От многих своих предшественников братья Райт отличались строгим научным подходом. Одним из важнейшим факторов их успеха стала самодельная аэродинамическая труба. Это была далеко не первая труба(по-крайней мере 10-ая), но одна из лучших для того времени, [...]]]> Внимательное изучение истории технологий часто выявляет примеры вопиющей (по современным меркам) безграмотности первопроходцев. Ранняя история авиации прямо-таки кишит подобными случаями.

От многих своих предшественников братья Райт отличались строгим научным подходом. Одним из важнейшим факторов их успеха стала самодельная аэродинамическая труба. Это была далеко не первая труба(по-крайней мере 10-ая), но одна из лучших для того времени, и список допущенных братьями просчетов заставляет думать что попаданец в те времена не останется без работы.

Аэродинамическая труба должна создавать как можно более равномерный поток воздуха. Современная труба начинается с выравнивающей решетки большого сечения, рассеивающей уже имеющуюся турбулентность, затем идет сужающееся сопло — в нем воздух разгоняется до рабочей скорости, затем рабочая камера, диффузор, уменьшающий скорость потока, и импеллер. Все части должны иметь одинаковую форму сечения и гладкую поверхность. Импеллер либо имеет два противовращающихся винта, либо дополнительные устройства для компенсации закрутки потока. Такая конструкция обеспечивает постепенное увеличение/уменьшение скорости воздуха и максимально спокойный поток.

Теперь взглянем на трубу братьев Райт. Одиночный воздушный винт установлен на входе — это самая большая ошибка. Элементарный перенос винта на выход из туннеля резко улучшил бы качество измерений. Затем идет слишком короткая выравнивающая решетка, сопло круглого сечения, рабочая камера квадратного сечения, диффузор на выходе отсутствует.

Сами братья заслуженно гордились этим устройством — только на небольшие изменения решетки(изгибы плоскостей для выравнивания потока) они потратили порядка месяца. Они были уверены в отличном качестве потока и оценивали величину ошибки в один-два процента.

Труба позволила им испытать порядка 200 профилей крыла, позволив им понять преимущество длинного крыла(удлинение по сравнению с прототипами было увеличено вдвое), изгиба профиля(увеличен в два с половиной раза для максимизации подъемной силы, затем уменьшен в полтора раза для улучшения управляемости) и улучшить КПД пропеллера с 66% до 82%.

Но тщательные измерения на современной реплике показывают очень неравномерный поток и ошибки измерения на в 10-20 процентов.

Как показывают современные расчеты, самолет братьев даже не смог бы подняться в воздух если бы не неизвестный братьям экранный эффект. Самолет братьев использовал толкающий винт и аэродинамическую схему «утка»(оперение впереди крыла) — уже через несколько лет начало использоваться прямо противоположное устройство. В общем все как всегда — «когда б вы знали из какого сора»…

Основной источник: Historical and applied aerodinamic study of the Wright brothers’ wind tunnel

В результате многие думают что попаданцу будет достаточно немного постучать начальственным кулаком по столу и история техники уверенно двинется по новым [...]]]> В сети можно найти уйму статей об альтернативных путях техники — всевозможных двигателях Стирлинга, турбинах Теслы, ионолетах и еще более экзотических устройствах. В них с восторгом описываются достоинства альтернатив и совершенно не упоминаются недостатки.

В результате многие думают что попаданцу будет достаточно немного постучать начальственным кулаком по столу и история техники уверенно двинется по новым рельсам. В этой статье мы разберем проблемы ионолета.

Принцип его действия прост: подадим несколько десятков тысяч вольт(обычно порядка 40 КВ) на две проволочные сетки и движение ионов между сетками создаст поток воздуха — бесшумный электрический движитель! Интересно что эффект был открыт еще в 1709 году (Francis Hauksbee) и был известен Ньютону и Франклину, но был забыт в 19 веке до патента Брауна (Biefeld-Brown effect) в 1960-ом.

Непонятно лишь почему ионолеты существуют лишь в виде небольших моделек. В сети в лучшем случае можно найти невнятные рассуждения об отсутствии эффективных высоковольтных источников. Бредовость довода очевидна — просто соединим ячейки большой батареи последовательно и получим высоковольтную батарею. Первая такая батарея была создана еще в 1802 году в России. Для современных технологий батарея на 40 КВ проблемой не является.

Чему равна тяга ионолета? Нетрудно понять что число свободных ионов между сетками будет расти до тех пор пока они не скомпенсируют электрическое поле сеток. Но для этого понадобится очень небольшое количество ионов и они смогут совершить лишь незначительную работу. Как показывает расчет, на 40 КВ и 7 см зазора мы получим лишь 160 грамм подъемной силы на м^2(для сравнения, у вертолета Robinson R44 — 14 кг, в 86 раза больше!), а воздух будет двигаться через сетку со скоростью порядка метра в секунду.

То есть, тому же Robinson R44, если переделать его в ионолет, вместо винта диаметром 10 м потребуется сетка в виде квадрата со стороной в 80 метров! Такая сетка будет развивать огромное сопротивление движению, так что о горизонтальном полете хотя бы на сотне километров в час лучше даже не думать.

Интуитивно кажется что у ионолета должен быть высокий КПД — ведь электрическая энергия напрямую преобразуется в кинетическую.

Давайте подумаем. Нетрудно прикинуть что электрон с энергией в 40 тысяч электронвольт будет иметь скорость порядка 100 000 км/с! Ион наберет гораздо меньшую скорость, к тому же он будет постоянно останавливаться молекулами воздуха. Тем не менее в расчете по ссылке выше получаем скорость иона порядка 100 метров в секунду.

