RPG-ZONE
Новости Форумы Путеводитель FAQ (RPG) Библиотека «Пролёт Фантазии» «Штрихи Пролёта» Дайсы
>  Список форумов · Внутренний город · Форумы Арт-пространства «Понедельник» · Скрипторий Здравствуй, Гость (Вход · Регистрация)
 
 Ответ
 Новая тема
 Опрос

> Теория полёта, Рождённый летать - не должен ползать
   Сообщение № 1. 6.6.2015, 12:33, Aeirel пишет:
Aeirel ( Offline )
Король ящериц

*
Владыка Тьмы
Сообщений: 9082
профиль

Репутация: 509
Предисловие

Когда-то давным-давно была такая штука как ДОСААФ, где детишки могли приобрести все необходимые им научные и практические знания, для того, чтобы их мечты стали реальностью. Ну или просто заняться чем-то более конструктивным нежели чем бухать пиво, стопать прохожих и жечь кнопки в лифтах.

Да-с.

На данную тему написано очень много книг, статей и всего такого прочего, но художественная литература - написана в основном бывалыми пилотами. Просто никакое знание матчасти не заменит опыт полётов, потому что знание физики - это одно. А вот чувства, которые рождает небо - совсем другое, и однажды причастившись ими, человек уже не может сидеть на земле. Небо делает человека лучше. Поэтому те люди, что рвались не в рай, рвались в небо, и в конечном счете, добрались, и не только до облаков, но и до космоса. Не столько из научного любопытства (оно нужно для того, чтобы сделать возможным полёт), не столько из страсти к приключениям (это, конечно, тоже было, более того, приключения там были такие, что вам и не снились), а просто потому, что люди делятся на две части - те, кто аки черви копошатся в земле, и те кто аки драконы воспарят к небесам.

Так что, как сказал бы мистер Уэллс на экзамене - готовились? тогда пристегнитесь, взлетаем.

   Сообщение № 2. 6.6.2015, 14:40, Aeirel пишет:
Aeirel ( Offline )
Король ящериц

*
Владыка Тьмы
Сообщений: 9082
профиль

Репутация: 509
Свойства

Поскольку крылья у вас есть исключительно над сердцем, а не за спиной, для полёта требуется немного напрячь фантазию и мозги, и построить нечто, что сможет летать. Это "нечто" должно обладать некоторыми свойствами, из которых проистекает дальнейшее направление мысли:
1) способность создавать подъёмную силу - с помощью закона архимеда для аппаратов легче воздуха, закона бернулли для аппаратов тяжелее воздуха и TWR>1 для ракет.
2) способность к движению - с помощью парусов (все аппараты легче воздуха), двигателей (все аппараты имеющие двигатели, особенно ракеты) или управления (планеры и подобные им).
3) способность к управлению - с помощью балансиров (антикварные летательные аппараты, парашютоподобные летательные аппараты) рулевых плоскостей (все прочие аппараты) или двигателей (в основном ракеты).
4) способность сохранять экипаж живыми - то есть либо летать в безопасном диапазоне скоростей и высот, либо иметь кабину, в особо тяжелых случаях (стратостаты и космические корабли) - иметь гондолу, оснащенную системой жизнеобеспечения и спасения.

В чём проблема у авторов, которые хотят писать о полётах? Да во всём. Вот например, драконы. Казалось бы - очень круто выглядит, но вот с точки зрения науки, единственный нормальный дракон был в мультике "Ну погоди"

... Хотя, честно говоря, аниматор и тут облажался: в режиме ракетного полёта с приводом от трёх пастей Горынычу надо было бы свернуть крылья, иначе их оторвет к чертям собачьим.
Примеров масса, но давайте не будем путать фэнтези (всем давно известно что драконы летают на особой магии) и закос под реальную жизнь, и уж тем более - научную фантастику.

Приборы
- Приборы!
- Сто двадать!
- Что "сто двадцать"?
- а что - "приборы"?

(старый баян)

Есть два способа работы с матчастью - извне и изнутри. Извне - это когда мы проектируем нечто, способное выполнить нужную задачу, этот путь подходит для авиаконструкторов; и изнутри - это когда мы спрашиваем себя "а как эта штука управляется?".

