Septiņi izgudrojumi, kas pilnībā izmainīja aviāciju  (2)

20. gadsimta sākumā lidmašīnu korpusus izgatavoja no koka karkasa, kam pāri stiepa audumu. Pēc tam pārgāja uz līmētu saplāksni. No saplākšņa izgatavotas lidmašīnas ļāva uzstādīt jaunus ātruma rekordus, taču šis materiāls tomēr nebija pietiekami izturīgs, un gaisa kuģu dizaineri sāka meklēt metāla risinājumus. Tērauds bija pietiekami stiprs, bet pārāk smags. Atbilde bija alumīnijs un tā sakausējumi, kas sver apmēram trīs reizes mazāk nekā tērauds. Pirmā pilnībā alumīnija lidmašīna parādījās 1920. gadu sākumā, bet masveida pāreja uz alumīnija korpusiem notika desmit gadus vēlāk.

"Brīdi, kad koka un auduma vietā sāka izmantot alumīniju, var saukt par vienu no pirmajiem pavērsieniem aviācijā," saka Jurijs Solovjovs, Transporta un sakaru institūta (TSI) Akadēmiskā un profesionālā aviācijas centra (APAC) apmācību vadītājs. Alumīnijs ļauj dizaineriem izveidot lidmašīnu, kas ir daudz vieglāka, spēj pārvadāt smagas kravas, izmanto vismazāko degvielas daudzumu un ir nerūsējoša. Alumīnija sakausējumi joprojām ir galvenie materiāli lidaparātu fizelāžas, spārnu un balsta konstrukciju ražošanā. Mūsdienu lidmašīnas šobrīd joprojām sastāv no 75% līdz 80% alumīnija.

Taču mēs dzīvojam laikā, kad aviācijā notiek pakāpeniska pāreja no alumīnija uz kompozītmateriāliem, kuru pamatā ir oglekļa šķiedra. "Šobrīd jaunos civilās aviācijas kuģos 50% fizelāžas sekundārās konstrukcijas ir veidoti no kompozītmateriāliem. Tas ļauj samazināt lidmašīnas svaru, taupīt degvielu un padarīt lidojumus ekonomiskākus," atzīmē Solovjovs. Vienlaikus viņš uzsver, ka kompozītmateriālu izmantošana vēl nav radījusi revolūciju aviācijā. Oglekļa šķiedra ir stiprāka par tēraudu un par aptuveni 40% vieglāka nekā alumīnijs, bet tā joprojām ir daudz dārgāka, to ir grūtāk izgatavot, no kompozītmateriāliem izgatavoto korpusa elementu apkope un remonts ir sarežģītāki. No otras puses – arī alumīnijs reiz maksāja vairāk nekā zelts, līdz tika izgudrots efektīvāks tā izgatavošanas veids. Redzēsim, ko izgudrotāji izdomās saistībā ar kompozītmateriāliem.

Reaktīvais dzinējs, kas aizstāja virzuļdzinēju, iespējams, bija nozīmīgākā revolūcija mūsdienu aviācijā. Reaktīvās jaudas principi bija zināmi jau sen, taču tikai 20. gadsimta pirmajā pusē zinātne attīstījās pietiekami tālu, lai mēs tos varētu plaši izmantot praksē.

Pirmie lidojumi, izmantojot reaktīvo dzinēju, notika pagājušā gadsimta trīsdesmito gadu beigās. Civilajā aviācijā pirmie lidojumi, izmantojot reaktīvo lidmašīnu, sākās 1949. gadā, bet jau 1974. gadā vairāk nekā 90 procenti no pasaules lidojuma stundām bija veikti ar reaktīvām lidmašīnām.

Pateicoties reaktīvajam dzinējam, kas spēj attīstīt milzīgu vilkmi, lidmašīnas varēja lidot ar iepriekš neredzētu ātrumu, tostarp pārvarēt skaņas ātrumu. Lidmašīnas spēja pārvadāt daudz vairāk kravas un pasažieru, lidot tālāk, ietaupīt degvielu, pateicoties reaktīvo dzinēju augstajam veiktspējas koeficientam. Speciālistiem bija jāuzlabo visas lidmašīnas sastāvdaļas un sistēmas, lai tās atbilstu reaktīvo dzinēju prasībām. Tas ir veicinājis daudzus sasniegumus zinātnē un tehnoloģijā.

Lidmašīnu spārniem šķērsgriezumā parasti ir viegla ūdens piliena forma, ar izliektu augšējo virsmu un plakanāku apakšējo virsmu, ko sauc par aerodinamisko profilu. Rezultātā gaiss, kas plūst pāri spārnam, zem spārna rada augstāka spiediena zonu, kas noved pie augšup vērstā spēka, kas paceļ lidmašīnu no zemes. 1930. gados ASV Nacionālā konsultatīvā komiteja aeronautikā (NACA, kas vēlāk kļuva par pasaulslaveno NASA) izstrādāja un pārbaudīja dažādu aerodinamisko profilu saimes.

