Принципы полета воздушных змеев

Нам выпала удача жить во времена сверхзвуковых скоростей, в век существования и развития сложнейшей авиационной и космической техники. Однако лишь немногим людям известно, что предшественником всей этой уникальной техники был знакомый с давних пор воздушный змей. Это первый и самый простой летательный аппарат тяжелее воздуха, который изобрели люди.

Родиной воздушного змея, несомненно, является Китай. Здесь первые модели, сделанные из бамбука и шелка, поднялись в воздух несколько тысячелетий тому назад. Их изготавливали в форме бабочек, жуков или рыб, однако излюбленной формой, конечно, был дракон. Этот волшебный крылатый огнедышащий змей в Китае считался символом власти и благополучия. Именно в честь него и было дано название летательному аппарату. К воздушным змеям привязывали цветные фонарики и ракеты. Они и по настоящий день являются обязательной принадлежностью китайских народных праздников и гуляний. Некоторые историки считают, что именно такой змей стал прообразом героя многих русских сказок – Змея-Горыныча.

Из Китая воздушные змеи распространились по многим странам, не миновали они и Европы. Здесь их использовали в самых разных целях. Часто воздушный змей применяли в качестве видимого издалека сигнала.

В течение 40 лет, начиная с 1890 гг., воздушные змеи находили свое применение в качестве инструментов для проведения метеорологических исследований, в частности, определения скорости ветра, измерения барометрического давления, влажности и температуры воздуха, даже для исследования природы молний и атмосферного электричества.

К воздушным змеям подвешивали фотоаппараты для того, чтобы провести аэросъемки конкретной местности. Во время первой мировой войны, в 1914 году армии всех стран имели в наличии оригинальные средства наблюдения, в качестве которых были использованы воздушные змеи и шары. Так, при среднем и сильном ветре несколько воздушных змеев соединяли в цепочки – это устройство называлось «змейковый поезд». С его помощью поднимали наблюдателя на высоту до 200 м.

Для изучения различных природных явлений, а также в военных целях, возникала потребность в высотных запусках, поэтому конструкция воздушных змеев постоянно совершенствовалась. Начиная с конца XIX века, появлялось несколько принципиально новых воздушных змеев. Эти оригинальные конструкции носят имена своих изобретателей и разработчиков: змей Ульянина, змей Харграва, змей Коди и многие другие. Впоследствии эти оригинальные конструкции были заменены самолетами.

Воздушный змей без сомнения сыграл свою роль в истории развития и становления авиации, но именно развитие технологий стало главной причиной того, что интерес к воздушному змею ослабел. Постепенно воздушный змей стал все больше использоваться в качестве игрушки, а также предмета для конструирования. Тем не менее, интерес не утрачен и в настоящее время. Человек, который хоть раз в жизни запускал змеев или наблюдал, как это делают другие, на долгое время запомнит это увлекательное занятие. К тому же, созидательная мысль изобретателей многих стран порождает все новые и новые конструкции, в их числе: дископланы, махолеты и другие.

Для того чтобы осуществить удачный запуск воздушного змея, начинающему любителю важно знать, из каких основных частей состоит модель, и почему она вообще взлетает или нет. Все воздушные змеи, вне зависимости от модели и класса, имеют в своей конструкции несколько основных элементов: полотно, каркас, соединительные детали, привязка (уздечка), хвост, нить (леер), а также катушку для наматывания нити.

При изготовлении конструктивных частей могут быть использованы различные материалы, о чем было рассказано выше. Разные материалы, использованные для изготовления конструкции, оказывают свое влияние на полетные характеристики.

Воздушный змей из картона или бумаги достаточно просто изготовить в домашних условиях. Для этого понадобятся лишь несколько тонких плоских деревянных реек и клей. Простому змею несложно придать красочный вид, но эта модель будет недолговечной. Она легко поднимется вверх уже при самом легком ветре. Однако, если ветер будет чуть сильнее, он может опрокинуть такой змей. Сильный же ветер может просто разорвать его. Модели из бумаги и картона, к сожалению, не поддаются разборке, поэтому экземпляры больших размеров сложно перевозить, не повредив.