Это значит что ионы  движутся со скоростью в сто раз больше скорости воздуха! При ударе большая часть энергии иона уходит в тепло и лишь сотая доля кинетической энергии передается с имульсом. Реальный КПД описанного ионолета — порядка процента(при взлете с места, при горизонтальном полете КПД заметно повысится).

В 2018 году была создана первая полноценная модель ионолета, с собственным источником питания(видео). Создатели отказались от вертикального взлета и установили ионный движитель на планер с аэродинамическим качеством порядка 18 — так что им хватило всего 320 грамм тяги на модель в 2.5 кг.

Глянем на характеристики. Повышающий преобразователь забрал больше 20% от веса модели, расход 620 Вт дает аж 320 грамм тяги на 5 м/с — КПД 2.5%. Заявленный КПД преобразователя — 82%–85%, т.е. основные потери на сетке-движителе.

В общем для закрытого стадиона штука интересная, но летать против ветра ионолетам явно будет трудновато. Да и конкурировать с обычными дронами непросто — от мотора на 15 Вт и низких оборотах шуму будет немного.

Значит ли это что ионолет бесполезен? Нет. Увеличив зазор и понизив напряженность поля мы уменьшим скорость ионов и увеличим КПД. При этом упадет тяга, но ее можно увеличить увеличением напряжения(зазор опять таки придется увеличить). При напряжениях от нескольких мегавольт(и зазорах в десятки метров) ионолет начинает выглядеть привлекательно.

Но такие напряжения пробивают сантиметры лучших изоляторов и метры воздушного зазора, да и батарею придется составлять уже из миллиона-другого ячеек. В общем тут попаданцу явно ничего не светит, так же как со Стирлингами и турбинами Теслы.

Клапанный ПуВРД весьма прост — труба, на одному конце которой стоит клапан(3), впускающий воздух внутрь, но не выпускающий его наружу, на другом конце — [...]]]> ПуВРД — пульсирующий воздушно-реактивный двигатель. Букву «у» в акроним добавляют для того, чтобы отличать его от ПВРД — прямоточного в.-р. двигателя. Давайте посмотрим как он устроен и какой от него прок.

Клапанный ПуВРД весьма прост — труба, на одному конце которой стоит клапан(3), впускающий воздух внутрь, но не выпускающий его наружу, на другом конце — сопло(4). При сгорании топлива температура и давление воздуха в трубе повышаются, клапан закрывается, воздух выбрасывается через сопло. Воздух по инерции продолжает выходить из двигателя и после того как давление сравняется с атмосферным — давление продолжает падать. Это отрицательное давление засасывает воздух(1) и топливо (2), а затем и немного нагретого воздуха из сопла, который воспламеняет топливо и все повторяется вновь, десятки и сотни раз в секунду.

Таким образом двигатель представляет собой металлическую трубу определенной формы, система зажигания не нужна, а вся система подачи топлива сводится к промежуточному бачку с поплавком. Дело в том что колебания давления в двигателе составляют примерно +1..-0.15 атм, так что даже небольшие изменения давления топлива при опустошении топливного бака нарушают режим работы двигателя(никакой воздушной акробатики без поддува бака! впрочем простейший поддув часто делается при помощи клапана, забирающего воздух из двигателя на пике давления).

Все выглядит очень просто, но все портят требования к клапанам. Из-за небольших давлений мы не можем поставить толстые пластины — они не будут двигаться с нужной частотой. Клапан должен быть тонкой пластинкой, изгибающейся десятки раз в секунду. Его попеременно разогревает до сотен градусов пламя горящего топлива и охлаждает входящий воздух. На клапаны годится только инструментальная сталь вроде У-8А, и даже она выдерживает от силы десятки минут.

Есть несколько способов увеличить ресурс клапанов — поставить мягкие уплотнения, которые смягчат удары при закрывании клапана(их придется менять после каждого полета), уменьшить размах колебаний пластины или прикрыть края клапанов кольцом(увеличивает потери на всасывание воздуха), впрыскивать топливо на отдалении от клапанов(уменьшает полезный объем, а значит и мощность), сделать клапан из двойных пластин и впрыскивать топливо между ними(более сложная конструкция). Трудно сказать, позволит ли применение всех этих хитростей создать клапан из материалов, доступных попаданцу.

К счастью без клапана можно и обойтись. В бесклапанном ПуВРД клапан заменен на обычную короткую трубу, повернутую в том же направлении что и сопло. После вспышки воздух выбрасывается и из сопла и из этой трубки(с меньшей скоростью по сравнению с соплом). Но, поскольку она короче сопла, то после того как в двигателе образуется отрицательное давление, через нее засасывается немного свежего воздуха(воздух в сопле также разворачивается и идет в камеру сгорания, но содержание кислорода в нем невелико).

В общем мы сделали двигатель из металлической трубы, практически без подвижных деталей! Топливо — любое. Двигатель V-1 на стенде запитывали даже угольной пылью и он работал! В общем подойдет любой спирт или масло. Да и при запуске такого двигателя, в отличии от клапанного ПуВРД, можно обойтись без продувки сжатым воздухом. Любительские двигатели выдают тягу втрое выше своего веса. Попаданцу сгодится даже на порядок более тяжелый движок.

Поскольку такие двигатели практически не применяются, нетрудно заподозрить что у них есть определенные недостатки.

