Урок 4: Медленный полет

Выполнить этот урок сейчас

—Род Мачадо

Приступим к делу. Я привяжу Вас к сиденью самолёта, который может лететь со скоростью 120 узлов, – в два раза быстрей машин на дороге, – с одним единственным заданием, – лететь так медленно, как только Вы сможете. Звучит просто, да? На деле, не совсем. Это всё равно, что просить автогонщика гонок Indy 500 не переключать коробку передач выше первой скорости. Есть, однако, весомая причина, вынуждающая нас иногда летать медленно.

Именно Ваше умение летать на минимально возможных скоростях позволяет судить, справитесь ли Вы с самым важным элементом полёта – посадкой. Можно, конечно попытаться посадить самолёт на крейсерской скорости, но вряд ли из этого получится что-либо путное, - ведь самолёты не рассчитаны на перегрузки, которые возникнут при таком «манёвре». Кроме того, Вы ведь не хотите спалить покрышки колёс шасси, не так ли? Как правило, чем меньше ваша скорость сразу после приземления, тем легче удержать самолёт на пробеге от выкатывания за пределы ВПП

В тоже время, самолёт не может летать слишком медленно – он просто сорвётся и упадёт (остановка двигателя не обязательно причина такого падения). Я хочу научить Вас летать на медленных скоростях так, чтобы вы чувствовали себя комфортно, умея определить момент, когда это может стать опасным. Кроме всего прочего, иногда приходится лететь за тихоходными самолётами. Это только несколько из причин, почему надо уметь летать медленно. Это очень важный манёвр.

Давайте начнём с обсуждения того, как крылья самолёта создают подъёмную силу.

Крыло и его части

Много лет тому назад, когда я изучал теорию, инструктор спросила у меня, откуда произошло слово крыло, и что оно означает. Я ответил, «Мэ…эм, я считаю, что это китайское слово и означает «рука птицы»». Она пробормотала что-то о том, что теперь понимает, почему у некоторых животных принято поедать детёнышей сразу после их рождения. Затем она подошла к книжной полке, взяла словарь и посмотрела, как это определено там. Крыло было определено в словаре, как «подвижное, парное приспособление для летания». Она посмотрела на меня и спросила, «Ну, как ты себе это представляешь?» Я сказал, «Ну, мэм, я представляю себе это как руку птицы». Мы согласились не соглашаться, несмотря на то, что я был прав.

В крыле различают несколько частей: верхняя выпуклая поверхность, нижняя выпуклая поверхность, передняя кромка, задняя кромка и линия хорды (Рисунок 4-1).

Рисунок 4-1 Пять частей крыла.

Обратите внимание, на взгляд верхняя выпуклая (имеется в виду изогнутая, крученая) поверхность изогнута больше, чем нижняя выпуклая поверхность. Это не случайно. На деле это настолько важно, что мы обсудим этот вопрос подробнее.

Наверное, единственный термин, не понятный интуитивно, это линия хорды. Хорда - это воображаемая линия, соединяющая переднюю и заднюю кромки. Поверьте мне, внутри крыла нет линии, похожей на эту. Это всего лишь воображаемая линия, похожая на стрелки, изображавшие четыре силы в Уроке 1. Когда продавец обуви указывает на вашу ногу и говорит: "Ваш палец здесь", вам хочется ответить: "Спасибо, нашел, наконец". В действительности он или она указывают на положение чего-то, не очевидного визуально. Линия хорды делает нечто подобное. Учитывая гнутость поверхности крыла трудно сказать, куда направлено крыло. А так как инженеры не любят неопределенности, то они договорились, что линия хорды будет представлять общее взаиморасположение крыла.

Как работают крылья

Чтобы понять суть подъемной силы, вы должны представить себе, как крыло атакует воздух. Авиаинженеры говорят, что крыло взаимодействует с воздухом или атакует его под определенным углом. Это происходит в основном так же, как питбуль атакует почтальона – зубы начинают. Какая из поверхностей крыла атакует? Передняя кромка? Задняя? Или это нижняя поверхность крыла? Вот тут и оказывается полезным определение линии хорды.

Так как крылья бывают разных размеров и форм (как и пилоты), то иногда сложно точно определить, как и где ветер ударяется о крыло. К счастью, линия хорды довольно точно передаёт представление о положении частей крыла. Если я говорю, что ветер дует на крыло под углом атаки в 18 градусов, то это значит, что угол между направлением ветра (воздушного потока) и линией хорды - 18 градусов (Рисунок 4-2).