Воздушный змей из полиэтилена хорош тем, что он прочнее бумажного, и переносит достаточно сильные порывы ветра. Во многом прочность зависит от толщины полиэтилена. Если материал тонкий, змей будет так же недолговечен, как и бумажный. Этот вид летательного аппарата можно складывать, что удобно при транспортировке. На него легко можно нанести любой красочный рисунок. Однако из полиэтилена можно изготовить лишь ограниченное число конструкций. Воздушные змеи из этого материала можно не только самостоятельно изготовить дома, но и купить в готовом виде.

...

Воздушные змеи долгое время использовались в военных целях. Иногда их начиняли порохом и поджигали с тем, чтобы они разорвались в лагере противника. Большие змеи служили делу разведки – на них военачальники поднимались в воздух и сверху определяли размеры армии противника.

Воздушный змей из ткани – это отдельный вид искусства. Их делают из продуваемых и непродуваемых тканей, но все используемые материалы должны быть очень легкими.

Теперь нужно разобраться, почему воздушные змеи летают, что же поднимает и удерживает их в воздухе. Это можно понять, познакомившись с азами аэродинамики, весьма интересной темой для любознательных людей.

И воздушный змей, и самолет, являются летательными аппаратами, которые по своему весу тяжелее воздуха. Все эти конструкции поднимаются и держатся в воздухе лишь по одной причине – встречному движению воздуха по отношению к ним. Разница состоит в том, что имеющий двигатели самолет движется поступательно, сам создает встречный набегающий поток воздуха, поддерживающий его. В то же время, воздушный змей подвергается действию движущегося воздуха (ветра), находясь в неподвижном состоянии по отношению к земле. Для того чтобы поток воздуха мог поднять модель, конструкцию нужно расположить под некоторым углом к потоку. Угол, который образуют плоскость змея и направление потока воздуха, называют углом атаки (рис. 133).

Рисунок 133. Соотношение между плоскостью змея и направлением потока воздуха

Для простоты понимания, удобнее рассматривать давление воздуха на летательный аппарат (воздушный змей) плоской прямоугольной формы, т. е. самую простую конструкцию, поскольку и самые сложные модели состоят из этого элемента. Поток воздуха формирует общее давление на змея с силой, которую в формулах принято обозначать R. Она направлена перпендикулярно плоскости воздушного змея. Когда поток воздуха обтекает модель, впереди формируется зона с повышенным давлением, тогда как струйки воздуха сзади не успевают смыкаться, здесь зарождается зона с пониженным давлением, которая заполнена вихрями (рис. 134).

Рисунок 134. Схема движения воздуха вокруг воздушного змея

Сила давления воздуха R, в свою очередь, состоит из двух составляющих: это сила лобового сопротивления Q, она действует по направлению движения воздуха, и подъемная сила P, она действует вертикально вверх, поднимает и удерживает модель в воздухе (рис. 135).

Рисунок 135. Схема действия силы на воздушного змея

Если подъемная сила равна массе змея вместе с леером, конструкция будет держаться в воздухе. Когда подъемная сила меньше массы змея, он неизбежно падает на землю. Для обеспечения нормального полета, подъемная сила должна соответствовать массе модели – быть равной или больше массы змея. Рассчитывая величину подъемной силы для воздушного змея, удобнее и понятнее использовать показатель кг/с, килограмм-сила. Например, мы знаем, сколько сил нужно приложить, чтобы поднять сумку с продуктами весом в 5 кг, то же самое происходит в ситуации с воздушными змеями.Величину подъемной силы определяет скорость ветра V, площадь змея S и угол наклона змея к направлению потока воздуха – угол атаки. Плотность воздуха в среднем равна 0,125. Воздушные змеи обычно летают при углах атаки 10–150°, коэффициент подъемной силы, зависимый от угла атаки, составляет примерно 0,32. Таким образом, величину подъемной силы можно рассчитать по упрощенной формуле:

...

P = 0,04 S V2.

Можно рассчитать, при какой скорости ветра взлетит построенный воздушный змей. Для этого нужно измерить его массу (вес) и размеры, а также рассчитать площадь поверхности. Скорость ветра, необходимую для подъема, можно вычислить по формуле:

...

V=5√P/S.

В этой формуле вместо значения P, как подъемной силы, нужно учитывать величину массы (вес) змея. Дробь, которая стоит под корнем P/S, называют нагрузкой. Она показывает:

– какое количество массы змея в килограммах приходится на 1 м2 его площади;

– какая подъемная сила должна воздействовать на 1 м2, чтобы преодолеть силу тяжести.

