Воздушный змей

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Воздушные змеи

Воздушный змей — летательный аппарат, удерживаемый с земли при помощи леера и поднимаемый за счёт силы ветра.

История[править | править вики-текст]

Первые упоминания о воздушных змеях встречаются ещё во II веке до н. э., в Китае (так называемый змей-дракон).

Долгое время змеи не находили практического применения. Со второй половины XVIII в. их начинают широко использовать при проведении научных исследований атмосферы. В 1749 г. А. Вильсон с помощью воздушного змея производил измерение температуры воздуха на высоте. В 1752 г. Б. Франклин провёл эксперимент, в котором с помощью змея выявил электрическую природу молнии и впоследствии благодаря полученным результатам изобрёл громоотвод. М. В. Ломоносов проводил аналогичные эксперименты и независимо от Франклина пришёл к тем же результатам.

Проводившиеся опыты по исследованию атмосферного электричества были чрезвычайно опасными. 26 июня 1753 года при запуске змея в грозу погиб коллега Ломоносова, академик Г. В. Рихман.

В XIX веке змеи также широко применялись для метеорологических наблюдений.

В начале XX столетия воздушные змеи внесли свою лепту в создание радио. А. С. Попов использовал змеи для подъёма антенн на значительную высоту.

Важно отметить использование воздушных змеев при разработке первых самолётов. В частности, А. Ф. Можайский, прежде чем начать строительство своего самолёта, провёл серию испытаний с воздушными змеями, которые тянула упряжка лошадей. На основании результатов этих испытаний были выбраны размеры самолёта, которые должны были обеспечить ему достаточную подъёмную силу.

Практические возможности воздушного змея привлекали внимание военных. В 1848 г. К. И. Константинов разработал систему спасения судов, терпящих бедствие вблизи берега, с помощью воздушных змеев. Во время первой мировой войны войска различных стран применяли змеи для подъёма на высоту наблюдателей-корректировщиков артиллерийского огня, разведки вражеских позиций.

Начиная с 1985 года, второе воскресенье октября отмечается Всемирный день воздушных змеев (англ. World Kite Day)[1].

Применение[править | править вики-текст]

В конце XIX — начале XX веков воздушных змеев применяли для метеорологических исследований верхних слоёв атмосферы, фотографирования местности, в спортивных целях и так далее. С развитием воздухоплавательных и авиационных летательных аппаратов воздушные змеи стали применять исключительно в развлекательных и спортивных целях.

В последние годы развитие получили так называемые пилотажные змеи — воздушные змеи специальной формы, управляемые с помощью двух лееров. Пилотажный змей, в отличие от любого другого, способен к свободному планированию в воздухе, что и обеспечивает его особые свойства. Они предназначены для выполнения комплекса пилотажных фигур различной сложности. Также развивается кайтинг — вид спорта, при котором спортсмен передвигается по местности с помощью воздушного змея.

Применение воздушного змея позволяет использовать недоступные традиционному парусу возможности:

  • Значительно большие скорости ветра на высоте.
  • Направление ветра на высоте всегда не совпадает с направлением приземного.
  • Отсутствие консольно нагруженных элементов конструкции.

Немецкая компания SkySails применила змей в качестве дополнительного источника энергии для грузовых судов, впервые опробовав его в январе 2008 года на судне MS Beluga Skysails. Испытания на этом 55 метровом корабле показали, что при благоприятных условиях расход топлива снижается на 30 %.[источник не указан 1720 дней]

По всему миру создаются Клубы и сообщества, объединяющие любителей воздушных змеев, одним из известных является KONE — Клуб Воздушных Змеев Новой Англии[2], входящий в состав Американской Ассоциации Кайтинга[3].

Конструкция[править | править вики-текст]

По форме и устройству аэродинамических поверхностей различают:

  • одноплоскостные — простейшие конструкции. Обладают невысокой подъёмной силой и малой ветровой устойчивостью. Таким змеям обязательно нужен хвост — шнур с привешенным к нему грузиком.
  • многоплоскостные — этажерочные, коробчатые и многоячеечные из отдельных ячеек в форме тетраэдров или параллелепипедов. Коробчатые змеи изобретены Л. Харгравом. Важной их особенностью является высокая устойчивость.
  • составные или групповые, состоящие из группы воздушных змеев (т. н. змейковый поезд), соединённых в одну гибкую систему. Змейковые поезда применялись в военном деле, так как при повреждении одного из звеньев происходило лишь уменьшение подъёмной силы и уменьшение высоты подъёма, что позволяло безопасно посадить наблюдателя или продолжать разведку.

