Сваливание на крыло как аэродинамический процесс

Сваливание на крыло происходит вследствие резкого уменьшения подъёмной силы, вызванного срывом воздушного потока с поверхности крыла при превышении критического УА. Сваливание может произойти в любом положении по тангажу и при любой скорости. Сваливание относится к числу хуже всего понимаемых аэродинамических процессов, поскольку пилоты часто полагают, что причиной сваливания является прекращение создания крылом подъёмной силы. В ходе сваливания крыло не прекращает создавать подъёмную силу полностью. Скорее, оно не может создать подъёмную силу достаточной величины, чтобы сохранить режим горизонтального полёта.

С увеличением УА Су также растёт. В некоторой точке коэффициент достигает максимума, а затем начинает падать. Этот максимум обозначается как С. После превышения Су или критического УА величина создаваемой крылом подъёмной силы существенно уменьшается, но (как было сказано выше) оно не перестаёт создавать подъёмную силу полностью. У большинства прямокрылых ЛА крылья проектируются так, чтобы срыв потока начинался у их корня. Корень крыла первым достигает критического УА, а затем срыв потока распространяется к концевой его части. Этот факт позволяет сохранить управляемость ЛА с помощью элеронов, расположенных ближе к концевой части крыла.

Для обеспечения начального срыва потока у корня крыла используются различные методы. Один из вариантов — «скрученное» крыло с более высоким УА у корня. Другой метод создания раннего корневого срыва — установить срывные накладки в передней чет­верти крыла (возле его передней кромки).

В режиме сваливания крыло продолжает создавать подъёмную силу. В противном случае ЛА упал бы на землю. Большинство учебно-тренировочных ЛА сконструированы таким образом, чтобы во время сваливания на крыло их нос опускался, снижая УА и выводя ЛА из режима сваливания. Это «стремление к пикированию» вызвано тем, что ЦД таких ЛА находится позади ЦТ. Расположение ЦТ имеет большое значение для способности ЛА выходить из режима сваливания. Если допустить, чтобы центр тяжести ЛА располагался вне конструктивно допустимой зоны, у пилота могут возникнуть трудности с выходом из режима сваливания. Самые серьёзные проблемы появляются, если ЦТ располагается позади конструктивно допустимой зоны (ближе к хвосту). В такой ситуации пилот может оказаться не способным создать (с помощью руля высоты) достаточную подъёмную силу, чтобы скомпенсировать увеличившийся вес ЛА. Поскольку уменьшить УА будет невозможно, ЛА продолжит двигаться в режиме свали­вания вплоть до контакта с землёй.

Скорость сваливания конкретного Л А не является постоянной для всех полетных ситуаций, но каждый ЛА всегда входит в сваливание на одном и том же УА, безот­носительно к его воздушной скорости, весу, коэффициенту загрузки и высоте по плотности. Для каждого ЛА существует определённый УА, при котором воздушный поток отрывается от верхней поверхности крыла и происходит сваливание. Этот критический УА лежит в пределах от 16° до 20°, в зависимости от конструкции ЛА. Но каждый ЛА имеет единственный УА, на котором происходит сваливание.

Встречаются три полётные ситуации, в которых критический УА может быть превышен: низкая скорость, высокая скорость и поворот.

ЛА может войти в режим сваливания из установившегося прямолинейного полёта, если его скорость слишком низка. При уменьшении воздушной скорости УА должен быть увеличен, чтобы восстановить подъёмную силу, необходимую для сохранения высоты. Чем ниже скорость, тем больше должен быть УА. В конце концов, достигается такой УА, при котором крыло становится неспособным создать достаточную подъёмную силу, чтобы поддержать ЛА, входящий в режим сваливания. Если воздушная скорость продолжает падать, ЛА входит в режим сваливания, поскольку УА превысил критический и воздушный поток сорвался с крыла.

Вход в режим сваливания может происходить не только при низкой скорости. Крылу можно придать чрезмерный УА на любой скорости. Например, ЛА может войти в пикирование на скорости 200 км/ч, если пилот резко отклонит на себя тягу руля высоты (рис. 4-32).

Сила тяжести и центробежная сила препятствуют мгновенному изменению траектории, но УА может резко измениться с очень малого до очень большого. Поскольку направление относительного ветра определяется траекторией полёта ЛА и движением набегающего воздушного потока, УА резко увеличивается, и ЛА может достичь критического УА на гораздо большей скорости, чем обычная скорость сваливания. Скорость сваливания ЛА во время выполнения горизонтального поворота выше, чем при установившемся прямолинейном полёте (рис. 4-33).

Центробежная сила увеличивает вес ЛА, и крыло должно создавать значительную дополнительную подъёмную силу, чтобы уравновесить нагрузку, вызванную сочетанием центробежной силы и веса. В свою очередь, необходимая дополнительная подъёмная сила создаётся отклонением назад тяги руля высоты. Это увеличивает УА крыла, и, следовательно, его подъёмную силу. При увеличении угла крена УА также должен увеличиться, чтобы противодействовать нагрузке, вызванной центробежной силой. Но если в какой-либо момент УА превысит критический, ЛА войдёт в режим сваливания на крыло.

Теперь перейдём к рассмотрению того, как ведёт себя ЛА в режиме сваливания. Чтобы уравновесить ЛА аэродинамически, ЦД должен располагаться позади ЦТ. Хотя это неизбежно делает ЛА перетяжелённым на нос, снос потока с горизонтального стабилизатора препятствует стремлению ЛА к опусканию носа. В момент сваливания на крыло, когда действующая вверх подъёмная сила крыла и действующая вниз хвостовая сила исчезают, ЛА выходит из равновесного состояния. В результате ЛА резко опускает нос, поворачиваясь вокруг своего ЦТ. ЛА входит в состояние пикирования, УА уменьшается, а воздушная скорость снова возрастает. Воздушный поток снова начинает плавно обтекать крыло, возникает подъёмная сила, и ЛА возвращается в полётный режим. В ходе этого цикла может произойти значительная потеря высоты.

В ходе обсуждения процесса сваливания на крыло необходимо упомянуть о форме аэродинамической поверхности и о факторах, которые могут привести к потере этой формы. Например, если позволить льду, снегу и инею скапливаться на поверхности ЛА, плавное обтекание крыла воздушным потоком будет нарушено. В результате граничный слой может отделиться от аэродинамической поверхности при УА ниже, чем критический. Подъёмная сила резко снижается, ухудшая лётно-технические характеристики ЛА. Если позволить льду скапливаться на поверхности ЛА во время полёта (рис. 4-34), вес ЛА будет расти, в то время как его способность создавать подъёмную силу снизится.

Слой льда толщиной всего 0,8 мм на верхней поверхности крыла увеличивает лобовое сопротивление и уменьшает подъёмную силу ЛА на 25%. Обледенение может произойти в любое время года, в любой точке земного шара, на высотах до 5,5 км, а иногда и выше. Малые ЛА, включая самолёты местных авиалиний, наиболее уязвимы для обледенения, поскольку они летают на меньших высотах, где обледенение происходит более часто. У них также отсутствуют обычные для реактивных самолётов средства, предотвращающие намерзание льда путём нагрева переднего края крыльев.

Обледенение может произойти при полёте среди облаков, когда температура опускается ниже точки замерзания. Переохлаждённые капли воды скапливаются на поверхности ЛА и замерзают. (Переохлаждённые капли воды сохраняют жидкое состояние даже при температуре ниже 0 °С).