Как самолет летает. Факторы, влияющие на величину подъемной силы

Возьмите двумя руками лист бумаги и держите его так, чтобы ближний конец был немного ниже дальнего. Лист провиснет. Подуйте вдоль листа. Он будет подниматься, пока не вытянется. Почему лист поднимается, когда на него дуют сверху?

Все дело в том, что скорость потока связана с давлением воздуха. Воздух, обтекающий лист бумаги (крыло) сверху, должен пройти больший путь, чем обтекающий крыло снизу. Следовательно, воздух сверху ускоряется и его давление падает. Высокое давление более медленного потока воздуха снизу крыла и создает «подъемную силу».

Поток воздуха течет вокруг крыла [1] и создает подъемную силу [2]. Воздушный поток поднимается вверх на передней кромке [3], проходит по верхней плоскости крыла и резко стекает вниз с задней кромки. Предкрылки и закрылки усиливают подъемную силу и воздушный поток, обтекающий верхнюю плоскость крыла, напоминает повернутую вниз букву U. Изменяя форму и профиль крыла, можно достичь наибольшего отношения подъемной силы к лобовому (аэродинамическому) сопротивлению.

Крылья и воздушный поток. У обычного дозвукового самолета верхняя сторона крыла выпуклая. У самолетов, летающих с низкой скоростью, нижняя часть может быть довольно плоской, причем наиболее широкая часть профиля заметно смещена по направлению к передней кромке крыла. В высокоскоростных самолетах профиль крыла почти симметричный, и наиболее широкая часть находится примерно посередине между передней и задней кромками. В любом случае подъемная сила в основном появляется за счет уменьшения давления из-за более быстрого движения воздуха вдоль верхней части крыла. Подъемная сила слегка увеличивается за счет повышения давления с нижней стороны крыла по сравнению с атмосферным.

Форма крыльев зависит от их назначения. Планеры [А] имеют длинные узкие крылья для максимальной подъемной силы при минимальном лобовом сопротивлении на низких скоростях (80-145 км/ч). Простое, толстое крыло легких самолетов [Б] обеспечивает достаточно большую подъемную силу при низких скоростях полета. Крыло сверхзвуковых лайнеров [В] оптимально для полетов со скоростью, равной двойной скорости звука (М = 2; 2175 км/ч), и намного менее эффективно при взлете и посадке. Сверхзвуковому военному самолету [Г] часто необходимы «крылья изменяемой стреловидности», которые можно сложить назад для оперативного полета или вытянуть в стороны для перелетов или патрулирования.

Факторы, влияющие на величину подъемной силы. Подъемная сила зависит от угла атаки (угол, с которым крыло встречает набегающий поток воздуха): чем больше угол атаки, тем она больше. При коротких, но очень широких крыльях («Конкорд») углы атаки могут быть велики. Но при обычных крыльях при увеличении угла атаки к 18° подъемная сила становится неустойчивой, потоку воздуха становится трудно прилегать к верхней части крыла во всех его точках, и он срывается, стекая с крыла в виде больших вихрей. Подъемная сила резко уменьшается и самолет теряет устойчивость [2].

При высокой скорости движения самолета [А] угол атаки маленький.

При уменьшении скорости полета нос самолета необходимо поднимать, чтобы сохранить высоту [Б]. Превышение критического угла атаки может свалить самолет в штопор [В]

Подъемная сила зависит также от величины квадрата скорости набегающего потока; при фиксированном угле атаки подъемная сила может быть 10000 Н при 100 км/ч, 40000 Н-при 200 км/ч и 90 000 Н - при 300 км/ч.

Летчику известны масса самолета, высота аэродрома над уровнем моря и температура окружающего воздуха (жаркие или высокорасположенные зоны имеют более разреженный воздух, и подъемная сила там будет меньше). Для каждого такого набора параметров можно вычислить, как быстро должно крыло двигаться сквозь воздух, чтобы максимальная подъемная сила (с небольшим запасом для безопасности во избежание срыва потока воздуха) превысила массу самолета. Подъемную силу при малых скоростях можно намного увеличить, опуская закрылки и щитки на задней кромке крыла, а предкрылки, которые служат для увеличения кривизны профиля крыла,-вдоль передней кромки. Эти приспособления изменяют профиль крыла, так что крыло эффективнее использует набегающий поток воздуха и тем увеличивает разницу давлений между нижней и верхней плоскостями. При соответствующей скорости полета летчик берет на себя ручку управления [1], горизонтальная часть оперения (рули высоты, а часто и весь стабилизатор) отклоняется и воздушный поток толкает хвост самолета вниз; угол атаки крыла достигает величины, при которой подъемная сила превышает массу самолета, и самолет взлетает.

