История аэрокосмического инженера: от Кэли до многоразовых ракет

Аэрокосмическая инженерия необычайно хорошо документирована для молодой области: большинство ее основоположников дожили до эпохи фотографии, кино и, в последнее время, прямого телевидения. Его зарегистрированная история простирается от йоркширского баронета, зарисовывающего силы на птичьем крыле, до прямой трансляции ракеты, приземлившейся вертикально на плавучую платформу в океане.

История проходит через две мировые войны, холодную войну, в которой частично участвовали конкурирующие ракетные программы, а также переход конца века от престижных проектов, финансируемых государством, к коммерческим компаниям, конкурирующим по стоимости. Это также, в большей степени, чем большинство других инженерных историй, история наций: Германия на раннем этапе теоретического лидерства, Великобритания и Соединенные Штаты стремятся индустриализировать полеты, а Советский Союз, к которому позже присоединился Китай, доказывает, что конкурирующая государственная программа может сравниться или превзойти Запад на заданном этапе.

Where it began

1799Скарборо, Йоркшир, Англия

Джордж Кейли, баронет без формального инженерного образования, гравирует на серебряном диске диаграмму, обозначающую четыре силы, которые действуют на любой летающий объект — подъемную силу, сопротивление, вес и тягу — и рисует планер с неподвижным крылом с отдельным хвостом для устойчивости, решительно отказавшись от многовековых неудачных попыток имитировать машущую птицу. Он продолжает строить и управлять серией планеров, как сообщается, отправив своего кучера в воздух в 1853 году во время первого зарегистрированного полета корабля тяжелее воздуха, на борту которого находится взрослый человек, и теперь обычно считается основателем аэродинамики как науки.

Timeline

1799Кэли определяет четыре силы полета.

Джордж Кэли определяет подъемную силу, сопротивление, вес и тягу как силы, управляющие полетом, и предлагает конструкцию неподвижного крыла с отдельной поверхностью управления, закладывая теоретическую основу, которую аэродинамика использует до сих пор.

1903Братья Райт совершили полет на двигателе

Орвилл и Уилбур Райт летают на «Райт Флаере» в течение 12 секунд в Китти-Хок, Северная Каролина, 17 декабря. Это первый устойчивый, контролируемый полет с двигателем с двигателем тяжелее воздуха.

1904–1905Прандтль объясняет пограничный слой

Людвиг Прандтль представляет теорию пограничного слоя на математическом конгрессе в Гейдельберге, разрешая давнее противоречие между теоретическим и наблюдаемым сопротивлением и предоставляя инженерам инструменты для точного расчета подъемной силы и сопротивления.

1915Основание НАКА

Конгресс США создает Национальный консультативный комитет по аэронавтике для координации государственных авиационных исследований, орган, который в 1958 году становится НАСА и стандартизирует большую часть ранних методологий испытаний в этой области.

1939Первый полет на реактивном двигателе

Heinkel He 178, оснащенный турбореактивным двигателем Ханса фон Охайна, летает недалеко от Ростока, Германия, 27 августа — параллельный британский проект под руководством Фрэнка Уиттла летает два года спустя.

1942Фау-2 достигает космоса

Ракета Фау-2, разработанная под руководством Вернера фон Брауна в Пенемюнде, становится первым искусственным объектом, достигшим высоты примерно 100 км (граница, которая сейчас используется для определения пространства), а затем используется в качестве оружия против Лондона и Антверпена.

1957«Спутник-1» открывает космическую эру

4 октября конструкторское бюро Сергея Королева запустило первый искусственный спутник «Спутник-1» — сферу размером с баскетбольный мяч, которая потрясла Соединенные Штаты, заставив их в следующем году основать НАСА.

1961Гагарин стал первым человеком в космосе

Юрий Гагарин однажды облетел Землю на борту корабля «Восток-1» 12 апреля, пилотируемого командой Королева, который опередил американскую программу «Меркурий» по выводу на орбиту на десять месяцев.