Основные конструктивные элементы воздушного змея:

  • натянутая на жёсткий каркас или мягкая, без каркаса, поддерживающая (аэродинамическая) поверхность из материи или бумаги;
  • наматываемый на лебёдку или катушку леер (пеньковая верёвка, стальной трос, прочная нить);
  • уздечка для крепления к воздушному змею леера и органы устойчивости (хвост).

Продольная устойчивость обеспечивается хвостом или формой аэродинамической поверхности, поперечная — килевыми плоскостями, устанавливаемыми параллельно привязному канату, или изогнутостью и симметричностью аэродинамической поверхности. Устойчивость полёта воздушного змея зависит также от положения центра тяжести змея.

Каркасные[править | править вики-текст]

Поддержание формы такого змея обеспечивается каркасом из реек.

Плоский[править | править вики-текст]

Простейшая в изготовлении конструкция, чем объясняется её популярность. Состоит из трёх скреплённых между собой планок (две по диагоналям змея и одна — по его верхней стороне), приклеенных к листу плотной бумаги. Уздечка такого змея состоит из трёх нитей, две из них прикрепляются к концам верхней планки, третья — к центру змея. Длина верхней части уздечки такова, что её нити точно укладываются по диагональным планкам, длина третьей нити составляет половину высоты змея. Для обеспечения устойчивости следует слегка стянуть верхнюю планку нитью, придав ей форму дуги. Также плоскому змею обязательно нужен хвост. Длина его подбирается при запусках опытным путём — змей не должен раскачиваться из стороны в сторону при отсутствии сильных порывов ветра. Обычно длина хвоста для змея размерами 40 на 60 см составляет 2 — 2.5 метра. На хвост следует привесить небольшой грузик.

Коробчатый[править | править вики-текст]

Основой коробчатого змея является каркас из реек: 4 продольных лонжерона длиной 710 мм и сечением 6×6 мм, 2 крестовины. Крестовина состоит из пары реек с длинами 700 мм и 470 мм, сечением 6×6 мм. Лонжероны соединяются с крестовинами на расстоянии 105 мм от конца. Обтягивается змей микалентной бумагой или лавсановой плёнкой. Обтяжка делается из двух полос шириной 200 мм, и приклеивается к лонжеронам. Уздечка коробчатого змея состоит из трёх нитей, прикреплённых к одному из рёбер. Две нити длиной 210 мм крепятся к верхней коробке (вблизи края ленты обшивки змея), третья, длиной 430—450 мм (подбирается для получения оптимального угла атаки змея) — к нижней коробке. Также полезно параллельно третьей нити закрепить резиновую нить для амортизации резких порывов сильного ветра.

Спортивный[править | править вики-текст]

Спортивные змеи имеют дельтовидную форму и управляются при помощи двух строп. Предназначены для выполнения различных трюков.

Бескаркасные[править | править вики-текст]

Бескаркасные воздушные змеи не имеют в своей конструкции жёстких частей, они полностью выполнены из воздухонепроницаемой ткани. Форма змея поддерживается набегающим потоком воздуха или путём накачивания воздуха в герметичные полости змея.

Парафойл[править | править вики-текст]

Парафойл (англ. parafoil) — воздушный змей с замкнутым внутренним пространством и воздухозаборным отверстием, обращённым в сторону ветра. Проникая в воздухозаборник, поток воздуха создаёт внутри змея избыточное давление, которое расправляет оболочку змея и придаёт ей заданную форму. Бывает одностропным (неуправляемый, декоративный, шоу-змей), дву- и четырёхстропным (управляемый кайт).

Кайт

Кайт (англ. kite — воздушный змей) — большой управляемый воздушный змей (примерная площадь 4—12 м²), предназначенный для передвижения человека по поверхности воды или по снегу (буксировочный кайт). Также, кайтом называют и его уменьшенную версию, предназначенную для обучения управлению кайтом (пилотажный кайт, примерная площадь 1—3 м²). Кайты бывают парафойлной и других конструкций.

Флоуформ[править | править вики-текст]

Флоуформ (англ. flowform) — неуправляемый одностропный змей, в котором поток воздуха проходит через всё его внутреннее пространство и выходит через отверстия в задней части. Благодаря своему стабильному полёту, флоуформ хорошо подходит для авиасъёмки: поднятия фотокамеры на леере (см. Kite aerial photography (англ.)). Примерная площадь флоуформов 1,5—4 м².