Управляющие элементы ведут себя так же, как миниатюрные крылья. Это элероны для вращения [А] вокруг продольной оси, обеспечивающие поперечное управление самолетом; рули высоты для вращения [Б] вокруг поперечной оси, обеспечивающие продольное управление самолетом, и руль направления для рысканья [В] вокруг вертикальной оси для управления самолетом по направлению полета.

При отклонении ручки управления в стороны левый и правый элероны наклоняются в разные стороны, так как если одно крыло поднимается, то второе должно опускаться. Движение ручки вперед- назад отклоняет левый и правый рули высоты совместно, так как оба работают одинаково, чтобы поднимать или опускать хвост самолета для пикирования или набора высоты. Если элеронов нет, левая и правая части стабилизатора могут вращаться в разные стороны для управления креном самолета относительно продольной оси. Управление рулем направления производится с помощью педалей.

В очень больших или высокоскоростных самолетах отдельные или даже все управляющие элементы приводятся в движение гидравлическими устройствами, а рычагам и педалям в кабину летчика сообщается искусственное «сопротивление».

Управление самолетом. Когда определенная скорость и высота достигнуты, летчик начинает «приводить в порядок» самолет, убирая различные щитки. По мере возрастания скорости угол атаки крыла уменьшается, поэтому самолет остается на одном уровне. На полной скорости крыло скользит плоско. Но при любом резком маневре, например крутом повороте, крылу необходимо создавать сильно увеличенную подъемную силу. Система контроля угла атаки предупреждает летчика о малейшем приближении самолета к критическому углу, что особенно важно в разреженном воздухе на больших высотах, где углы атаки крыла больше. «Абсолютный потолок» высоты-это такая высота, для полета на которой необходим критический угол атаки даже при максимальной скорости.

В прямолинейном горизонтальном полете управляющие элементы крыльев составляют часть общей поверхности крыла. Любое движение органов управления в кабине самолета отклоняет эти элементы или руль направления, чтобы заставить самолет вращаться вокруг одной или нескольких его осей вращения [1]. Руль направления используется в основном для «координатного» поворота, причем нос самолета движется влево или

вправо вдоль горизонта. Крылья наклоняются, чтобы дать составляющую подъемной силы, действующей по направлению к центру поворота, и таким образом руль поворота и элероны работают вместе. При посадке летчик ведет самолет вдоль по центральной линии взлетнопосадочной полосы на такой скорости, при которой крыло (со всеми выпущенными приспособлениями, увеличивающими подъемную силу) достигает критического угла атаки при касании колесами полосы. Многие самолеты выпускают интерцепторы при касании земли, чтобы погасить подъемную силу. Они же совместно с элеронами или без них вращают самолет при высоких скоростях полета или тормозят при заходе на посадку.

Дешевый поршневой двигатель [А] пригоден для самолетов с низкой скоростью. Турбовинтовой двигатель [Б] лучше приспособлен для работы в самолетах большего размера. Турбовентиляторные двигатели [В-Д] устанавливаются на самолетах, летающих с высокими дозвуковыми скоростями (авиалайнерах). В двигателе [В] часть воздуха выбрасывается через специальное кольцевое сопло.

В двигателе [Г] вентилятор многоступенчатый. В форсажную камеру двигателя сверхзвуковых самолетов [Д] перед соплом впрыскивается дополнительное топливо, что увеличивает силу тяги.

Вертикальный взлет предусматривался в самолете HS141 реактивными двигателями [1]. После отрыва должны работать турбовентиляторные двигатели [2], а стартовые отключаться [3]. Самолет CL-84 имел два турбовинтовых двигателя на поворотном крыле, наклоненном под 90е для взлета [4, 5, 6]. На самолете «Харриер» двигатели с поворотным соплом направляли струю газов вниз [7] и поворачивались, когда подъемную силу создавали крылья [8, 9]. Самолет DHC 7 имел особые закрылки, которые отклоняли скользящий поперек крыла поток воздуха вниз для взлета [10] до выхода на режим нормального полета [11].