Прежде всего это низкая эффективность. Любительский безклапанный двигатель может выдать удельный импульс по топливу порядка 700 сек, сравнимо с клапанным двигателем V-1. Что это значит? Пусть попаданец соорудил самолет со взлетным весом 250 кг и аэродинамическим качеством десять, тогда для горизонтального полета ему потребуется тяга порядка 25 кгс. ПуВРД будет жрать два килограмма топлива в минуту! В общем предел — порядка получаса полета. Нетрудно заметить что скорость в наши расчеты не входит. Теоретически самолет сможет летать и на 700-800 км/ч, на практике попаданцу желателен самолет с низкой посадочной скоростью -> с большими крыльями -> большим лобовым сопротивлением -> малой максимальной скоростью. На реалистичных 180-360 км/ч мы получаем дальность полета в 90-180 км, радиус действия — 30-60 и КПД порядка 1-2%. Для сравнения, КПД ДВС с пропеллером легко переваливает за 20% — на порядок больше!

Шум. Нет, не так. ШУМ. ПуВРД переопределяет понятие шума. При работе двигатель выдает сотню микровзрывов в секунду и звук свободно проходит через тонкие стенки трубы. Если попаданец будет испытывать движок в городе или регулярно летать над ним, его линчуют через пару дней. Вибрация от взрывов часто повреждала обшивку самолетов, на которых испытывался ПуВРД.

Часто ошибочно утверждается что ПуВРД не выдает тягу или даже вовсе не работает в неподвижном положении. На самом деле, скажем, для V-1, статическая тяга была лишь примерно в полтора раза меньше максимальной. Другое дело что максимальная тяга нужна именно на взлете. На практике лучше использовать реактивные ускорители, скажем с десятком килограммов карамельного топлива, чем нагружать самолет слишком тяжелым двигателем, который ухудшит его и без того скромные характеристики или воздвигать километровую ВПП и сжигать на взлете половину бака. Да и возможность ракетного пуска с корабля — крайне интересна.

При работе двигатель разогревается до 500-600 градусов. Такую температуру выдерживает даже нелигированная низкоуглеродистая сталь, доступная попаданцу задолго до индустриальной революции(даже если считать только бессемеровскую сталь — по крайней мере с 1860-х), но она вызывает некоторые механические проблемы. При таком нагреве полутораметровая труба удлинится примерно на сантиметр! Соответственно жестко крепить двигатель можно только в одной точке, остальные крепления должны быть частично подвижными. При пуске двигателя неравномерный нагрев быстро приводит к сминанию трубы при малейшей ошибке в сварке. Скорее всего попаданцу придется специально прогревать трубу перед пуском. Впрочем, количество сварных швов нетрудно уменьшить простым применением геометрии. Да и охлаждающий кожух, через который воздух будет прокачиваться эжекцией крайне прост — см. к примеру кожухи ранних пулеметов.

По крайней мере поломка двигателя не слишком опасна(по крайней мере пока из бака не начинает хлестать топливо) — давления и энергия одиночного взрыва невелики. Забавно что двигатель в основном ломается на фазе отрицательного давления, хотя оно в разы меньше положительного. Это легко объясняется тем что тонкостенные конструкции гораздо лучше работают на растяжение чем на сжатие.

Чтобы понять почему ПуВРД практически не использовался в авиации, надо взглянуть и на его историю. Россия, как всегда, родина слонов — история ПуВРД якобы начинается аж в 1864 году с патента Телешова. При углублении в материал выясняется, что текст патента никто не цитирует, а сам автор явный прожектер, рисующий проекты самолетов на сотни пассажиров. Следующий изобретатель — Кароводин, 1906. Он, по крайней мере, что-то воплотил в металл. При расследовании выясняется что его двигатель представлял собой газовую турбину с нагнетанием от цилиндрового компрессора и от ПуВРД там только пульсирующее зажигание и убогий КПД. Далее — Марконнет(Georges Marconnet), 1908 — что-то вроде прямоточного двигателя. Наконец мы доходим до Касановы(Ramon Casanova), 1917. Его двигатель не работал в неподвижном состоянии. Плюс, обратите внимание на размеры и пропорции его двигателя — он намного толще современных. Это позволяет увеличить мощность, но делает горение весьма нестабильным.

По настоящему ПуВРД начинает развиваться лишь с 30-х годов, в первую очередь благодаря работам Каденаси, который получил патент на усовершенствованный двухтактный ДВС в 1933. За счет инерции выхлопа он получал разряжение в цилиндре, улучшая КПД и упрощая всасывание топлива — как раз тот эффект что используется в ПуВРД, позволяя ему работать даже без встречного потока воздуха. Но в 30-е поршневые двигатели уже достигли прекрасных результатов и на очереди явно стояли турбовинтовые. Так что ПуВРД сгодился только для самолетов-мишеней и крылатых ракет.

Если попаданец не планирует летать он может сделать реактивный карт или лодку. Для них ему будет крайне полезен аугментор(augmenter) — просто металлический конус за соплом, увеличивающий массу струи за счет окружающего воздуха. Он повышает тягу в полтора-два раза, но, к сожалению, и сам создает сопротивление, так что на скоростях больше сотни км/с он становится невыгоден.

Интересен тот факт что ПуВРД часто использовали в лабораториях для парогенерации. Мы уже разбирали главную проблему котла — плохую передачу тепла от воздуха стенкам. Частично она решается усиленной вентиляцией, но в ПуВРД усиленная вентиляция встроена по умолчанию. Я не нашел конкретных цифр по теплопередаче, но даже в качестве форсажного парогенератора пульсирующий движок весьма заманчив.

