science >> Wetenschap >  >> anders

10 luchtvaartinnovaties die zonder op de grond blijven zitten

Duikers van de Braziliaanse marine halen een groot deel van het roer van de Air France Airbus A330 uit de Atlantische Oceaan, ongeveer 745 mijl (1, 200 kilometer) ten noordoosten van Recife. De crash had acht dagen eerder plaatsgevonden, op 1 juni 2009. Zie meer vluchtfoto's. © Braziliaanse luchtmacht/Hand-out/Xinhua Press/Corbis

Op 1 juni 2009, Air France-vlucht 447 is onverwachts neergedaald, honderden voet per seconde, voordat het zijn buik in de Atlantische Oceaan sloeg, het vliegtuig uit elkaar schuiven en alle 228 passagiers en bemanningsleden doden. Overuren, ongevalsonderzoekers konden achterhalen wat er mis ging op die noodlottige nacht:een combinatie van zwaar weer, Een storing in de apparatuur en verwarring bij de bemanning zorgden ervoor dat het vliegtuig bleef hangen en uit de lucht viel.

Vlucht 447 stuurde een schokgolf door de luchtvaartindustrie. Het vliegtuig - een Airbus A330 - was een van 's werelds meest betrouwbare vliegtuigen, zonder geregistreerde dodelijke slachtoffers die commercieel vlogen tot de gedoemde Air France-vlucht. Toen onthulde de crash de angstaanjagende waarheid:voertuigen die zwaarder zijn dan lucht werken onder zeer nauwe toleranties. Als alles vijf voor vijf is, een vliegtuig doet wat het moet doen - vliegen - met bijna geen zichtbare inspanning. In werkelijkheid, zijn vermogen om in de lucht te blijven berust op een complex samenspel van technologieën en krachten, allemaal samenwerken in een delicaat evenwicht. Verstoor dat evenwicht op wat voor manier dan ook, en een vliegtuig zal niet van de grond kunnen komen. Of, als het al in de lucht is, het zal terugkeren naar de grond, vaak met desastreuze gevolgen.

Dit artikel onderzoekt de fijne lijn tussen hoog vliegen en snel vallen. We zullen 10 innovaties beschouwen die cruciaal zijn voor de structuur en functie van een modern vliegtuig. Laten we beginnen met de enige structuur -- vleugels -- die alle vliegende objecten bezitten.

Inhoud
  1. vleugelprofiel
  2. Propeller
  3. Straalmotor
  4. Vliegtuigbrandstof
  5. Flight Controls (Fly-by-wire)
  6. Aluminium en aluminiumlegeringen
  7. automatische piloot
  8. Pitot Buizen
  9. Luchtverkeersleiding
  10. Landingsgestel

10:Airfoil

Airfoils zijn gevormd om maximale lift te genereren. iStockfoto/Thinkstock

Vogels hebben ze. Net als vleermuizen en vlinders. Daedalus en Icarus trokken ze aan om aan Minos te ontsnappen, koning van Kreta. We hebben het over vleugels, natuurlijk, of draagvlakken , welke functie een vliegtuiglift geven. Airfoils hebben meestal een lichte traanvorm, met een gebogen bovenvlak en een vlakker ondervlak. Als resultaat, lucht die over een vleugel stroomt, creëert een gebied met hogere druk onder de vleugel, wat leidt tot de opwaartse kracht die een vliegtuig van de grond krijgt.

interessant, sommige wetenschappelijke boeken beroepen zich op het principe van Bernoulli om het opbeurende verhaal van draagvleugels uit te leggen. Volgens deze logica, lucht die over het bovenoppervlak van een vleugel beweegt, moet verder reizen - en moet daarom sneller reizen - om bij de achterrand te komen terwijl de lucht langs het onderoppervlak van de vleugel beweegt. Het verschil in snelheid creëert een drukverschil, leidend tot optillen. Andere boeken doen dit af als onzin, liever vertrouwen op de beproefde bewegingswetten van Newton:de vleugel duwt de lucht naar beneden, dus de lucht duwt de vleugel omhoog.

