От аэродинамики до черных ящиков: пермские ученые рассказали, как устроены самолеты

❋ 4.5

Каждый год миллионы людей выбирают самолеты для деловых поездок и путешествий. Но что мы на самом деле знаем о том, как стальные птицы обеспечивают нашу безопасность и комфорт в небе? Эксперт Пермского Политеха рассказал, как устроено воздушное судно, что помогает ему преодолевать гравитацию, в какой части авиалайнера безопаснее при турбулентности, как крылатую машину защищают от непогоды и молний, что произойдет, если не включить авиарежим на телефоне, почему нельзя открывать окно и что скрывает «черный ящик».

ПНИПУ

# самолеты

# турбулентность

# фюзеляж

# черный ящик

В ПНИПУ рассказали, как устроены самолеты / © Александр Тимофеев sasha_krd, Unsplash.

Из чего состоит самолет: от фюзеляжа до композитных материалов

Конструкция любого самолета включает в себя несколько взаимосвязанных элементов. Так, фюзеляж — это основа корпуса, в которой размещаются пассажиры, груз и экипаж, обеспечивая прочность и аэродинамику. Крылья, оснащенные элементами управления (элероны, закрылки), создают подъемную силу, необходимую для полета. Тягу обеспечивают авиационные двигатели, в частности газотурбинные, представленные различными типами. Хвостовое оперение, состоящее из вертикального и горизонтального стабилизаторов, отвечает за устойчивость и управление направлением. Шасси обеспечивает взлет и посадку, а разнообразие систем, включая авионику, гидравлику, электрооборудование и жизнеобеспечение, гарантирует функциональность и безопасность полета.

— В современных воздушных суднах используются композиционные материалы (углепластики с различными наполнителями, стеклопластики, органопластики и пр.), алюминиево-литиевые сплавы и титан. Композиционные материалы, заменяющие металлы и сплавы на их основе, обеспечивают высокую прочность, жесткость и устойчивость при низкой плотности, таким образом снижая расход топлива. Алюминиево-литиевые сплавы легче обычного алюминия и более устойчивые, что увеличивает их срок службы. Титан применяется в зонах высоких температур (двигатели), демонстрируя превосходную термостойкость и прочность, — рассказывает Егор Разумовский, аспирант аэрокосмического факультета Пермского Политеха.

Как самолет побеждает гравитацию?

Самолет держится в воздухе благодаря подъемной силе, возникающей из-за разницы в давлении над крылом и под ним. Крыло имеет особую форму (аэродинамический профиль) — верхняя поверхность более выпуклая, чем нижняя. Обтекая его, воздушный поток над его верхней частью проходит более длинный путь, чем снизу. Чтобы потоки встретились одновременно, скорость воздуха сверху должна быть выше.

— Согласно закону Бернулли, более высокая скорость воздуха означает более низкое давление. Следовательно, давление над крылом ниже, чем под ним. Эта разница и создает подъемную силу, которая толкает самолет вверх, противодействуя силе тяжести, — поясняет Егор Разумовский.

Законцовки крыльев (винглеты, шаркилеты) играют важную роль в снижении расхода топлива. Они уменьшают вихреобразование на концах крыльев, которое создает индуктивное сопротивление (дополнительное сопротивление воздуха).

Разные крылья самолетов обусловлены их назначением. Например, крылья истребителя маневренные, с малой площадью и большой стреловидностью, что обеспечивает высокую скорость и управляемость, но ухудшает взлетно-посадочные характеристики. Ярким примером этого является самолет, разработанный по стелс-технологии – F-117 Night Hawk, который был снят с производства в США в 2008 году по причине малой маневренности.

Крылья пассажирского лайнера, наоборот, имеют большую площадь и меньшую стреловидность для повышения подъемной силы при взлете и посадке, а также для экономичного крейсерского полета. Их задача — эффективность и плавность, а не маневренность.

