Добавлен: 01.12.2023
Просмотров: 202
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Основой полета на самолете является решение трех важнейших задач:
-
Для того, чтобы самолет мог устойчиво перемещаться в воздухе, должны быть выдержаны определенные условия полета, путем достижения баланса между подъемной силой, веса самолета, силой тяги и лобовым сопротивлением. -
При полете к конкретному пункту назначения важно выдерживать и так называемые навигационные параметры полета, такие как скорость и высота полета. -
Необходимо учесть влияние окружающей среды на выполнение полета, такие как ветер, осадки (град, снег, дождь) географические препятствия и изменяющиеся условия освещения, которые должны быть либо компенсированы, либо пилот просто должен их избежать.
В процессе эволюции для помощи пилотам в решении всех трех задач были разработаны соответствующие СОИ.
В первые годы полетов на самолетах тяжелее воздуха практический полет с Глаза, уши и осязание были основными органами чувств, которые пилот использовал для управления самолетом. С их помощью пилот балансировал самолет и вел ориентировку.
Глаз оценивал высоту полета, расстояние до препятствий и погоду.
Ухо отслеживало вращение двигателя и звуки движения, издаваемые натяжными тросами или другими кромками на летающем объекте. Этот тип мониторинга состояния полета и навигации был упрощен за счет того, что пилот находился в „открытой кабине" в первые годы полетов на ВС оборудованных двигателем.
Осязание давало понятие о скорости самолета, ведь с увеличением скорости, давление, оказываемое воздухом на пилота, росло. С другой стороны, осязание, помимо оценки скорости полета по силе ветра, также давало представление о состоянии конструкции самолета, поскольку наличие вибрации в полете могло указывать на угрозу разрушения.
Чувство равновесия так же было очень важно. Сами братья Райт говорили, что для управления самолетом, необходимо чувствовать равновесие как при езде на велосипеде. И действительно, с помощью этого чувства пилот и контролировал полет самолета, а именно поддерживал самолет в состоянии механического равновесия. В то время самолеты были неустойчивы и различные внешние возмущения, такие как ветер, восходящие и нисходящие потоки воздуха, а также осадки, выводили самолет из состояния равновесия и пилоту требовалось постоянно вносить корректировки. Чтобы самолет пролетел дольше и соответственно дальше, пилотам было необходимо обладать чувством равновесия сравнимым с артистами цирка.
Райты использовали секундомер, анемометр и тахометр для силовой установки в своем первом самолете. Однако, их следует рассматривать скорее, как приборы для летных испытаний, чем как летные приборы, поскольку они были предназначены для регулировки оборотов двигателя перед полетом, а также для определения дальности, воздушной и путевой скорости полета с помощью анемометра и секундомера. Они никак не использовались для управления самолетом.
Первым прибором, который действительно был использован во время полета, был обычный кусок ткани. Спустя 6 лет после первого полета Райты прикрепили небольшой кусок ткани или веревки на крыло самолета, по отклонениям этого элемента можно было судить о скольжении во время выполнения разворота. Однако первооткрывателем подобного метода определения скольжения самолета были не братья Райт, а шотландский изобретатель Перси Пилчер, который использовал нить для обозначения углов скольжения для своих дельтапланов еще в 1894 году.
Техническая эволюция вскоре привела к созданию гораздо более совершенных самолетов. Скорость, летные характеристики, продолжительность полета и мощность двигателя быстро росли, так что человеческих чувств было уже недостаточно для безопасного выполнения полета. Приборы теперь стали необходимыми. Однако первоначально приборы в кабине рассматривались пилотами как "лишний балласт". По их мнению, они только утяжеляли конструкцию. Только позже пилоты научились ценить достоинства приборов, как преимущество в плане безопасности. СОИ, изначально не были оборудованием, специально разработанным и изготовленным для авиации. Начиная примерно с 1911 года промышленность смогла предложить СОИ, оптимизированные для авиации. До этого некоторые устройства использовались в других областях техники, таких как судостроение, машиностроение, локомотивостроение и автомобилестроение, а также в метеорологии. Эти устройства, некоторые из которых были перепрофилированы, модифицировались для предполагаемого использования. Важным аспектом разработки пригодных для использования авиационных приборов было уменьшение размеров, а также снижение веса. Но пока это не было достигнуто, можно было обойтись другими существующими средствами.