Возможно, даже попаданец из будущего в наше время первым делом начнет сооружать ПуВРД для того чтобы разобраться с Сарой Коннор — взгляните например на этот проект крылатой ракеты за пять тысяч долларов.

P.S. Интересующимся деталями рекомендую «The enthusiast guide to pulsejet engines» by Simpson Bruce.

Вообще, дирижабль вещь [...]]]> Тут уже вспоминался такой материал как кетгут. Материал, который сейчас применяется крайне редко и будет неудивительно, если скоро перестанет применяться вообще где-либо.
Но существуют еще более удивительные материалы, которые сейчас уже не найти.
Один из них — бодрюш (goldbeater’s skin). А данная статья предназначается любителям строить дирижабли во времена Петра Первого…

Вообще, дирижабль вещь хайтековская. Чем заменить алюминиевую пространственную конструкцию, если алюминий недоступен — это песня отдельная. Здесь поднимается вопрос — а чем заменить оболочку?

Проблема в том, что водород (который скорее всего будет применяться) газ очень диффундирующий. Диффузия водорода — проблема для вакуумной техники, где он просачивается прямо через металлические стенки. Это проблема для сталелитейной промышленности, где он портит крупные отливки (были проблемы с отливкой башен танков). Я скажу больше: сейчас один из промышленных методов очистки водорода это его диффузия через палладий-серебрянную мембрану. Ну и чем попаданец собирается удерживать водород в дирижабле? Строить «Свинцовый дирижабль»?

У американцев были примеры цельнометаллических алюминиевых дирижаблей — и именно по этой причине.
Больше скажу — даже бодрюш не заменит цельнометаллической оболочки. Вот статистика из книги Ионова «Дирижабли и их военное применение»:
«по английским данным, водород просачивается через лучшие образцы ткани, примененной в строительстве R-101 и R-100, приблизительно 10 л на 1 кв. м в каждые 12 часов. При стоянке дирижабля утечка для такого дирижабля (по объему), как «Граф Цеппелин» равна до 225 куб. м водорода или до 200 куб. м гелия в сутки»
Здесь «лучшие образцы ткани» это «бодрюш (животных пленок), наклеенный на тонкую хлопчатобумажную ткань каким-либо эластичным клеем; после приклеивания материал с двух сторон покрывается масляным лаком»

Но мы съехали с темы, что же такое сам бодрюш?
Это поверхность говяжих слепых кишок, вымоченная в очень разбавленном растворе гидроксиде калия (едкое кали) для того, чтобы они не гнили.
Материал этот прочный, легкий, эластичный и не пропускающий вородод… в семислойном виде. Ну то есть — не пропускающий примерно так, как указано выше. У остальных тканевых материалов вообще без шансов. И у пластика тоже.
Ну и от атмосферных осадков бодрюш приходилось защищать несколькими слоями лака.
Ну еще и от солнца он терял эластичность.
Ну а так ничего. Семь слоев коровьих кишок на оболочку размером в футбольное поле. Или в два поля.

На самом деле — все бы ничего, ведь граф Цеппелин как-то это делал?
Да, было. На один дирижабль Первой Мировой шли кишки 250 тысяч коров. Они стали стратегическим продуктом и мясников обязывали сдавать воловьи кишки властям. Использование в пищевой промышленности было запрещено (читаем «запрещено изготовлять колбасу и сосиски»). Кроме самой Германии это вводилось и на оккупированной территории, по факту — в Германии, Австрии, Польше и в Северной Франции.

Вы еще собрались строить дирижабль для Петра Первого или Наполеона? Тогда мы идем к вам!

Экраноплан использует для полета экранный эффект — при приближении к земле [...]]]> Дирижабли волнуют умы альтернативщиков всего света, экранопланы же в основном интересны русским мечтателям. Причина — только в СССР имелся опыт широкого применения экранопланов. Комплекс «не имеющего мировых аналогов оружия», помноженный на техническую малограмотность технарей-обывателей, привел к появлению самых диких мифов о характеристиках этих машин.

Экраноплан использует для полета экранный эффект — при приближении к земле подъемная сила крыла возрастает. Грубо говоря, воздух, зажатый между землей и крылом, совершает работу по поддержанию машины в воздухе с меньшими затратами энергии. Вот два похожих графиков из разных источников, описывающих эффект.

По оси х — высота над землей измеренная в единицах хорды(ширины) крыла, по оси у — аэродинамическое качество. Видно что экранный эффект не совершает чудес — качество крыла улучшается в два-три раза, причем существенное улучшение наступает лишь с высоты примерно в половину хорды крыла, а самые интересные результаты получаются на опасно низкой высоте. На практике экраноплан используется на высоте в 10-30% хорды крыла, на меньшей высоте трудно избежать столкновения с поверхностью, на большей — эффективность быстро падает до эффективности самолета, причем плохого самолета.

Низкая высота полета означает что экраноплан по сути дела является водным транспортом — летает над водой и практически всегда предусматривается возможность посадки на воду. Малое расстояние до поверхности делает невозможными повороты с креном, что приводит к отвратительной маневренности. Например 2.5 тонный Амфистар на скромной скорости 150 км/ч имеет радиус поворота в 700 метров, 500 с замедлением, трехсоттонному Луню было нужно 3 километра. Реки, как известно, редко текут по прямой и даже если пилот впишется в повороты реки, то по прибытию обнаружит что была потеряна изрядная часть преимущества перед самолетом, который всегда может лететь по кратчайшему пути.

