Пионер авиации профессор сэмюэль пирпонт лэнгли

В связи с приближением столетнего юбилея исследовательского, конструкторского и летного успеха братьев Райт (статья была написана в 2001 году — byakin) мы вычисляем целесообразным обсудить одного из их предшественников — доктора наук Сэмюэля Пирпонта Лэнгли (1834 — 1906), чьи работы, посвященные проблемам полета объектов тяжелее воздуха, стали причиной успеху братьев Райт. В то же самое время Лэнгли был их самым важным соперником в попытке поднять в небо аппарат тяжелее воздуха, оснащенный силовой установкой.

В то время, в то время, когда братья Райт начали проявлять интерес к авиации, Лэнгли имел за плечами весьма успешные испытания полетов беспилотных летательных аппаратов с резиномоторами и опыт постройки громадного планера, что должен был выдержать вес человека. Кроме этого доктор наук Лэнгли совершил попытку полета на самолете на пара дней до успеха братьев Райт. Эта попытка завершилась аварией, давшей шанс братьям.

Но не будем торопиться.

Сэмюэль Пирпонт Лэнгли появился 22 августа 1834 года в Роксбери, штат Массачусетс, в довольно богатой семье предпринимателя. Его образование было завершено в бостонской школе («high school»). Лэнгли отказался от высшего образования в университете и двенадцать лет проработал в качестве архитектора. В частном порядке он изучал математику, физику и особенно астрономию, которая стала его хобби.

Лэнгли совершил ознакомительную поездку по последовательности европейских астрономических обсерваторий и в 1865 году стал помощником в Гарвардской обсерватории. В том же году он, будучи самоучкой, получил степень доктора наук математики в Военно-морской академии, а во второй половине 60-ых годов XIX века директором расположенной в Аллеганских горах обсерватории тогдашнего Западного университета Пенсильвании (Питтсбурге). В данной должности Лэнгли пребывал в течении двадцати лет, на протяжении которых ввел в строй усовершенствованное оборудование и совершил известные изучение солнечных исследования и пятен, которые связаны с определением солнечной постоянной.

На предстоящие научные изучения Лэнгли повлиял казалось бы незначительный эпизод. В августе 1886 года в Буффало он прослушал лекцию не через чур большого в истории авиации человека — Израэля Ланкастера (Israel Lancaster) — об опытах с планирующими полетами моделей птиц. Эта лекция была организована Американской ассоциацией содействия формированию науки (AAAS — American Association of the Advancement of Science), главой которой был Октав Шанют (Octave Chanute).

Данный признаный инженер-строитель, что заинтересовался авиацией и аэродинамикой и что позднее значительно оказал влияние на братьев Райт и направлял их опыты, находился среди гостей, возможно по соображениям вежливости. Вдохновленный данной лекцией, Лэнгли решил начать изучения: есть физически и технически вероятным полет летательного аппарата тяжелее воздуха.

Для лоббирования и финансирования собственных заинтересованностей Лэнгли обратился к спонсору и своему защитнику — ЖД управляющему Уильяму То (Williama Thaw) — за подержкой в постройке аэродонамической лаборатории на месте аллеганской обсерватории. Помощь была оказана, и Лэнгли выстроил наибольший в мире — возможно и сейчас — аналог аэродинамической трубы: приводимая в перемещение паровым двигателем «крутящаяся рука» диаметром 60 футов (18,3 м).

Во второй половине 80-ых годов XIX века Сэмюэль Лэнгли стал третьим секретарём научной, исторической и музейной организаций Смитсоновского университета в Вашингтоне, округ Колумбия, а в первой половине 90-ых годов XIX века стал простым секретарем университета. В Вашингтоне были продолжены аэродинамические изучения, и проводились совместные работы с питтсбургской лабораторией (сообщение поддерживалась при телеграфа и помощи почты).

Лэнгли был в курсе основных недочётов «крутящейся руки» (неравномерный запуск, зависимость окружной скорости от радиуса, ввод постороннего окрестного воздуха на протяжении вращения, влияние возмущенного воздуха из обгоняющего рукава, влияние ветра при циркуляции на трудности измерения и открытом участке движущейся модели). Как следствие были бывраны громадный радиус разморота и маленькие габаритные размеры моделей.

На «крутящуюся руку» был установлен замечательный привод с целью достижения равномерного вращения и высокого ускорения на протяжении первого оборота. Доктором наук Лэнгли были созданы особые электромеханические устройства, устройства и средства измерения, в большинстве случаев, которые связаны с перемещением модели. Целью было измерение двумя свободными способами каждой переменной, статистическая обработка множество раз проделанных измерений и т.д..