По сути, первые приборы на самолете использовались для регулировки мощности и контроля работы двигателя. Одними из первых стандартных приборов были тахометры. Поскольку первые двигатели работали с максимальной мощностью, тахометры использовались только для проверки работы двигателя перед взлетом. Кроме того, пилоты избегали внесения изменений в режим работы двигателя во время полета, поскольку ранние двигатели были чрезмерно ненадежными, а постоянные изменения параметров работы двигателя увеличивали частоту отказов. Только равномерно работающий двигатель, практически свободный от вибраций, обеспечивал большую безопасность полета, при этом основные меры предосторожности по сегодняшним меркам можно охарактеризовать скорее, как очень низкие.
После того, как первым пилотам и изобретателям удалось преодолеть большие расстояния и покинуть окрестности аэродрома, пилоты использовали для навигации карту и компас. Первоначально использовались, например, лодочные или карманные компасы. Однако из-за отсутствия компенсации они были всего лишь несовершенными вспомогательными устройствами, поскольку их точность была сильно ограничена. Во-первых, многочисленные металлические детали из которых состояло ВС воздействовали на стрелку компаса, позже этот эффект стали называть девиацией, а во-вторых, такие эффекты, как крен, практически не учитывались и не компенсировались конструкциями обычных компасов.
В 1903 был изобретен прибор, ставший основополагающим для измерения курса – гирокомпас. Его преимущество над магнитным компасом заключалось в гораздо меньшей девиации, в виду меньшей чувствительности к магнитным полям, создаваемым металлическими элементами. Такие компасы моментально нашли применение. Обычно они устанавливались прочно на сиденье пилота или в нижней части крыла. Конструкция самолета повлияла на конкретное место установки самого гирокомпаса, поскольку выбранное место должно было находиться как можно дальше от пускового магнита и других более крупных металлических деталей, чтобы минимизировать отклонение. Но ошибка все еще присутствовала, по этой причине пилотам приходилось пользоваться в полете таблицей поправок.
Следующим прибором в кабине стал высотомер. Самым старым методом измерения высоты полета является барометрическое измерение высоты. Уже во время первых полетов на воздушном шаре для измерения высоты использовался барометр-анероид со шкалой, измеряемой в метрах или футах. В период первых полетов на самолете эти устройства также использовались, однако в первые пять лет их использование было сильно ограничено, поскольку высоты полета все еще были слишком малы.
годуРисунок 1. Стандартный вид барометрического высотомера.
Рисунок 2. Схема барометрического высотомера
Принцип его работы основан на свойстве анероидной коробки расширяться или сужаться в зависимости от давления, которое оказывалось на нее, соответственно при увеличении высоты давление уменьшалось, а коробка расширялась, поворачивая стрелку высотомера через передаточный механизм. Регулировка барометра производилась в соответствии с соответствующей высотой аэродрома на земле перед взлетом. Таким образом, влияние погоды также было в достаточной степени учтено на коротких расстояниях полета. Поэтому неудивительно, что, несмотря на множество недостатков и неточностей, этот метод до сих пор находит свое применение в авиации. Неточность заключается в том, что, помимо высоты полета, атмосферное давление также зависит от текущих атмосферных условий, таких как погода или изменения давления, например, из-за движения воздуха (ветра, температуры).
После высотомера появился и указатель приборной скорости ВС (рис.3).
Рисунок 3. Стандартный вид указателя скорости (УС-450).
Этот прибор имел особенное значение на первых самолетах в виду малой разницей между скоростями сваливания и максимальной крейсерской скорости, из-за чего часто происходили крушения самолетов. Основоположником принципа работы данного прибора был французский инженер Анри Пито. Именно он создал свое изобретение – трубку Пито, измеряющей напор жидкости или газа, поступающего в нее. Позже немецкий инженер Людвиг Прандтль изобрел прибор для измерения динамического давления – трубку Прандтля, состоявший из трубки Пито, измеряющей полное давление и трубки для измерения статического давления. Разницей полного и статического давления как раз и было динамическое давление, или скоростной напор.
Рисунок 4. Схема указателя приборной скорости
По сей день используется данный принцип измерения приборной скорости.