Рисунок 4-2 Угол атаки. Угол атаки - это угол между линией хорды и относительным ветром (это ветер, который дует на крыло).

Это определение, хоть оно и кажется банальным, так же важно для инженера, как и хорошо облегающие штаны для матадора.

Относительный ветер (относительный воздушный поток, ВП)

Еще одно определение, которое надо понять прежде, чем раскроются секреты крыла. Это - относительный воздушный поток (ВП).

Движение самолёта порождает воздушный поток над и под крылом. Этот поток называется относительным потому, что он относителен (или является результатом) движения. Например, на Рис. 4-3 независимо от того, в какую сторону бежит бегун, он будет чувствовать, что ветер дует ему в лицо и этот ветер относителен (противонаправлен и равен по величине скорости) его движения.

Рисунок 4-3 Относительный воздушный поток.
Относительный ВП появляется вследствие движения объекта.
Несмотря на то, что настоящий ветер дует сзади, бегун
ощущает ветер на лице в результате бега.
Относительный ветер относителен (равен по скорости и противоположен по направлению)
к движению объекта.

Относительный воздушный поток, это ветер, порождаемый движением и равен и противонаправлен ему. Чтобы проиллюстрировать это, высуньте руку в окно движущегося автомобиля (пожалуйста, пусть остальные части тела остаются внутри). Вы ощутите ветер, дующий в направлении, противоположном направлению движения автомобиля. Проедьтесь по автобану задним ходом, и Вы ощутите ветер, дующий сзади, и услышите звучание множества автомобильных сигналов (а так же привлечёте внимание полиции). Ведите самолет вперед, как это показано для самолета А на рисунке 4-4, и ветер будет дуть ему в лоб.

Рисунок 4-4 На всех иллюстрациях показано, что относительный ВП
дует в направлении противоположном направлению движения самолета.

Когда самолет поднимается или снижается (как будто он поднимается на воображаемый холм или спускается с него, как мы обсуждали в Уроке 2), относительный ветер всё ещё дует в лоб (самолеты В и С). Отпустите самолёт, и относительный ветер будет дуть на его "брюхо" (самолет D). И пока самолет D находится в таком положении, ветер всегда дует в его брюхо. А что до пассажиров, то они, наверное, находятся под передним сидением в позе эмбриона и совершают спиритические передачи, не требующие радио. Постарайтесь не пугать ваших пассажиров. Это не хорошо, и они этого не любят.

Следующий вопрос настолько важен, что я хочу, чтобы вы заткнули пальцем одно ухо. Вперед, сделайте это немедленно! Я требую это от вас, потому что не хочу, чтобы данная информация влетела вам в одно ухо и вылетела из другого. Очень важно запомнить, что направление относительного ветра не зависит от того, куда направлен нос самолета. Относительный ветер дует в направлении, противоположном направлению движения самолета, и со скоростью, равной скорости (ускорению) самолета. Посмотрим, как на самом деле крыло атакует ветер, чтобы произвести подъёмную силу.

Атакуя воздух

Для некоторых людей охота это спорт. Такой спорт, в котором Ваш соперник не знает, что он тоже участник соревнования. Атака животного требует, чтобы охотник направил своё оружие на жертву очень точно. Охотник смотрит через прицел ружья, и «видит» траекторию полёта пули. Самолёт отличается от ружья (и автомобиля) тем, что траектория, по которой он набирает высоту, довольно сильно отличается от той точки, куда мы нацелили его нос, задирая его вверх.

Помните ту 750 футовую пожарную каланчу чуть поодаль от конца взлётной полосы? Если Вы при взлёте просто прицелитесь носом самолёта чуть выше её крыши, то вовсе не факт, что вы успешно преодолеете это препятствие. Единственное, что Вы действительно при этом преодолеете (и при этом навсегда очистите от своего присутствия), так это пространство от ВПП до стен башни, о чём и пытается прокричать Вам пожарник с её смотровой площадки. Запомните, что самолёты с ограниченной тягой набирают высоту по пологим траекториям – совсем не как современные реактивные истребители.

Самое важное, что нужно тут усвоить (снова засуньте палец в ухо) - это то, что нос (а так же крыло) самолёта может смотреть не туда, куда в действительности ведёт траектория самолёта. Существует некоторый угол между тем направлением, куда «прицелено» крыло, и его траекторией полёта (вскоре увидите почему). Помня о том, что относительный воздушный поток противонаправлен и равен по величине траектории полёта, уточним, что существует угол между хордой крыла и относительным воздушным потоком. Этот угол назван углом атаки. (Рисунок 4-5).