1969Аполлон-11 приземляется на Луну

Ракета «Сатурн-5», разработанная под руководством фон Брауна в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА, доставит экипаж «Аполлона-11» на Луну 20 июля, выполнив цель, которую президент Кеннеди поставил восемь лет назад.

2015SpaceX вывела на орбиту ракету-носитель

Первая ступень Falcon 9 возвращается на посадочную площадку на мысе Канаверал 21 декабря после запуска полезной нагрузки на орбиту. Это первая такая посадка и начало планового экономичного повторного использования ракет.

The eras

Портрет сэра Джорджа Кэли, пионера аэродинамической теории. — Henry Perronet Briggs · Public domain · Wikimedia Commons

1799–1903

Планеры и рождение аэродинамической теории

Между диаграммой Кэли 1799 года и полетом братьев Райт в 1903 году аэродинамика почти полностью развивалась за счет планеров без двигателя и экспериментов в аэродинамической трубе. Отто Лилиенталь совершил и задокументировал более 2000 полетов на планерах в Германии в 1890-х годах, прежде чем погиб в катастрофе 1896 года, данные, которые Райты внимательно изучили; они построили собственную аэродинамическую трубу в Дейтоне, штат Огайо, чтобы проверять и корректировать опубликованные Лилиенталем таблицы подъемной силы, прежде чем когда-либо пытаться совершить полет с двигателем. Главный урок эпохи — теория должна проверяться с помощью инструментальных, повторяемых испытаний — стал определяющей привычкой в этой области.

Wright Flyer во время своего первого полета с двигателем, декабрь 1903 года. — John T. Daniels · Public domain · Wikimedia Commons

1903–1918

Моторный полет и первая война в воздухе

Механическая авиация прошла путь от 12-секундного прыжка до решающего военного оружия за пятнадцать лет. Структурные отказы были обычным явлением и часто фатальными, поскольку инженеры все еще изучали, как тонкие деревянные планеры с тканевой обшивкой ведут себя при реальных аэродинамических нагрузках; Ранний акцент профессии на структурных факторах безопасности напрямую связан с авариями, произошедшими в этот период. Первая мировая война превратила авиацию из новинки в промышленный приоритет, и национальные правительства — Великобритании, Франции, Германии, США — впервые начали финансировать специализированные авиационные исследовательские учреждения.

Испытательный комплекс в аэродинамической трубе NACA в начале двадцатого века. — NASA Headquarters - Greatest Images of NASA (NASA-HQ-GRIN) , edited by Blue Sonic ( talk · contribs ) · Public domain · Wikimedia Commons

1919–1945

Обтекаемость, реактивные самолеты и наука о высокоскоростном полете

В период между войнами инженеры под руководством Прандтля и его учеников, в том числе Теодора фон Кармана, превратили аэродинамику в строгую прикладную науку, объясняя сопротивление, обтекаемость и, в конечном итоге, странное поведение воздуха вблизи скорости звука. Германия и Великобритания независимо разработали реактивный двигатель в конце 1930-х годов, а Вторая мировая война превратила проектирование самолетов в дисциплину массового производства: только в Соединенных Штатах в период с 1940 по 1945 год было построено более 300 000 самолетов. В ту же войну под руководством Вернера фон Брауна в Пенемюнде была профинансирована Фау-2, первая большая ракета на жидком топливе.

Ракета Сатурн V на стартовой площадке, программа Аполлон — NASA · Public domain · Wikimedia Commons

1945–1975

Космическая гонка холодной войны

После 1945 года Соединенные Штаты и Советский Союз нанимали немецких инженеров-ракетчиков и создавали конкурирующие космические программы в условиях соперничества времен Холодной войны. Бюро Королева запустило «Спутник» в 1957 году и «Гагарин» в 1961 году; Команда фон Брауна ответила высадкой на Луну Сатурна-5 и Аполлона в 1969–1972 годах. Сверхзвуковой, а затем гиперзвуковой полет, англо-французский «Конкорд» и советский Ту-144, а также программы баллистических ракет, которые оттеняли всю эпоху, были продуктами одной и той же финансируемой государством срочности, инженерные таланты рассматривались как стратегический ресурс, который нужно завербовать, защитить или, как в случае Цянь Сюэсэня, депортировать.

