Аэродинамические силы при полётном маневрировании

Силы, действующие на ЛА при повороте. Если смотреть на совершающий установившийся прямолинейный полёт ЛА спереди (рис. 4-28) и вообразить видимыми силы, действующие на него в этом положе­нии, прежде всего, мы увидим две силы: подъёмную силу и вес.

Если ЛА вошёл в крен, очевидно, что подъёмная сила прямо не противодействует весу; скорее, она действует наклонно, в направлении крена. Основная истина о поворотах: когда ЛА входит в крен, подъёмная сила действует по направлению к центру разворота и вверх.

Первый закон Ньютона (закон инерции) утверждает, что объект, находящийся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, сохраняет это состояние, пока к нему не будет приложена какая-либо дополнительная сила. ЛА, как и любой движущийся объ­ект, отклоняется от прямолинейного движения только под воздействием боковой силы. При простом повороте эта сила обеспечивает крен ЛА, так, чтобы подъёмная сила действовала по направлению вверх и внутрь (к центру поворота). Во время поворота подъёмная сила разделяется на две составляющие, направленные под прямым углом друг к другу.

Первая составляющая направлена вертикально и противоположно весу (силе тяжести). Она называется вертикальной составляющей подъёмной силы. Вторая направлена горизонтально к центру поворота и, соответственно, называется горизонталь­ной составляющей подъёмной силы или центростремительной силой. Горизонтальная составляющая подъёмной силы смещает ЛА с прямолинейной траектории, заставляя его войти в поворот. «Равной по величине и противоположной по направлению» реакцией ЛА на изменение траектории полёта является центробежная сила, которая равна горизонтальной составляющей подъёмной силы и направлена в обратную ей сторону.

Это объясняет, почему при правильно выполняемом повороте сила, разворачивающая ЛА, никак не связана с рулём направления. Руль направления используется для корректировки любого отклонения между траекторией полёта и линией, проведенной от носа до хвоста ЛА. Правильным является такой поворот, при котором нос и хвост ЛА движутся по одной и той же траектории. Если во время поворота не используются руль направления, нос ЛА рыскает, отклоняясь вовне траектории поворота. Руль направления помогает вернуть нос ЛА в первоначальное положение, выровняв его по относительному ветру.

ЛА не управляется рулём, подобно морскому судну или автомобилю. Для того, чтобы повернуть ЛА, его необходимо накренить. Пока ЛА не войдёт в состояние крена, не появится сила, которая заставит его отклониться от прямолинейной траектории полёта. И наоборот, войдя в крен, ЛА начнёт совершать поворот (если при этом не станет скользить на крыло). Правильный путевой контроль основывается на том факте, что всякий раз, войдя в крен, ЛА стремиться совершить поворот. Пилоты не должны забывать об этом, когда стараются удержать ЛА в режиме установившегося прямолинейного полёта. Сам по себе вход в крен при повороте никак не меняет общую сумму сил, действующую на ЛА. Поскольку подъёмная сила во время крена разделяется на вертикальную и горизонтальную составляющие, доля подъёмной силы, противоположная силе тяжести и поддерживающая вес ЛА, уменьшается. Следовательно, чтобы ЛА не начал терять высоту, должна быть создана дополнительная подъёмная сила. Это достигается путём увеличения УА до тех пор, пока вертикальная составляющая подъёмной сила снова не станет равной весу.

Поскольку с увеличением угла крена вертикальная составляющая подъёмной силы уменьшается, УА должен постепенно увеличиваться, создавая достаточную вертикальную подъёмную силу для поддержки веса ЛА в воздухе. Пилотам необходимо помнить, что при повороте на постоянной высоте вертикальная составляющая подъёмной силы должна быть равна весу. Для каждого значения воздушной скорости угловая скорость поворота (УСП) ЛА зависит от величины горизонтальной составляющей подъёмной силы. Установлено, что горизонтальная составляющая подъёмной силы пропорциональна углу крена, — иначе говоря, увеличивается и уменьшается по мере увеличения или уменьшения угла крена соответственно.

Когда угол крена увеличивается, горизонтальная составляющая подъёмной силы тоже увеличивается, тем самым увеличивая УСП. Таким образом, на любой выбранной воздушной скорости УСП контролируется коррекцией угла крена. Для создания вертикальной составляющей подъёмной силы, достаточной для сохранения высоты в горизонтальном полёте, необходимо увеличить УА. Поскольку лобовое сопротивление аэродинамической поверхности прямо пропорционально УА, по мере роста подъёмной силы индуктивное сопротивление также увеличивается. Это, в свою очередь, приводит к потере воздушной скорости в прямой зависимости от угла крена. При малом угле крена возникает малая потеря воздушной скорости, а при большом — соответственно, большая.

Для предотвращения потери воздушной скорости при горизонтальном повороте необходимо увеличить тягу (мощность двигателя). Величина дополнительной тяги пропорциональна углу крена. Для того, чтобы компенсировать дополнительную подъёмную силу, возникающую при увеличении воздуш­ной скорости во время поворота на постоянной высоте, должен быть уменьшен УА или увеличен угол крена. Если угол крена сохраняется постоянным, а УА уменьша­ется, УСП падает. Для того, чтобы сохранить постоянную УСП при увеличении воздушной скорости, УА должен оставаться постоянным, а угол крена — расти.

Повышение воздушной скорости приводит к увели­чению радиуса поворота, а центробежная сила прямо пропорциональна этому радиусу. Если поворот выпол­няется правильно, горизонтальная составляющая подъ­ёмной силы должна быть равна по величине центробеж­ной силе и противоположна ей по направлению. Когда во время поворота, постоянного по угловой скорости, воздушная скорость возрастает, радиус поворота уве­личивается. Это увеличение, в свою очередь, вызывает увеличение центробежной силы, которое должно быть уравновешено увеличением горизонтальной составля­ющей подъёмной силы, что можно обеспечить только ростом угла крена.

В повороте с внутренним скольжением УСП недо­статочна для используемого крена, поскольку ЛА ры­скает, отклоняя нос вовне траектории поворота. Для достигнутой УСП крен слишком велик, поэтому гори­зонтальная составляющая подъёмной силы больше, чем центробежная сила (рис. 4-29).

Равновесие между гори­зонтальной составляющей подъёмной силы и центро­бежной силы восстанавливается путём снижения угла крена или увеличения УСП, либо комбинацией двух этих способов.

Поворот с внешним скольжением происходит при из­лишней центробежной силе, превышающей горизон­тальную составляющую подъёмной силы. В результате центробежная сила тянет ЛА за пределы траектории поворота. УСП слишком высока для достигнутого угла крена. Поэтому коррекция поворота с внешним сколь­жением предполагает снижение УСП или увеличение крена, либо комбинацию двух этих способов.

Для сохранения выбранной УСП угол крена должен из­меняться вместе с воздушной скоростью. Это особенно важно для высокоскоростных ЛА. Например, при скоро­сти 650 км/ч ЛА должен иметь угол крена примерно 44°, чтобы выполнить поворот с постоянной угловой скоро­стью 3° в секунду. При таком угле крена вертикальная со­ставляющая подъёмной силы составляет только 79% от её общей величины. Поэтому необходимо существенно увеличить УА, чтобы компенсировать потерю вертикаль­ной подъёмной силы. Если этого не сделать, произойдёт значительная потеря высоты.