Иными словами, когда вы собираетесь лететь, вам нужно как-то ориентироваться в пространстве, а для этого, если у вас нету магии, или если вы не птица, вам нужны приборы. Их не очень много, но вы должны знать, что они делают и как работают.

Высота
Высотомер
он же альтиметр.
Бывает разных конструкций, наиболее распространен барометрический - зная атмосферное давление у земли, и имея таблицу, можно с помощью обычного барометра вычислить текущую высоту исходя из разницы давлений; однако альтиметр это делает сам - вам надо просто выставить давление, а оно получается из сводки погоды. А поскольку в разных частях нашей планеты это самое давление разное (ибо высота над уровнем моря), то чтобы самолёты не терялись, по достижении высоты перехода на всех самолётах выставляется давление 760 мм рт. ст., а при посадке - снова выставляется атмосферное давление того места, куда садитесь. Без достоверных данных о погоде в месте приземления посадка категорически запрещается.
Кроме барометрического есть ещё радиовысотомер и гамма-лучевой высотомер (применяемый в силу опасности исключительно на космических кораблях), ну и естественно GPS.

Вариометр
Показывает скорость изменения высоты - он замеряет разность давлений воздуха в атмосфере и внутри корпуса прибора. Эта разность давлений возникает при изменении высоты полёта и исчезает, когда летательный аппарат летит на постоянной высоте. Для этого в нем две ёмкости - открытая, сообщающаяся с атмосферой, и закрытая - прибор корпуса. Обе ёмкости соединены между собой тонюсенькой трубочкой, не дающей мгновенно выравнивать давление.

Для работы обоих приборов нужен приёмник воздушного давления (типа трубки Пито, например) - в большинстве случаев это особой конструкции труба, выступающая за пределы корпуса самолёта (нужно для того, чтобы приборы измеряли атмосферное давление, а не давление пограничного слоя возле корпуса). На стоянке ПВД закрываются заглушками красного цвета, чтобы внутрь не попадала разная дрянь - эта штука очень чувствительна к загрязнению и обмерзанию, поэтому на ней стоит система обогрева, а неисправность этой штуки чревата былинными отказами.

Скорость
указатель скорости - бывает разных конструкций, в основном он замеряет приборную скорость - т.е. скорость относительно потока, вычисляется из динамического давления, которое равно разности между полным и статическим давлением (см картинку выше), которые поступают по трубкам из приёмника воздушного давления. Данный указатель скорости нужен исключительно для того, чтобы не допустить опасных режимов полёта. Соответственно, если вам попадается задачка вида "самолёт летит из пункта А в пункт Б со скоростью 300 км/ч - через сколько времени он окажется на месте если известно что половину расстояния между А и Б он покроет за 3 часа?", вы обязаны уточнить - "это приборная или путевая скорость?".
приборная скорость - то что показывает стрелка указателя скорости
путевая скорость - скорость аппарата относительно земной поверхности, её можно вычислить либо наблюдением ориентиров, либо с помощью допплеровского измерителя скорости, либо приближенно с помощью дикого матана (приборная скорость +/- скорость ветра, с поправкой на снос. Думаете это просто? Ага, щаз). Нужна для навигации
истинная скорость - то, с какой скоростью самолёт летит относительно потока, по сути дела это приборная скорость без ошибок, связанных с измерением (на это влияют расположение датчиков, степень ушатанности аппаратуры и погодные условия).
Таким образом, до изобретения GPS навигатору приходилось изрядно напрячься, чтобы самолёт долетел из пункта А в пункт Б за установленное время и без особых проблем по дороге. Как вы наверное знаете, прямая дорога - не всегда самая короткая, а точнее, она самая короткая только в идеальных условиях.