Приземление ракеты-носителя SpaceX Falcon 9 после запуска — Philip Terry Graham · Public domain · Wikimedia Commons

1976 – настоящее время

Шаттлы, спутники и многоразовые ракеты

«Спейс шаттл» (1981–2011 гг.) пытался сделать орбитальные полеты рутинными и частично преуспел, в то время как отрасли коммерческих спутников и авиалайнеров — главная из них — Airbus, основанная в 1970 году как европейский консорциум, — превратили аэрокосмическую технику в гораздо более крупный гражданский бизнес, чем только оборонный. Программа Китая, бездействующая со времен первых ракет Цянь Сюэсэня, быстро развивалась от первого пилотируемого полета «Шэньчжоу-5» в 2003 году до космической станции с постоянным экипажем к 2022 году. Приземление ракеты-носителя SpaceX в 2015 году вновь открыло вопрос, который в этой области считался решенным: ракета, как и авиалайнер, может быть запущена, проверена и запущена снова, а не выброшена после одного использования.

What this job replaced

Neighbouring trades that no longer exist — absorbed, automated or regulated away.

Человек-компьютер

1930–1960-е годы

До появления электронных компьютеров в аэрокосмических исследовательских организациях, таких как NACA, а затем и в NASA, работали математики (непропорционально много женщин, в том числе Кэтрин Джонсон и Дороти Воган из Лэнгли) для выполнения траекторных и аэродинамических расчетов вручную или с помощью механических калькуляторов. Электронные компьютеры взяли на себя необработанные вычисления с конца 1950-х годов, а выжившие специалисты-люди были переименованы в «аэрокосмических технологов» или инженеров, а не заменены полностью.

Бортинженер

1920–2000-е годы

Третий член экипажа в кабине, отвечающий за мониторинг двигателей, топливной системы и систем наддува на сложных поршневых и ранних реактивных авиалайнерах, считывающий десятки аналоговых приборов, которые пилот не мог наблюдать в одиночку. Автоматизированные системы «стеклянной кабины» на таких самолетах, как Boeing 757/767 и Airbus A320 (1980-е годы), перенесли этот мониторинг на бортовые компьютеры, а экипажи из двух пилотов стали стандартом авиакомпаний, что положило конец их роли в конструкциях новых самолетов.

Лофтсман

1910–1980-е годы

До появления компьютерного проектирования лофтмены работали в полном масштабе в заводских цехах, называемых литейными формами, вручную выравнивая сложные кривые самолета с помощью длинных гибких рейок, свинцовых гирь и меловых линий, чтобы каждый отдел строился по одной и той же истинной форме. Системы автоматизированного проектирования, такие как CATIA, принятые во всей отрасли в 1980-х и 1990-х годах, перенесли эту работу в программное обеспечение, и с авиационных заводов исчезли полы с формами.

Trades that vanished →

Почти каждый скачок в этой истории происходит по одной и той же схеме: теоретический пробел выявляется, закрывается в условиях срочности военного времени или холодной войны, а затем передается коммерческой индустрии, как только финансируемый государством риск оказывается жизнеспособным. Силы Кэли, пограничный слой Прандтля и ракеты фон Брауна — все прошли один и тот же путь от бумаги к оружию и к продукту.

Многоразовая ракета является последней версией этой модели, и она все еще пишется: делает ли регулярное повторное использование для космических полетов то же, что реактивный двигатель сделал для авиаперелетов - снижение затрат до тех пор, пока деятельность не станет ничем не примечательной - это открытый вопрос, к которому продолжает возвращаться остальная часть этого описания.

Similar professions

🧿

Continue exploring

Какая профессия вам подходит? Compare professions Очный разбор

🛰️Origins & Evolution

Where it began

Timeline

The eras