Если воспользоваться последней формулой, не составит труда определить, при какой скорости ветра можно запускать змей определенного веса.

Определившись с необходимыми величинами скорости ветра на бумаге, необходимо уточнить, с какой скоростью дует ветер на улице. Обычно в прогнозах погоды указана информация о силе ветра на текущий день (3–7 м/с или 5–10 м/с). Часто эти показатели на практике не соответствуют действительности.

Те, кто хочет запускать воздушных змеев, должны научиться определять силу и характер ветра самостоятельно. Прежде всего, придется познакомиться с причинами возникновения ветров. Любой ветер возникает, когда имеется разница в температурах водной и земной поверхности, или разных частей поверхности земли. Открытая суша (поле) всегда нагревается быстрее, а водные пространства и лесные массивы греются медленнее. Легкий теплый воздух, нагретый над поверхностью, поднимается вверх. Вблизи поверхности земли на его место устремляется холодный воздух со стороны моря, реки или леса. Солнечным днем разность температур всегда больше, поэтому ветер днем сильнее, чем утром или вечером.

Сила и скорость неравномерно распределяются по высоте. Постоянно меняются скорость и направление ветра, поскольку они зависят от множества факторов. Иногда при полном безветрии или очень слабом ветерке у поверхности, на высоте 150–200 м дует сильный ветер, способный удержать большой тяжелый змей. Бывает, что, намучившись с запуском змея в почти безветренную погоду и добившись положительного результата, любители этих занятий удивляются тому, что модель трудно удерживать, когда она поднимается на достаточную высоту.

Для появления порывов ветра существуют различные причины, в их числе неровности земной поверхности, разность температуры воздуха при наличии отдельных облаков на небе. Когда в солнечную погоду воздух попадает в тень от облаков, он охлаждается и опускается вниз. В то же время, хорошо прогретый солнцем на открытой местности воздух поднимается вверх. По этой причине возникают вертикальные течения воздуха. Если они направлены вниз, то их называют в авиации «воздушными ямами». При попадании летательного аппарата в такой поток, создается впечатление, что он просто падает вниз, поскольку воздух не удерживает его. Это же явление можно наблюдать при полете воздушного змея. Когда конструкция встречается с порывом ветра, часто случается внезапное падение, затем модель рывком поднимается вверх. При запуске важно умение использовать восходящие потоки воздуха. Не так легко запустить змея без первоначальных навыков, особенно в условиях неустойчивого или слабого ветра, однако запуск возможен и в таких условиях. Постепенно к человеку приходит «чувство ветра», тогда он может интуитивно определять момент запуска даже при небольшом ветре.

На первых порах, определять силу ветра по внешним признакам при запуске можно, воспользовавшись шкалой Бофорта. Диапазон неполной шкалы в пределах 0–7 баллов имеет практическое применение для запуска воздушных змеев. Все, что выходит за пределы этого диапазона, представляет определенную опасность для человека, запускающего летающие конструкции (табл. 1).

Таблица 1 Определение силы ветра по шкале Бофорта

Окончание табл. 1

Иногда воздушные змеи не летают, тому имеется ряд причин. Зная условия полета, можно принять необходимые меры по устранению недостатков. Итак, чаще всего случается, что воздушный змей просто не взлетает. Иногда он все-таки с трудом поднимается, но невысоко, или же его вертит из стороны в сторону. При этом змей на большой скорости «нарезает круги» и старается врезаться носом в землю. Для устранения таких проблем, прежде всего, нужно учитывать капризы погоды в виде слабого или порывистого ветра, а также ошибочный выбор места для запусков.

...

Чаще всего воздушных змеев запускали для забавы и увеселения. Некогда в странах Востока устраивали битвы двух запущенных в небо воздушных змеев. Предварительно бечевки, сдерживающие змеев на привязи, мазали клеем и посыпали толченым стеклом. Победителем был тот, кому удавалось перепилить бечевку противника первым.

Если сила ветра недостаточна, поднять змея чаще всего невозможно: едва поднявшись, змей опять опадает. В этом случае возможны две ситуации: ветра нет совсем, на улице полный штиль, или же ветер дует на высоте, на что указывают раскачивающиеся из стороны в сторону верхушки деревьев. Если на улице действительно затишье, то лучше отложить запуск змея до лучших погодных условий. Если же ветра нет внизу, но он имеется на высоте, можно использовать специальную методику запуска.