датчик линейного ускорения
Цитата
«Идеальные американские горки — это когда вы отправляете на них 24 человека, и все они возвращаются мертвыми. Знаете, это ведь можно устроить». ДЖОН АЛЛЕН, бывший президент старейшей компании-конструктора американских горок

эта штука в списке обязательных приборов присутствует редко, ибо реально нужен только на ОЧЕНЬ быстро летающих аппаратах, а ещё он нужен на гражданских самолётах, дабы штрафовать пилотов, которые излишне сильно плющат свой груз перегрузками.
Он же Гэ-Форс-Метр, ибо показывает ускорение, в качестве единицы измерения которого у нас ускорение свободного падения. Поверьте, перегрузка в 3g (3-6g - краткосрочные перегрузки на американских горках) - это неприятно, а 10g (кратковременные перегрузки при высшем пилотаже) - потенциально смертельно. Только на космических кораблях обитают люди, которые могут выдержать больше (в 1975 году два космонавта после аварии ракеты-носителя зарылись на "Союзе" в атмосферу с перегрузкой в 21g, в течении 10 секунд. Пережив кратковременную остановку сердца, тем не менее они выжили).

Положение
- вы в курсе что мы летим вверх ногами?
- это не мы вверх ногами, это планета вверх ногами


Вам также надо знать положение в пространстве вашего летательного аппарата, и здесь вы не можете полагаться на ваши глаза, уши и прочие чувства, потому что они могут врать.

Для работы указателя поворота и скольжения нужна гироплатформа. Так что давайте-ка сперва рассмотрим что такое гироскоп простейшего вида. Если вкратце, это юла. Юла имеет свойство сохранять положение в пространстве - то есть, закреплённая в карданном подвесе шайба, крутящаяся с адской скоростью, будет сохранять заданное положение практически всегда (кроме тех случаев когда наступает складывание рамок, об этом я расскажу в другой раз, в теме об инерциальной навигации).
Указатель поворота показывает в какую сторону поворачивает самолёт (ему можно верить, гироскоп редко врёт, если исправен), и с какой угловой скоростью; указатель скольжения показывает расхождение между осью полёта и осью самолёта: если самолёт летит боком (что случается при боковом ветре, который помимо сноса ещё и разворачивает самолёт носом в сторону от курса, от чего у пилота может создаться ложное впечатление, что он летит не прямо а в сторону; скольжение возникает когда самолёт достаточно тяжелый чтобы удерживать курс, а ветер достаточно сильный чтобы его при этом разворачивать), у него развивается крен, и если пилот ничего не будет предпринимать, самолёт сделает вид, что у него осталось только одно крыло - и начнет кувыркаться в штопор.
Эти приборы существуют как по отдельности, так и встроенные в авиагоризонт. Общее правило пилота, который пырится в авиагоризонт - держать стрелки в куче и не дёргаться.
Авиагоризонт - это ещё один прибор, опирающийся на гироскоп, он показывает углы крена и тангажа летательного аппарата, то есть углы ориентации относительно истинной вертикали.

ну вы понели, если качается с боку на бок (2) - это крен, если вперед-назад - это тангаж (3), если водит носом из стороны в сторону (1) - это рысканье/снос, и надо что-то с этим делать.

направление
компас, гирокомпас, радиокомпас, инерциальная система навигации, GPS - всё это предназначено для того, чтобы дать пилоту информацию о том, где какая сторона света, и куда, чёрт возьми, надо повернуть, чтобы долететь до точки назначения.

Двигатель
указатель количества топлива в баках, обороты двигателя, температура двигателя и так далее - это гарнитура двигателя и вотчина бортмеханика.

прочее
Здесь у нас, при наличии, есть гидросистемы, управление шасси, механизацией крыла, радары и куча всего прочего, что нужно для Большого Летательного Аппарата.

Так вот, чтобы летать - вам хватит альтиметра, авиагоризонта, указателя скорости, компаса и мозга.

/карантин и вычитка, дабы поправить косяки и вспомнить не забыл ли что дописать/

   Сообщение № 3. 10.6.2015, 03:46, Aeirel пишет:
Aeirel ( Offline )
Король ящериц

*
Владыка Тьмы
Сообщений: 9082
профиль

Репутация: 509
Подъёмная сила
И где это Кен Левин нарыл столько кейворита?!

В принципе, есть три способа создать подъёмную силу.
1) сделать аппарат легче воздуха (накачав его газом, который легче воздуха, или как следует разогрев воздух в оном) - это путь аэростатов, монгольфьеров и дирижаблей. Он взлетит потому что так сказал Архимед, а он великий маг.
2) приделать к аппарату крылья и как следует его разогнать. Взлетит, потому что неравномерно обтекаемое воздухом крыло создаст подъёмную силу, а ещё потому что так сказал Бернулли, правда он не совсем это имел ввиду, но он тоже великий маг.
3) сделать ракету.