Паровая машина мощностью 7,3 кВт снабжала циркуляцию с частотой от 4,17 до 47 об/мин, что соответствовало радиусу 9,15 скорости и метра от 4 до 45 м/с (от 14,4 до 162 км/ч). Размеры модели в радиальном раправлении не превышали 0,76 метра, что соответствовало неточности скорости разворота в 0,5%. Что касается программы изучений, то Лэнгли, являвшийся эмпириком, не доверявшим абстрактным теориям (в тогдашних «авиационных» теориях было тяжело отличить суеверие от научных физических законов), решил экспериментально проверить все существовавшие тогда аэродинамические законы.

Сперва он проверил точность сведений Ньютона о пропорциональности сопротивления D (N) плотности обтекания тела p (кг/м³) квадрату скорости v∞(кг/м) набегающего площади и однородного потока поперечного сечения A (м?). Для сопротивления прямоугольной пластины площадью A, перпендикулярно обтекаемой потоком в англосаксонских государствах использовалась т.н. формула Смитона (Smeaton)

размерный коэффициент которой k (кг/м³) включал в себя плотность. Лэнгли экспериментально выяснил новые значения коэффициента k и силы, обрисовываемой уравнением (1), сделав стандарт для безразмерного выражения сил, действующих на модели с прямоугольными крыльями.

Второй целью Лэнгли была проверка т. на данный момент. формулы Ньютона с квадратами синусов, т.е. формулу расчета итоговой аэродинамической силы F(Н), которая вводит параметры обтекания жидкости плоской (предположим прямоугольной) пластины площадью A, установленной к течению под углом атаки α, что возможно разглядывать в качестве несложной модели крыла. В соответствии с предложению Ньютона сила F была перпендикулярна плоскости пластины и влияла в ее центре тяжести. При угле атаки α = 90° аэродинамическое сопротивление обтекания расположенной перпендикулярно пластины, имеющие те же форму и площад, соответствует уравнению (1). Результатом стало выведенное Лэнгли безразмерное выражение формулы Ньютона, которое было приведено в уравнении (2):

Данное уравнение соответствует кривой a) приведенной на графике.

безразмерная диаграмма результирующей аэродинамической силы F/F90, действующий на плоскую пластину, установленную к потоку под углом атаки α (0° … 90°)

Эта кривая была выведена из неверного условия, что воздушный поток складывается из дискретных частиц, каковые не воздействуют друг на друга и что при пластическом ударе передают объекту часть собственного импульса. Кейли (Cayley), Марей (Marey), Лилиенталь и другие сомневались в правильности данной формулы и заменяли ее эмпирической формулой, в которой употреблялась первая степень синуса угла атаки α. Эта зависимости приведена на той же диаграмме в виде кривой b). Результаты измерений Лэнгли продемонстрировали, что большей точностью владеет т.н. формула Дюшемина (Duchemin), которую по окончании изучений Лэнгли именуют формулой Лэнгли-Дюшемина

и которая представлена на диаграмме в виде кривой c). Потому, что в авиации по большей части малые углы атаки, то возможно сделать допущение sin2α ≡ 0. В следствии показалась формула Ланчестера (Lanchester), она же формула Хаффекера (Huffaker) (Хаффекер был помошником Ланчестера и трудился под его управлением):

Кроме этого Лэнгли изучил область приложения вектора силы F и понял, что при α = 90° он находится в центре тяжести пластины с площадью A и при уменьшении угла смещается вперед к точке, расположенной на четверти длины хорды. Этими изучениями были проверены забытые испытания, совершённые Аванцини (Avanzini) и Кейли в начале XIX века. Кроме этого Лэнгли интересовало и направление вектора.

Он понял, что до α = 30 ° вектор остается перпендикулярным пластине. Это означало, что влияние трения на поверхность пластины незначительно и им возможно пренебречь. Потом Лэнгли не рассматривал силу трения, что потом помешало ему верно трактовать экспериментальные результаты.

В собственных предстоящих изучениях Лэнгли занимался влиянием формы крыла в плане на его аэродинамические качества. Пары прямоугольных крыльев равных площади и веса были испытаны при разных соотношениях относительного удлинения λ (λ = l/b, где l — размах крыла, b — протяженность хорды крыла) и при разных углах атаки α. Задачей изучений было определение при каких значениях скорости полета (т.е. значениях скорости вращения «крутящейся руки») крылья начинали подниматься.

