную камеру дополнительно подается топливо, где оно дожигается.
Дожигание увеличивает тягу по сравнению с двигателем, в котором топливо сгорает только в камере, однако при этом существенно возрастает расход топлива, которое всегда хранится на борту самолета. На самолетах, которые длительное время должны лететь со скоростью 2 < M < 4, устанавливают турбореактивные двигатели с форсажом. В этих двигателях весь поток воздуха проходит через компрессор, камеру сгорания и турбину, а затем поступает в форсажную камеру, где добавляется топливо, и температура горения поднимается до высоких значений, которых не выдержала бы турбина. На таких самолетах, как X-15, летающих с М около 4, предпочтительнее использовать ракетные двигатели. Такие самолеты могут летать и в безвоздушном пространстве, поскольку в ракетном двигателе используется не кислород воздуха, а окислитель, запасенный, как и горючее, на борту самолета. Продукты сгорания ракетного двигателя, расширяясь в сопле, создают тягу, значительно большую, чем у турбореактивного двигателя. Однако и расход топлива на единицу тяги у таких двигателей значительно выше. Ракетные двигатели устанавливают только на экспериментальных самолетах. Скорости M > 6 называются гиперзвуковыми; при таких скоростях, вплоть до орбитальных (число Маха около 25), предполагается использовать прямоточные двигатели, в том числе со сверхзвуковым горением. В прямоточных двигателях повышение давления и температуры, необходимое для эффективной работы, достигается за счет кинетической энергии набегающего потока. Если перед зоной подачи топлива в поток он тормозится до скорости, меньшей скорости звука, то двигатель называется просто прямоточным; если же топливо впрыскивается в сверхзвуковой поток, то – прямоточным со сверхзвуковым горением. Прямоточный двигатель со сверхзвуковым горением подходит для воздушно-космических самолетов, которые должны летать при гиперзвуковых скоростях.
Тепловой двигатель. Главным элементом всех рассмотренных выше силовых установок является тепловой двигатель, преобразующий тепловую энергию в механическую. В тепловом двигателе происходит изменение состояния рабочего тела, как правило, в результате химической реакции горения. В процессе горения повышается температура рабочего тела. В поршневых двигателях температура повышается при почти постоянном объеме и соответствующем увеличении давления; в газотурбинных двигателях температура повышается при почти постоянном давлении. В поршневом двигателе продукты сгорания расширяются в рабочем цилиндре, а в газотурбинном – в лопаточных аппаратах турбины; при этом часть выработанной турбиной энергии тратится на сжатие воздуха компрессором, а часть – на вращение винта, вентилятора или ротора вертолета. В турбореактивном двигателе турбина выполняет только ту работу, которая необходима для вращения компрессора, а основная часть энергии рабочего тела преобразуется в силу тяги в процессе расширения потока в сопле.
Поскольку термический КПД теплового двигателя увеличивается с повышением температуры и давления рабочего тела, в авиационных двигателях используют высокие степени повышения давления. В современных авиационных газотурбинных двигателях степень повышения давления достигает 25 и даже больше; в поршневых двигателях обычное значение степени сжатия 8. Если число Маха полета заметно больше единицы, во входном диффузоре происходит существенное повышение давления (примерно в 2 раза при M = 1 и почти в 20 раз при M = 3). Эффективная степень сжатия в газотурбинном двигателе равна произведению степени сжатия во входном диффузоре на степень сжатия в компрессоре, поэтому при высоких числах Маха двигатели даже с небольшой степенью сжатия компрессора имеют хороший термический КПД. Турбореактивные двигатели, рассчитанные на сверхзвуковые скорости полета, должны иметь компрессор со степенью сжатия не больше 12.
С ростом температуры сгорания повышается не только термический КПД, но и мощность, поскольку тепловая (внутренняя) энергия рабочего тела пропорциональна его температуре. Следовательно, очень желательно повышать температуру в камере сгорания, а значит, и на входе в турбину; однако эта температура ограничивается материалом турбинных лопаток, обтекаемых высокотемпературным потоком. Совершенствование авиационных материалов позволяет повысить рабочую температуру лопаток. Однако перспективнее охлаждение лопаток, что позволяет поддерживать их температуру ниже температуры горячих газов. Это достигается за счет отбора некоторого количества воздуха на выходе из компрессора и подачи его для охлаждения турбинных лопаток.
Компрессор и турбина. В газотурбинных двигателях процессы сжатия и расширения осуществляются лопаточными машинами. В лопаточных машинах изменение энергии потока, приводящее к его сжатию или расширению, вызвано движением лопаток, которые поворачивают поток и изменяют его скорость, в отличие от поршневых двигателей, в том числе роторного, в которых степень сжатия зависит главным образом от положения поршня.
Компрессоры авиационных двигателей довольно разнообразны. Наиболее широко применяется осевой компрессор (рис. 3), состоящий из перемежающихся рядов вращающихся (рабочих) и неподвижных (направляющих) лопаток; ряд рабочих и ряд направляющих лопаток составляют ступень компрессора. Рабочие лопатки совершают работу за счет внешней энергии и увеличивают энергию потока. В направляющем аппарате происходит торможение потока, ускоренного в рабочем колесе, и растет давление, а с ним вместе и температура. Каждая ступень компрессора последовательно увеличивает давление рабочего тела, в результате чего в многоступенчатом компрессоре достигается высокая степень повышения давления.
Турбина работает в принципе так же, как компрессор, за исключением того, что на рабочих лопатках поток совершает работу; при этом его энергия уменьшается. Мощность, вырабатываемая турбиной, частично идет на вращение компрессора, а частично – на вращение винта, вентилятора или ротора вертолета.
И в компрессоре, и в турбине действующие на лопатку силы пропорциональны плотности набегающего потока и квадрату его скорости в относительном движении. «Мощность лопатки» равна действующей на лопатку силе, умноженной на ее скорость. Итак, если скорость потока в относительном движении примерно равна окружной скорости лопатки, то мощность, передаваемая потоку или отбираемая от него, пропорциональна кубу скорости лопатки. Расход через рабочее колесо пропорционален окружной скорости лопатки, поэтому мощность на единицу массы расхода пропорциональна квадрату скорости лопатки. Относительное повышение температуры в компрессоре пропорционально квадрату числа Маха лопатки. Поэтому желательно, чтобы окружные скорости лопаток в авиационном компрессоре были околозвуковыми или сверхзвуковыми (при нормальных условиях 300 м/с или более). Такие скорости значительно выше скоростей поршня (примерно 10 м/с) в поршневом двигателе.
Высокие окружные скорости лопаточных машин приводят к большим центробежным нагрузкам во вращающихся лопатках и в диске, на котором они смонтированы; это выдвигает жесткие требования к проектированию и изготовлению лопаточных машин. Материал для турбин должен выдерживать высокие нагрузки при высоких температурах. Эти требования вместе с необходимостью малого веса и хорошей надежностью приводят к высокой стоимости газотурбинных двигателей. Появление новых прочных и легких материалов позволяет увеличить обороты компрессора и турбины и получить более высокие степени повышения давления или при данной степени повышения давления уменьшить число ступеней.
Винты, вентиляторы и воздухозаборники. Винт воздействует на поток так же, как рабочее колесо компрессора, у него только меньше лопастей и ниже степень повышения давления; он наиболее эффективен, как указывалось выше, для небольших скоростей полета. Однако с ростом скорости полета относительная скорость концов лопастей (векторная сумма скорости полета и окружной скорости лопасти) приближается к скорости звука, что происходит задолго до достижения звуковой скорости полета. Достижение на концах лопастей скорости звука приводит к резкому увеличению местного сопротивления и уровня шума, что ограничивает скорость полета винтовых самолетов.
Турбовентиляторные и турбореактивные двигатели для приема набегающего потока оборудованы воздухозаборниками (рис. 5). Воздухозаборник позволяет уменьшить скорость набегающего потока до приемлемой для вентилятора. При взлете в воздухозаборнике происходит плавное ускорение потока, а при полете на крейсерском околозвуковом режиме – торможение до требуемого значения скорости. В итоге вентилятор вне зависимости от скорости полета работает при оптимальных условиях. По сути дела, вентилятор – просто низконапорный компрессор; такой движитель очень удобен для дозвуковых транспортных самолетов.
Стремление повысить экономичность заставляет разрабатывать новые, более совершенные типы двигателей: высокоскоростные турбовинтовые или турбовентиляторные без внешнего кольца. Двигатель второго типа имеет два противоположно вращающихся винта с очень тонкими лопастями, загнутыми назад по вращению для уменьшения эффективного числа Маха на концах лопастей и, следовательно, для снижения уровня потерь и шума, связанных с образованием местных скачков уплотнения.
При полете со сверхзвуковыми скоростями воздухозаборник должен перестроить набегающий сверхзвуковой поток в дозвуковой, поэтому конструкция воздухозаборника в этом случае становится сложнее. От сверхзвуковой до звуковой скорости поток тормозится в системе скачков уплотнения, образующихся на носовом конусе или клине, а затем в расширяющемся диффузоре происходит дальнейшее торможение потока до значения скорости на входе в компрессор.
К истории авиационных двигателей. Уже на заре авиации было ясно, что характеристики двигателя определяют возможности полета самолета. Огромные усилия были затрачены на разработку и совершенствование силовых установок с высоким отношением мощности к весу. Первоначально пробовали применить на самолете паровые машины, но паровая машина слишком тяжела и малоэффективна для применения на летательном аппарате. Братья Райт для своего первого удачного самолета использовали поршневой двигатель с искровым зажиганием. Такие непрерывно совершенствовавшиеся двигатели применялись до конца Второй мировой войны, когда впервые в немецкой авиации появился истребитель с двумя турбореактивными двигателями. Турбореактивный двигатель был разработан независимо фон Охайном в Германии в 1939 и Ф.Уиттлом в Англии в 1941. В последующие годы газотурбинные двигатели быстро вытеснили поршневые в военной авиации: турбореактивные – на истребителях и бомбардировщиках и турбовинтовые – в транспортной авиации.
Первые пассажирские самолеты с турбореактивными двигателями появились в конце 1940-х годов (британская «Комета»); в целом самолеты оказались удачными, однако уровень шума при взлете был неприемлем. Этот фактор, а также стремление к экономии топлива привели в начале 1960-х годов к внедрению турбовентиляторных двигателей. Меньшая скорость реактивной струи позволила существенно снизить шум. Позже усовершенствованные турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности (рис. 5) были установлены на широкофюзеляжных самолетах, таких, как «Боинг-747», DC-10, «Локхид-1011». Турбовентиляторные двигатели тягой до 400 кН сейчас повсеместно применяются на пассажирских самолетах.
На современных высококлассных боевых самолетах стоят турбореактивные или турбовентиляторные двигатели с форсажом; впервые турбовентиляторный двигатель с форсажом был установлен на многоцелевой истребитель F-111, который должен был летать как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых скоростях. По существу, все современные истребители и многоцелевые самолеты используют такие двигатели с разной степенью двухконтурности для разных применений. С каждым новым поколением двигателей повышаются их удельная мощность и удельный импульс.

ЛИТЕРАТУРА
Казанджан П.К. Теория двигателей летательных аппаратов. Киев, 1975
Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. М., 1981
Присняков В.Ф. Двигатели летательных аппаратов. Киев, 1986
Нечаев В.И., Ткачев Ф.И. Авиационные двигатели. М., 1987

АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, совокупность предприятий, занятых конструированием, производством и испытаниями самолетов, ракет, космических аппаратов и кораблей, а также их двигателей и бортового оборудования (электрической и электронной аппаратуры и др.). Эти предприятия принадлежат государству или частным владельцам. Авиационно-космическая промышленность имеет важное политическое и экономическое значение. Ею в значительной мере определяются промышленный потенциал и престиж государства: ее предприятия поставляют свою продукцию на внутренний и внешние рынки, обеспечивают заказами другие отрасли хозяйства, предоставляют большое количество рабочих мест.