Давайте начнем с аппаратов легче воздуха.
Для начала следует вспомнить закон квадрата-куба. Из-за того, что поверхность оболочки растёт по прямой, а объём - по кубической параболе, масса оболочки по отношению к объёму и к подъёмной силе данного изделия, будет постоянно падать с увеличением объёма (параллельно будет падать прочность, так как масса всё таки будет возрастать и гнуть дирижабль; ещё его будет гнуть парочка других сил, но сейчас это нам не важно). Здесь также заключена тайна за семью печатями: почему никто не строит гигантских дирижаблей, ведь очевидно же что они будут обладать совершенно охренительной подъёмной силой? А потому что для них нет применения. Они огромны, ими сложно управлять, они потребуют адски мощных двигателей, и на них совершенно нечего возить. Но об этом ниже.
Это была теория. Перейдем к практике. Вот допустим, анонимус решил забацать креатив про дирижабли, и ему, что логично, надо от чего-то оттолкнуться, от каких-то цифр. Давайте предположим, что он изложил пожелания к дирижаблю - что он должен поднять в небо дохрена пушек, народа и всего такого прочего, но простоты ради, предположим что масса этого барахла примерно сто тонн (взлётная масса Ту-154 вместе с топливом, багажом, пассажирами, собаками, с шерстью, говном и глистами). Какой должен быть объём дирижабля, чтобы всё это поднять (учитывая что это всего лишь нагрузка, а у дирижабля есть ещё конструкция, двигатели и топливо)?
Закон Архимеда: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме тела. То есть - Fа=(плотность воздуха при атмосферном давлении, 1,225 кг/м3 на уровне моря при +15 градусов цельсия) *(суммарный объём дирижабля) *g(ускорение свободного падения, обычно 9.8м/с2)
... И если эта сила больше чем сила тяжести, действующая на дирижабль, дирижабль взлетает.
Но здесь следует заметить, что если воздух в объёме дирижабля и воздух снаружи одинаковы по свойствам - хрена лысого эта штука взлетит. Поэтому в дирижабль закачивают либо газ легче воздуха, либо нагревают объём. В этом случае плотность воздуха в дирижабле будет меньше чем в атмосфере, и это создаст силу тем большую, чем больший объём. Что там у нас есть в качестве наполнителя? Водород? Опасно, но для примера подойдет. Водород легче воздуха где-то в 14,5 раз, то есть его плотность где-то 0.0899 кг/м3 (для водорода по формуле получится 0,88102. Не наглядно? увеличим в 10 раз, у воздуха 122,99, у водорода 8,8102, килограмм на десять кубометров). По формуле, воздух на 1 кубометр:
Fa=1,225*1*9,8=12,299 - это у нас 1 кубометр воздуха при стандартных условиях (атмосферное давление при +15 градусах цельсия на уровне моря)
переезжаем куда-нибудь в Якутию. см. таблицу, вообще-то тут надо бы написать ещё пару формул для расчета, но мне в лом.

возьмем воздух при -15 градусах. 1,368.
Fa=1,368*1*9,8=13,4 - это у нас 1 кубометр воздуха при -15 градусах. На уровне моря (Якутск где-то на 126 метров выше, но не суть).

Таким образом, вспоминаем что нас интересует вытесненный воздух, а его у нас около килограмма. Таким образом, один кубометр тёплого воздуха в объёме шарика, помещенный в атмосферу холодного воздуха чисто за счет разницы в плотности может поднять почти 1 килограмм чего-нибудь (а водород, соответственно, может поднять чуть меньше пуда). А теперь у нас кто-то умный уже принялся чесать руки, и заключил, что для того, чтобы поднять сто тонн барахла, ему понадобится монгольфьер, объёмом в сто тысяч кубометров (и тут же покосился на LZ 127 "Граф Цеппелин", объём сто тысяч, грузоподъёмность 25-55 тонн, при использовании водорода). Думаете я сейчас буду над ним угарать? отнюдь. Вот такие просчеты бывают когда забываешь о массе конструкции.
Я просто скажу, что заправленный водородом "Гинденбург" при объёме в 190000 кубометров имел максимальную взлётную массу (то есть это масса дирижабля+груз, при которой он может безопасно взлететь, почти всегда при этом либо не доливают топлива, либо берут меньше груза) в 210 тонн (из которых максимум 100 тонн приходилось на груз, топливо и людей, считать точнее мне в лом, чсх, по моему источник немного врёт, по моей приблизительной прикидке там было что-то около 170 тонн. Возможно кто-то просто посчитал полную загрузку), при этом, это было самое большое воздушное судно в мире - 245 метров в длину, с максимальным диаметром 41,2 метра. На дирижабли много меньше размером грузили аэропланы и пулемёты, и ничего, летали. Медленно и печально. Почему водород и гелий? потому что монгольферы надо греть, и чем больше объём - тем больше нужно топлива, вплоть до того что если бы Гинденбург был монгольфером (тепловым дирижаблем/аэростатом), и памятуя то, что я писал в соседней теме про нагрев, ему бы понадобилось ОЧЕНЬ много топлива.

Вообще, инженеры, проектируя такие вундервафли используют разные интересные дзюцу, типа прочностного расчёта (а если ещё точнее, то определяют куда будут приходиться нагрузки - и добавляют туда материала и разных хитрых штуковин, а где нагрузки нет - там сверлят дырки и утончают конструкцию, это я рассмотрю - может быть - чуть позже). Но нам важно не столько то, как это устроено (меня много раз ругали за то, что я перегружаю текст описаниями устройства), сколько вопрос того, как это будет выглядеть - по возможности реалистично. Для этого с лихвой хватит того что я описал выше, плюс, запомните: берите с запасом, запас карман не тянет, но избави вас боже увеличивать грузоподъёмность линейным увеличением размеров дирижабля, за такое вас сразу изнасилуют ломом - ибо закон квадрата-куба.

Когда я писал о сверхбольшом дирижабле, по сравнению с которым Гинденбург казался так себе, лодочкой, моему дирижаблю потребовалось тысяча восемьсот тонн угля только для того, чтобы разогреться до взлётной плавучести. Задумайтесь - тысяча восемьсот тонн угля, не считая топлива на поддержание режима полёта. Вы всё ещё думаете, что шесть тонн керосина в час на полёт Ту-154 - это дофига?

В чём заключаются плюсы и минусы подобного подхода к делу.
Аэростаты и дирижабли имеют наибольшую грузоподъёмность среди других видов летающей техники, расплачиваясь за это тормознутостью, ибо, как уже было сказано ранее, парусность у оных просто адская, и чтобы приводить их в движение нужно тратить очень много энергии (в случае с дирижаблями, аэростат двигать невозможно - он летит по ветру). С другой стороны, ещё никто не пробовал забацать летающий мешок воздуха с парусами и попробовать управлять этим чудом как яхтой. Учитывая, что некоторые подвижки с этой стороны делать перестали уже давно - пространство для маневра огромное, а о силе паруса я расскажу в другой раз.

Летающие аппараты тяжелее воздуха
ну, а здесь всё просто - крыло опирается на воздух, подъёмная сила создается неравномерным обтеканием профиля крыла - сверху поток быстрее и разрежённее, снизу тормознутее и гуще, разница этого поднимает самолёт вверх. Правда, чтобы самолёт нормально летал, этого мало. Способный взлететь самолёт сделали ещё в 19м веке - падал, потому что управление по крену и тангажу там или отсутствовало напрочь, или было вырвиглазным по устройству.

Для того, чтобы самолёт мог летать, необходимо свести в кучу несколько точек: точку приложения подъёмной силы, центр масс, и центр приложения движущей силы.
Если первые две на месте, а третий выше/ниже/сбоку - самолёт начинает задирать/опускать нос, или разворачиваться по вертикальной оси. Если точка приложения подъёмной силы начинает ползать туда-сюда по продольной оси - самолёт начинает задирать/опускать нос (происходит на различных скоростных режимах и углах подъёма), если центр масс начинает валандаться - конструкцию начнет вести в направлении оного. Вот эта балансировка - штука очень сложная, и не прекращается никогда: вы наверное спрашивали себя, зачем при полупустом самолёте пассажиров раскидывают по салону? А вот как раз по этой причине (одной из; вторая в том, чтобы вместе не пили, а третья в том, что самолёт управляется магией). Размещением груза занимается специальная наземная команда, а экипаж следит и записывает, чтобы знать на сколько надо отклонить элерон, парирующий изменение центра тяжести. Но об этом в другой раз, а пока что нас интересует сила крыла.