9:Propeller

Is dat een snor of een propeller? iStockfoto/Thinkstock

Zwaarder-dan-lucht vlucht begon met zweefvliegtuigen -- lichte vliegtuigen die lange tijd konden vliegen zonder een motor te gebruiken. Zweefvliegtuigen waren de vliegende eekhoorns van de luchtvaart, maar pioniers als Wilbur en Orville Wright wilden een machine die valken kon nabootsen, met sterke, gemotoriseerde vlucht. Dat vereiste een voortstuwingssysteem om stuwkracht te leveren. De broers ontwierpen en bouwden de eerste vliegtuigpropellers, evenals speciale viercilinder, watergekoelde motoren om ze te laten draaien.

Vandaag, propellerontwerp en theorie heeft een lange weg afgelegd. In essentie, een propeller functioneert als een draaiende vleugel, lift, maar in voorwaartse richting. Ze zijn er in verschillende configuraties, van tweebladig, vaste schroeven tot vier- en achtbladige modellen met variabele spoed, maar ze doen allemaal hetzelfde. Terwijl de bladen draaien, ze buigen lucht naar achteren, en deze lucht, dankzij de actie-reactiewet van Newton, duwt naar voren op de messen. Die kracht staat bekend als stoot en werkt tegen sleuren , de kracht die de voorwaartse beweging van een vliegtuig vertraagt.

8:Straalmotor

Een moderne vliegtuigmotor wacht op bestellingen op een luchthaven. Wat zou Frank Whittle daarvan denken! iStockfoto/Thinkstock

1937, De luchtvaart maakte een enorme sprong voorwaarts toen de Britse uitvinder en ingenieur Frank Whittle 's werelds eerste straalmotor testte. Het werkte niet zoals de propellervliegtuigen met zuigermotoren van die tijd. In plaats daarvan, Whittle's motor zoog lucht door naar voren gerichte compressorbladen. Deze lucht kwam in een verbrandingskamer, waar het zich vermengde met brandstof en verbrandde. Een oververhitte stroom gassen stroomde toen uit de uitlaat, de motor en het vliegtuig naar voren duwen.

Hans Pabst van Ohain uit Duitsland nam het basisontwerp van Whittle en dreef de eerste straalvliegtuigvlucht in 1939 aan. Twee jaar later, de Britse regering kreeg eindelijk een vliegtuig - de Gloster E.28/39 - van de grond met behulp van Whittle's innovatieve motorontwerp. Tegen het einde van de Tweede Wereldoorlog, Gloster Meteor-jets, die opeenvolgende modellen waren die werden gevlogen door piloten van de Royal Air Force, achtervolgden Duitse V-1-raketten en schoten ze vanuit de lucht.

Vandaag, turbojetmotoren zijn in de eerste plaats gereserveerd voor militaire vliegtuigen. Commerciële vliegtuigen gebruiken turbofanmotoren, die nog steeds lucht opnemen via een naar voren gerichte compressor. In plaats van alle binnenkomende lucht te verbranden, turbofanmotoren laten wat lucht door de verbrandingskamer stromen en vermengen zich met de straal van oververhitte gassen die de uitlaat verlaten. Als resultaat, turbofanmotoren zijn efficiënter en produceren veel minder geluid.

7:Vliegtuigbrandstof

Vul alstublieft! ongeveer 70, 000 gallons (265, 000 liter) brandstof voor dat Antonov AN-124-100 vrachtvliegtuig zou voldoende moeten zijn. © Pat Vasquez-Cunningham/ZUMA Press/Corbis

Vroege vliegtuigen met zuigermotoren gebruikten dezelfde brandstoffen als uw auto:benzine en diesel. Maar de ontwikkeling van straalmotoren vereiste een ander soort brandstof. Hoewel een paar gekke wingmen het gebruik van pindakaas of whisky bepleitten, de luchtvaartindustrie koos al snel voor kerosine als de beste brandstof voor krachtige jets. Kerosine is een bestanddeel van ruwe olie, verkregen wanneer aardolie wordt gedestilleerd, of gescheiden, in zijn samenstellende elementen.