К сожалению даже вода не обеспечивает экраноплану идеально ровную опорную поверхность. Малые экранопланы выдерживают примерно 0.5 метровые волны, 120-тонный «Орленок» мог летать на экране и над 2.5 метровыми, 500-тонный Каспийский Монстр выдерживал до 3.5. Но при полете над такими волнами расход топлива увеличивается на 40-50%, а постоянное следование за поверхностью воды утомляет пилота. Даже перспективный американский 2500-3000 тонный экраноплан рассчитывался на 4.5 метровые волны и смог бы пересекать Атлантику далеко не в любую погоду.

Экраноплану часто приписывается уникальная незаметность для радаров и отсутствие потребности в аэродрома за счет посадки на воду. В принципе верно, если не считать части про уникальность. Классическая авиация давно научилась использовать низкие высоты для уклонения от радаров, а гидропланы появились задолго до экранопланов.

Еще одной нерешенной проблемой экраноплана является необходимость 2-3 кратного запаса тяги для взлета, из-за чего машине нужны вполне самолетные мощности моторов. Достаточно сложной проблемой является обеспечение стабильности полета и контроля высоты. Судя по статистике аварийности, западная электроника и крылья обратной стреловидности американского конструктора Липшица лучше справились с этой задачей, чем некоторые «не имеющие аналогов». Та же статистика аварий опровергает иногда упоминаемый миф о том, что низкая высота полета делает экраноплан безопасным видом транспорта — слишком уж мал запас времени у пилота на такой высоте.

В общем экраноплан это самолет, удвоивший эффективность, но способный летать лишь над относительно спокойной водой. В том что экранопланы не используются повсеместно виноваты их недостатки, а не заговор ЗОГа. У них есть своя ниша, но стоит ли она внимания попаданца?

Поэтому поднимем вопрос — а что помешало дирижаблям развиваться? Точнее — [...]]]> Дирижабль — одно из самых больших транспортных средств, которое строило человечество и самое большое из летающих.
Я не знаю как кому, а мне бы очень хотелось бы увидеть 250-метровые туши, висящие под облаками. И, вроде, проектов новых дирижаблей хватает, но… воз и ныне там.

Поэтому поднимем вопрос — а что помешало дирижаблям развиваться?
Точнее — а что может сделать попаданец, чтобы развитие дирижаблестроения не умерло еще до Второй Мировой?…

Первый аэростат превратился в первый дирижабль в 1852-м. С тех пор успехи дирижаблестроения только росли. Ну да, военное использование дирижабля оказалось не настолько успешным, это стало ясно еще в Первую Мировую. При этом именно военное использование подтолкнуло развитие дирижаблей, но на практике… к 1917-му году Германия потеряла 106 летающих кораблей. К концу войны летали только ночью и только в облаках, было изобретено даже спускаемая кабина для наблюдателя, которая опускалась вниз под облака с тросом до 900 метров длиной.

Тем не менее, в 1928-м году «LZ-127 Graf Zeppelin» совершил кругосветный полет, а потом начались регулярные рейсы Боденское озеро – Нью-Йорк – Рио-де-Жанейро. Золотая эра дирижаблей, но потом…

Потом наступил 1937-й год, когда «LZ 129 Hindenburg» сгорел по прибытию в Нью-Йорк. И попал во все кинохроники, до сих пор. И хотя из 97-ми человек, которые были на борту, погибли только 35 (а сколько процентов погибает при крушении самолета?), но все запомнили — дирижабли это очень опасно.

И крушений дирижаблей хватало и до того, но вот так на людях и настолько зрелищно это было в первый раз. И как показала практика — в последний. Как результат, следующий дирижабль «LZ 130 Graf Zeppelin II», который закончили в 1938-м, и который не уступал «Гинденбургу», никогда не вылетал за пределы Европы и вообще просуществовал только два года, потом его порезали на металл для самолетов. При этом тот самый сгоревший «LZ 129 Hindenburg» совершил больше шестидесяти рейсов через Атлантику, на которые были раскуплены все билеты.

Итак, вопрос первый — а что было бы с дирижаблями, если бы не злополучный «Гинденбург»?
Скорее всего полеты бы продолжались. Полеты в США точно бы выполнялись до начала Второй Мировой (1939 года), а в Южную Америку, скорее всего, еще дольше.
Напоминаю, что первые пассажирские трансатлантические перелеты — это 1952-й год на самолете Douglas DC-6, на котором уж точно не было белого рояля в столовой. То есть лет пятнадцать дирижаблям не находилось замены. Ситуация очень напоминает историю со сверзвуковыми «Конкордами», которым замены сейчас нет и которые летали до первой громкой катастрофы. Да и дирижаблям тоже, замены не видно — дирижабль летит медленнее самолета, но с комфортом корабля.

Итак, дирижабли имеют право на жизнь, теперь переходим ко второму вопросу — а мог ли попаданец так перекроить историю, чтобы «Гинденбург» не сгорел? Скажу сразу — я не рассматриваю идею «разогнать операторов и журналистов с летного поля».

ИМХО — мог.
Если посмотреть на схему «Гинденбурга», то в ней есть два ряда кают, странно расположенных, у них нет иллюминаторов. Дело в том, что изначально дирижабль строился под заполнение гелием, а не водородом. Но так как подъемная сила у водорода чуть выше, то получились «бонусные» каюты, которых на начальных чертежах не было.

Если бы «Гинденбург» заполнили бы инертным гелием, то никакого взрыва с пожаром не могло бы быть в принципе. Так почему это не было сделано?