Подъёмная сила[править | править вики-текст]

P — подъёмная сила, Q — лобовое сопротивление, R — равнодействующая сил P и Q, α — угол атаки

Подъёмная сила — сила, с которой воздушный змей тянет вертикально вверх. Подъёмная сила зависит от площади поверхности крыла змея, скорости ветра, плотности воздуха и угла атаки поверхности змея по отношению к направлению ветра. Вычисляется по формуле , где m — подъёмная сила (кгс), 0,04 — рассчитанное произведение коэффициента 0,32 (при угле атаки 10—15°) на массовую плотность воздуха 0,125 кгс*с24, V — скорость ветра (м/с), S — площадь змея (м²)[4]. Полезная подъёмная сила составляет подъёмную силу с вычетом массы самого змея и леера. Существует таблица с готовыми рассчётами подъёмной силы, необходимо только умножить значение кгс/м² на площадь запускаемого змея.

Скорость ветра, м/с 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Подъёмная сила, кгс/м² 0,04 0,16 0,4 0,6 1,0 1,4 2,0 2,5 3,2 4,0 4,8 5,8 6,8 7,8 9 10,2 11,6 13 14,4 16

Из таблицы видно, что при усилении скорости ветра в 2 раза, подъёмная сила увеличивается в 4 раза, то есть зависимость квадратичная.

С помощью вышеприведённой формулы можно вычислить минимальную скорость ветра, необходимую для подъёма змея: . Пример: рассчитать скорость ветра для подъёма змея площадью 2 м², весящего вместе с леером 1 кг. . Ответ: 2,5 м/с.

При определённых условиях, ветер кратковременно может дуть в крыло змея под прямым углом (угол атаки 90°), поэтому значения подъёмной силы будут больше примерно в 2 раза приведённых данных.

Скорость ветра на высоте

Дополнительно необходимо учитывать, что с возрастанием высоты увеличивается и скорость ветра. Скорость ветра на заданной высоте вычисляется по формуле , где V2 — скорость ветра (м/с) на заданной высоте h2 (м), V1 — измеренная скорость ветра (м/с) на высоте h1 (м), α — коэффициент, зависящий от типа местности, где производились замеры скорости ветра. Определение коэффициента α:

  • Ровная твёрдая и плоская поверхность земли (водная гладь) — 0,1.
  • Ровное поле с невысокими кустарниками — 0,2.
  • В районе с деревьями, холмами, зданиями — 0,3.
  • Недалеко от деревьев, холмов, зданий — 0,4.
  • Рядом с деревьями и зданиями — 0,5.
  • Среди высоких деревьев и зданий — 0,6.

Пример рассчёта: необходимо узнать сокрость ветра (V2) на высоте 100 м (h2). Измерение скорости ветра производилось анемометром на расстоянии вытянутой руки над головой (высота примерно 2 м (h1)), она составила 5 м/с (V1). Замер происходил в районе с деревьями, холмами и зданиями (коэффициент α = 0,3). Вычисление: . Ответ: скорость ветра на высоте 100 м составит 16 м/с.

Леер[править | править вики-текст]

Леер (стропа) змея должен выдерживать прилагаемую на него нагрузку на разрыв, при этом быть достаточно тонким для уменьшения собственной парусности, и лёгким для облегчения подъёма змея. Также, леер должен быть устойчив к перекручиванию и истиранию.

Нагрузка на леер определяется равнодействующей силой, состоящей из силы лобового сопротивления и подъёмной силы.

Факторы ослабления прочности леера:

  • Узлы в местах соединения (снижение до 30—50 % прочности).
  • Воздействие ультрафиолетового излучения солнца.
  • Хранение леера в натянутом состоянии.
  • Механическое истирание.

В искусстве[править | править вики-текст]

Франсиско Гойя. Запуск воздушного змея. 1777—1778

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Всемирный день воздушных змеев // KiteVlad
  2. KONE — клуб воздушных змеев Новой Англии (англ.)
  3. Американская Ассоциация Кайтинга (англ.)
  4. Пантюхин С.П. Воздушные змеи. — М.: ДОСААФ, 1984. — С. 54—59. — 88 с.

Литература[править | править вики-текст]

  • Пантюхин С.П. Воздушные змеи. — М.: ДОСААФ, 1984. — 88 с.
  • Пантюхин С.П. Детская змейковая станция. — М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1941. — 112 с.
  • Погадаев В. А. Светлый месяц-змей кружится — Восточная коллекция, № 4, 2009, с. 129—134
  • Рожков В.С. Строим летающие модели. — М.: Патриот, 1990. — С. 5—25. — 159 с.
  • Заворотов В.А. Авиация на привязи // От идеи до модели. — Изд. 2-е, перераб. и доп.. — М.: Просвещение, 1988. — С. 6—43. — 160 с.
  • Заворотов В. А., Викторчик А. Воздушные змеи. — «ЮТ для умелых рук» (приложение к журналу «Юный техник»), № 7, 1977.

Ссылки[править | править вики-текст]