Als u een petroleumkachel of lamp heeft, dan ken je de strokleurige brandstof misschien wel. commerciële vliegtuigen, echter, een hogere graad van kerosine vereisen dan brandstof die voor huishoudelijke doeleinden wordt gebruikt. Vliegtuigbrandstoffen moeten schoon branden, toch moeten ze een hoger vlampunt hebben dan autobrandstoffen om het brandrisico te verminderen. Vliegtuigbrandstoffen moeten ook vloeibaar blijven in de koude lucht van de bovenste atmosfeer. Het raffinageproces elimineert al het gesuspendeerde water, die in ijsdeeltjes kunnen veranderen en brandstofleidingen kunnen blokkeren. En het vriespunt van de kerosine zelf wordt zorgvuldig gecontroleerd. De meeste vliegtuigbrandstoffen zullen niet bevriezen totdat de thermometer min 58 graden Fahrenheit (min 50 graden Celsius) bereikt.

6:Flight Controls (Fly-by-wire)

Gary Krier maakte de eerste vlucht van het F-8 Digital Fly-By-Wire-vliegtuig. Het gebruikte de Apollo 15-commandomodulecomputer voor de besturing. Het had een totaal geheugen van 38K, waarvan 36K alleen-lezen was. Afbeelding met dank aan NASA

Een vliegtuig de lucht in krijgen is één ding. Het is iets anders om het effectief te beheersen zonder terug te vallen op aarde. In een eenvoudig licht vliegtuig, de piloot zendt stuurcommando's via mechanische verbindingen naar controlevlakken op de vleugels, vin en staart. Die oppervlakken zijn respectievelijk, de rolroeren, de liften en het roer. Een piloot gebruikt rolroeren om heen en weer te rollen, liften om omhoog of omlaag te hellen, en het roer naar bakboord of stuurboord gieren. Draaien en bankieren, bijvoorbeeld, vereist gelijktijdige actie op zowel de rolroeren als het roer, waardoor de vleugel in de bocht duikt.

Moderne militaire en commerciële vliegtuigen hebben dezelfde stuurvlakken en profiteren van dezelfde principes, maar ze maken een einde aan mechanische verbindingen. Vroege innovaties omvatten hydraulisch-mechanische vluchtregelsystemen, maar deze waren kwetsbaar voor gevechtsschade en namen veel ruimte in beslag. Vandaag, bijna alle grote vliegtuigen vertrouwen op digitale fly-by-wire systemen, die aanpassingen maken aan stuurvlakken op basis van berekeningen van een boordcomputer. Met dergelijke geavanceerde technologie kan een complex commercieel passagiersvliegtuig door slechts twee piloten worden gevlogen.

5:Aluminium en aluminiumlegeringen

Reproductie op ware grootte van het 1902 zweefvliegtuig van de gebroeders Wright in rust in het Wright Brothers National Memorial in Kitty Hawk, NC © Kevin Fleming/Corbis

1902, de gebroeders Wright vlogen met het meest geavanceerde vliegtuig van de dag - een eenpersoonsglider met een mousseline "huid" gespannen over een sparren frame. Overuren, hout en stof maakten plaats voor gelamineerd hout monocoque , een vliegtuigconstructie waarin de huid van het vliegtuig sommige of alle spanningen draagt. Monocoque rompen zorgden voor sterkere, meer gestroomlijnde vliegtuigen, wat leidde tot een aantal snelheidsrecords in de vroege jaren 1900. Helaas, het hout dat in deze vliegtuigen werd gebruikt, vereiste constant onderhoud en verslechterde bij blootstelling aan de elementen.