РЫНКИ СБЫТА
Сбыт авиационно-космической продукции осуществляется по пяти основным направлениям.
Военные самолеты и ракеты. Военные самолеты различаются по назначению. Истребители перехватывают самолеты противника, атакуют воздушные и наземные цели, совершают дозорные и разведывательные полеты. Задачи бомбардировщиков – поражение отдаленных наземных объектов. Для поражения близких объектов применяются штурмовики; они меньше бомбардировщиков и уступают им в бомбовой загрузке. Самолеты-корректировщики действуют совместно со штурмовиками. Назначение транспортных и учебных самолетов ясно из их названий. Транспорты, истребители и штурмовики некоторых типов используются как самолеты-заправщики или носители средств радиоэлектронной войны. Вертолеты особенно эффективны как средства спасения, но есть их типы, которые выполняют функции штурмовиков и транспортных летательных аппаратов. Существуют военные самолеты для решения и многих других специальных задач.
Назначение боевых ракет связано с их размерами. Баллистические ракеты обычно тяжелы и велики по размерам; самые большие из них – межконтинентальные. Основная часть траектории таких ракет лежит за пределами земной атмосферы. Ракеты меньших размеров обычно рассчитаны на дальности до сотен километров и управляются на протяжении всего полета; самые малые из них относят к категории снарядов.
Космическая техника. Заказы на космическую технику поступают, как правило, от правительств и их агентств. В США этими проблемами ведает НАСА (NASA – National Aeronautics and Space Administration) – Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, в России – Российское космическое агенство. Космический летательный аппарат может быть пилотируемым или беспилотным. Возвращаемые на Землю аппараты при входе в плотные слои атмосферы движутся сначала по баллистической траектории, а в плотных слоях атмосферы и перед посадкой используют парашюты или крылья. Примером крылатого аппарата является американский воздушно-космический корабль «Шаттл». Космические аппараты выводятся в космос ракетами-носителями. В качестве ракет-носителей часто используются модифицированные баллистические ракеты. Для проведения научных исследований в космосе применяются и специальные исследовательские ракеты, размеры которых относительно невелики.
Космос может быть использован в различных целях – коммерческих, научных и военных. В последние десятилетия активизировались военные программы, поэтому для защиты страны от нападения из космоса были созданы ЦУКОС МО РФ и Управление космических систем ВВС США с задачей использования и обслуживания искусственных спутников Земли. Создание воздушно-космической транспортной системы «Шаттл» должно было удешевить это обслуживание.
Воздушный транспорт. Люди активно пользуются воздушными путями сообщения; потребность в крупных пассажирских самолетах в настоящее время продолжает возрастать. Производство гражданских авиалайнеров осуществляется параллельно производству военных транспортов. Выпуск гражданских самолетов – своеобразная защитная реакция самолетостроительных компаний на капризы неустойчивых рынков военной и космической техники.
Авиалайнеры различаются по конструкции и размерам в зависимости от расчетного количества пассажиров и дальности полета. Обычно на более протяженных маршрутах используются более крупные машины. Небольшой самолет весит ~10 т и берет на борт до 10 пассажиров. «Боинг-747» берет от 331 до 550 человек и весит от 300 до 400 т. Дальность полета «Боинга-747-400» равна почти 13 000 км. Многие транспортные самолеты перевозят только грузы. Англо-французским консорциумом и Советским Союзом в свое время выпускались сверхзвуковые авиалайнеры. Англо-французский лайнер «Конкорд» до сих пор совершает полеты на линиях регулярного воздушного сообщения.
Малые самолеты гражданской авиации. К этой категории относятся самолеты, используемые в деловых и личных целях. Деловые самолеты – как правило, реактивные или турбовинтовые – имеют вместимость до 40 человек (вместе с экипажем) и грузоподъемность от 3 до 35 т. Личные самолеты меньше, и на них обычно устанавливаются поршневые двигатели. Полеты в личных целях дороги и приводят, в конечном счете, к потере времени; на больших расстояниях личные самолеты не выдерживают конкуренции с авиалайнерами, а на малых – с автомобилями.

ОСОБЕННОСТИ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Производственное оборудование авиационно-космической промышленности соответствует сложности ее продукции. В ней широко применяются и новейшие станки, и ручной труд искусных мастеров. Многим узлам ракет и космической техники необходима прецизионная обработка, они должны функционировать даже более надежно, чем самолетные изделия; производственные площади таких предприятий похожи скорее на лаборатории, нежели на заводские цеха. Напротив, производству личных самолетов до сих пор присущи те же способы работы с листовым металлом, что применялись в самолетостроении 1930-х годов. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы предшествуют выпуску всех новых типов продукции авиационно-космической промышленности, кроме малых самолетов гражданской авиации (их производство часто заимствует результаты изысканий из других областей техники).
Для успеха фирмы на рынке авиационно-космической техники необходимы определенные условия, а именно: 1) техническая компетенция и постоянство кадрового состава; 2) достаточный опыт выпуска продукции по своим конструкторским разработкам; 3) умелая организация сбыта готовых изделий; 4) диверсификация производства; 5) эффективность затрат; 6) устойчивость финансового положения. Перспективными для долгосрочного развития промышленности представляются авиалайнеры и космическая техника. Сокращение рынка вооружений, похоже, может быть скомпенсировано объемом продаж на других секторах рынка, достаточных для получения приемлемых прибылей. По темпам развития авиационно-космическая промышленность превзошла другие отрасли и приобрела определяющее значение для современной цивилизации. См. также АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ КОНСТРУИРОВАНИЕ; АЭРОНАВИГАЦИЯ; АВИАЦИОННЫЕ БОРТОВЫЕ ПРИБОРЫ; АВИАЦИОННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА; АВИАЦИЯ ГРАЖДАНСКАЯ; АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ; РАКЕТА; КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ; КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ «ШАТТЛ».

ЛИТЕРАТУРА
Гиммельфарб А.Д. Основы конструирования в самолетостроении. М., 1980
Технология самолетостроения. М., 1982
Гэтланд К. и др. Космическая техника: иллюстрированная энциклопедия. М., 1985
Глушко В.П. Развитие ракетостроения и космонавтики в СССР. М., 1987
Свищев Г.П. Авиация: энциклопедия. М., 1994

АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ. Здесь рассматриваются основные (силовые) элементы конструкций самолетов и воздушно-космических летательных аппаратов, современные материалы и важные конструктивные особенности авиационно-космической техники.

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ САМОЛЕТОВ

Аэродинамические характеристики. Элементы конструкции самолета должны обладать высокой прочностью, так как они подвержены воздействию больших нагрузок при полете, посадке и движении самолета по земле. В то время как форма стационарных наземных сооружений, например зданий или мостов, может быть определена конструктором из соображений прочности и экономичности, конструкция самолета должна, кроме того, удовлетворять ряду жестких дополнительных требований, в частности аэродинамических. Например, крыло должно выдерживать изгибающие и крутящие силы и моменты, возникающие в результате нестационарного силового воздействия воздушного потока на поверхность крыла. Наиболее эффективно такие нагрузки выдерживает жестко заделанная балка, однако такая конструкция непригодна с точки зрения аэродинамики, согласно которой поперечные сечения крыла должны быть тонкими, хорошо обтекаемыми профилями. Этот пример иллюстрирует важную особенность авиационных конструкций, при проектировании которых наряду с выполнением требований прочности необходимо обеспечивать высокие аэродинамические характеристики.
Весовые характеристики. Второй характерной особенностью авиационно-космических конструкций является стремление снизить их вес до минимально возможного. В противном случае самолет или ракета не сможет взлететь или взять на борт необходимый полезный груз. По этой причине проектирование и расчет авиационно-космических конструкций проводят с такой точностью, что допускается только тот вес, который совершенно необходим для прочности. Столь малый вес конструкции может быть достигнут только в результате использования тонких и удлиненных конструктивных элементов из высокопрочных материалов.
Конструктивные соображения. Таким образом, две основные особенности, которые отличают авиационные конструкции от наземных инженерных сооружений, – это влияние аэродинамических нагрузок на форму конструкции и использование исключительно легких удлиненных и тонкостенных элементов из высокопрочных материалов. На различных этапах развития авиации предлагались различные конструктивные решения для самолетов. Существует очевидная связь между оптимальной конструкцией самолета и его скоростью. Интересно отметить, что некоторые конструктивные решения, принятые на ранней стадии развития авиации, оказались приемлемыми и для современных самолетов, летающих в том же диапазоне скоростей. Так, сварной фюзеляж из стальных трубок во время Первой мировой войны был новинкой, позволившей улучшить характеристики истребителей и увеличить скорости их полета до 160 км/ч. Подобные конструкции стали совершенно непригодными для истребителей времен Второй мировой войны, которые летали со скоростями около 640 км/ч. С другой стороны, спортивные самолеты и самолеты для личного пользования, появившиеся намного позднее, редко развивают скорость больше 160 км/ч, и в конструкциях их фюзеляжей успешно применяются свариваемые металлические трубки.

АВИАЦИЯ ДО ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
На протяжении первых десятилетий развития авиации конструкторы пытались оптимизировать конструкцию самолета путем экспериментирования с различными вариантами и схемами. Оказалось, что многие конструктивные схемы, которые предлагались в заявках на изобретения в 1930-х годах, имели свои прототипы, которые уже предлагались в начале этого столетия, но были отвергнуты и с течением времени забыты. Одна существенная особенность, общая для всех самолетов, построенных до Первой мировой войны, заключалась в том, что на них применялись исключительно тонкие крылья. Тогда считалось, что требуемая подъемная сила может быть достигнута только на очень тонких, плоских или слегка изогнутых аэродинамических поверхностях. Такое тонкое крыло, подобное тонкой пластине, изгибается даже под действием небольшой нагрузки. Для того чтобы обеспечить требуемые жесткость и прочность, крыло подкреплялось наружными расчалками.
Расчалочный моноплан. На раннем этапе развития авиации успешно использовались две компоновочные схемы самолетов – расчалочный моноплан (рис. 1,а) и биплан (рис. 2). Примерами монопланов являются самолеты конструкции Альберто Сантоса-Дюмона и Луи Блерио. Бипланы конструировали братья Райт. Простой анализ равновесия сил и моментов показывает, каким образом внешние расчалки и распорки усиливают прочность конструкции. На рис. 1,б видно, что вес G самолета уравновешен подъемной силой Y, возникающей при обтекании крыла воздушным потоком. Подъемная сила приложена на расстоянии d от центра тяжести и создает момент Yd. Этот момент должен быть уравновешен моментом сил реакции, поскольку система крыло – расчалка находится в равновесии, как показано на рис. 1,б. Под действием подъемной силы нижняя расчалка натягивается, а верхняя – ослабляется. Следовательно, в полете верхняя расчалка не передает никаких усилий на фюзеляж, и силы реакции будут возникать только в месте соединения крыла с нижней расчалкой. Это силы H на рис. 1,б. Их величина может быть вычислена из условия равновесия для моментов:

Из этого простого алгебраического уравнения находим величину горизонтальной силы реакции H:

Формула (2) показывает, что горизонтальная сила реакции тем меньше, чем больше расстояние h между крылом и местом крепления нижней расчалки к фюзеляжу. Когда самолет приземляется или движется по полосе, подъемная сила на крыле небольшая, так как она пропорциональна квадрату скорости. В таких условиях часть веса крыла должна удерживаться верхней расчалкой, а нижняя расчалка при этом разгружается. По этой причине верхняя расчалка называется «посадочной», или обратной, а нижняя – «полетной», или несущей. Тонкое крыло не способно выдерживать большие нагрузки. Поэтому необходимо увеличивать расстояние h, т.е. крепить несущую расчалку вблизи шасси, а верхнюю – к пилону, который в этих целях размещают над фюзеляжем.
Расчалочный биплан. Для увеличения вертикальных расстояний при креплении расчалок была предложена конструкция биплана (рис. 2). Расстояние между верхним и нижним крыльями биплана соответствует расстоянию h, рассмотренному выше в связи с конструкцией моноплана, тогда как в качестве d принимается расстояние между распоркой и фюзеляжем. Уравнения (1) и (2) применимы к биплану, который позволяет увеличить высоту h по сравнению с монопланом.
Авиационные материалы. В конструкциях первых самолетов применялись в основном прочные породы дерева, такие, как ель и бамбук. Существовало мнение, что тяжелые материалы, вроде металлов, непригодны для изготовления авиационных конструкций. Сталь использовалась для расчалок. Древесина, несомненно, превосходный конструкционный материал, успешно воспринимающий изгибающие нагрузки при небольшом собственном весе. При этом внешние обводы крыла и фюзеляжа получали путем натягивания полотна на деревянный каркас.
расчалочных конструкций является большое лобовое сопротивление (сила сопротивления поступательному движению аппарата в воздухе) вследствие наличия множества вспомогательных элементов конструкции, таких, как расчалки, распорки, колеса шасси, валы и амортизаторы посадочного устройства, которые подвергаются воздействию воздушного потока. Такой самолет мог развить относительно небольшую максимальную скорость (мировой рекорд скорости полета в 1910 составлял лишь 106 км/ч).

КАРКАСНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Для увеличения скорости самолета пришлось кардинальным образом изменить его конструкцию – перейти к каркасным конструкциям. Основой каркасного самолета является его фюзеляж, в который заключены кабина экипажа, пассажирский салон и грузовые отсеки. На фюзеляж передаются также большие нагрузки, которые действуют на хвостовое оперение самолета при совершении быстрого маневра. Силовой набор каркасной конструкции, показанной на рис. 3,а, обладает малым весом и в то же время способен выдержать значительные нагрузки.
Сварные фюзеляжи из стальных трубок. Некоторые первые самолеты имели каркасные фюзеляжи, собранные из еловых или бамбуковых брусков, скрепленных стальной проволокой. Однако такие конструкции были недостаточно прочны; существенным продвижением вперед явилась сварная конструкция фюзеляжа из стальных трубок, предложенная в годы Первой мировой войны А.Фоккером. Фоккер использовал для самолетных конструкций мягкую сталь с содержанием углерода менее 0,12%, так как изготовленные из нее элементы легко свариваются друг с другом. Вначале такой тип фюзеляжа считали ненадежным, но постепенно он нашел широкое применение, а с появлением высокопрочных хромомолибденовых трубок удалось существенно снизить вес фюзеляжа.
Фюзеляжи с разъемными соединениями элементов. Совершенно другие авиационные конструкции разрабатывались в Англии, где считали сварку ненадежным способом соединения и отдельные элементы каркаса соединяли с помощью механических, часто весьма искусных разъемов. Отказ от сварки открыл англичанам широкие возможности применения алюминиевых сплавов и высоколегированных сталей, которые не поддавались сварке. Эти высокопрочные материалы позволили снизить вес конструкции самолета, несмотря на дополнительный вес соединений. Главным недостатком фюзеляжа с разъемными соединениями элементов была высокая стоимость изготовления, даже если самолеты выпускались большими сериями. Производство сварных фюзеляжей из стальных трубок обходилось намного дешевле.
Обшивка. Чтобы создать комфортные условия для пассажиров, каркас необходимо покрыть обшивкой. Более того, еще в начале века было установлено, что для повышения скорости и уменьшения сопротивления необходимо, чтобы наружная поверхность самолета была гладкой. Самой простой обшивкой было полотно, которое натягивалось на балочный каркас и затем покрывалось краской или лаком. Однако получаемая таким образом форма не имела плавных обводов: внешние элементы каркаса выпирали из-под обшивки. Очевидно, что при таких неуклюжих формах невозможно было добиться плавного обтекания с минимальным сопротивлением. Чтобы устранить этот недостаток, конструкторы скоростных самолетов начали применять каркасный фюзеляж из шпангоутов овальной формы, скрепленных с балками (лонжеронами) и продольными стрингерами, как показано на рис. 3,б. Эти шпангоуты и стрингеры придавали прямоугольному каркасу хорошо обтекаемую форму. Однако выступы по-прежнему выпирали из-под полотняной обшивки, и для их устранения конструкторы стали применять обшивку из тонкой фанеры.
Крылья биплана. Типичной схемой каркасных самолетов был биплан, который использовался почти повсеместно в годы Первой мировой войны. Ему отдавали предпочтение до середины 1930-х годов. Летчики-истребители отрицательно относились к монопланам, и их основной аргумент состоял в том, что биплан более маневрен. Действительно, биплан обладает хорошей маневренностью из-за небольшого размаха своих крыльев, вследствие чего вес самолета сосредоточен вблизи фюзеляжа. Авиационные инженеры формулируют это свойство иначе, говоря, что биплан обладает небольшим моментом инерции.
Традиционная конструкция деревянного крыла биплана показана на рис. 4. Она содержит два главных несущих элемента – лонжероны крыла. Внешний обвод крыла формируется с помощью элементов, называемых нервюрами, и натянутой на них полотняной обшивки. Эта авиационная конструкция оставалась неизменной до 1920-х годов, когда авиационная промышленность Англии перешла на цельнометаллические конструкции. Теперь лонжероны начали изготавливать из полос высоколегированной стали, а нервюры – из стальных или алюминиевых пластин посредством штамповки нужных профилей. Лонжероны и нервюры собирались в ажурную конструкцию каркасного типа.
Моноплан с высокорасположенным крылом. Монопланы с высокорасположенным крылом появились в 1930-х годах и быстро стали популярными в качестве двухместных самолетов для личного пользования и учебно-тренировочных самолетов взамен бипланной схемы. Даже после Второй мировой войны многие самолеты этого типа имели расчалки.
Такой моноплан значительно отличался от своего предшественника. Его намного более толстое крыло расположено над фюзеляжем, и вместо расчалок применены стойки. Стойки могут воспринимать большие усилия как сжатия, так и растяжения, и одна стойка заменяет пару расчалок. Такой самолет не содержит ряда элементов конструкции расчалочного моноплана и имеет значительно меньшее лобовое сопротивление (рис. 5).
Свободнонесущий моноплан. Важным шагом вперед по сравнению с бипланом стала схема свободнонесущего моноплана, нашедшая широкое применение в 1920-х годах в самолетах Фоккера. На рис. 6 показана принципиальная схема фоккеровского высокоплана, на котором были установлены многие рекорды на дальность полета. Применительно к этой схеме обратимся еще раз к уравнению (1), выражающему равенство моментов. Теперь силы H – это силы растяжения или сжатия, действующие на фланцы лонжерона, и h – расстояние между фланцами. Нагрузку на фланец можно уменьшить, увеличив расстояние между фланцами, для чего необходимо увеличить толщину сечения крыла. Конструкция крыла Фоккера с относительной толщиной (отношение максимальной толщины профиля к хорде крыла) 20% обладает хорошими аэродинамическими характеристиками.
Свободнонесущее крыло конструкции Фоккера имело деревянные лонжероны и нервюры и обшивку из фанеры. Очень прочное и жесткое, оно все же было несколько тяжелее других аналогичных конструкций. В ряде стран, например в Англии, Италии и Советским Союзе, были созданы металлические свободнонесущие крылья со стальными и алюминиевыми лонжеронами и нервюрами и полотняной обшивкой. В дальнейшем применение металлической обшивки позволило существенно повысить прочность крыла. Такое крыло обычно называют крылом с работающей обшивкой. Методы изготовления и сборки, а также расчет таких конструкций существенно отличаются от методов, используемых для крыла каркасной конструкции.

МОНОКОКОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ

Принцип монокока. С увеличением скоростей полета самолета все более важной становилась проблема уменьшения лобового сопротивления. Вполне естественным шагом при этом стала замена полотняной обшивки крыла металлической обшивкой, изготавливаемой из тонких листов алюминиевых сплавов. Металлическая обшивка позволила устранить прогибы между нервюрами и, следовательно, более точно воспроизвести формы, рекомендованные аэродинамиками на основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований в аэродинамических трубах. Одновременно изменилась конструкция фюзеляжа. Прямоугольный силовой каркас был помещен внутрь оболочечной конструкции, составленной из легких шпангоутов и стрингеров; такая конструкция лучше удовлетворяла требованиям аэродинамики к форме фюзеляжа. На одномоторных самолетах переднюю часть фюзеляжа тоже стали обшивать листовым металлом, чтобы уменьшить вероятность возникновения пожара. Когда потребовалось улучшить гладкость поверхности, полотняную обшивку заменили фанерной или металлической по всей длине фюзеляжа, но такая обшивка стала чрезмерно дорогой и тяжелой. Было слишком расточительно так увеличивать вес конструкции и не использовать ее возросшие прочностные свойства для восприятия аэродинамических нагрузок.
Следующий шаг был очевиден. Так как внешняя оболочка фюзеляжа стала достаточно прочной, появилась возможность убрать внутренний каркас. В этом состоит принцип монококовой конструкции. Монокок – это цельная оболочка, форма которой удовлетворяет требованиям аэродинамики и в то же время является достаточно прочной для того, чтобы воспринимать и передавать нагрузки, возникающие при полете, посадке и движении самолета по земле. Термин «монокок» – гибрид, составленный из греческого и французского слов и дословно переводимый как «цельная раковина». Этот термин применяют к крыльям и фюзеляжам, у которых обшивка является главным несущим элементом.
Второе важное достоинство монококовой конструкции иллюстрирует рис. 7. Сечение каркасной конструкции, предназначенной для размещения внутри нее двух человек, имеет прямоугольную форму, изображенную сплошной линией. Внешняя оболочка фюзеляжа с полотняной обшивкой показана штриховой линией. Внешний обвод монококового фюзеляжа, в котором помещаются два человека, представлен штрих-пунктирной линией. С помощью планиметра легко установить, что площадь поперечного сечения монококовой конструкции на 33% меньше, чем для хорошо обтекаемого каркасного фюзеляжа. При прочих равных условиях сопротивление фюзеляжа пропорционально площади его поперечного сечения. Следовательно, монококовая конструкция, в первом приближении, позволяет уменьшить сопротивление на 33% только за счет меньшей площади поперечного сечения по сравнению с каркасной конструкцией. К тому же появляется выигрыш в подъемной силе вследствие лучшего обтекания и гладкости поверхности. Однако каркасные конструкции из-за меньшей стоимости их производства и относительно меньшего веса продолжали использовать для тихоходных самолетов даже после Второй мировой войны. Монококовые конструкции применяли на самолетах, летающих со скоростями более 320 км/ч.
Тонкостенные монококи. Типичный тонкостенный монокок для транспортного самолета изготавливают обычно из тонких пластин алюминиевого сплава, которым придают форму, согласующуюся с требованиями аэродинамики. Эту оболочку подкрепляют поперечными силовыми элементами – шпангоутами, и продольными силовыми элементами – лонжеронами или стрингерами. (Эти термины относятся к конструкции фюзеляжа. В конструкции крыла продольные силовые элементы – стрингеры, а поперечные – нервюры.) На рис. 8 показано, как устроен типичный монококовый фюзеляж. (Эту конструкцию сейчас принято называть «полумонокок» или «усиленный монокок», тогда как термин «чистый монокок» или просто «монокок» используют для внешних оболочек, имеющих минимум подкрепляющих элементов или не имеющих их вовсе.)
Вследствие больших размеров фюзеляжа и сравнительно небольших аэродинамических нагрузок оболочку монокока делают очень тонкой (обычно от 0,5 до 1,5 мм). Такая тонкая оболочка сохраняет свою форму, если на нее действуют силы растяжения, но она коробится под действием сил сжатия или срезывающих усилий. На рис. 9 показано действие сил сжатия на металлическую пластину прямоугольной формы. Такие силы сжатия испытывают, например, металлические панели, ограниченные по краям стрингерами, на верхней части фюзеляжа, когда аэродинамические силы, действующие на хвостовое оперение самолета, направлены вверх.
Согласно законам механики твердого тела, критическое напряжение (т.е. нагрузка на единицу площади), при котором плоская пластина начинает коробиться, можно вычислить по формуле
где fкр – критическое напряжение, вызывающее коробление пластины, Е – модуль упругости материала, t – толщина и b – ширина пластины между опорами (в реальной конструкции это расстояние между стрингерами). Например, если панель толщиной 0,5 мм и шириной 150 мм изготовлена из алюминиевого сплава, то ее модуль упругости равен приблизительно 70 000 МПа. Подставляя эти значения в формулу (3), получим, что величина критического напряжения, при котором наступает коробление обшивки, составляет 2,8 МПа. Это значительно меньше предела текучести (280 МПа) и предела прочности (440 МПа) материала.
Материал монокока будет использоваться неэффективно, если коробление означает утрату способности пластины выдерживать нагрузку. К счастью, это не так. Испытания, проведенные Национальным институтом стандартов и технологии США, показали, что нагрузки, действующие на край панели, могут значительно превышать величину критической нагрузки, соответствующей началу коробления, поскольку нагрузка, приложенная к панели, почти полностью воспринимается полосками материала у ее краев.
Общая ширина этих полосок была названа Т.фон Карманом «эффективной шириной» пластины. Согласно его теории, предельная нагрузка, испытываемая панелью в момент ее разрушения вследствие возникновения текучести материала вблизи зажатых кромок, может быть вычислена по формуле
Здесь P – суммарная нагрузка, действующая на панель в момент разрушения, t – толщина панели, E – модуль упругости и fтек – предел текучести материала (напряжение, при котором деформация начинает увеличиваться без дальнейшего увеличения нагрузки). Расчеты по формулам (3) и (4) показывают, что критическая нагрузка, вызывающая коробление, примерно на порядок меньше предельной нагрузки, вызывающей разрушение. Этот вывод необходимо учитывать при проектировании самолета.
Использование тонких пластин в закритическом для коробления состоянии является одной из главных отличительных черт тонкостенных монококовых конструкций. Успехи в создании транспортных самолетов, бомбардировщиков и истребителей во время Второй мировой войны были бы невозможны без понимания того факта, что коробление тонкой пластины не вызывает ее разрушения. В более консервативных областях технической механики, таких, как проектирование мостов и зданий, коробление панелей не допускается. С другой стороны, тысячи самолетов летают, и при этом часть металлических пластин в их конструкциях работает в условиях коробления большую часть полетного времени. Правильно сконструированные панели, испытывающие коробление в полете, становятся абсолютно гладкими, как только самолет совершит посадку и исчезнут аэродинамические нагрузки, действующие на конструкцию в полете.
Тонкостенная балка. Другой вид коробления относится к тонкостенной балке – важному элементу авиационных конструкций. Концепция тонкостенной балки разъясняется на рис. 10. При действии силы W на свободный конец тонкостенной балки ее верхний фланец будет подвергаться воздействию растягивающих усилий, а нижний – воздействию сжимающих усилий. Величину сил, действующих на фланцы, можно вычислить из условия статического равновесия. Срезывающее усилие, создаваемое силой W, передается по тонкой стенке балки. Такая тонкая пластина теряет устойчивость и начинает коробиться при довольно небольшой нагрузке. На ней образуются диагональные складки, т.е. конфигурация ее коробления существенно отличается от полусферических выпуклостей, появляющихся при короблении поверхности
Г.Вагнер разработал практический метод расчета напряжений в тонкостенной балке в условиях образования складок на стенках и доказал экспериментально, что можно спроектировать тонкостенную балку, которая не разрушается при действии полетных нагрузок, в 100 раз превышающих нагрузки, при которых начинается коробление тонкой стенки. Деформации остаются упругими, и складки исчезают полностью при снятии нагрузки.
Вследствие изгиба всей конструкции под действием нагрузки, показанной на рис. 10, верхний фланец балки растягивается, а нижний – сжимается. При появлении складок тонкая стенка работает как совокупность большого числа диагональных расчалок, которые принимают на себя срезывающие усилия подобно внешним расчалкам крыла расчалочного моноплана (рис. 1). Назначение вертикальных стоек – сохранить расстояние между фланцами балки.
В 1930-х годах концепция тонкостенной балки стала повсеместно использоваться в авиастроении при конструировании тонкостенных монококов, в частности, для лонжеронов крыла со стенками, воспринимающими срезывающие усилия.
Компоновка конструктивных элементов в тонкостенных монококах. Идеальный тонкостенный монококовый фюзеляж состоит из тонких пластин, подкрепленных большим числом более или менее равномерно распределенных стрингеров и шпангоутов, как показано на рис. 8. Однако в самом фюзеляже приходится делать вырезы, в которых размещаются иллюминаторы и двери на пассажирских самолетах или пушечные турели и люки для бомбометания на военных самолетах. В случае больших отверстий, как, например, на тяжелых самолетах, предназначенных для перевозки полностью снаряженной гусеничной техники, или на торпедоносцах, которые несут внутри фюзеляжа большие торпеды, концентрация напряжений около вырезов становится серьезной проблемой. Часто края таких вырезов усиливают с помощью прочных лонжеронов. На некоторых самолетах в фюзеляжах приходится предусматривать столь большое число вырезов, что конструктор предпочитает использовать несущие свойства четырех главных лонжеронов и применяет короткие стрингеры только как вспомогательные силовые элементы, так как разрезанный силовой элемент не способен передавать нагрузку.
Вследствие того что нагрузки воздействуют в основном на четыре главных элемента конструкции, такой тип фюзеляжа является фактически промежуточным между каркасной конструкцией и усиленным монококом. Его можно рассматривать как частично усиленный монокок. Такие монококи чаще применяют для крыльев, чем для фюзеляжей, поскольку в крыльях самолета приходится размещать убирающиеся элементы шасси, баки с топливом, двигатели, убирающиеся закрылки, элероны, пулеметы, пушки и многочисленные второстепенные детали. Наиболее серьезные проблемы, обусловленные нарушением целостности усиленной монококовой конструкции, связаны с размещением шасси и топливных баков, потому что эти агрегаты находятся вблизи корневой части крыла, где конструкция должна быть наиболее прочной. Кроме того, на многих компоновках не допускается прохождение крыла сквозь фюзеляж, поскольку это пространство необходимо для размещения экипажа, пассажиров или двигателей. Поэтому в конструкции крыла применяют два прочных лонжерона, как это делается на моноплане с высокорасположенным крылом. Пространство между двумя лонжеронами можно использовать для размещения вышеупомянутых агрегатов и узлов. На участках крыла, не имеющих прорезей, обшивка подкрепляется стрингерами, которые способствуют дополнительному увеличению прочности крыла. Тем не менее, основную часть нагрузки берут на себя два главных лонжерона.
Чисто монококовую конструкцию имеют внешние консоли крыла (рис. 11). Нагрузки воспринимаются обшивкой и продольными силовыми элементами консоли. Различие между вертикальной стенкой и лонжероном заключается в том, что у стенки стыковочный элемент имеет ту же форму, что и остальные стрингеры, тогда как лонжерон крепится с помощью более массивных фланцев.
Концепция толстостенной монококовой конструкции. В годы Второй мировой войны скорость опытных самолетов стала приближаться к скорости звука, и тонкостенные монококовые конструкции перестали удовлетворять возросшим требованиям. Одним из факторов, способствовавших повышению скоростей полета, явилось создание т.н. ламинарных профилей крыла, которые имели очень низкое сопротивление. Однако преимущества ламинарных крыльев могли быть реализованы только при условии точного соблюдения требуемой формы поверхности крыла, и малейшие нарушения гладкости поверхности (выступающие заклепки или углубления для потайных заклепок) сводили к нулю все преимущества ламинарного профиля. По этой причине тонкостенные усиленные монококи оказались непригодными для создания крыла с ламинарным обтеканием для высокоскоростных самолетов.
Другим фактором, требующим точного соблюдения формы крыла и фюзеляжа высокоскоростных самолетов, является неустойчивость трансзвукового потока. В трансзвуковых течениях очень небольшие изменения формы обтекаемой поверхности могут вызвать полное изменение картины обтекания и появление скачков уплотнения, которые приводят к резкому возрастанию силы сопротивления.
Поскольку выдержать точно нужную форму поверхности, изготавливаемой из тонких пластин, очень трудно, пришлось пойти на увеличение толщины обшивки авиационных конструкций. Еще одним основанием для увеличения толщины обшивки являлась недостаточная величина строительной высоты (расстояния h на рис. 6) конструкции крыла самолета. Рассчитанные на высокие скорости полета профили крыла должны быть очень тонкими (максимальная относительная толщина крыльев для сверхзвуковых самолетов и ракет обычно составляет менее 10% хорды). Нагрузки, действующие на нижнюю и верхнюю поверхности такого крыла, очень велики, и их может выдержать только толстая обшивка.
Концепция сэндвича. Первой толстостенной конструкцией, использовавшей концепцию сэндвича (многослойной конструкции), была обшивка на истребителе «Хэвилленд Москито». В этой конструкции пространство между двумя тонкими прочными обшивками (несущими слоями) заполнено значительно более легким материалом; такая составная панель способна выдерживать более значительные изгибающие нагрузки, чем две несущие обшивки без заполнителя, соединенные вместе. Кроме того, эта многослойная конструкция остается легкой, так как заполнитель имеет небольшую плотность. В качестве примера легкой многослойной конструкции, обладающей повышенной прочностью, можно привести упаковочный картон, в котором между двумя внешними листами картона находится гофрированная бумажная прослойка. Многослойный картон обладает большей жесткостью на изгиб и прочностью, чем лист картона, соответствующий ему по весу. Важным фактором, препятствующим короблению поверхности, является способность панели выдерживать изгибающие нагрузки. Толстостенные многослойные обшивки, обладающие повышенной жесткостью на изгиб, не допускают коробления поверхности при обычных летных ситуациях и способствуют сохранению гладкой формы поверхности крыла и фюзеляжа. Несущие слои соединяются со слоем из заполнителя с помощью клея. Клепка не используется, и это обеспечивает гладкость поверхности.
Методы производства многослойных конструкций. Для производства элементов многослойных конструкций сложной формы используют несколько методов. Один из них разъясняется на рис. 12. Изготавливают пресс-форму, точно воспроизводящую нужную форму многослойного элемента. Слои многослойной конструкции смазывают синтетическим клеем и помещают в пресс-форму. Обшивка многослойной конструкции накрывается оболочкой из герметического материала, например из прочной резины, и пресс-форма плотно закрывается крышкой. Внутрь оболочки под давлением нагнетают горячий пар, и под действием высокой температуры и равномерного давления пара клей отвердевает и надежно соединяет несущие слои с наполнителем. Такая формовочная технология может использоваться для изготовления конструктивных элементов сложной формы с искривленными стенками переменной толщины.
Во время Второй мировой войны синтетические клеи и технология склеивания слоевых конструкций нашли широкое применение в авиационной промышленности. Эта технология обеспечивала прочное соединение таких разнородных материалов, как древесина и металлы, и позволила наладить дешевое производство обшивок с гладкими поверхностями.
Разрушение многослойной конструкции. Как и в случаях каркасных конструкций и тонкостенных монококов, разрушение многослойной конструкции начинается на той стороне, которая подвергается сжатию. Из-за большой толщины многослойной панели сжимающее усилие, вызывающее потерю устойчивости и коробление, существенно превышает то значение, при котором на поверхности тонкостенных усиленных монококов впервые появляются признаки коробления. Отношение этих величин может достигать 20 или даже 50. Следует, однако, помнить, что тонкостенные монококи могут работать при нагрузках, намного превышающих критическую нагрузку начала коробления, тогда как коробление поверхности многослойной обшивки всегда вызывает разрушение последней.
Критическую нагрузку, вызывающую потерю устойчивости многослойной обшивки, можно оценить, используя методы расчета однородных пластин и однослойных оболочек. Однако сравнительно небольшое сопротивление срезу материала легкого заполнителя заметно уменьшает величину критического напряжения, и этим эффектом нельзя пренебрегать.
Потеря устойчивости многослойной конструкции обычно приводит к короблению или образованию складок на поверхности тонких несущих оболочек. На рис. 13 показаны два вида неустойчивости: симметричное вспучивание и перекос. Симметричное вспучивание возникает в случае большой толщины слоя с заполнителем, а перекос – в случае небольшой толщины такого слоя.
Критическое напряжение, вызывающее потерю устойчивости многослойной конструкции, сопровождаемую появлением обеих форм коробления поверхности, можно определить по формуле