Проблема была в том, что на тот момент месторождения гелия находились только в США. И штаты, как монополист, посчитали гелий стратегическим сырьем и в в 1927-м приняли «Helium Control Act», в котором ввели эмбарго на его экспорт. Кроме того — тот объем, который требовался для «Гинденбурга» обошелся бы Германии очень дорого (Германия тоже почувствовала Великую Депрессию), да к тому же нацистское правительство после 1933-го года ввела строгий учет валюты и не смогло бы потратить такие суммы.

Все, что нужно попаданцу — указать новые месторождение гелия, которые оказались бы много дешевле тех, что были в Нью-Джерси. Их есть сейчас и кроме того — находят новые перспективные. С 1991 года разрабатывается нефтяное и газовое месторождение на тектоническом разломе между Катаром и Ираном (Северное/Южный Парс), там имеются крупные запасы гелия. Ну или самое последнее — в Африке, в Великой рифтовой долине, пока даже не разрабатывали.

Ну и последний вопрос… ведь помогать-то пришлось бы нацистской Германии!
Стоило ли это делать вообще?
ИМХО, стоило. Ведь военного использования у дирижабля ко Второй Мировой не осталось вообще и Германия могла их использовать только как пропаганду. Пропаганду, которая, как мы знаем, результатов не дала. Непрофильная трата нацистских средств. И полезные технологии для всего остального мира.
Проблема в том, что нацисты это понимали и являлись противниками дирижаблей. Герман Геринг называл бесполезные для военных дирижабли «воздушными мешками» и именно он приказал порезать «LZ 130 Graf Zeppelin II» и недостроенный «LZ 131». Возможно, если бы попаданец смог бы убрать Гитлера и разрушить нацизм… но это уже другая тема!

При отсутствии понимания он может воспользоваться готовыми данными из базы профилей или рецептами вроде:

Толщина крыла у корня, 14% от ширины крыла (хорды), а на концах 12%. Самое толстое место в профиле — 1/3 от передней кромки. Самый обтекаемый угол — 14° (задняя [...]]]> Если попаданец хочет сделать эффективное крыло, ему надо понимать как оно работает.

При отсутствии понимания он может воспользоваться готовыми данными из базы профилей или рецептами вроде:

Толщина крыла у корня, 14% от ширины крыла (хорды), а на концах 12%. Самое толстое место в профиле — 1/3 от передней кромки. Самый обтекаемый угол — 14° (задняя часть капли), чтоб построить этот угол без транспортира, попаданец должен отмерить 4 лаптя горизонтально и один лапоть вертикально, соединить концы линией в треугольник, и «аэросвященный» угол 14° готов). Верхняя задняя кромка крыла, тоже в среднем 14°. Потом всё закруглить, на глаз и профиль готов).

Но без отсутствия понимания происходящих процессов трудно понять причины возникающих проблем — это готовый рецепт катастрофы.

Попробуем изобрести крыло. Для того чтобы самолет не падал нам надо создать силу, противодействующую гравитации. На земле мы можем опереться о твердое тело — это не требует затрат энергии. Но для того чтобы «опереться» на воздух нам надо создать поток, направленный вниз и разгон воздуха потребует постоянных затрат энергии. То есть часть мощности мотора тратится на поддержание самолета в воздухе.

Как посчитать количество необходимой энергии? Допустим мы отбросили вниз 1 кг воздуха со скоростью 10 м/с — мы создали силу достаточную для удержания в воздухе одного килограмма(1 кгс) и, согласно уравнению кинетической энергии, тратим 50 Вт. С другой стороны, для создания той же силы мы можем отбрасывать 10 кг воздуха со скоростью 1 м/с и тратить 5 Вт. Тяга одинаковая, а разница в необходимой мощности десятикратная!

Подъемная сила пропорциональна массе и скорости отбрасываемого воздуха. Но затрачиваемая мощность пропорциональна массе и КВАДРАТУ скорости. Квадратичная функция быстро увеличивается при увеличении аргумента, поэтому нам выгодно отбрасывать как можно большую массу с минимальной скоростью. Именно поэтому вертолеты и планеры с мускульным или солнечным приводом имеют огромные размеры — для увеличения количества отбрасываемого вниз воздуха. Огромные и очень легкие самолеты очень экономичны, но крайне сложны в изготовлении и их огромные размеры мешают им быстро лететь против ветра. Поэтому этот способ увеличения экономичности используется лишь для рекордных конструкций.

Для того чтобы отбрасывать вниз большое количество воздуха самолету нужны большие крылья и большая скорость, но кроме размера и скорости имеет значение и форма крыла. Попробуем сделать крыло из наклонной плоской пластины. На небольших углах(порядка 5°) она работает довольно эффективно, но создает очень маленькую подъемную силу. При увеличении угла пластина начинает работать гораздо хуже. Возникает непонятная сила сопротивления, на преодоление которой расходуется большая часть мощности мотора.

На современном уровне понимания аэродинамики мы не можем объяснить причины возникновения этого сопротивления на языке уравнений. Но численное моделирование и натурные эксперименты показывают что у кромок пластины возникают вихри, на поддержание которых и расходуется добавочная энергия. Это явление называют срывом потока.

Вихри возникают потому что при встрече молекул воздуха с краями пластины под углом им приходится резко менять скорость. Вот и решение проблемы! Изогнем пластину дугой так, чтобы передняя кромка была параллельна потоку. Теперь вихри исчезают и мы получаем отличную подъемную силу при небольших затратах энергии.