Tegen de jaren dertig, bijna alle luchtvaartontwerpers gaven de voorkeur aan een volledig metalen constructie boven gelamineerd hout. Staal was een voor de hand liggende kandidaat, maar het was te zwaar om een ​​praktisch vliegtuig te maken. Aluminium, anderzijds, was lichtgewicht, sterk en gemakkelijk te vormen tot verschillende onderdelen. Rompen met panelen van geborsteld aluminium, bij elkaar gehouden door klinknagels, werd een symbool van het moderne luchtvaarttijdperk. Maar het materiaal kwam met zijn eigen problemen, de meest ernstige is metaalmoeheid. Als resultaat, fabrikanten bedachten nieuwe technieken om probleemgebieden in metalen onderdelen van een vliegtuig op te sporen. Onderhoudsploegen gebruiken tegenwoordig ultrasone scans om scheuren en spanningsbreuken op te sporen, zelfs kleine defecten die aan het oppervlak misschien niet zichtbaar zijn.

4:Automatische piloot

Niet alle moderne vliegtuigen hebben een stuurautomaatsysteem, maar velen wel, en het kan helpen bij alles, van opstijgen tot cruisen en landen. iStockfoto/Thinkstock

In de begindagen van de luchtvaart, vluchten waren kort, en de grootste zorg van een piloot was niet neerstorten op de grond na een paar opwindende momenten in de lucht. Naarmate de technologie verbeterde, echter, steeds langere vluchten mogelijk waren -- eerst over continenten, dan over oceanen, dan over de hele wereld. Vermoeidheid van piloten werd een ernstig probleem op deze epische reizen. Hoe kon een eenzame piloot of een kleine bemanning urenlang wakker en alert blijven, vooral tijdens monotone sessies van cruisen op grote hoogte?

Ga de automatische piloot in. Uitgevonden door Lawrence Burst Sperry, zoon van Elmer A. Sperry, de automatische piloot , of automatisch vluchtcontrolesysteem, koppelde drie gyroscopen aan de oppervlakken van een vliegtuig die de toonhoogte controleerden, rollen en gieren. Het apparaat voerde correcties uit op basis van de afwijkingshoek tussen de vliegrichting en de oorspronkelijke gyroscopische instellingen. Sperry's revolutionaire uitvinding was in staat om de normale kruisvlucht te stabiliseren, maar het kan ook zonder hulp opstijgen en landen.

Het automatische vluchtbesturingssysteem van moderne vliegtuigen verschilt weinig van de eerste gyroscopische stuurautomaten. Bewegingssensoren -- gyroscopen en versnellingsmeters -- verzamelen informatie over de houding en beweging van vliegtuigen en leveren die gegevens aan stuurautomaatcomputers, die signalen uitvoeren om oppervlakken op de vleugels en staart te besturen om een ​​gewenste koers te behouden.

3:Pitotbuizen

De gebogen buis die onmisbaar is gebleken voor moderne vluchten iStockphoto/Thinkstock

Piloten moeten veel gegevens bijhouden als ze in de cockpit van een vliegtuig zitten. Luchtsnelheid -- de snelheid van een vliegtuig ten opzichte van de luchtmassa waardoor het vliegt -- is een van de belangrijkste dingen die ze controleren. Voor een specifieke vluchtconfiguratie, of het nu gaat om landen of economy cruisen, de snelheid van een vliegtuig moet binnen een vrij smal bereik van waarden blijven. Als het te langzaam vliegt, het kan last hebben van een aerodynamische stal, wanneer er onvoldoende lift is om de neerwaartse zwaartekracht te overwinnen. Als het te snel vliegt, het kan structurele schade oplopen, zoals het verlies van flappen.

Op commerciële vliegtuigen, pitot buizen dragen de last van het meten van de luchtsnelheid. De apparaten krijgen hun naam van Henri Pitot, een Fransman die een instrument nodig had om de snelheid van het water in rivieren en kanalen te meten. Zijn oplossing was een slanke buis met twee gaten - een aan de voorkant en een aan de zijkant. Pitot richtte zijn apparaat zo dat het voorste gat stroomopwaarts was gericht, water door de buis laten stromen. Door het drukverschil aan de voor- en zijgaten te meten, hij kon de snelheid van het bewegende water berekenen.