Данные исследований крылев в виде плоской прластины представлены на диаграмме.

диаграмма изучений Лэнгли влияния относительного удлинения крыльев на их аэродинамические качества

Исходя из представленной на диаграмме информации, возможно сделать вывод, что крылья с громадным относительным удлинением делают отрыв от поверхности на более низкой скорости и что при тех же значениях скорости крылья с громадным относительным удлинением имеют громадную подъемную силу. Тут мы можем заметить первые источники воодушевления для созданной Прандтлем (Prandtl) четверть века спустя теории конечного размаха крыла.

Кроме этого Лэнгли изучил и свойства бипланов. Он понял, что подъемная сила биплана с размещением крыльев приятель над втором (без выноса) меньше, чем в удвоенная подъемная сила одиночного крыла. Это негативное обоюдное влияние было названо Лэнгли «помехой» (interference), которая исчезала при повышении межплоскостного расстояния h (м), к примеру, при размерах крыла l ? b = 0,38 м ? 0,1 м интерференция исчезала при H = 1,2 м. По данной причине Лэнгли предложил свои самолеты с тандемным размещением крыльев, у которых эффект интерференции был меньше.

Кроме этого «крутящаяся рука» употреблялась Лэнгли на протяжении опытов с моделями частей самолетов и с моделями винтов.

Результаты своех изучений Лэнгли подвел в книге «Опыты в аэродинамике» («Experiments in Aerodynamics»), которая в 1901 году была опубликована Смитсоновским университетом. До Первой мировой эта книга была признанным сборником экспериментальных знаний в области авиационной аэродинамики. Самого Лэнгли полученные результаты уже приблизительно с 1890 года убедили, что возможно выстроить самолет, что имел возможность поднять человека в небо при помощи имеющихся сейчас двигателей.

В первой половине 90-ых годов XIX века он начал реализацию свей идеи на практике.

Кроме этого как и Альфонс Пино (Alphonse Penaud), доктор наук Лэнгли начал изучения неприятности полета летательных аппаратов тяжелее воздуха на маленьких моделях с винтами, приводимыми в перемещение скрученным резиновым жгутом. На приведенном ниже рисунке продемонстрированы схемы одной из этих моделей, отмеченной как №26.

схемы модели Лэнгли с резиномотором (тип №26)

Но Лэнгли не был доволен результатами, взятыми по окончании опробования более ста моделей, большая часть которых имело прямой (неизогнутый) профиль крыла. Исходя из этого, он перешел к громадным моделям, приводимыми в перемещение паровыми двигателями. Лэнгли именовал собственные самолеты «аэропортами» («aerodrome»), а полеты на летательных аппаратах тяжелее воздуха «аэродромика» («aerodromika», т.е. воздушный бегун [греч.]).

Большие удачи были достигнуты на автомобилях Aerodrome №5 и Aerodrome №6.

схемы самолетов Aerodrom №5 и Aerodrom №6

Aerodrome №6 был самолетом в тандемным размещением крыльев с неподвижным крестообразным оперением шестиугольной формы, расположенным в задней кромкой заднего крыла. В качестве силовой установки машина применяла миниатюрный паровой двигатель, вращавший два двухлопастных винта. Расположенные между крыльями на двух консолях винты, имели лопасти в форме дуги окружности.

Крылья самолета имели прямоугольную форму с размахом около четырех метров и длиной хорды 0,8 м, что соответствует неспециализированной площади около 6,4 м?. Угол поперечного V крыльев составлял 13°. Профиль имел тонкий изгиб 1:12 с большим значением, прилегающим к передней кромке. Конструкцию крыла образовывал силовой комплект из металлических труб, включавший трубчатые продольные балки, размешавшиеся приблизительно на расстоянии 45% длины хорды, и по девять внутренних нервюр.

Обшивка крыльев была шелковой и наносилась с одной стороны.

Фюзеляж самолета воображал собой металлическую трубу с двумя консолями, к каким крепились хвостовое оперение и крылья. В средней части фюзеляжа размещался паровой двигатель, а в задней частях и передней — два цилиндрических поплавка, каковые должны были предотвращать затопление модели при посадке на воду. Внешнее упрочнение мачт, хвостового оперения и крыльев обеспечивалось проволокой. Шасси всецело отсутствовало, протяженность самолета составляла 4,5 м.