Пластина меняет направление потока и снизу и сверху. Снизу — прямо препятствуя прямолинейному движению воздуха и плавно поворачивая поток вниз. Верхний поток «цепляется» за крыло за счет эффекта Коанда — если поток двигается прямолинейно над изогнутой пластиной, то между ним и крылом есть прослойка неподвижного воздуха. Поток уносит частички воздуха из этой прослойки, создавая разрежение. Это разряжение изгибает поток, притягивая его к пластине и заставляя его следовать изгибу пластины.

Но крылья должны держать на себе вес всего самолета. А тонкая пластина легко гнется — попробуйте изогнуть линейку поставив ее плашмя или ребром и вы сразу увидите разницу.

К тому же изогнутая пластина хорошо работает только если ее передняя кромка параллельна набегающему потоку. Но скорость самолета и его вес часто меняются — взлет и посадка, разная загрузка, расход топлива, борьба с нисходящими/восходящими потоками. Нам нужно контролировать подъемную силу и проще всего это сделать меняя угол пластины к потоку(угол атаки), при этом меняется количество и скорость отбрасываемого вниз воздуха. Поэтому нам нужно крыло которое будет хорошо работать на разных углах атаки.

Проблемы создает именно острота кромки. Если поток встречает гладкую поверхность то он менее склонен к образованию вихрей. Вот и решение — соединим две изогнутые пластины буквой V и насадим на открытый конец круглую насадку — мы изобрели крыло! Нижняя поверхность создает избыточное давление, верхняя разрежение.

Внутри такого толстого профиля легко умещаются поддерживающие конструкции, а круглая передняя кромка позволяет менять угол атаки без возникновения срыва потока, которое резко ухудшило бы его характеристики.

Кромку с маленьким закруглением поток не отличает от острой, но слишком большое закругление также создает проблемы — увеличивается его центральная часть, перпендикулярная потоку, и увеличивается сопротивление(именно поэтому конструкторы первых самолетов любили тонкие профили). При разных размерах крыла и скоростях воздуха оптимальны разные изгибы крыла. Кроме того на разных углах атаки меняется центр приложенной к крылу силы, что может вызвать нестабильность положения самолета, с этим можно бороться усложняя форму крыла. Эти и многие другие тонкости и порождают огромное многообразие используемых в авиации профилей крыла — для каждого конкретного самолета оптимален свой профиль.

Нетрудно заметить что мы объяснили принцип работы крыла ни разу не упомянув про закон Бернулли. Но ведь в большинстве популярных книг работа крыла объясняется именно этим законом!

Такие объяснения опираются на тот факт, что длина верхней поверхности классического профиля больше чем нижней. Проблема в том, что неплохие аэродинамические характеристики показывают плоские профили, у которых разность длин незначительна, например EPPLER 376. Не мешает работать равенство длины путей и симметричным профилям вроде GOE 444 или E474. А профили вроде HAR или GOO 602 это ночной кошмар любителя закона Бернулли. К тому же закон не дает конкретных предсказаний для подъемной силы классического профиля.

Для того чтобы работал закон Бернулли, надо чтобы потоки над и под крылом проходили свой путь за одинаковое время. Но на иллюстрирующей гифке видно что воздуху требуется РАЗНОЕ время, чтобы пролететь сверху и снизу крыла, «частички» воздуха, разошедшиеся перед передней кромкой, вовсе не собираются встречаться у задней кромки(также см. [1], [2] и эксперименты).

В серьезных книгах по аэродинамике вместо закона Бернулли приводят теорему Жуковского(есть упрощенные доказательства теоремы по Бернулли, так что они отчасти свзаны), в современных популярных книгах о Бернулли больше не упоминают, но сам факт того что это «объяснение» продержалось так долго неплохо иллюстрирует степень «научности» мышления большинства населения.

Наука заключается не в чтении рецензируемых журналов, и уж тем более не в чтении популярных научных книг. Научное мышление это поддержание в голове нескольких альтернативных моделей и строгий учет того, как они объясняют имеющиеся факты. А главное — это постоянная готовность отринуть опровергнутую модель под давлением новых фактов. Человек, яростно защищающий теорию относительности от эфирщиков, но неспособный привести хотя бы пару примеров теории эфира(например см. Лорентц Теории и модели эфира. 1936) с перечислением их недостатков — это простой фанатик.

Если попаданец в конец девятнадцатого века начнет рассказывать про современный профиль крыла объясняя его работу законом Бернулли, то умные хроноаборигены создадут ему много проблем неудобными вопросами. Интересно, сколько еще таких несообразностей в нас заложила образовательная система?

В те времена воздухоплаватели в своих теориях полета делали две ошибки, которые друг от друга зависели.

Сначала попытаюсь объяснить, за счет чего появляется подъемная сила в современных самолетах. Дело в [...]]]> Если вас занесло где-то в район 1900 года, когда уже появились кой-какие двигатели и еще не было авиации, вы можете сделать достаточно заметный толчок воздухоплаванию…

В те времена воздухоплаватели в своих теориях полета делали две ошибки, которые друг от друга зависели.

Сначала попытаюсь объяснить, за счет чего появляется подъемная сила в современных самолетах.
Дело в том, что профиль крыла несимметричный. Он почти плоский снизу и имеет горбинку сверху. Как результат — воздух, который огибает крыло сверху, проходит чуть более длинный путь, чем воздух, скользящий снизу крыла.