"Iepriekš aprēķināto spārnu profilu kataloga izveide bija ļoti svarīga. Lidmašīnu dizaineriem radās iespēja izmantot pārbaudītus profilus, kas ir droši civilajai aviācijai. Nebija katru reizi jāveic ļoti sarežģīti aprēķini," skaidro TSI aviācijas eksperts. Daži lidaparāti joprojām izmanto 1930. un 1940. gados NACA izstrādātos aerodinamiskos profilus. Tomēr mūsdienās katras jaunas lidmašīnas aerodinamiskie spārni parasti tiek izstrādāti atsevišķi, izmantojot datorsimulācijas. Aerodinamiskā spārna profila izgudrošana un izstrāde ļāva izveidot modernus lidaparātus, piemēram, virsskaņas lidmašīnas un liela augstuma lidmašīnas, kas ir krasi palielinājušas transportēšanas un ceļošanas iespējas.

Mainīga soļa propelleris ir tāds, kurā lāpstiņas var rotēt ap savu asi. Tas tika izgudrots jau 20. gadsimta sākumā un aizvien ir plaši pielietots. Šādu propelleru izmantošana dod iespēju lidojuma laikā mainīt lāpstiņu leņķi, lai optimizētu propellera darbību dažādos apstākļos. "Šis izgudrojums ļāva vadīt lidmašīnu daudz plašākā ātrumu diapazonā, ļāva lidmašīnām kļūt ekonomiskākām, vārdu sakot, deva aviācijai daudz jaunu iespēju," komentē Solovjovs.

1940. gados komerciālajā aviācijā sāka izmantot lidmašīnas salona gaisa kondicionēšanas un spiediena sistēmas, kas ļāva cilvēkiem pacelties debesīs augstāk nekā jebkad agrāk. Fakts ir tāds, ka pazemināta atmosfēras spiediena dēļ cilvēka ķermenis nevar normāli funkcionēt augstumā, kas pārsniedz trīs kilometrus virs jūras līmeņa. Sākumā paradās skābekļa bada pazīmes, un, jo augstāk ceļamies, jo vairāk pastiprinās diskomforts un palielinās risks veselībai un dzīvībai.

Lidmašīnas pastiprinātā vadība arī ievērojami palielināja aviācijas iespējas. Vienkāršākajā un vieglākajā lidmašīnā vadība ir mehāniska un strādā pēc tiešā savienojuma un ķēdes pārraides principa: pilots fiziski pārvieto stūri un sviras, kas ir tieši savienotas ar lidojuma vadības elementiem, piemēram, eleroniem. Lidmašīnas kustīgie elementi novirzās pareizajā virzienā, un lidmašīna veic vēlamo manevru.

"Eksistēja servosistēmas, kas noņēma daļu slodzes no pilotiem. Taču lidmašīnas kļuva arvien lielākas, pieauga lidojuma ātrums, kam sekoja lidojuma vadības virsmu izmēra palielināšanās, un pilotiem vadīt lidaparātu kļuva fiziski arvien grūtāk. Izrāviens bija hidromehāniskās vadības ieviešana. Hidraulikas izmantošana ļāva uzbūvēt daudz lielāka izmēra lidaparātus, kurus tajā pašā laikā bija ērti un droši vadīt," pagātnē atskatās Solovjovs.

Nākamais pastiprinātās vadības attīstības posms tika ieviests 1970. gadu beigās. Starp kabīnē esošajiem vadības elementiem un lidojuma vadības virsmu hidrauliskajiem aktivatoriem mehāniskā savienojuma vietā sāka izmantot elektriskas ("fly-by-wire") sistēmas.

Mūsdienās gandrīz visi lielie lidaparāti izmanto digitālās "fly-by-wire" sistēmas, kas regulē lidojuma vadības virsmas, pamatojoties uz borta datora aprēķiniem. Šī viedā tehnoloģija ļauj sarežģītu komerciālo lidmašīnu vadīt tikai diviem pilotiem.

Lidmašīnas vienmēr ir bijušas aprīkotas ar šasiju – balstu sistēmu lidmašīnas kustībai pa virsmu (zemi vai ūdeni). Nozīmīgs brīdis aviācijas vēsturē bija ievelkamās šasijas izgudrošana – tādas, kas pēc pacelšanās "paslēpjas" spārnos vai fizelāžā. Tādējādi samazinās frontālā gaisa pretestība un līdz ar to arī degvielas patēriņš, bet lidojuma attālums un ātrums, gluži pretēji, palielinās. Šasijai nosēšanās laikā jāiztur milzīga slodze. Atšķirībā no daudzām citām lidaparāta daļām tā nav izgatavota no alumīnija – šeit tiek izmantots tērauds un titāns.

Jāpiemin, ka TSI saviem studentiem piedāvā unikālu iespēju gūt reālu praktisko pieredzi gaisa kuģu un to sastāvdaļu tehniskajā apkopē, darbojoties augsti attīstītās Aviācijas centra laboratoriju stendos, piemēram, gaisa kuģu bremžu pretbloķēšanas sistēmas, šasijas hidraulikas sistēmas, gaisa kuģu pretapledošanas sistēmas, tehniskās apkopes virtuālais trenažieris un vēl daudzos citos.

Šajā rakstā runājām par izgudrojumiem, kas palielināja lidmašīnu ātrumu, lidojuma augstumu, manevrētspēju un celtspēju. Par izgudrojumiem un inovācijām, kas palielina lidojumu drošību, varēsiet lasīt nākamajā rakstā.