Aerodrome №5 в мастерской

Паровая машина была двухцилиндровой с неспециализированной мощностью приблизительно 1,1 кВт с диаметром 31 мм и ходом 50 мм. Паровой генератор был изготовлен из бронзовых трубок диаметром 9 мм и создавал давление до 1 МПа. Горючим для силовой установки служил бензин. Вес паровой машины был 0,7 кг, парового генератора — 2,3 кг, запас воды — 1,8 кг, а горючее — 0,3 кг (в качестве примера Лэнгли забрал паровую машину Стрингфеллоу, которая сейчас находится в числе экспонатов Смитсоновского музея).

Винты, приводимые в перемещение паровым двигателем, имели диаметр 1,2 м и вращались с частотой 1200 об/мин. Неспециализированный вес самолета был 13,6 кг.

Aerodrome №5 имел в целом схожую конструкцию, но отлдичался меньшими весом (11 кг) и мощностью силовой установки. Оба самолета запускались в небо при помощь катапульты, установленной на крыше плавучей дачи Лэнгли на реке Потомак. Дача имела размеры 3,5 м ? 9 м и пребывала на барже.

Собственный первый задокументированный полет Aerodrome №5 совершил 6 мая 1896 года в заводи Куантико (Quantico) у острова Чопавамсик (Chopawamsic Island) рядом от вирджинского берега реки Потомак (приблизительно в 50 милях к югу от Вашингтона). Сохранились кроме того пара сделанных Грэхэмом Беллом (Graham Bell) фотографий полета. Вот как Белл прокоменнтировал:

«Aerodrome сперва взлетел против ветра, перемещаяся с превосходной устойчивостью, а после этого начала лететь по окружности диаметром 100 ярдов с постоянным комплектом высоты, пока не закончился пар. По окончании полета, длившегося около полутора мин., на высоте от 80 до 100 футов пропеллер прекратил вращаться, и самолет к моему удивлению не упал, а начал мягко и медлительно планировать, пока не приземлился без какого именно или столкновения с поверхностью так, что возможно было совершить новый опыт».[согл. 5]

Новый и столь же успешный опыт был совершён в тот же сутки. Полгода спустя (28 ноября 1896 года) практически на том же самом месте был выполнен успешный полет самолета Aerodrome №6. По окончании этих опытов Лэнгли вычислял проблему динамического моторного полета решенной, но для постройки самолета, талантливого делать полет с человеком на борту по собирался поручить конструктору.

Тут направляться добавить, что в то время Лэнгли был признанным авторитетом области авиации, смотревшим за развитием авиации во всем мире, а Смитсоновский университет в Соединенных Штатах стал источником информации для большинства интересующихся авиацией людей.

Сам Лэнгли не собирался продолжать работы в авиации, но вмешалась политика. Во второй половине 90-ых годов XIX века — возможно, под влиянием войны с Испанией — Лэнгли из Белого дома попросили выстроить самолет, талантливый выполнить полет с человеком на борту. Просьба сопровождалась субсидией армейского министерства в размере $50000.

Лэнгли принял предложение, считая, что это хватит несложным и стремительным делом, связанным с геометрическим повышением размеров самолета Aerodrome. Работы планировалось завершить во второй половине 90-ых годов девятнадцатого века. Но Лэнгли не осознавал, что геометрическое подобие не распространяется на прочность и что простое повышение геометрических размеров создаст новые конструктивные и технологические неприятности. Скоро поступила информация, что самолет, что он назвал Aerodrome A, должен быть выстроен заново.

Теем не меньше, геометрическое сходство с предшественниками — самолетами Aerodrome №5 и Aerodrome № 6 — было в значительной мере сохранено. Aerodrome A воображал собой самолет с размахом крыла 14,63 м, длиной 16,45 м и площадью крыльев 96,6 м?; поверхности крестообразного хвостового оперения самолета имели шестиугольную форму и шарнирно крепились к задней части фюзеляжа самолета. Кроме этого как и предшественники, эта машина не оснащалась шасси: ее кроме этого собирались запускать с катапульты и сажать на водную поверхность.

Информация о материалах самолета крайне скудна; по-видимому, машина была изготовлена из стальных труб и дерева. Изготовленный из металлических труб фюзеляж был практически плоской решетчатой конструкцией, к которой были присоединены внешние мачты прикрепления, оба крыла и металлическая моторама с балками для винтов, вращавшихся в противоположных направлениях.