Vliegtuigingenieurs realiseerden zich dat ze hetzelfde konden bereiken door pitotbuizen op de rand van de vleugels te monteren of uit de romp te steken. In die positie, de bewegende luchtstroom stroomt door de buizen en zorgt voor een nauwkeurige meting van de snelheid van het vliegtuig.

2:Luchtverkeersleiding

Het uitzicht vanaf een verkeerstoren. Het is mooi – en druk. © Bob Sacha/Corbis

Tot dusver, deze lijst is gericht op vliegtuigconstructies, maar een van de belangrijkste luchtvaartinnovaties -- eigenlijk een verzameling van innovaties -- is luchtverkeersleiding , het systeem dat ervoor zorgt dat vliegtuigen vanaf één luchthaven kunnen opstijgen, reis honderden of duizenden mijlen en land veilig op een luchthaven van bestemming. In de Verenigde Staten, meer dan 20 luchtverkeersleidingscentra houden toezicht op de bewegingen van vliegtuigen door het hele land. Elk centrum is verantwoordelijk voor een bepaald geografisch gebied, zodat zoals een vliegtuig langs zijn route vliegt, het wordt overgedragen van het ene controlecentrum naar het andere. Wanneer het vliegtuig op zijn bestemming aankomt, controle transfers naar de verkeerstoren van de luchthaven, die alle richtingen geeft om het vliegtuig aan de grond te krijgen.

Surveillanceradar speelt een sleutelrol in de luchtverkeersleiding. Vaste grondstations, op luchthavens en in controlecentra, radiogolven met een korte golflengte uitzenden, die naar vliegtuigen reizen, sla ze en stuiter terug. Met deze signalen kunnen luchtverkeersleiders de posities en koersen van vliegtuigen volgen binnen een bepaald luchtruimvolume. Tegelijkertijd, de meeste commerciële vliegtuigen dragen transponders , apparaten die de identiteit van het vliegtuig doorgeven, hoogte, koers en snelheid bij "ondervraging" door radar.

1:Landingsgestel

Je kunt het landingsgestel op deze E-2C Hawkeye duidelijk zien als het de cockpit van USS John C. Stennis nadert. Stocktrek Images/Thinkstock

Het landen van een commercieel vliegtuig lijkt een van de meest onwaarschijnlijke prestaties van de technologie. Een vliegtuig moet dalen van 35, 000 voet (10, 668 meter) naar de grond en langzaam vanaf 650 mijl (1, 046 kilometer) naar 0 mijl per uur. Oh, Ja, en het moet zijn hele gewicht - zo'n 170 ton - op slechts een paar wielen en stutten plaatsen die sterk moeten zijn, maar volledig intrekbaar. Is het een wonder dat landingsgestel de nummer 1 plek op onze lijst inneemt?

Tot het einde van de jaren tachtig, de meeste civiele en militaire vliegtuigen gebruikten drie basisconfiguraties van landingsgestellen:één wiel per veerpoot, twee wielen naast elkaar op een veerpoot of twee wielen naast elkaar naast twee extra wielen naast elkaar. Naarmate vliegtuigen groter en zwaarder werden, landingsgestelsystemen werden complexer, zowel om de spanning op het wiel en de veerpoten te verminderen, maar ook om de krachten op de baanverharding te verminderen. Het landingsgestel van een Airbus A380 superjumbo lijnvliegtuig, bijvoorbeeld, heeft vier onderwageneenheden -- twee met elk vier wielen en twee met elk zes wielen. Ongeacht de configuratie, kracht is veel belangrijker dan gewicht, dus je zult staal en titanium vinden, geen aluminium, in de metalen onderdelen van een landingsgestel.

Veel meer informatie

Opmerking van de auteur

Orville Wright zei ooit:"Het vliegtuig blijft staan ​​omdat het geen tijd heeft om te vallen." Na dit te hebben geschreven, Ik zou dat een understatement van epische proporties willen noemen.

gerelateerde artikelen

  • 10 innovaties die leidden tot de moderne Bullet
  • 10 innovaties in waterkracht
  • Hoe vliegtuigen werken
  • Hoe helikopters werken
  • Quiz:vliegtuigmythen en feiten

bronnen

  • "vliegtuig". Encyclopædia Britannica Online. Encyclopædia Britannica Inc. (25 maart, 2013) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/11014/airplane/64170/Additional-Reading
  • Lucht BP. "De geschiedenis van vliegtuigbrandstof." (25 maart, 2013) http://www.bp.com/sectiongenericarticle.do?categoryId=4503664&contentId=57733
  • Anderson, John. "WINGS:Van de gebroeders Wright tot heden." AirSpace-blog, Het Nationaal Lucht- en Ruimtemuseum. 17 december 2011. (25 maart, 2013) http://blog.nasm.si.edu/aviation/wings-from-the-wright-brothers-to-the-present/
  • Armstrong, Paulus. "Is het mysterie van Air France-vlucht 447 eindelijk opgelost?" CNN. 5 juli 2012. (25 maart, 2013) http://www.cnn.com/2012/07/04/world/europe/air-france-flight-447-explainer
  • Borrel, Brandaan. "Wat is een pitotbuis?" Wetenschappelijke Amerikaan. 9 juni 2009. (25 maart, 2013) http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=what-is-a-pitot-tube
  • leent, David. A. "Luchtsnelheid." AOPA vliegopleiding. (25 maart, 2013) http://flighttraining.aopa.org/students/maneuvers/topics/airspeed.html
  • CNN Reizen. "Boeing 747-8 vs. Airbus A380 - de luchtvaartreuzen staan ​​tegenover elkaar." 17 december 2011. (25 maart, 2013) http://travel.cnn.com/explorations/life/boeing-747-8-and-airbus-a380-death-match-152563
  • Goodrich-landingsgestel. "Landingsgestel." (25 maart, 2013) http://www.goodrich.com/Goodrich/Businesses/Landing-Gear/Products/Large-Commercial-Aircraft/Large-Commercial-Aircraft
  • Nationaal museum van de Amerikaanse luchtmacht. "Zwaarder-dan-lucht-vlucht." 1 april 2009. (25 maart, 2013) http://www.nationalmuseum.af.mil/factsheets/factsheet.asp?id=14189
  • controleren, Willem. "Lawrence Sperry:Autopilot Inventor en Aviation Innovator." GeschiedenisNet.com. 12 juni 2006. (25 maart, 2013) http://www.historynet.com/lawrence-sperry-autopilot-inventor-and-aviation-innovator.htm
  • Smithsonian National Air and Space Museum. "Het zweefvliegtuig uit 1902." (25 maart, 2013) http://airandspace.si.edu/wrightbrothers/fly/1902/glider.cfm
  • Smithsonian National Air and Space Museum. "Hoe dingen vliegen." (25 maart, 2013) http://howthingsfly.si.edu/
  • Zwaan, Nacressa, producent. "Ontslag van vlucht 447." NOVA. 16 februari 2011. (25 maart, 2013) http://www.pbs.org/wgbh/nova/space/crash-flight-447.html
  • Wright, Michael en Mukul Patel. "Hoe de dingen vandaag werken." Uitgeverij Kroon. 2000.

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe MRNA naar TRNA te vertalen
  2. Typen biologie-experimenten
  3. Wat als Homeostase mislukt?
  4. Hoe fenotypische ratio te berekenen
  5. Mimetolieten:de gezichten die we zien in rotsformaties
  6. "Recessive Allele: What is it?", 3, [[& Waarom gebeurt het? (met eigenschappenkaart)
  7. Orgelsystemen betrokken bij homeostase
  8. Wat zijn schadelijke genen?
  9. Hebben hersencellen een lipide-dubbellaag?

Wetenschap