где fкр – критическое значение напряжения для несущих слоев, Ef – модуль упругости материала несущего слоя, Ec – модуль упругости материала заполнителя, Gc – модуль сдвига материала заполнителя.
В качестве примера рассмотрим многослойную конструкцию с несущими слоями из алюминиевого сплава и пористым заполнителем из ацетилцеллюлозного волокна. Модуль упругости алюминиевого сплава составляет приблизительно 70 000 МПа, а для материала заполнителя он равен 28 МПа. Модуль сдвига для материала заполнителя равен 14 МПа. Подставляя эти значения в формулу (5), найдем, что критическое значение напряжения для коробления равно 150 МПа.
Отметим, что в соотношение (5) не входят геометрические характеристики панели. Следовательно, критическое напряжение не зависит от толщин несущих слоев и слоя с заполнителем. Единственной возможностью повысить несущую способность конструкции по отношению к короблению является использование заполнителя с лучшими механическими свойствами.
Другие типы толстостенных оболочек. После Второй мировой войны были разработаны и внедрены в производство различные модификации описанной выше первоначальной многослойной конструкции. На рис. 14 показана сотовая конструкция. В ней промежуточным слоем служит сотовый (ячеистый) заполнитель. На рис. 15 показан другой тип многослойной конструкции, в которой заполнителем является гофрированный алюминий. Эта конструкция, сходная с упаковочным картоном, характеризуется высокой жесткостью и устойчивостью, однако гофрированную ленту не следует соединять с несущими оболочками при помощи заклепок.
В других конструкциях обшивка и слой, усиливающий ее жесткость, вальцуются, и им придается форма сечения крыла или фюзеляжа. Наконец, для сильно нагруженных очень тонких крыльев было налажено производство обшивок переменной толщины из прочного алюминиевого сплава с максимальными толщинами около 19 мм. Такие прочные обшивки позволяют изготовить крыло, которое сохраняет свою форму даже без нервюр только за счет жесткости самой обшивки, усиленной тремя или четырьмя опирающимися на лонжероны стенками, работающими на срез.

СВЕРХЗВУКОВЫЕ САМОЛЕТЫ, КОСМИЧЕСКИЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ И БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ РАКЕТЫ
Развитие авиационно-космической техники характеризуется устойчивой тенденцией роста тяговооруженности (тяговооруженностью называется отношение тяги силовой установки летательного аппарата к его весу). Для самолетов вертикального взлета и посадки эта величина превышает единицу. Двигательная установка баллистической ракеты должна создавать тягу, намного превышающую вес ракеты, чтобы поднять ее со стартового стола, ускорить и вывести на нужную траекторию.
Непрерывный рост тяговооруженности и скоростей полета привел к появлению летательных аппаратов, которые все в меньшей степени зависят от аэродинамических сил, создаваемых крылом. Размеры крыльев стали уменьшаться (на баллистических ракетах они вообще отсутствуют). Однако планирующие летательные аппараты, запускаемые в космическое пространство с помощью стартовых ускорителей, должны иметь крылья для возвращения на землю.
Крылья и стабилизаторы для сверхзвуковых летательных аппаратов меньше, чем у дозвуковых летательных аппаратов, не только по площади; они также тоньше и имеют меньшее удлинение. Крылья и поверхности хвостового оперения сверхзвуковых летательных аппаратов имеют стреловидную или треугольную форму. Толщина обшивки таких крыльев намного больше, чем у крыльев дозвуковых летательных аппаратов.
Примеры тонкостенных оболочек. Снижение веса является первоочередной задачей проектирования космического летательного аппарата. Многие достижения в области создания тонкостенных оболочек обязаны своим происхождением этому требованию.
Типичными примерами такой конструкции являются жидкостная ракета-носитель «Атлас» и конструкция твердотопливной ракеты. Для «Атласа» была создана специальная монококовая оболочка с наддувом. Ракета с двигателем на твердом топливе получается посредством наматывания на оправку, имеющую форму твердотопливного заряда, стеклянной нити и пропитки намотанного слоя специальной смолой, которая отверждается после вулканизации. При такой технологии получается сразу и несущая оболочка летательного аппарата, и ракетный двигатель с соплом.
Были спроектированы возвращаемые космические аппараты с оболочкой конической формы, которая покрывалась слоем теплозащитного материала, подверженного абляции при высоких температурах (концепция охлаждения с помощью уносимого покрытия).
Вследствие малости сил гравитации в космосе и на Луне были созданы уникальные конструкции. Например, оболочка лунного модуля содержит панели, которые не коробятся на Луне, но стали бы коробиться от собственного веса на Земле. См. также КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ; РАКЕТА.

АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Многие материалы теряют свою прочность при высоких температурах, которые возникают в сверхзвуковом полете. Поэтому для аэрокосмических летательных аппаратов особый интерес представляют легкие жаропрочные материалы.
До конца 1950-х годов основными авиационными материалами для летательных аппаратов, движущихся с числами Маха не больше двух (число Маха – это отношение скорости полета к скорости звука), были алюминиевые сплавы и стали. Титан стал экономически доступен в начале 1960-х годов, и его сплавы использовали в конструкциях летательных аппаратов с числом Маха до 3. Созданы металлические суперсплавы и порошковые материалы, получаемые спеканием порошков карбида кремния или лития с алюминием или титаном. Созданы также композиционные материалы, в которых пластиковая (полимерная) основа армируется стеклянными, кевларовыми или углеродистыми нитями. Композиционные материалы широко используются в самолетостроении и космической технике из-за их хороших весовых и механических характеристик, позволяющих создать легкие и прочные конструкции, работающие и при повышенных температурах. См. также СПЛАВЫ; ПЛАСТМАССЫ.

АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

Транспортные самолеты и истребители. Типичная компоновка современного транспортного самолета состоит из усиленного монококового фюзеляжа с двухлонжеронными крыльями и двухлонжеронными элементами хвостового оперения. В конструкциях самолетов используются в основном алюминиевые сплавы, однако для отдельных элементов конструкции применяются и другие материалы. Так, сильно нагруженные корневые части крыла могут быть изготовлены из титанового сплава, а рулевые поверхности – из композиционного материала с полиамидными или стеклянными нитями. В хвостовом оперении некоторых самолетов применяют графито-эпоксидные материалы. В конструкции современного самолета-истребителя воплощены самые последние достижения в области авиастроения. На рис. 16 показана конструкция типичного самолета-истребителя с многолонжеронным треугольным крылом и усиленным монококовым фюзеляжем. Отдельные элементы крыла и хвостового оперения этого самолета выполнены из композиционных материалов.
КК «Шаттл». Орбитальный космический корабль «Шаттл» способен летать в атмосфере Земли с гиперзвуковыми скоростями. Крылья аппарата имеют многолонжеронный каркас; усиленный монокок кабины экипажа, как и крылья, изготовлен из алюминиевого сплава. Двери грузового отсека выполнены из графито-эпоксидного композиционного материала. Теплозащиту аппарата обеспечивают несколько тысяч легких керамических плиток, которыми покрывают части поверхности, подверженные воздействию больших тепловых потоков. См. также КОСМИЧЕСКИЕ ПОЛЕТЫ ПИЛОТИРУЕМЫЕ; КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ «ШАТТЛ».
Космические станции. Орбитальный космический корабль предполагается применять для монтажа долговременных космических станций. Опыт, полученный при эксплуатации российской орбитальной космической станции «Мир», используется для разработки международной космической станции «Фридом». Инженеры-конструкторы решают проблему выведения блоков и элементов конструкции долговременной орбитальной станции с последующей ее сборкой в космосе. См. также КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ.

ЛИТЕРАТУРА
Гиммельфарб А.Л. Основы конструирования в самолетостроении. М., 1971
Житомирский Г.И. Конструкция самолетов. М., 1991

АВИАЦИОННЫЕ БОРТОВЫЕ ПРИБОРЫ, приборное оборудование, помогающее летчику вести самолет. В зависимости от назначения авиационные бортовые приборы делятся на пилотажно-навигационные, приборы контроля работы авиадвигателей и сигнализационные устройства. Навигационные системы и автоматы освобождают пилота от необходимости непрерывно следить за показаниями приборов. В группу пилотажно-навигационных приборов входят указатели скорости, высотомеры, вариометры, авиагоризонты, компасы и указатели положений самолета. К приборам, контролирующим работу авиадвигателей, относятся тахометры, манометры, термометры, топливомеры и т.п.
В современных бортовых приборах все больше информации выносится на общий индикатор. Комбинированный (многофункциональный) индикатор дает возможность пилоту одним взглядом охватывать все объединенные в нем индикаторы. Успехи электроники и компьютерной техники позволили достичь большей интеграции в конструкции приборной доски кабины экипажа и в авиационной электронике. Полностью интегрированные цифровые системы управления полетом и ЭЛТ-индикаторы дают пилоту лучшее представление о пространственном положении и местоположении самолета, чем это было возможно ранее.
Новый тип комбинированной индикации – проекционный – дает пилоту возможность проецировать показания приборов на лобовое стекло самолета, тем самым совмещая их с панорамой внешнего вида. Такая система индикации применяется не только на военных, но и на некоторых гражданских самолетах.

ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ
Совокупность пилотажно-навигационных приборов дает характеристику состояния самолета и необходимых воздействий на управляющие органы. К таким приборам относятся указатели высоты, горизонтального положения, воздушной скорости, вертикальной скорости и высотомер. Для большей простоты пользования приборы сгруппированы Т-образно. Ниже мы кратко остановимся на каждом из основных приборов.
Указатель пространственного положения. Указатель пространственного положения представляет собой гироскопический прибор, который дает пилоту картину внешнего мира в качестве опорной системы координат. На указателе пространственного положения имеется линия искусственного горизонта. Символ самолета меняет положение относительно этой линии в зависимости от того, как сам самолет меняет положение относительно реального горизонта. В командном авиагоризонте обычный указатель пространственного положения объединен с командно-пилотажным прибором. Командный авиагоризонт показывает пространственное положение самолета, углы тангажа и крена, путевую скорость, отклонение скорости (истинной от «опорной» воздушной, которая задается вручную или вычисляется компьютером управления полетом) и представляет некоторую навигационную информацию. В современных самолетах командный авиагоризонт является частью системы пилотажно-навигационных приборов, которая состоит из двух пар цветных электронно-лучевых трубок – по две ЭЛТ для каждого пилота. Одна ЭЛТ представляет собой командный авиагоризонт, а другая – плановый навигационный прибор (см. ниже). На экраны ЭЛТ выводится информация о пространственном положении и местоположении самолета во всех фазах полета.
Плановый навигационный прибор. Плановый навигационный прибор (ПНП) показывает курс, отклонение от заданного курса, пеленг радионавигационной станции и расстояние до этой станции. ПНП представляет собой комбинированный индикатор, в котором объединены функции четырех индикаторов – курсоуказателя, радиомагнитного индикатора, индикаторов пеленга и дальности. Электронный ПНП с встроенным индикатором карты дает цветное изображение карты с индикацией истинного местоположения самолета относительно аэропортов и наземных радионавигационных средств. Индикация направления полета, вычисления поворота и желательного пути полета предоставляют возможность судить о соотношении между истинным местоположением самолета и желаемым. Это позволяет пилоту быстро и точно корректировать путь полета. Пилот может также выводить на карту данные о преобладающих погодных условиях.
Указатель воздушной скорости. При движении самолета в атмосфере встречный поток воздуха создает скоростной напор в трубке Пито, закрепленной на фюзеляже или на крыле. Воздушная скорость измеряется путем сравнения скоростного (динамического) напора со статическим давлением. Под действием разности динамического и статического давлений прогибается упругая мембрана, с которой связана стрелка, показывающая по шкале воздушную скорость в километрах в час. Указатель воздушной скорости показывает также эволютивную скорость, число Маха и максимальную эксплуатационную скорость. На центральной панели расположен резервный пневмоуказатель воздушной скорости.
Вариометр. Вариометр необходим для поддержания постоянной скорости подъема или снижения. Как и высотомер, вариометр представляет собой, в сущности, барометр. Он указывает скорость изменения высоты, измеряя статическое давление. Имеются также электронные вариометры. Вертикальная скорость указывается в метрах в минуту.
Высотомер. Высотомер определяет высоту над уровнем моря по зависимости атмосферного давления от высоты. Это, в сущности, барометр, проградуированный не в единицах давления, а в метрах. Данные высотомера могут представляться разными способами – с помощью стрелок, комбинаций счетчиков, барабанов и стрелок, посредством электронных приборов, получающих сигналы датчиков давления воздуха. См. также БАРОМЕТР.

НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И АВТОМАТЫ
На самолетах устанавливаются различные навигационные автоматы и системы, помогающие пилоту вести самолет по заданному маршруту и выполнять предпосадочное маневрирование. Некоторые такие системы полностью автономны; другие требуют радиосвязи с наземными средствами навигации.
Электронные навигационные системы. Существует ряд различных электронных систем воздушной навигации. Всенаправленные радиомаяки – это наземные радиопередатчики с радиусом действия до 150 км. Они обычно определяют воздушные трассы, обеспечивают наведение при заходе на посадку и служат ориентирами при заходе на посадку по приборам. Направление на всенаправленный радиомаяк определяет автоматический бортовой радиопеленгатор, выходная информация которого отображается стрелкой указателя пеленга.
Основным международным средством радионавигации являются всенаправленные азимутальные радиомаяки УКВ-диапазона VOR; их радиус действия достигает 250 км. Такие радиомаяки используются для определения воздушной трассы и для предпосадочного маневрирования. Информация VOR отображается на ПНП и на индикаторах с вращающейся стрелкой.
Дальномерное оборудование (DME) определяет дальность прямой видимости в пределах около 370 км от наземного радиомаяка. Информация представляется в цифровой форме.
Для совместной работы с маяками VOR вместо ответчика DME обычно устанавливают наземное оборудование системы TACAN. Составная система VORTAC обеспечивает возможность определения азимута с помощью всенаправленного маяка VOR и дальности с помощью дальномерного канала TACAN.
Система посадки по приборам – это система радиомаяков, обеспечивающая точное наведение самолета при окончательном заходе на посадочную полосу. Курсовые посадочные радиомаяки (радиус действия около 2 км) выводят самолет на среднюю линию посадочной полосы; глиссадные радиомаяки дают радиолуч, направленный под углом около 3° к посадочной полосе. Посадочный курс и угол глиссады представляются на командном авиагоризонте и ПНП. Индексы, расположенные сбоку и внизу на командном авиагоризонте, показывают отклонения от угла глиссады и средней линии посадочной полосы. Система управления полетом представляет информацию системы посадки по приборам посредством перекрестья на командном авиагоризонте.
СВЧ-система обеспечения посадки – это точная система наведения при посадке, имеющая радиус действия не менее 37 км. Она может обеспечивать заход по ломаной траектории, по прямоугольной «коробочке» или по прямой (с курса), а также с увеличенным углом глиссады, заданным пилотом. Информация представляется так же, как и для системы посадки по приборам. См. также АЭРОПОРТ; ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ УПРАВЛЕНИЕ.
«Омега» и «Лоран» – радионавигационные системы, которые, используя сеть наземных радиомаяков, обеспечивают глобальную рабочую зону. Обе системы допускают полеты по любому маршруту, выбранному пилотом. «Лоран» применяется также при заходе на посадку без использования средств точного захода. Командный авиагоризонт, ПНП и другие приборы показывают местоположение самолета, маршрут и путевую скорость, а также курс, расстояние и расчетное время прибытия для выбранных путевых точек.
Инерциальные системы. Инерциальная навигационная система и инерциальная система отсчета являются полностью автономными. Но обе системы могут использовать внешние средства навигации для коррекции местоположения. Первая из них определяет и регистрирует изменения направления и скорости с помощью гироскопов и акселерометров. С момента взлета самолета датчики реагируют на его движения, и их сигналы преобразуются в информацию о местоположении. Во второй вместо механических гироскопов используются кольцевые лазерные. Кольцевой лазерный гироскоп представляет собой треугольный кольцевой лазерный резонатор с лазерным лучом, разделенным на два луча, которые распространяются по замкнутой траектории в противоположных направлениях. Угловое смещение приводит к возникновению разности их частот, которая измеряется и регистрируется. (Система реагирует на изменения ускорения силы тяжести и на вращение Земли.) Навигационные данные поступают на ПНП, а данные положения в пространстве – на командный авиагоризонт. Кроме того, данные передаются на систему FMS (см. ниже). См. также ГИРОСКОП; ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ.
Система обработки и индикации пилотажных данных (FMS). Система FMS обеспечивает непрерывное представление траектории полета. Она вычисляет воздушные скорости, высоту, точки подъема и снижения, соответствующие наиболее экономному потреблению топлива. При этом система использует планы полета, хранящиеся в ее памяти, но позволяет также пилоту изменять их и вводить новые посредством компьютерного дисплея (FMC/CDU). Система FMS вырабатывает и выводит на дисплей летные, навигационные и режимные данные; она выдает также команды для автопилота и командного пилотажного прибора. В дополнение ко всему она обеспечивает непрерывную автоматическую навигацию с момента взлета до момента приземления. Данные системы FMS представляются на ПНП, командном авиагоризонте и компьютерном дисплее FMC/CDU.

ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ
Индикаторы работы авиадвигателей сгруппированы в центре приборной доски. С их помощью пилот контролирует работу двигателей, а также (в режиме ручного управления полетом) изменяет их рабочие параметры.
Для контроля и управления гидравлической, электрической, топливной системами и системой поддержания нормальных рабочих условий необходимы многочисленные индикаторы и органы управления. Индикаторы и органы управления, размещаемые либо на панели бортинженера, либо на навесной панели, часто располагают на мнемосхеме, соответствующей расположению исполнительных органов. Индикаторы мнемосхем показывают положение шасси, закрылков и предкрылков. Может указываться также положение элеронов, стабилизаторов и интерцепторов.

СИГНАЛИЗАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА
В случае нарушений в работе двигателей или систем, неправильного задания конфигурации или рабочего режима самолета вырабатываются предупредительные, уведомительные или рекомендательные сообщения для экипажа. Для этого предусмотрены визуальные, звуковые и тактильные средства сигнализации. Современные бортовые системы позволяют уменьшить число раздражающих тревожных сигналов. Приоритетность последних определяется по степени неотложности. На электронных дисплеях высвечиваются текстовые сообщения в порядке и с выделением, соответствующими степени их важности. Предупредительные сообщения требуют немедленных корректирующих действий. Уведомительные – требуют лишь немедленного ознакомления, а корректирующих действий – в последующем. Рекомендательные сообщения содержат информацию, важную для экипажа. Предупредительные и уведомительные сообщения делаются обычно и в визуальной, и в звуковой форме.
Системы предупредительной сигнализации предупреждают экипаж о нарушении нормальных условий эксплуатации самолета. Например, система предупреждения об угрозе срыва предупреждает экипаж о такой угрозе вибрацией обеих штурвальных колонок. Система предупреждения опасного сближения с землей дает речевые предупредительные сообщения. Система предупреждения о сдвиге ветра дает световой сигнал и речевое сообщение, когда на маршруте самолета встречается изменение скорости или направления ветра, способное вызвать резкое уменьшение воздушной скорости. Кроме того, на командном авиагоризонте высвечивается шкала тангажа, что позволяет пилоту быстрее определить оптимальный угол подъема для восстановления траектории.

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ
«Режим S» – предполагаемый канал обмена данными для службы управления воздушным движением – позволяет авиадиспетчерам передавать пилотам сообщения, выводимые на лобовое стекло самолета. Сигнализационная система предупреждения воздушных столкновений (TCAS) – это бортовая система, выдающая экипажу информацию о необходимых маневрах. Система TCAS информирует экипаж о других самолетах, появляющихся поблизости. Затем она выдает сообщение предупредительного приоритета с указанием маневров, необходимых для того, чтобы избежать столкновения.
Глобальная система местоопределения (GPS) – военная спутниковая система навигации, рабочая зона которой охватывает весь земной шар, – теперь доступна и гражданским пользователям. К концу тысячелетия системы «Лоран», «Омега», VOR/DME и VORTAC практически полностью вытеснены спутниковыми системами.
Монитор состояния (статуса) полета (FSM) – усовершенствованная комбинация существующих систем уведомления и предупреждения –помогает экипажу в нештатных летных ситуациях и при отказах систем. Монитор FSM собирает данные всех бортовых систем и выдает экипажу текстовые предписания для выполнения в аварийных ситуациях. Кроме того, он контролирует и оценивает эффективность принятых мер коррекции.

ЛИТЕРАТУРА
Духон Ю.И. и др. Справочник по связи и радиотехническому обеспечению полетов. М., 1979
Боднер В.А. Приборы первичной информации. М., 1981
Воробьев В.Г. Авиационные приборы и измерительные системы. М., 1981

АВИАЦИЯ ВОЕННАЯ. Историю военной авиации можно отсчитывать с первого успешного полета воздушного шара во Франции в 1783. Признанием военного значения этого перелета стало принятое в 1794 решение французского правительства об организации воздухоплавательной службы. Это была первая в мире авиационная воинская часть.
В 1909 войска связи армии США впервые в истории приняли на вооружение военный летательный аппарат. Как и его прототип, машина братьев Райт, этот аппарат был снабжен поршневым двигателем (размещавшимся за спиной пилота, перед толкающими винтами). Мощность двигателя составляла 25 кВт. Самолет был снабжен также лыжами для посадки, а в его кабине можно было разместить экипаж из двух человек. Взлетал самолет с монорельсовой катапульты. Его максимальная скорость была равна 68 км/ч, а продолжительность полета не превышала часа. Затраты на изготовление самолета составили 25 тыс. долл.
Военная авиация быстро прогрессировала накануне Первой мировой войны. Так, в период 1908–1913 на исследования и разработки в области авиации Германия затратила 22 млн. долл., Франция – ок. 20 млн. долл., Россия – 12 млн. долл. За тот же период США затратили на военную авиацию только 430 тыс. долл.
Первая мировая война (1914–1918). Некоторые из военных самолетов, построенных в эти годы, в наши дни достаточно известны. Наиболее знаменитыми, вероятно, следует признать французский истребитель «Спад» с двумя пулеметами и германский одноместный истребитель «Фоккер». Известно, что всего за один месяц 1918 истребителями «Фоккер» было уничтожено 565 самолетов стран Антанты. В Великобритании был создан двухместный разведывательный истребитель-бомбардировщик «Бристоль»; на вооружении британской авиации находился также одноместный фронтовой истребитель «Кэмел». Достаточно известны французские одноместные истребители «Ньюпор» и «Моран».
Период между Первой и Второй мировыми войнами (1918–1938). В ходе Первой мировой войны особое внимание уделялось истребителям-разведчикам. К концу войны разрабатывалось несколько проектов тяжелых бомбардировщиков. Лучшим бомбардировщиком 1920-х годов был «Кондор», выпускавшийся в нескольких вариантах. Максимальная скорость «Кондора» составляла 160 км/ч, а радиус действия не превышал 480 км.
Больше повезло авиаконструкторам с разработкой истребителей-перехватчиков. Появившийся в середине 1920-х годов истребитель PW-8 «Хоук» мог лететь со скоростью 286 км/ч на высотах до 6,7 км и имел радиус действия 540 км. Вследствие того что истребитель-перехватчик в те дни мог совершать круговой облет бомбардировщиков, ведущие конструкторские бюро отказались от проектирования бомбардировщиков. Свои надежды они перенесли на маловысотные штурмовики, предназначенные для непосредственной поддержки сухопутных войск. Первым самолетом такого типа был A-3 «Фолкон», способный доставить бомбовую нагрузку в 270 кг на расстояние 1015 км со скоростью до 225 км/ч. Однако в конце 1920-х – начале 1930-х годов были созданы новые, более мощные и легкие двигатели, и скорости бомбардировщиков стали соизмеримыми со скоростями лучших перехватчиков.
В 1933 управление авиации сухопутных войск США заключило контракт на разработку четырехмоторного бомбардировщика B-17. В 1935 этот самолет преодолел без посадки рекордное расстояние 3400 км со средней скоростью полета 373 км/ч. В том же 1933 в Великобритании была начата разработка восьмипушечного истребителя-бомбардировщика. В 1938 с производственных линий стали сходить «Харрикейны», составившие основу ВВС Великобритании, а годом позже начали выпускаться «Спитфайры». Они широко применялись во Второй мировой войне.
Вторая мировая война (1939–1945). Многим хорошо известны и другие самолеты Второй мировой войны, такие, как британский четырехмоторный бомбардировщик «Ланкастер», японский самолет «Зеро», советские «Яки» и «Илы», немецкий пикирующий бомбардировщик Ju-87 «Юнкерс», истребители «Мессершмитт» и «Фокке-Вульф», а также американские B-17 («Летающая крепость»), B-24 «Либерейтор», A-26 «Инвэйдер», B-29 «Сверхкрепость», F-4U «Корсар», P-38 «Лайтнинг», P-47 «Тандерболт» и P-51 «Мустанг». Некоторые из названных истребителей могли летать на высотах более 12 км; из бомбардировщиков же лишь B-29 мог достаточно долго лететь на столь большой высоте (благодаря герметизации кабины пилота). Если не считать реактивных самолетов, появившихся к концу войны у немцев (а несколько позже и у англичан), наиболее скоростным следует признать истребитель P-51: в режиме горизонтального полета его скорость достигала 784 км/ч.
Сразу же после Второй мировой войны был запущен в производство первый реактивный самолет США – истребитель F-80 «Шутинг стар». F-84 «Тандерджетс» появился в 1948, как и бомбардировщики B-36 и B-50. B-50 был улучшенным вариантом бомбардировщика B-29; у него возросли скорость и радиус действия. Бомбардировщик B-36, оборудованный шестью поршневыми двигателями, был самым большим в мире и имел межконтинентальный радиус действия (16 000 км). В дальнейшем для увеличения скорости под каждым крылом B-36 было установлено по два дополнительных реактивных двигателя.
Первые бомбардировщики B-47 «Стратоджетс» поступили на вооружение ВВС США в конце 1951. У этого среднего реактивного бомбардировщика (с шестью двигателями) был такой же, как у B-29, радиус действия, но гораздо лучшие аэродинамические характеристики.

Война в Корее (1950–1953). Бомбардировщики B-26 и B-29 использовались в боевых операциях во время корейской войны. Истребителям F-80, F-84 и F-86 приходилось соперничать с истребителями противника МиГ-15, которые обладали во многих отношениях лучшими аэродинамическими характеристиками. Корейская война стимулировала развитие военной авиации. К 1955 на смену бомбардировщикам B-36 пришли огромные «стратосферные крепости» B-52 «Стратофортресс», имевшие по 8 реактивных двигателей. В 1956–1957 появились первые истребители серий F-102, F-104 и F-105.
Реактивный самолет-заправщик KC-135 проектировался для дозаправки топливом в полете бомбардировщиков B-47 и B-52 во время проведения ими межконтинентальных операций. На смену C-54 и другим самолетам периода Второй мировой войны появились самолеты, специально спроектированные для транспортировки грузов.
Война во Вьетнаме (1965–1972). Воздушные поединки во вьетнамской войне были сравнительно немногочисленны. Для поддержки операций сухопутных войск использовались самолеты самых различных типов – от реактивных истребителей до транспортных самолетов, вооруженных пушками. Бомбардировщики B-52 ВВС США применялись для ковровых бомбардировок при реализации тактики выжженной земли. Огромное количество вертолетов использовалось для переброски десантных частей и огневой поддержки сухопутных войск с воздуха. Вертолеты могли действовать в районах, где отсутствовали посадочные площадки. См. также ВЕРТОЛЕТ.

ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ ВВС США

Задачи. Военная авиация используется для выполнения следующих четырех основных задач: поддержки ударных сил при проведении стратегических операций; защиты войск, стратегических объектов и путей сообщения от нападения с воздуха; тактической поддержки с воздуха действующих сухопутных войск; дальних перевозок войск и грузов.
Основные типы. Бомбардировщики. Совершенствование бомбардировщиков идет по пути увеличения скорости, дальности, полезной нагрузки и потолка высоты полета. Заметным достижением конца 1950-х годов был гигантский тяжелый бомбардировщик B-52H «Стратофортресс». Его взлетный вес составлял ок. 227 т при боевой нагрузке 11,3 т, дальности 19 000 км, потолке высоты 15 000 м и скорости 1050 км/ч. Проектировался он для нанесения ядерных ударов, но тем не менее нашел широкое применение во вьетнамской войне. В 1980-е годы началась вторая жизнь B-52 ввиду появления крылатых ракет, которые могут нести термоядерную боеголовку и допускают точное наведение на удаленную цель. В начале 1980-х годов компания «Рокуэлл интернэшнл» начала разработку бомбардировщика B-1, предназначенного для замены B-52. Первый серийный экземпляр B-1B был построен в 1984. Было выпущено 100 таких самолетов, каждый стоимостью 200 млн. долл.
Грузовые и транспортные самолеты. Транспортный самолет C-130 «Геркулес» может перевозить до 16,5 т грузов – оборудование полевого госпиталя или оборудование и материалы для выполнения других специальных задач, таких, как высотная аэрофотосъемка, метеорологические исследования, поисковые и спасательные работы, заправка топливом в полете, доставка топлива на аэродромы передового базирования. C-141A «Старлифтер», скоростной самолет со стреловидными крыльями и четырьмя турбовентиляторными двигателями, проектировался для перевозки груза весом до 32 т или 154 полностью экипированных десантников на расстояние ~6500 км со скоростью 800 км/ч. Самолет модификации C-141B ВВС США имеет фюзеляж, удлиненный более чем на 7 м, и оборудован системой для дозаправки топливом в полете. Крупнейший транспортный самолет C-5 «Гэлакси» может перевозить полезный груз весом 113,5 т или 270 десантников со скоростью 885 км/ч. Дальность полета C-5 при максимальной загрузке составляет 4830 км.
Истребители. Существуют истребители нескольких типов: перехватчики, используемые системой противовоздушной обороны для уничтожения бомбардировщиков противника, фронтовые истребители, которые могут вступить в воздушный бой с истребителями противника, а также тактические истребители-бомбардировщики. Наиболее совершенным перехватчиком ВВС США является истребитель F-106A «Дельта Дарт», полетная скорость которого вдвое выше скорости звука, M = 2. Его стандартное вооружение состоит из двух ядерных боеголовок, ракет «воздух – воздух» и множества снарядов. Фронтовой всепогодный истребитель F-15 «Игл» с помощью радиолокатора, установленного в носовой части, может наводить на цель ракеты «Спэрроу» класса «воздух – воздух»; для ближнего боя у него имеются ракеты «Сайдуиндер» с тепловой головкой самонаведения. Истребитель-бомбардировщик F-16 «Файтинг фолкон» также вооружен «Сайдуиндерами» и может выиграть бой почти у любого противника. Для борьбы с наземными целями F-16 несет бомбовый груз и ракеты класса «воздух – земля». В отличие от F-4 «Фантом», на смену которому он пришел, F-16 – одноместный истребитель.
Одним из наиболее совершенных фронтовых истребителей является F-111, который может лететь со сверхзвуковой скоростью на уровне моря и достигать значения M = 2,5 при полете на больших высотах. Максимальный взлетный вес этого всепогодного двухместного истребителя-бомбардировщика составляет 45 т. Он оборудован радиолокационной системой управления ракетами, локатором, обеспечивающим следование самолета за рельефом местности, и сложной навигационной аппаратурой. Отличительной особенностью F-111 является крыло изменяемой геометрии, угол стреловидности которого можно варьировать в диапазоне от 20 до 70°. При малых углах стреловидности F-111 имеет большую крейсерскую дальность и отличные взлетно-посадочные характеристики. При больших углах стреловидности он обладает прекрасными аэродинамическими характеристиками на сверхзвуковых скоростях полета.
Самолеты-заправщики. Дозаправка топливом в полете позволяет увеличивать дальность беспосадочных полетов истребителей и бомбардировщиков. Она исключает также потребность в промежуточных оперативных авиационных базах при выполнении стратегических задач и ограничивается лишь дальностью и скоростью полета самолета-заправщика. Реактивный самолет-заправщик KC-135A «Стратотанкер» имеет максимальную скорость полета 960 км/ч и потолок высоты 10,6 км.
Мишени и беспилотные летательные аппараты. Полетом самолета можно управлять как с земли, так и в воздухе; пилота при этом можно заменить электронным «черным ящиком» и специально спроектированными автопилотами. Так, беспилотный вариант истребителя-перехватчика QF-102 используется в качестве быстро движущейся мишени при испытаниях ракет и для приобретения опыта стрельбы. Для этих же целей была специально спроектирована беспилотная мишень QF-102 «Файрби» с реактивными двигателями, которая развивает максимальную скорость 925 км/ч на высоте 15,2 км при часовой продолжительности полета на этой высоте.
Самолеты-разведчики. Почти все самолеты-разведчики являются модификациями высокоскоростных фронтовых истребителей; они оборудуются телескопической фотокамерой, приемником инфракрасного излучения, радиолокационной системой слежения и другими необходимыми приборами. U-2 является одним из немногих самолетов, специально проектировавшихся для проведения разведывательных операций. Он мог действовать на очень больших высотах (ок. 21 км), заметно превышавших потолок истребителей-перехватчиков и большинства ракет класса «земля – воздух» того времени. Самолет SR-71 «Блэкберд» может летать со скоростью, соответствующей M = 3. В разведывательных целях используются также различные искусственные спутники. См. ВОЕННО-КОСМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ; ВОЙНЫ ЗВЕЗДНЫЕ.
Учебно-тренировочные самолеты. Для первичного обучения пилотов используется двухдвигательный самолет T-37 с максимальной скоростью 640 км/ч и потолком высоты 12 км. Для дальнейшего совершенствования летных навыков применяется сверхзвуковой самолет T-38A «Талон» с максимальным числом Mаха 1,2 и потолком высоты 16,7 км. Самолет F-5, являющийся модификацией T-38A, эксплуатируется не только в США, но и в ряде других стран.
Самолеты для борьбы с мятежниками. Это небольшие легкие самолеты, проектируемые для разведки, поражения наземных целей и простых операций поддержки. Самолет такого типа должен отличаться простотой в эксплуатации и допускать использование для взлета и посадки небольших неподготовленных площадок. Для разведывательных задач необходимо, чтобы эти самолеты имели хорошие летные характеристики при малых скоростях полета и были оборудованы аппаратурой для опережающего выявления активных целей; в то же время для поражения пассивных наземных целей они должны иметь на вооружении различные пушки, бомбы и ракеты. Кроме того, такие самолеты должны быть пригодны для перевозки пассажиров, в том числе раненых, и различного снаряжения. Для борьбы с мятежниками был создан самолет OV-10A «Бронко» – легкий (весом 4,5 т) самолет, снабженный не только необходимым вооружением, но и средствами ведения разведки.

ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ СУХОПУТНЫХ ВОЙСК США

Задачи. Сухопутные войска используют летательные аппараты для военной разведки и слежения, в качестве летающих командных пунктов, а также для транспортировки военнослужащих и снаряжения. Самолеты-разведчики имеют легкую, достаточно простую конструкцию и могут действовать с коротких неподготовленных взлетно-посадочных дорожек. Для более крупных летательных аппаратов командной связи в некоторых случаях нужны улучшенные взлетно-посадочные дорожки. Все эти самолеты должны иметь жесткую конструкцию и отличаться простотой в эксплуатации. Как правило, необходимо, чтобы авиация сухопутных войск требовала минимального технического обслуживания и могла использоваться в сильно запыленном воздухе в условиях сражения; необходимо также, чтобы на малых высотах полета эти самолеты имели хорошие аэродинамические характеристики.
Основные типы. Транспортные вертолеты. Винтокрылые летательные аппараты используются для перевозки солдат и материалов. Вертолет CH-47C «Чинук», оборудованный двумя турбинами, имеет максимальную скорость горизонтального полета 290 км/ч и может перевезти полезный груз весом 5,4 т на расстояние 185 км. Вертолет CH-54A «Скайкрейн» может поднять полезный груз весом более 9 т. См. также ВЕРТОЛЕТ.
Вертолеты-штурмовики. Созданные по заказу армейских специалистов вертолетные «летающие пушки» нашли широкое применение во время вьетнамской войны. Одним из наиболее совершенных можно считать вертолет штурмовой авиации AH-64 «Апач», который является эффективным средством поражения танков с воздуха. В его вооружение входят скорострельная 30-мм пушка и ракеты «Хелфайр».
Летательные аппараты связи. Для поддержания связи армия использует как вертолеты, так и самолеты. Типичным примером может служить вспомогательный самолет U-21A «Ют», имеющий максимальную скорость 435 км/ч и потолок высоты 7,6 км.
Летательные аппараты наблюдения и разведки. Летательные аппараты, предназначенные для наблюдения, должны располагать возможностью действовать с небольших неподготовленных площадок в прифронтовой полосе. Такие аппараты используются главным образом пехотными, артиллерийскими и танковыми частями. Примером может служить OH-6A «Кайюз» – небольшой (весом ок. 900 кг) наблюдательный вертолет с газотурбинным двигателем, который рассчитан на двух членов экипажа, но может вмещать до 6 человек. Самолет OV-1 «Могавк», предназначенный для наблюдения или разведки, может развивать скорость до 480 км/ч. Различные модификации этого самолета оборудуются комплектом разведывательного оборудования, в частности, фотокамерами, радиолокаторами бокового обзора и инфракрасными системами обнаружения целей в условиях плохой видимости или маскировки противника. В будущем для разведки найдут применение высокоскоростные беспилотные летательные аппараты, оборудованные телевизионными камерами и передатчиками. См. также ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ; РАДИОЛОКАЦИЯ.
Летательные аппараты вспомогательной авиации. Аппараты вспомогательной авиации (как вертолеты, так и самолеты) – это, как правило, многоместные средства транспортировки военнослужащих на небольшие расстояния. Они предполагают использование достаточно ровных неподготовленных площадок. Наиболее широкое применение в армейских операциях нашел вертолет UH-60A «Блэк хоук», который может за один рейс перевезти подразделение из 11 человек с полным снаряжением или 105-мм гаубицу с расчетом из 6 человек, а также 30 ящиков с боеприпасами. «Блэк хоук» пригоден также для перевозки раненых или обычных грузов.

ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ ВМС США

Задачи. За исключением патрульно-береговой службы, морская авиация всегда базируется на авианосцах и береговых аэродромах, находящихся в зоне боевых действий. Одной из наиболее важных ее задач является борьба с подводными лодками. Вместе с тем морская авиация должна защищать суда, береговые сооружения и войска от налетов с воздуха и нападения с моря. Кроме того, она должна атаковать морские и наземные цели при проведении операций десантирования с моря. В задачи морской авиации входят также транспортировка грузов и людей и проведение поисковых и спасательных работ. При проектировании летательных аппаратов, действующих с авианосцев, должна учитываться ограниченность пространства на палубе корабля. Крылья таких аппаратов делаются «складными»; предусматривается также усиление посадочного шасси и фюзеляжа (это необходимо для компенсации силового воздействия катапульты и тормозного посадочного крюка палубного аэрофинишера).
Основные типы. Штурмовики. Радиус действия корабельного радиолокатора ограничивается линией горизонта. Поэтому самолет, летящий на малой высоте над поверхностью моря, остается практически невидимым до того момента, когда он оказывается вблизи цели. Вследствие этого при проектировании самолета-штурмовика основное внимание должно быть направлено на достижение хороших летно-тактических характеристик при полете на малых высотах. Примером такого самолета является A-6E «Интрудер», имеющий на уровне моря скорость, близкую к скорости звука. Он располагает современной системой управления огнем и средствами атаки. С 1983 началась эксплуатация самолета F/A-18 «Хорнет», который может использоваться в качестве как штурмовика, так и истребителя. F/A-18 пришел на смену дозвуковому самолету A-9 «Корсар».
Истребители. Если получена удачная компоновка самолета-истребителя, то обычно на ее основе разрабатываются различные модификации, предназначенные для выполнения специальных задач. Это могут быть истребители-перехватчики, самолеты-разведчики, истребители-бомбардировщики и ночные штурмовики. Хорошие истребители всегда отличаются большой скоростью. Таким истребителем корабельного базирования является самолет F/A-18 «Хорнет», который пришел на смену «Фантому» F-4. Как и его предшественники, F/A-18 может использоваться также в качестве штурмовика или самолета-разведчика. Истребитель вооружен ракетами класса «воздух – воздух».
Самолеты патрульной службы. В качестве патрульных летательных аппаратов используются как гидросамолеты, так и обычные самолеты. Основными их задачами являются минирование, фоторазведка, а также поиск и обнаружение подводных лодок. Для выполнения этих задач патрульный самолет может быть вооружен минами, пушками, обычными и глубинными бомбами, торпедами или ракетами. Самолет P-3C «Орион» с экипажем из 10 человек имеет специальное оборудование для обнаружения и уничтожения подводных лодок. В поисках целей он может удалиться от своей базы на 1600 км, оставаться в этом районе в течение 10 ч, после чего возвращается на базу.
Противолодочные летательные аппараты. Появление атомных подводных лодок, вооруженных ядерными ракетами, дало толчок развитию противолодочной авиации. В нее входят гидросамолеты, самолеты, действующие с авианосцев и наземных баз, а также вертолеты. Стандартным противолодочным самолетом корабельного базирования является S-3A «Викинг». Он оборудован мощным компьютером для обработки информации, поступающей от бортовой РЛС, приемника инфракрасного излучения и от гидроакустических буев, сбрасываемых с самолета на парашюте. Гидроакустический буй снабжен радиопередатчиком и микрофонами, которые погружаются в воду. Эти микрофоны улавливают шумы от двигателя подводной лодки, которые передаются на борт самолета. Определив по этим сигналам местоположение подводной лодки, «Викинг» сбрасывает на нее глубинные бомбы. В противолодочных операциях участвуют также вертолеты; они могут использовать гидроакустические буи или опускать гидроакустическую аппаратуру на кабеле и прослушивать с ее помощью подводные шумы.
Специальные поисковые летательные аппараты. Самолеты с большой дальностью полета пригодны и для выполнения задачи дальнего обнаружения. Они ведут круглосуточное наблюдение за воздушным пространством в контролируемом районе. В решении этой задачи им помогают самолеты с меньшей дальностью полета и вертолеты корабельного базирования. Таким вертолетом является E-2C «Хоукай» с экипажем из 5 человек. Как и его предшественник, E-1B «Трэйсер», этот вертолет оборудован аппаратурой, которая позволяет ему обнаруживать самолеты противника.
Полезны в этом отношении и самолеты с большой дальностью полета, действующие с береговых баз. Таким помощником является самолет E-3A «Сентри». Эта модификация самолета «Боинг-707» с радиолокационной антенной, установленной над фюзеляжем, известна под названием АВАКС. Используя бортовые компьютеры, экипаж самолета может определить координаты, скорость и направление движения любых судов и летательных аппаратов в радиусе нескольких сот километров. Информация незамедлительно передается на авианосцы и другие корабли.