Лонжероны крыльев, расположенные на расстоянии 45% длины хорды, и их задние кромки и передние изготавливались из металлических труб, тогда как нервюры, возможно, были из дерева. В соответствии с некоторыми схемами любая нервюра в месте соединения с лонжероном оснащалась маленькой мачтой; нервюры крыла в начале, финише и в концех маленьких мачт нервюр связывалась с главными вертикальными мачтами при помощи расчалок из проволоки.

В носовой части фюзеляжа под передним крылом конкретно за лонжероном размещалась изготовленная в виде лодки гондола пилота. Возможности поперечного управления не было и устойчивость обеспечивалась громадным поперечным V крыльев.

Значительной проблемой, которая существенно задержала постройку самолета и очень сильно подняла его цена, стал двигатель. Лэнгли решил применять двигатель внутреннего сгорания, что при весе 100 фунтов (45 кг) развивал требуемую мощность в 12 л.с. (8,8 кВт). Во второй половине 90-ых годов XIX века подобный двигатель был заказан в нью-йоркской компании Balzer. Компания поставила Лэнгли двигатель, выполненный на базе автомобильного и развивавший мощность не более 8 л.с. (5,9 кВт).

Потому, что двигатель не развивавл положенной мощности, то Лэнгли поручил собственному помощнику доктору наук Чарльзу Мэтьюзу Мэнли (prof. Charles Matthews Manly [1876 — 1927]) усовершенствовать мотор.

доктор наук Сэмюэль Пирпонт Лэнгли (1834 — 1906) со своим помощником Чарльзом Мэнли (слева)

То что сделал Мэнли в самый раз назвать чудесным образом: в 1902 году он завершил разработку четырехтактного радиального пятицилиндрового двигателя с водяным охлаждением и с искровым зажиганием. Усовершенствованный мотор при весе 208 фунтов (94 кг) развивал мощность 52,4 л.с. (38,6 кВт), что соответствовало удельной мощности 1,8 кг/л.с. (2,45 кг/кВт).

Тяжело сообщить в какой мере детали двигателя компании Balzer употреблялись Мэнли при изготовлении первого в мире особого авиационного мотора внутреннего сгорания, удельная мощность которого была превзойдена в 1910 году только несколькими авиадвигателями. Нижеприведенный упрощенный эскиз поперечного сечения двигателя Чарльза Мэнли был сделан по иллюстрации из [9] и есть скорее художественным ресунком, нежели техническим документом.

радиальный пятицилиндровый 52-сильный двигатель Чарльза Мэнли обр. 1902 года в качестве выставочного экспоната Национального авиационного музея и его приближенная схема

Разумеется, что всасывающий клапан был автоматическим тогда как выпускной клапан управлялся механизмом синхронизации с эксцентриком — неспециализированным для всех пяти цилиндров. Коленчатый вал был неразъемным, совокупность тяг складывалась из главного шатуна с поделённой головкой кривошипа, в которой были сохранены шатунные пальцы (думается, что все неспециализированные элементы радиальных двигателей являются изобретением Чарльза Мэнли).

Двигатель был установлен за передним крылом поперек фюзеляжа самолета. Вал двигателя выступал с обеих его сторон и через конические шестерни приводил в перемещение два двухлопасных тянущий винта диаметном 2,67метра, вращавшихся с частотой около тысячи оборотов в 60 секунд. Кроме этого как на самолетах Aerodrome №5 и Aerodrome № 6 винты устанавливались на прикрепленных к фюзеляжу консольных балках.

В нескольких местах под винтами и фюзеляжем на консольных балках были размещены цилиндрические поплавки. Взлетный вес самолета составлял 370 кг. В соответствии с имеющимися картинками и фотографии в трех проекциях были выполнены приблизительные схемы самолета Aerodrome A.

приблизительная схема самолета Aerodrome A: a) начальный вариант Лэнгли, b) ранняя реконструкция Лэнгли, c) реконструкция Кертисса в варианте 1914 года

На собственной плавучей даче Лэнгли выстроил новую катапульту длиной 19 метров. В осеннюю пору 1903 самолет, наконец, готовься для взлета, но сам Лэнгли попал в цейтнот: вблизилась зима, а в различных уголках Европы и Америки пребывали энтузиасты, каковые владели разным уровнем знаний и каковые кроме этого желали выстроить самолет, талантливый выполнить полет с человеком на борту.

В соответствии с сообщению инженера Октава Шанюта где-то на атлантическом побережье Карол

Пионер авиации профессор сэмюэль пирпонт лэнгли

Самый первый самолет в мире

Увлекательные записи:

Похожие статьи, которые вам, наверника будут интересны: