Технический прогресс второй половины XX в. не обошел и велосипед. Даже дорожные велосипеды стали многоскоростными. В изготовлении велосипедов стали применяться новые материалы – легированные стали, алюминиевые сплавы, композиты. Это позволило облегчить машины, сделать их более прочными. В конце XX в. стали популярны горные велосипеды с прочной рамой, широкими шинами. Велосипеды стали практически "вездеходными".
Вертолет
Первый эскиз вертолета с кратким описанием сделал в 1489 г. Леонардо да Винчи. Его вертолет приводился в движение мускульной силой. Неизвестно, проводил ли Леонардо испытания своего аппарата, поскольку не осталось никаких документов, свидетельствующих об этом. Ученые долго считали, что летательный аппарат невозможно привести в движение мускульной силой. Но не так давно был построен такой вертолет. Он смог взлететь и летать.
Триста лет спустя после Леонардо М. В. Ломоносов построил первую модель вертолета. Она состояла из фюзеляжа и двух винтов, вращавшихся в разные стороны. Эта модель предназначалась для подъема термометров с целью измерения температуры воздуха в верхних слоях атмосферы. Двигателем служила часовая пружина.
В 1784 г. французские изобретатели Лоннуа и Бьенвеню использовали в своей модели вертолета силу упругости сжатого лука. Вес их модели составлял около 80 г.
В 1863 году француз Г. де Ланде издал книгу, в которой излагал проект аппарата под названием "аэронеф". У "аэронефа" были крылья, тянущий винт и вертикальные мачты, на которых располагались подъемные винты. Из проекта де Ланде изобретатели в дальнейшем многое позаимствовали.
В 1869 г. русский изобретатель А. Н. Лодыгин обратился в Главное инженерное управление русской армии с проектом аппарата вертикального взлета с электрическим двигателем. Этот аппарат, названный изобретателем "электролет", предназначался для воздушной разведки и бомбардировки.
В 90-е годы XIX в. созданием вертолета начал заниматься H. Е. Жуковский вместе со своими учениками. Ученый считал, что за геликоптером всегда будет оставаться преимущество безопасного подъема и спуска.
И вот в 1907 году появился вертолет, который смог оторваться от земли. Его сконструировали французы, братья Л. и Ж. Бреге, совместно с профессором Ш. Рише.
Русский изобретатель И. И. Сикорский в 1901 г. еще в детстве построил модель своего первого вертолета с двигателем на резинке. Позже он создал большую модель с двумя пропеллерами, которая поднялась в воздух и летала в нескольких метрах над землей.
В 1903 г. Сикорский поступил в Российскую военно-морскую академию в Петербурге, а в 1906-м продолжил изучение инженерного дела в Париже. В 1907 г. он возвратился в Киевский политехнический институт. Игорь Сикорский вернулся к своей идее летательного аппарата, который бы поднимался в воздух вертикально с помощью вращающегося пропеллера. Во время путешествия по Германии Сикорский производил в гостиничных номерах расчеты, необходимые для запуска вертолетного пропеллера диаметром 120 см. Благодаря финансовой поддержке сестры Сикорский возвратился в Париж для изучения аэродинамики и приобретения необходимых компонентов для создания своего первого вертолета.
В 1909 г. Сикорский вернулся в Киев с трехцилиндровым двигателем от мотоцикла "Анзани" мощностью 25 л. с. и на его основе создал вертолет с двумя одновременно вращающимися винтами. Конструкция была довольно неудобна для пилота, в кабине везде торчали провода, приводившие в движения лопасти пропеллера. Однако Сикорский добился главного: он решил проблему вибрации и продемонстрировал способность своей машины подняться в воздух посредством "роторных крыльев". По расчетам инженера, его вертолет мог подниматься в воздух с грузом в 140 кг.
Конструкция была еще очень несовершенна, и Сикорский отказался от своей первой модели. В октябре 1909 г. он вернулся в Париж для изучения уже имеющихся к тому времени моделей аэропланов.
После приезда в Россию молодой изобретатель в феврале 1910-го использовал моторы для создания второй, вновь неудачной, модели вертолета. Маленький биплан "S-1" так и не взлетел. Биплан "S-2" и большая модель "S-3" смогли лишь ненадолго подняться в воздух. А модель "S-5" с мощностью двигателя 50 л. с. в мае 1911 г. не только поднялась в воздух, но и продемонстрировала свою способность летать. Игорю Сикорскому Российским Императорским аэроклубом была выдана лицензия на изобретение.
Еще в конце XIX в. было предложено несколько схем вертолета: одновинтовая, соосная, поперечная и продольная схема расположения винтов.
Недостатком одновинтовой схемы был реактивный момент, возникающий при вращении винта. Он заставлял вращаться не столько сам винт, сколько гондолу вертолета. Для его компенсации предлагалось устанавливать рулевые винты или применять двухвинтовую соосную схему. Для обеспечения поступательного движения вертолета предлагалось применять пропеллеры или наклон оси вращающегося винта. Были также предложения использовать машущие крылья, гребные колеса, наземные буксиры и парус.
Особую роль в истории мирового вертолетостроения занимает работа в 1908–1914 гг. студента Московского технического училища Б. Н. Юрьева. Он возглавлял группу студентов, членов комиссии по геликоптерам при Воздухоплавательном кружке МТУ. В 1911 г. Юрьев разработал проект одновинтового вертолета с хвостовым рулевым винтом. В этом проекте Юрьев смог решить проблему уравновешивания реактивного момента, действующего на гондолу. Для этого он применил рулевой винт, установленный на хвосте вертолета и приводимый в движение передачей от двигателя. Поскольку у силы, создаваемой хвостовым винтом, было большое плечо относительно центра тяжести вертолета, ее действие уравновешивало реактивный момент. Для поворота вертолета Юрьев предложил делать шаг лопастей хвостового винта изменяемым. При увеличении тяги этого винта можно было преодолевать реактивный момент главного винта и разворачивать машину в нужном направлении.
Чтобы обеспечить управляемость вертолета относительно продольной и поперечной осей, можно было поставить сбоку и спереди машины по одному винту. Боковой винт управлял бы креном вертолета, а передний регулировал высоту полета аппарата. Однако такая схема была очень сложной и делала вертолет неустойчивым. Поэтому Юрьев сконструировал несущий винт таким образом, что тот самостоятельно создавал оба момента, необходимые для управления вертолетом. С этой целью изобретатель создал аппарат перекоса. Принцип его работы состоял в том, что управление полетом осуществлялось путем изменения угла наклона лопастей к плоскости вращения, что достигалось подвижностью лопастей относительно их продольных осей. Если разные участки описываемого круга лопасть проходила с различными углами установки, то это приводило к увеличению или уменьшению тяги на этих участках. В результате несущий винт поворачивался в соответствующую сторону.
Необходимую установку лопастей и обеспечивал автомат. Он состоял из двух колец, связанных жесткой скользящей связью и подвешенных на кардане на неподвижной опоре. Внутреннее, подвижное, кольцо было связано тягами с рычагами, поворачивающими лопасти, и вращалось вместе с валом винта. Внешнее, неподвижное, кольцо было связано с тягами продольного и поперечного управления. Оно передавало усилие от этих тяг на подвижное кольцо, изменяя при этом угол наклона последнего. Наклоняясь, подвижное кольцо вызывало изменение углов установки лопастей относительно продольной оси и появление горизонтальной составляющей тяги несущего винта. Эта составляющая сообщала вертолету поступательное движение и наклоняла его в сторону движения. Для поворота было необходимо направить в нужную сторону внешнее кольцо.
Для вертикального перемещения вертолета служила система управления общим шагом винта. Оно достигалось одновременным увеличением или уменьшением углов установки всех лопастей несущего винта путем поднимания или опускания скользящего кардана автомата перекоса. Одновременно увеличивалась или уменьшалась тяга двигателя.
В 1912 г. вертолет Юрьева был выставлен на Международной выставке воздухоплавания в Москве. Работа была отмечена Малой золотой медалью. После замены макетных деталей настоящими были проведены испытания для получения характеристик несущего винта. Они были прерваны из-за плохой работы двигателя и поломки вала винта. Дальнейшей работе помешала мировая война.
Бурное развитие самолетостроения привело к тому, что конструкторы на время оставили вертолет без внимания. Лишь в 1923 г. испанец Пескара создал вертолет, который десять минут парил в воздухе на высоте трех метров и пролетел в общей сложности 300 м.
В 1924 г. француз Эмишен построил вертолет, который поднялся и пролетел на высоте полтора метра около 120 м. Управлял им сам Эмишен. Эта машина умела зависать в воздухе, разворачиваться на месте и лететь задним ходом.
Надежно действующий вертолет удалось создать группе сотрудников Центрального аэрогидродинамического института под руководством Юрьева. Это был одноместный 1-ЭА с одним несущим и двумя рулевыми винтами. На нем была достигнута высота 605 м. В 1938 г. под руководством Братухина был создан вертолет 11-ЭА, на котором была применена поперечная схема.
Аналогичную схему использовал в 30-е годы и немецкий конструктор Фокке. В 1937 г. его машина FW-61 установила мировые рекорды скорости – 123 км/ч и высоты – 2439 м. В 1941 г. FW-223 был выпущен небольшой серией.
Свою детскую мечту И. Сикорскому удалось реализовать. В 1919 г. он эмигрировал в США, где создал свою фирму "Сикорский". В 1939 г. изобретатель создал свой первый вертолет S-46. Он отказался от полных расчетов машины и вносил изменения прямо в ходе испытаний. Вертолет имел простую конструкцию: фюзеляж представлял собой ферму из стальных труб, кресло пилота было открытым и находилось впереди двигателя мощностью 65 л. с. Вращение посредством ременной передачи передавалось на редуктор, приводящий в движение трехлопастный несущий винт. Рулевой однолопастный винт устанавливался в хвосте на коробкообразной балке.
Испытания показали несовершенство конструкции. Из-за неправильного расчета плохо работал автомат перекоса. Это привело к плохой управляемости вертолета. При одном испытании он опрокинулся и разбился. После этого Сикорский применил схему с тремя рулевыми винтами. Эта машина хорошо управлялась, и в мае 1940 г. Сикорский показал ее летчикам. Вертолет свободно перемещался в разные стороны, зависал неподвижно и разворачивался на месте, но при этом не летел вперед. После определения и устранения недостатка летные качества машины значительно улучшились. Два года Сикорский менял конструкцию, используя различные системы управления. Это помогло ему в создании новых вертолетов.
В 1941 г. Сикорский получил военный заказ на вертолет, предназначенный для корректировки артиллерийского огня и связи. На этой модели был вновь применен автомат перекоса, рассчитанный более тщательно. В апреле 1942 г. машину показали военным. Во время полета S-47 продемонстрировал свои огромные возможности, перемещаясь в разные стороны, зависая на месте. В зависший вертолет поднимался пассажир.
После запуска в серийное производство S-47 получил название XR-4. Свое боевое крещение он получил в джунглях Юго-Восточной Азии, где стал единственным средством снабжения армии. Позже был сконструирован XR-5, на который установили специальный вертолетный двигатель. В дальнейшем вертолеты Сикорского получили распространение в различных отраслях хозяйства.
После войны в СССР были созданы конструкторские бюро М. Л. Миля и Н. С. Камова. В первом разрабатывались одновинтовые вертолеты, во втором – вертолеты, работающие по двухвинтовой соосной схеме. Кроме них вертолетами занималось КБ А. С. Яковлева. Первым советским серийным вертолетом стал Ми-1, выпуск которого начался в 1951 году.
На современных вертолетах устанавливают поршневые и воздушно-реактивные двигатели. Для кратковременного увеличения мощности при взлете и посадке вертолета может применяться ракетный двигатель. На некоторых вертолетах применяли самолетные одновальные турбовинтовые двигатели и двухвальные турбовинтовые двигатели со свободной турбиной. Возможен также реактивный привод несущего винта, в котором окружное усилие создается автономными реактивными двигателями, расположенными на лопастях несущего винта, или истечением газа из сопловых отверстий, расположенных на концах лопастей.
Вертолеты применяются в вооруженных силах для перевозки войск и грузов, огневой поддержки сухопутных войск, разведки, поиска и уничтожения подводных лодок. В народном хозяйстве вертолеты используются для перевозки пассажиров, грузов, уничтожения вредителей сельхозкультур, удобрения полей, монтажных работ.
Видеомагнитофон
Видеомагнитофон предназначен для записи на магнитную ленту и последующего воспроизведения электрических сигналов изображения и звукового сопровождения телевизионных передач.
Казалось бы, что после создания магнитофона запись изображения на магнитную ленту не будет представлять больших проблем.
Вначале предпринимались попытки записи изображений с помощью продольного способа, который применялся для магнитной записи звука. При этом способе лента протягивается относительно неподвижной головки. Но этот способ оказался неэффективным.
Причина в следующем: чтобы записать спектр звука с максимальной частотой 20 кГц, ленту протягивают мимо головки со скоростью около 9,5 см/с; при скорости вдвое меньшей, то есть 4,7 см/с, предельная частота записи 10 кГц, а при скорости 2,4 см/с – не более 4–5 кГц. Таким образом, для увеличения максимальной частоты записываемого сигнала нужно в два раза повысить скорость протягивания ленты.
В действительности многое зависит от состава ферромагнитного слоя, его зернистости, толщины и ширины зазора в головке. Но, в общем, суть проблемы не меняется: чем меньше скорость, тем ниже частота, которую еще можно записать.
Приведенные цифры относятся к магнитной записи звука. А вот как обстоят дела с записью изображения.
В большинстве телевизионных стандартов мира при считывании картинки электронный луч прочерчивает по ней 625 строк, в каждой строке может быть воспроизведено примерно 800 точек различной яркости. То есть телевизионная картинка – это мозаика из 625×800=500 000 точек. Для воспроизведения движения картинка передается 25 раз в секунду, поэтому каждую секунду в телевидении может передаваться 500 000×25=12,5 млн сообщений о яркости различных точек. То есть ток считывающего луча может меняться более 12 млн раз в секунду и в спектре видеосигнала могут быть составляющие с частотой более 6 мегагерц. Это в 300 с лишним раз превышает наибольшую частоту в спектре звукового сигнала (20 кГц). Если для записи звука магнитная лента протягивается мимо головки со скоростью 9,5 см/с, то для записи видеосигнала нужно протягивать ленту в 300 раз быстрее, т. е. со скоростью 30 м/с или около 100 км/час.
На заре видеозаписи были попытки записывать видеосигнал, протягивая пленку на больших скоростях. Подобные попытки не дали желаемых результатов. Несмотря на это, видеозапись стала реальностью – решение проблемы в принципе оказалось очень простым.
Первые серьезные результаты были получены в начале 1950-х годов благодаря использованию поперечно-строчного способа магнитной записи видеосигналов. При поперечно-строчной записи одна или несколько головок располагались на вращающемся диске, ось вращения которого совпадала с направлением движения ленты. При одновременном движении ленты и вращении диска головки "прочерчивали" на ленте практически поперечные строчки записи. Причем относительная скорость головки относительно ленты была гораздо более высокой, чем скорость протягивания самой ленты. Это существенно повысило плотность записи и уменьшило скорость движения ленты, а следовательно, и ее расход.
Этот способ изобрели американские инженеры Гинзбург и Андерсон из фирмы АМРЕХ, которую создал русский эмигрант А. М. Понятов. В его честь сам процесс записи долго называли "ампексированием".
Еще одним новшеством было применение переноса спектра телевизионного сигнала при записи в более высокочастотную область. Оно осуществлялось путем частотной модуляции несущего колебания. Его частота была чуть больше, чем верхняя частота видеосигнала. Это позволило регистрировать сигнал изображения в необходимой полосе частот 50 Гц–5,5 МГц.
Конструкция механизма видеомагнитофона с поперечно-строчной записью была достаточно сложной. Более простым решением оказалось применение наклонно-строчного способа записи, при котором лента со сравнительно небольшой скоростью протягивается вперед, а вращаются головки, закрепленные на барабане. Ось вращения барабана расположена под определенным углом к продольной оси ленты. Дорожки видеозаписи представляют собой отдельные строчки, расположенные одна рядом с другой под углом к продольной оси ленты.
Необходимая скорость движения головки относительно ленты достигается довольно легко – если головка расположена на барабане диаметром 10 см и он совершает 6 тысяч оборотов в минуту, то скорость движения головки относительно ленты составляет около 30 м/с.
Первые видеомагнитофоны были катушечными и предназначались для профессионального использования. Одной из причин, по которой распространение видеомагнитофонов в быту было медленным, являлась сложность заправки ленты в лентопротяжный механизм катушечного видеомагнитофона.
Первые кассетные видеомагнитофоны, в которых заправка ленты происходила автоматически, стала выпускать фирма "Сони" в формате U-Matic в 1971 г. и фирма "Филипс" в формате VCR в 1972 г.
Сейчас наиболее распространенным форматом бытовой видеозаписи является VHS (Video Home System), разработанный японскими фирмами "Мацусита" и JVC в 1975 г., а также его модификации.
В этом стандарте лента шириной 12,65 мм располагается в кассете размером 188×104×25 мм. Продолжительность записи зависит от толщины ленты и может достигать 300 минут для одной кассеты при стандартной скорости движения ленты.
Сначала для записи и воспроизведения изображения применялся вращающийся барабан с двумя видеоголовками, расположенный наклонно относительно ленты. Одна из них записывала один полукадр на одной наклонной строчке. После окончания записи полукадра, первая головка отходила от пленки, а вторая подходила к ней и начинала писать на соседней строке следующий полукадр. Эти строки располагались рядом без зазора.
В дальнейшем стали использовать четыре видеоголовки. Это позволило вести экономную запись и воспроизведение при меньшей скорости ленты (режим "long play"). Кроме того, их применение улучшило качество воспроизводимого изображения при замедленном, ускоренном и покадровом воспроизведении.
По верхнему краю видеоленты проходит продольная дорожка, на которой при помощи неподвижной головки осуществляется запись звука.
Для записи стереозвука позже начали применять блок из двух головок. Из-за малой скорости движения ленты – всего 2,4 см/с, диапазон записываемых звуковых частот был узким – 70–8000 Гц. Затем, благодаря улучшению качества лент и применению более совершенных головок, его удалось расширить до 40–13 000 Гц.