Стоит отметить, что расположение приборов в кабине было хаотичным и не существовало единой модели расположения приборов.
Подвести итог о первых полетах то время можно общим выводом о подготовке и выполнении полета на первых самолетах: пилот приходил со своими помощниками к самолету, выполнялась настройка работы двигателя с помощью тахометра, затем пилот работал с самой кабиной, устанавливал давление места взлета, а также вносил поправки в указатель курса, с помощью таблицы поправок, которая в дальнейшем использовалась на протяжении всего полета. Затем рассчитывались значения необходимых для полета параметров, которые не измерялись во время полета, эти параметры сличались с фактическими и принималось решение о воздействии на органы управления во время полета для устранения отклонений или для того чтобы свести эти отклонения к минимуму. Во время самого полета пилот использовал в основном свои собственные органы чувств, а приборы измеряющие пилотажно-навигационные характеристики уходили на второй план и использовались только для контроля и уточнения основных параметров ВС. Ориентировка велась визуально путем сличения карты с местностью.
Следующим этапом развития самолетостроения считается первая мировая война, где самолеты нашли свое применение как боевые машины. Впервые их использовали для выполнения военно-стратегических задач в Болгарии. Самым совершенным самолетом на момент начала первой мировой войны был отечественный самолет «Илья Муромец» сконструированный И.И. Сикорским. Легендарный самолет принято считать первым в истории пассажирским самолетом, так как помимо кабины пилота был предусмотрен отсек для размещения пассажиров, но во время боевых действий отсек использовался для размещения бомб, поэтому данный самолет относят к бомбардировщикам. Первый прототип самолета был оснащен открытой кабиной, однако после летных испытаний Сикорский решил отказаться от привычной на тот момент схемы конструкции, где кабина была отделена от фюзеляжа, встроив кабину прямо в фюзеляж. Именно так и появился первый в мире самолет с закрытой кабиной (рис.4).
Рисунок 4. Кабина самолета Илья Муромец.
Помимо того, что кабина была закрыта, можно отметить и то, что там было отопление и свет, сама кабина была оснащена каждым из перечисленных ранее приборов, а именно, указателем скорости, высоты, компасом, а также тахометрами для каждого из 4 двигателей самолета. Сам Сикорский во время проектировки самой кабины уделил не малое внимание ее эргономике, и это принято считать первой попыткой эргономической адаптации кабины пилотов. В дальнейшем мировое авиационное сообщество, определив все достоинства и недостатки закрытой кабины, пришло к единому мнению о переходе к именно такой модели.
В виду многочисленных отказов двигателей на самолетах было принято решение о внедрении в кабину пилотов дополнительных приборов, отвечавших за работу двигателя, а именно измерявших давление масла и температуру двигателя, причем, как и в случае с тахометром данный прибор отражал показания только одного двигателя, следовательно, с ростом количества двигателей росло и количество приборов на приборной доске. В связи с большим обилием информации, которую пилоту было необходимо обрабатывать, было принято увеличить экипаж самолета до 2 человек. В кабине было предусмотрено 2 места, слева и справа. Пилотирующий пилот, или же pilot flying (далее PF), которым обычно становился человек, обладающий большим опытом и отличными навыками пилотирования, располагался слева, а контролирующий или же pilot monitoring (далее PM) справа, следовательно и авионика была расположена соответствующим образом, то есть приборы, которые содержали в себе информацию о пилотажно-навигационных параметрах ВС, которые были необходимы должны были быть расположены в левой части приборной панели, а приборы с параметрами работы двигателя в правой. Однако, после ряда случаев, в которых PF терял способность к управлению ВС, по различным причинам, а второй пилот испытывал сложности с контролем параметров ВС в виду неудобного расположения приборов, было решено продублировать приборы, содержащие пилотажно-навигационную информацию и в правой части кабины, а индикацию параметров двигателя переместить на центральную часть приборной панели, благодаря чему, во первых, PM мог гораздо проще контролировать высоту, скорость, курс и другие параметры, во вторых, PF мог наравне с PM контролировать работу двигателя, таким образом обеспечивался двусторонний контроль за параметрами, что способствовало значительному повышению уровня безопасности полетов в то время. Данный принцип используется и по сей день. Так же данное нововведение способствовало гораздо более продуктивному обучению новых пилотов.