Рисунок 4-5 Угол атаки.

На рисунке 4-6 показано, что крыло (линия хорды) самолета А имеет угол в 5 градусов к относительному ВП.

Рисунок 4-6 Угол атаки. Как образуется подъемная сила.

Чаще говорят, что угол атаки крыла 5 градусов. У самолетов В, С и D углы атаки, соответственно, 10, 30 и 45 градусов. Чем больше разница между направлениям хорды крыла и относительного ветра, тем больше угол атаки. И, как вы уже почти понимаете, подъемная сила крыла напрямую связана с углом атаки.

Как образуется подъемная сила

Крыло - это нож для воздуха. Такой же могущественный, как меч самурая или удар в карате, это точное устройство для разрезания воздуха специфическим образом. Крыло создано для того, чтобы рассекать молекулы воздуха, разделяя их и ощущая небольшое сопротивление в горизонтальном направлении. Любое "горизонтальное" сопротивление снижает скорость крыла. Это горизонтальное сопротивление называется лобовое сопротивление, и естественно, что чем оно меньше, тем лучше.

На рисунке 4-7 показано, как ВП обтекает крыло при угле атаки 10 градусов.

Рисунок 4-7 Воздушный поток над и под крылом.
Подъёмная сила образуется с помощью воздуха, обтекающего крыло сверху и снизу

Поток воздуха ударяет в переднюю кромку крыла, вынуждая воздух обтекать крыло сверху и снизу. И поток, который идет над крылом, и тот, который идет под крылом, отвечают за подъемную силу. Давайте сначала уточним, как воздушный поток, проходящий под нижней частью крыла, продуцирует некоторую часть общей подъемной силы.

Сила удара против силы давления (подъёмная)

Рука, высунутая из окна едущего автомобиля, делает две вещи: она демонстрирует, как относительно рыхлая среда производит подъёмную силу и показывает левый поворот. Рис. 4-8 показывает, что воздушный поток отклоняется вниз, когда он атакует Вашу руку.

Рисунок 4-8 "Ударная" подъемная сила. Воздушный поток, ударяющийся в руку, отклоняется вниз. Это сообщает руке действие силы, силой равной "по силе" и направленной вверх. Под нижней частью руки создается высокое давление из-за воздействия молекул воздуха.

Согласно сэру Исааку Ньютону, разбиравшемуся в таких вещах, на каждое действие имеется равное противодействие. Ветер, отклонённый вниз аэродинамической поверхностью, создаёт направленное вверх движение крыла. Крыло перемещается вверх энергией, полученной в результате соударения крошечных молекул воздуха и нижней поверхностью крыла. Кроме того, результатом столкновения с молекулами является более высокое давление на нижнюю часть крыла. Крыло как бы выталкивается вверх.

Такой тип подъемной силы называется толчковой (ударной, определяемой по закону Ньютона) подъёмной силой. Её вклад в суммарную подъёмную силу, развиваемую крылом, обычно, невелик, и это означает, что люди не могут летать только под воздействием ударов. Если бы это случалось, то сообщали бы о летающих людях (или, скажем калитках, ибо этот тип подъёмной силы называют ещё "калиточной", barn door lift) вместо НЛО.

Другой, гораздо более продуктивный тип подъёмной силы производится воздушным потоком, обтекающим верхнюю изогнутую поверхность крыла.

Изгиб воздуха крылом

Искусство гнуть бумагу развито японцами и называется оригами. Ими же в процессе дальнейших экспериментов развито и искусство изгибать людей – дзюдо. Эстафету в скручивании людей у дзюдоистов перехватили авиакомпании, со своей концепцией «летающего автобуса».

Авиалайнеры (и самолёты вообще), изгибают нечто иное, – они гнут ветер крыльями. «Изгибание ветра» - звучит недостаточно вразумительно для описания того, почему самолёты летают, поэтому был введён причудливый греческий термин – аэродинамика. Говоря проще, крыло, - точнейший инструмент для изгибания или отклонения ветра вниз.

Но каким образом выгибание ветра над крылом создаёт подъёмную силу? Давайте разберемся. На рисунке 4-9 показан ВП в разрезе.