Форма фюзеляжа также направлена на снижение лобового сопротивления и увеличение подъемной силы, что позволяет летать быстрее и эффективнее.

По словам эксперта, птица, хотя и вдохновляла первых авиаконструкторов, не является идеалом для современных самолетов, поскольку теплокровные используют более сложные механизмы (машущий полет, изменение геометрии крыла).

Почему окна в самолете закрыты навсегда?

Открыть окно в самолете невозможно из-за огромной разницы в давлении между кабиной (где поддерживается комфортное давление) и внешней средой на большой высоте.

— При попытке открыть окно возникнет резкий перепад давления, приводящий к взрывной декомпрессии. Это может повредить конструкцию авиалайнера, выбросить незакрепленные предметы и пассажиров наружу, а также вызвать кислородное голодание из-за резкого падения уровня кислорода. Кроме того, открыть в небе окно физически невозможно из-за конструкции, — рассказывает Егор Разумовский, аспирант аэрокосмического факультета Пермского Политеха.

Почему самолеты летают на высоте 9-12 километров?

Оптимальной высотой для полета пассажирских или грузовых лайнеров является диапазон 9–12 километров. Этот выбор обусловлен рядом факторов. Во-первых, на этих эшелонах воздух значительно менее плотный, что приводит к уменьшению силы сопротивления и, как следствие, к снижению расхода топлива, поскольку двигателям требуется меньше энергии для поддержания заданной скорости.

— Во-вторых, полет над облаками и зонами турбулентности обеспечивает более комфортное путешествие. В-третьих, большая высота дает экипажу больше времени для принятия решений в непредвиденных обстоятельствах. Наконец, использование попутных струйных течений, характерных для больших высот, позволяет увеличить скорость и дополнительно сэкономить топливо, — говорит эксперт.

Что произойдет, если не выключить телефон в самолете?

Использование сотовых телефонов на борту не рекомендуется из-за потенциальных помех для навигационного и коммуникационного оборудования.

— Теоретически сигналы от множества устройств могут создавать помехи, затрудняющие работу систем управления полетом и связь с диспетчерами. Хотя современные самолеты хорошо защищены от электромагнитных помех, риск, пусть и небольшой, но существует. Авиарежим отключает радиомодуль телефона, предотвращая передачу сигналов. Игнорирование этой меры, вероятно, не приведет к катастрофе, но может вызвать сбои в работе чувствительной электроники, создавая дополнительную нагрузку на экипаж и наземные службы, — поясняет Егор Разумовский.

Миф о зависании: что на самом деле происходит, когда самолет «замирает» в небе?

Для авиалайнера, в отличие от вертолета или коптера, «зависание» в воздухе, то есть полная остановка и сохранение положения, неосуществимо. Воздушному судну для поддержания полета нужно постоянно находиться в движении вперед.

По словам эксперта, существует близкое к этому состояние, когда самолет летит на минимальной скорости, достаточной для создания подъемной силы, компенсирующей силу тяжести. Это состояние часто называют полетом на сваливание или околосрывным режимом.

— Все дело в том, что подъемная сила, удерживающая судно в воздухе, пропорциональна квадрату скорости движения воздуха относительно крыла. То есть чем меньше скорость, тем меньше подъемная сила. Для поддержания полета на малой скорости самолету необходимо увеличить угол атаки — угол между хордой крыла и направлением набегающего воздушного потока, — сообщает эксперт Пермского Политеха Егор Разумовский.

При достижении критического угла атаки происходит срыв потока. Воздушный поток перестает плавно обтекать верхнюю поверхность крыла, образуются турбулентные завихрения, и подъемная сила резко падает. Воздушное судно теряет управление и начинает падать. В этом режиме пилоту необходимо очень точно контролировать скорость и угол атаки, чтобы сохранять равновесие и избежать сваливания.

Турбулентность: где в самолете безопаснее всего?