По теореме Бернулли — чем больше скорость потока, тем меньше он давит на боковые стенки. Соответственно, давление под крылом получается больше, чем над — возникает классическая подъемная сила. Нового ничего. Но это для нас ничего…

Братья Райт подняли первый самолет в 1903-м. Они ли были первыми — для нас значения не имеет, параллельно было построено несколько моделей в разных странах. Да и до этого были попытки. Но всех их объединяет одно — они считали, что подъемная сила должна возникать из-за того, что плоскость крыла стоит под углом к потоку и молекулы воздуха, ударяя в нижнюю поверхность крыла, толкают его вверх. Чтобы подъемная сила была больше, они еще изгибали профиль крыла вниз, чтобы оно лучше «загребало» воздух. То есть имели большое сопротивление полету и турбуленцию за крылом, которая делала полет еще нестабильнее.

Нельзя сказать, что такой метод не применяется сейчас. Когда самолет на взлете или посадке выпускает закрылки — это именно оно, крыло превращается в «загребатель воздуха». Но это только на взлете и посадке, когда из двигателя выжимают все ресурсы. А в те времена и двигатели были крайне маломощные…

Первый аэродинамический профиль придумал Николай Жуковский и свою теорему о подъемной силе крыла обнародовал в 1905. Но за рубежом эта аэродинамическая поверхность называется именем Вильгельма Кутта, он пришел к ней самостоятельно, но позже. Естественно, в реальных самолетах этот профиль появился еще позднее. То есть к 1910-му году летало уже больше сотни самолетов, абсолютное большинство которых летало по принципу «загребания».

У попаданца есть время примерно с 1895 года, когда появились более-менее приемлемые бензиновые двигатели до 1910 года, когда аэродинамический профиль Жуковского вступил в свои права. Но и у этого профиля тоже есть свои недостатки.

У самолета есть такой параметр — скорость сваливания. Это минимальная скорость, при которой скорости потока воздуха, обтекающего крыло, не хватает для подъемной силы. Так получается, что подъемная сила исчезает резко, и самолет из аэродинамического предмета превращается в кирпич — он сваливается на хвост, а потом может уйти в плоский штопор, когда вращается вокруг вертикальной оси. Вывести самолет из такого состояния крайне сложно, это не тот штопор, что вокруг продольной оси. У современных легких самолетов скорость сваливания в районе 80 км/час, для бипланов будет чуть меньше. Но первые рекорды скорости для авиации начинались с 40 км/час, что неудивительно с тогдашними двигателями. Поэтому при постройке самолета попаданцу нужно куда больше внимания уделять аэродинамике, иначе взлетной скорости со слабым двигателем можно и не получить.

А теперь о второй ошибке раннего самолетостроения. Ошибка эта связана не с аэродинамикой, а именно с инертностью мышления.
Мы все знаем, как поворачивает самолет — он накреняется на одно крыло, тут вступает в действие подъемная сила, с помощью которой и делают вираж. Однако, во времена самолетов-«загребателей» было не так. Пилоты пытались делать повороты плоские, как на автомобиле. Для этого применяли сложные схемы, гоширование крыльев (когда одно из крыльев меняет угол атаки), коробчастые стабилизаторы спереди… И толку? При таком типа поворота возникало боковое скольжение и крутящий момент, который мог легко свалить самолет на крыло — в плоский штопор. А на самолете — «загребателе» сделать такое было легче легкого. Именно из-за этих поворотов «блинчиком» погибло так много пилотов. Но психологически страх накренить самолет был, видимо, еще сильнее. Ведь пилот сидел часто даже не в открытой кабине, а просто на стуле — и ничем не пристегнут.

Конечно, авиацию делают двигатели. Но эти два пункта на начальном этапе оказались не менее важными. К тому же о двигателях мы еще вспомним, там тоже были странные решения…

Собственно, описывать его незачем, видел каждый, а многие сами запускали. Оболочка из легкого [...]]]> Несмотря на крайнюю никчемность этого предмета, я бы все же рекомендовал запустить его в производство.
Дело тут в самом принципе работы, это отличная демонстрационная платформа для воздухоплавания. И что самое интересное — вводить их можно в любое время, начиная с каменного века.

Собственно, описывать его незачем, видел каждый, а многие сами запускали. Оболочка из легкого воздухонепроницаемого материала и снизу на проволочках — горючий элемент. Саму оболочку можно сделать из «бычьего пузыря» (плёнки, снятой с брюшины животного) или из паюсного мешка рыб. Лучше, конечно, из аналога рисовой бумаги, это подстегнуло бы бумажное производство. Эти все материалы оболочки — полупрозрачные, что дает красоту летящему ночью фонарику. И эстетический эффект настолько силен, что даже не нужно придумывать религиозную подоплеку — народ сам ее изобретет наилучшим образом. И изобретет везде, в любом времени и любом месте на планете. В той же Европе до изобретения пороха не было фейерверков, а психологический эффект от сотни одновременно запущеных фонариков ничуть не ниже, чем от шутих. А представьте праздник «Опет» в Древнем Египте, когда сотни фонариков поднимаются с ночь над пирамидами… Н-да. Надо внедрять.

Из минусов — фонарик, это летающий источник открытого огня. Если пирамидам это по-барабану, то над средневековым Страсбургом запускать их не рекомендуется. Горящие фонарики плюс сухие деревянные постройки — адская смесь. Наверняка во многих городах их запретят в черте города вообще. Наверняка в других запретят летом (а зимой они из-за разницы температур только выше летят), и это будет именно рождественская традиция. И наверняка найдутся специалисты, запускающие фонарики в сторону осажденного города, чтобы инициировать там пожары…