Как я уже говорил, крыло очень зависит от скорости полёта. На низких скоростях (планеры и дозвуковые самолёты) крыло должно быть длинным и по возможности узким, и чем выше скорость - тем больше стреловидность крыла и тем более замороченная у него форма и тем более узкий профиль - это связано со смещением аэродинамического фокуса назад при скоростях М>1. Если он выходит за пределы крыла - всё, финиш, самолёт падает.

Итак, крыло. Коэффицент подъёмной силы - штука эксперементальная, можно использовать например вот такую формулу:
подъёмная сила = коэффицент подъёмной силы (0,5/1,5, зависит от формы крыла)* делённые пополам плотность воздуха на высоте полёта*скорость набегающего потока в квадрате; умноженные на характерную площадь. Ещё во времена братьев Райт люди поняли, что эту шнягу точно рассчитать конечно можно, но ввиду наличия в ней некоторых интересных математических концепций, точность будет весьма приблизительна ("Подъёмная сила крыла бесконечного размаха равна произведению плотности газа (жидкости), скорости газа (жидкости), циркуляции скорости потока и длины выделенного отрезка крыла" - теорема Жуковского). Полная аэродинамическая сила — это интеграл от давления вокруг контура профиля крыла, так что пока до этого додумались, прошло очень много времени, и я прошу вас, если вы не любите математику - не надо пытаться делать самолёты, вертолёты и ракеты, ограничьтесь воздушными шарами, их можно сделать без подготовки, экспериментальным путём (лет за сто экспериментов, в ходе которой вы всё равно выучите высшую математику). Всё равно дальше будет хуже.

Итак, как видно из формулы выше, очень ДОФИГА зависит от формы крыла (формы крыла имеются в таблицах, их не очень много - просто подберите под задачу нужную форму и профиль), во вторую очередь идёт плотность воздуха на высоте полёта - чем выше, тем меньше подъёмная сила; далее у нас скорость набегающего потока - чем быстрее летим, тем больше нам пофигу на первые два пункта, и наконец, площадь крыла, которая определяет во-первых минимальную скорость, а во вторых его вес. Почему важен вес? потому что крыло имеет вес, более того, хреново сделанное крыло может сломаться под собственным весом (вам повезёт если это будет так), а ещё более хреновое крыло сломается в полёте, потому что его будут активно ломать подъёмная сила с одной стороны и масса фюзеляжа с двиглом с другой (не считая кучи разнообразных весёлых физических эффектов). Поэтому прочностной расчет крыла - это уже серьёзная дисциплина для людей, которые любят сопромат и физику.

Припекает? Дальше будет хуже. Помните, я задавал вопрос, почему в фэнтези действует запрет на огнестрельное оружие? А теперь задам ещё один вопрос, риторический: почему в фэнтези максимум, которого можно добиться - это паровой дирижабль? Ну вы понели.

Дальше у нас будет управление, и вы окончательно убедитесь в том, что фэнтези родня не фантастике, но сказкам.
Меня тут спрашивают - а куда я дел ракеты. Господа, ракеты - это отдельная категория летающих аппаратов сильно тяжелее воздуха, которая опирается исключительно на мощь двигателей, противоборствующих с силой тяжести, и ввиду этого, они - тема для отдельной беседы. А ещё я был бы признателен если бы аудитория задавала вопросы, а то я могу пропускать какие-то очевидные для меня, но непонятные для понимания непосвященным человеком детали.

1 Пользователей читают эту тему (1 Гостей и 0 Скрытых Пользователей);
« Предыдущая тема | Скрипторий | Следующая тема »



[ Script Execution time: 0.0213 ]   [ 18 queries used ]   [ GZIP включён ]

Яндекс.Метрика