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

Организация инженерных работ. Скорость первого военного самолета не превышала 68 км/ч. В наши дни имеются самолеты, которые могут летать со скоростью 3200 км/ч, а в летных испытаниях некоторые из экспериментальных самолетов развивали скорости более 6400 км/ч. Следует ожидать, что скорости полета будут увеличиваться. В связи с усложнением конструкции и оборудования самолетов радикально изменилась организация труда авиаконструкторов. На заре авиации инженер мог конструировать самолет в одиночку. Теперь же этим занимается группа фирм, каждая из которых специализируется в своей области. Их работу координирует генеральный подрядчик, получивший заказ на разработку самолета в результате конкурса. См. также АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.
Проектирование. На протяжении первой половины 20 в. внешний облик самолета претерпел значительные изменения. Биплан с подкосами и расчалками уступил место моноплану; появилось обтекаемое посадочное шасси; кабина пилота сделана закрытой; конструкция стала более обтекаемой. Однако дальнейший прогресс сдерживался чрезмерно большим относительным весом поршневого двигателя и использованием пропеллера, который не позволял самолету выйти из диапазона умеренных дозвуковых скоростей. С появлением реактивного двигателя все изменилось. Скорость полета превзошла скорость звука, основной же характеристикой двигателя стала тяга.
Скорость звука составляет ок. 1220 км/ч на уровне моря и примерно 1060 км/ч на высотах 10–30 км. Говоря о наличии «звукового барьера», некоторые конструкторы считали, что самолет никогда не полетит быстрее скорости звука из-за вибраций конструкции, которые неизбежно разрушат самолет. Некоторые из первых реактивных самолетов действительно разрушились при приближении к скорости звука. К счастью, результаты летных испытаний и быстрое накопление опыта проектирования позволили устранить возникшие проблемы, и «барьер», казавшийся когда-то непреодолимым, в наши дни потерял свое значение. При надлежащем выборе компоновки самолета удается уменьшить вредные аэродинамические силы и, в частности, сопротивление в диапазоне перехода от дозвуковых скоростей к сверхзвуковым. Фюзеляж истребителя обычно проектируется в соответствии с «правилом площадей» (с сужением в центральной части, где к нему пристыковано крыло). Вследствие этого достигается плавное обтекание области стыка крыла с фюзеляжем и снижается лобовое сопротивление. На самолетах, скорости которых заметно превышают скорость звука, используются крылья большой стреловидности и фюзеляж большого удлинения.
Гидравлическое (бустерное) управление. При сверхзвуковых скоростях полета сила, действующая на орган аэродинамического управления, становится столь большой, что пилот просто не может изменять его положение собственными силами. В помощь ему проектируются гидравлические системы управления, во многом аналогичные гидроприводу для управления автомобилем. Эти системы могут управляться также с помощью автоматизированной системы управления полетом.
Влияние аэродинамического нагревания. Современные самолеты развивают в полете скорости, в несколько раз превышающие скорость звука, и силы поверхностного трения вызывают нагревание их обшивки и конструкции. Самолет, рассчитываемый на полет с M = 2,2, должен быть изготовлен уже не из дюралюминия, а из титана или стали. В некоторых случаях приходится охлаждать топливные баки, чтобы предотвратить перегрев топлива; следует охлаждать и колеса шасси, чтобы не допустить оплавления резины.
Вооружение. Огромный прогресс достигнут в области вооружений со времен Первой мировой войны, когда был изобретен синхронизатор стрельбы, позволяющий вести огонь через плоскость вращения винта.Современные истребители часто вооружают многоствольными 20-мм автоматическими пушками, которые могут производить до 6000 выстрелов в минуту. Они вооружены также управляемыми ракетами, такими, как «Сайдуиндер», «Феникс» или «Спэрроу». Бомбардировщики могут быть вооружены оборонительными ракетами, оптическими и радиолокационными прицелами, термоядерными бомбами и крылатыми ракетами класса «воздух – земля», которые запускаемыми за много километров от цели.
Производство. С усложнением задач, стоящих перед военной авиацией, стремительно возрастает трудоемкость и стоимость летательных аппаратов.
Согласно имеющимся данным, на разработку бомбардировщика B-17 было затрачено 200 000 человеко-часов инженерного труда. Для B-52 потребовалось уже 4 085 000, а для B-58 – 9 340 000 чел.-ч.
В производстве истребителей наблюдаются аналогичные тенденции. Стоимость одного истребителя F-80 составляет ок. 100 тыс. долл. Для F-84 и F-100 это уже 300 и 750 тыс. долл. соответственно. Стоимость истребителя F-15 в свое время оценивалась примерно в 30 млн. долл.
Работа пилота. Быстрый прогресс в навигации, приборостроении и вычислительной технике оказал существенное влияние на работу пилота. Многое из рутинной летной работы теперь выполняется автопилотом, а навигационные проблемы могут быть решены с использованием бортовых инерциальных систем, доплеровской РЛС и наземных станций. Осуществляя слежение за рельефом местности с помощью бортовой РЛС и используя автопилот, можно лететь на малых высотах. Автоматизированная система в совокупности с бортовым автопилотом обеспечивает надежность посадки самолета при очень низкой облачности (до 30 м) и плохой видимости (менее 0,8 км). См. также АВИАЦИОННЫЕ БОРТОВЫЕ ПРИБОРЫ; АЭРОНАВИГАЦИЯ; ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ УПРАВЛЕНИЕ.
Автоматизированные оптические, инфракрасные или радиолокационные системы используются также для управления средствами поражения. Эти системы обеспечивают точное попадание в удаленную цель.
Возможность использования автоматизированных систем позволяет одному летчику или экипажу из двух человек выполнять задания, которые ранее предполагали участие гораздо более многочисленного экипажа. Работа пилота в основном заключается в том, что он следит за показаниями приборов и функционированием автоматизированных систем, принимая управление на себя лишь при их отказе.
В настоящее время на борту самолета можно разместить даже телевизионную аппаратуру, имеющую связь с наземным центром управления. В этих условиях еще большее число функций, которые ранее должен был выполнять экипаж самолета, берет на себя электронная аппаратура. Теперь пилот должен действовать только в наиболее ответственных ситуациях, таких, как визуальная идентификация самолета-нарушителя и принятие решения о необходимых действиях.
Комбинезоны. Одежда пилота также заметно изменилась с тех пор, когда ее обязательными атрибутами были кожаная куртка, очки и шелковый шарф. Для пилота истребителя стандартным теперь стал противоперегрузочный комбинезон, страхующий его от потери сознания при резким маневрах. На высотах более 12 км пилоты используют облегающий тело высотный костюм, предохраняющий от разрушительного действия взрывной декомпрессии в случае разгерметизации кабины. Воздушные трубки, проходящие вдоль рук и ног, заполняются автоматически или вручную и поддерживают необходимое давление.
Катапультируемые кресла. Катапультируемые кресла стали в военной авиации обычным элементом оборудования. Если пилот вынужден покинуть самолет, он выстреливается из кабины, оставаясь привязанным к креслу. Убедившись в достаточной удаленности самолета, пилот может освободиться от кресла и спуститься на землю на парашюте. В современных конструкциях от самолета обычно отделяется вся кабина пилота. Это защищает от начального ударного торможения и воздействия аэродинамических нагрузок. К тому же, если катапультирование происходит на больших высотах, в кабине сохраняется пригодная для дыхания атмосфера. Большое значение для пилота сверхзвукового самолета имеют системы охлаждения кабины и скафандра пилота для защиты от воздействия аэродинамического нагревания при сверхзвуковых скоростях.

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ

Тенденции. Вытеснение ракетами истребителей-перехватчиков из систем ПВО замедлило развитие военной авиации (см. ПРОТИВОВОЗДУШНАЯ ОБОРОНА). Темпы ее развития будут, вероятно, претерпевать изменения в зависимости от политического климата или пересмотра военной политики.
Самолет X-15. Экспериментальный самолет X-15 представляет собой летательный аппарат с жидкостным ракетным двигателем. Он предназначен для исследования возможности полета в верхних слоях атмосферы при числах Маха, больших 6 (т.е. при полетной скорости ок. 6400 км/ч). Проведенные на нем летные исследования дали инженерам ценную информацию о характеристиках регулируемого авиационного жидкостного ракетного двигателя, о способности летчика работать в условиях невесомости и возможностях управления самолетом с помощью реактивной струи, а также об аэродинамических характеристиках компоновки X-15. Высота полета самолета достигала 102 км. Чтобы разогнать самолет до M = 8 (8700 км/ч), на нем были установлены прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД). Однако после неудачного полета с ПВРД программа испытаний была прекращена.
Проекты самолетов с М = 3. Самолет YF-12A (A-11) был первым военным самолетом, которому удалось выполнить полет с крейсерской скоростью, соответствующей М = 3. Через два года после проведения летных испытаний самолета YF-12A началась работа над новым вариантом (SR-71 «Блэкберд»). Максимальное значение числа Mаха 3,5 достигается этим самолетом на высоте 21 км, максимальная высота полета больше 30 км, а дальность существенно превышает дальность полета высотного самолета-разведчика U-2 (6400 км). Использование легких высокопрочных титановых сплавов в конструкции как планера, так и турбореактивных двигателей позволило существенно уменьшить вес конструкции. Было применено также новое «сверхкритическое» крыло. Такое крыло пригодно и для полета при скоростях, чуть меньших скорости звука, что делает реальной возможность создания экономичного транспортного самолета.
Самолеты вертикального или укороченного взлета и посадки. Для самолета вертикального взлета и посадки (СВВП) несущественно наличие 15-метрового препятствия на расстоянии 15 м от места старта. Самолет укороченного взлета и посадки должен пролетать на высоте более 15 м в 150 м от места старта. Проводились испытания летательных аппаратов с крыльями, которые могут поворачиваться на угол до 90°, переходя из горизонтального положения в вертикальное или в любое промежуточное положение, а также поворачиваемых двигателей, установленных на неподвижном крыле, или вертолетных лопастей, которые могут убираться или складываться в режиме крейсерского горизонтального полета. Исследовались также летательные аппараты с вектором тяги, изменяемым посредством изменения направления истечения реактивной струи, а также аппараты, на которых использовались комбинации этих концепций. См. также САМОЛЕТ ПРЕОБРАЗУЕМЫЙ.

ДОСТИЖЕНИЯ ДРУГИХ СТРАН

Международное сотрудничество. Высокая стоимость проектирования военного самолета вынудила ряд европейских стран, входящих в НАТО, объединить свои ресурсы. Первым из самолетов совместной разработки стал 1150 «Атлантик» – противолодочный самолет наземного базирования с двумя турбовинтовыми двигателями. Его первый полет состоялся в 1961; он использовался ВМС Франции, Италии, Германии, Голландии, Пакистана и Бельгии.
Результатом международного сотрудничества являются англо-французский «Ягуар» (учебно-тренировочный самолет, используемый также для тактической поддержки сухопутных войск), франко-германский транспортный самолет «Трансаль» и многоцелевой фронтовой самолет «Торнадо», проектировавшийся для Германии, Италии и Великобритании.
Франция. Французская авиационная фирма «Дассо» является одним из признанных лидеров в области разработки и производства истребителей. Ее сверхзвуковые самолеты «Мираж» продаются во многие страны, а также производятся на лицензионной основе в таких странах, как Израиль, Швейцария, Австралия, Ливан, Южная Африка, Пакистан, Перу, Бельгия. Кроме того, фирма «Дассо» разрабатывает и выпускает сверхзвуковые стратегические бомбардировщики.
Великобритания. В Великобритании фирмой «Бритиш аэроспейс» создан хороший истребитель вертикального взлета и посадки, известный под названием «Харриер». Этот самолет требует минимума наземного вспомогательного оборудования помимо оборудования, необходимого для заправки топливом и пополнения боезапаса.
Швеция. Шведские ВВС имеют на вооружении самолеты авиастроительной фирмы SAAB – истребитель-перехватчик «Дракен» и истребитель-бомбардировщик «Вигген». После Второй мировой войны Швеция разрабатывает и эксплуатирует собственные военные самолеты, чтобы не нарушать своего статуса нейтральной страны.
Япония. Долгое время силы самообороны Японии использовали исключительно самолеты США, выпускаемые Японией на лицензионной основе. В последнее время Япония приступила к разработке собственных самолетов. Одним из наиболее интересных японских проектов является «Шин Мейва» PX-S – самолет укороченного взлета и посадки с четырьмя турбовентиляторными двигателями. Это летающая лодка, предназначенная для морской разведки. Он может произвести посадку на поверхность воды даже при большом волнении. Компания «Мицубиси» выпускает учебно-тренировочный самолет T-2.
СССР/Россия. СССР являлся единственной страной, ВВС которой были сравнимы с военно-воздушными силами США. В отличие от США, где заключение контракта на разработку самолета является результатом сравнения инженерных проектов, существующих лишь на бумаге, советская методика основывалась на сопоставлении прототипов, прошедших летные испытания. Это не позволяет предсказать, какая из новых моделей, показываемых время от времени на различных выставках авиационной техники, пойдет в серийное производство.
Опытно-конструкторское бюро (или Московский машиностроительный завод) им. А.И.Микояна специализируется на разработке истребителей МиГ (Микояна и Гуревича). На вооружении ВВС бывших союзников СССР продолжают оставаться истребители МиГ-21, большое число которых имеется и в самой России. Фронтовой истребитель МиГ-23 способен нести большой запас бомб и ракет. МиГ-25 используется для перехвата целей и разведки на больших высотах.
Конструкторское бюро им. А.Н.Туполева специализируется на проектировании тяжелых бомбардировщиков и транспортных самолетов. С середины 1950-х годов советские ВВС использовали самолеты Ту-16 и Ту-95. Военно-транспортный самолет Ту-16 снабжен двумя реактивными двигателями и по классу соответствует американскому B-47. Тяжелый бомбардировщик Ту-95 имеет 4 турбовентиляторных двухконтурных двигателя с соосными винтами. Его вес ок. 154 т. Сверхзвуковой бомбардировщик с двумя реактивными двигателями Ту-22 был разработан для операций против военно-морских сил НАТО.
Широко известны истребители-бомбардировщики, перехватчики и штурмовики серии «Су», разрабатываемые конструкторским бюро им. П.О.Сухого.
Самым большим военно-транспортным самолетом СССР являлся Ан-22 конструкции О.К.Антонова, оборудованный четырьмя турбовентиляторными двигателями мощностью по 11 МВт каждый.
На Московском вертолетном заводе им. М.Л.Миля было разработано множество вертолетов. Вертолет Ми-26 считается самым большим в мире.

ЛИТЕРАТУРА
Цихош Э. Сверхзвуковые самолеты. М., 1983
Павленко В.Ф. и др. Боевая авиационная техника. М., 1984
Тимохович И.В. В небе войны: 1941–1945. М., 1986
Шумихин В.С. Советская военная авиация. М., 1986
Шавров В.Б. История конструкций самолетов в СССР. М., 1988
Вооруженные силы основных капиталистических государств. М., 1988

* ЗАКАЗАТЬ АВТОРСКИЙ РЕФЕРАТ, КУРСОВУЮ ИЛИ ДИПЛОМ*

тел. 728 - 3241

ЗАКАЗАТЬ РЕФЕРАТ

ЗАКАЗАТЬ КУРСОВУЮ

ЗАКАЗАТЬ ДИПЛОМ

Новости образования

Все о ЕГЭ

Учебная литература on-line

Статьи о рефератах

Образовательный софт