Турбулентность — это хаотичные движения воздуха, вызывающие резкие изменения скорости и направления ветра, что приводит к тряске самолета.

— Различия в ощущении турбулентности в разных зонах самолета объясняются совокупностью факторов, связанных с особенностями конструкции и удаленностью от центра масс. Хвостовая часть, будучи наиболее удаленной, испытывает усиленные колебания. Средняя часть, напротив, отличается наибольшей устойчивостью, и места считаются наиболее безопасными, — говорит эксперт.

Воздействие аэродинамических сил также играет свою роль: крылья испытывают нагрузки, связанные с подъемной силой, фюзеляж подвержен боковым порывам ветра, а хвостовое оперение, стабилизируя полет, также может испытывать значительные нагрузки. Неодинаковая жесткость конструкции в разных зонах также влияет на амплитуду колебаний.

Как поддерживается климат в самолете?

На больших высотах атмосферное давление и температура значительно ниже, чем на уровне моря, что делает пребывание там без специальной поддержки невозможным. В самолете комфортные условия обеспечиваются системой кондиционирования и наддува.

— Воздух для наддува забирается из компрессоров двигателей. Он горячий и находится под высоким давлением. Затем он охлаждается в системе кондиционирования, где регулируется температура и влажность. Далее подготовленный воздух поступает в салон, создавая избыточное давление, близкое к давлению на высоте 2–2,5 километра над уровнем моря. Это позволяет пассажирам нормально дышать и не чувствовать дискомфорта, — повествует Егор Разумовский, аспирант аэрокосмического факультета Пермского Политеха.

В случае разгерметизации, когда давление в салоне резко падает, автоматически выбрасываются кислородные маски. Пассажирам необходимо быстро надеть их, чтобы избежать гипоксии (кислородного голодания). Быстрое снижение температуры также может быть опасным, поэтому важно следовать инструкциям экипажа и сохранять спокойствие. Экстренное снижение самолета на меньшую высоту, где давление выше, является стандартной процедурой при разгерметизации.

Как самолеты справляются с плохой погодой?

Защита самолета от молнии обеспечивается конструкцией, работающей как клетка Фарадея: алюминиевый корпус проводит ток молнии по поверхности, минимизируя воздействие на внутренние системы и пассажиров.

Для защиты от обледенения используются противообледенительные системы, включающие нагрев передних кромок крыльев и оперения горячим воздухом от двигателей, а также обработку поверхностей специальными жидкостями, препятствующими образованию льда.

— Композитные крылья самолета (легкие и прочные) защищают от обледенения с помощью интересной технологии. В структуру крыла вживляют углеродные волокна. При подаче электрического тока они нагреваются и растапливают образующийся лед. Этот эффект основан на законе Джоуля-Ленца, согласно которому ток, проходящий через углерод, выделяет тепло, — говорит эксперт.

«Черный ящик»: правда о цвете и назначении

Бортовой самописец состоит из двух блоков — FDR и CVR. Регистратор полетных данных (FDR), фиксирует скорость, высоту, перегрузки, положение рулей и обороты двигателя. Эта информация позволяет восстановить траекторию и действия экипажа. Речевой блок (CVR) записывает все звуки в кабине, включая переговоры и предупреждения, для выявления ошибок и проблем. Анализ «черного ящика» предоставляет данные для расследования авиационных происшествий, разработки рекомендаций и повышения безопасности полетов.

— Вопреки своему названию, «черный ящик» на самом деле ярко-оранжевый или красный. Это сделано для того, чтобы его было легче найти после авиакатастроф. Яркий цвет значительно повышает заметность устройства среди обломков и в труднодоступных местах как на суше, так и в воде, — говорит Егор Разумовский, аспирант аэрокосмического факультета Пермского Политеха.

Название «черный ящик» исторически связано с первыми моделями, которые были темного цвета, но современное оборудование намеренно окрашивают в заметные оттенки, чтобы ускорить поисковые операции.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.