Рисунок 4-9 Воздушный поток над и под крылом, угол атаки мал.
При малых углах атаки воздух над крылом
искривляется, тогда как поток воздуха под крылом относительно прям.

Тщательно изучим его форму. При небольших углах атаки воздух, идущий над крылом, изгибается или искривляется, с большой точностью повторяя форму верхней изогнутой поверхности. Нижняя поверхность крыла, которая по сравнению с верхней, почти прямая, не так сильно искривляет траекторию набегающего потока воздуха. Поскольку траектория той части воздушного потока, которая огибает верхнюю изогнутую часть крыла, искривлена, то эта часть потока проходит большую дистанцию от передней кромки крыла до его задней кромки, чем та часть, что идёт снизу. Если верхний поток достигает задней кромки крыла примерно в то же время, что и нижний поток (по крайней мере, об этом свидетельствуют результаты эксперимента и теория), то потоку над верхней поверхностью крыла придётся увеличить скорость, ибо ни проходит больший путь.

Например, предположим, что вы выгуливаете своего питбуля (по кличке Боб) на поводке. Вы на тротуаре, а Боб прогуливается по бордюру (Рисунок 4-10).

Рисунок 4-10 Разные расстояния - по кривой над машиной и по прямой
(похоже на крыло).

Боб видит припаркованный Фольксваген и решает, что ему лучше перелезть через него его, чем обходить (не забывайте - это питбуль…а они упрямые). Очевидно, что путь по авто больше того, которое вы пройдете по тротуару. Так как Боб на поводке, то ему надо немного ускориться, чтобы не быть придушенным.

Вы заметили, что профиль Фольксвагена похож на крыло в разрезе? Он изогнут вверх и почти прямой снизу.

Когда ВП огибает верхнюю часть крыла, он искривляется и ускоряется.

Спасибо за подъемную силу, мсье Бернулли!

Нечто замечательное происходит, когда воздушный поток над верхней поверхностью крыла ускоряется. В конце 1600-х годов швейцарский физик, Якоб Бернулли, выяснил, что чем быстрее воздух проходит над поверхностью, тем меньшее давление он оказывает на эту поверхность. Ускорение потока над крылом приводит к некоторому падению давления на верхнюю поверхность крыла. Иными словами, давление потока сверху крыла теперь меньше, чем снизу (только не спрашивайте почему, это связано с переходами кинетической энергии и детальное объяснение ввергнет Вас в состояние сходное с тем, которое бывает после трансорбитальной лоботомии). Известный как принцип Бернулли, этот фокус позволил самолётам стать чем-то большим, чем просто большими и дорогими летающими змеями.

Большинство крыльев сконструированы с верхней поверхностью изогнутой и нижней поверхностью относительно прямой. Благодаря такой форме крыла даже на малых углах атаки гнутая поверхность искривляет и несколько ускоряет воздушный поток. В результате мы имеем подъёмную силу, которую нам надо научиться любить, особенно, если мы считаем, что самолёты должны летать.

Влияние угла атаки на подъёмную силу.

Вы когда-нибудь замечали во время полета на пассажирском самолете, что пилот всегда во время взлета слегка поднимает нос самолета, чтобы начать подниматься, после того как наберет определённую скорость? Этот момент называется «отрыв носового колеса», но он не имеет ничего общего с отрыванием колеса от самолёта.

По мере того, как самолёт разгоняется по взлётной полосе, он в какой-то момент достигает скорости, достаточной для взлёта. Но на этой, относительно небольшой, скорости, рассчитанная кривизна крыла ещё не способна отклонить достаточно воздуха, чтобы получить необходимое для взлёта количество подъёмной силы. Вот почему самолёт не подпрыгивает в воздух как кузнечик, только что приземлившийся на горячее барбекю. Пилот должен сделать что-либо ещё, чтобы искривить траекторию потока ещё сильнее. Задирая нос самолёта, он слегка увеличивает угол атаки. Это заставляет воздух идти по более кривой траектории, чем та, по которой его заставляет идти рассчитанная для этой скорости кривизна профиля крыла.

Рисунок 4-11 Две формы подъёмной силы.
А – Подъёмная сила из-за низкого давления. При больших углах атаки воздушный поток вынужден изгибаться в соответствии с формой крыла.

В – "ударная" подъемная сила в нижней части
крыла увеличивается с увеличением угла атаки.

Рис. 4-11 иллюстрирует это процесс. Благодаря этому дополнительному искривлению воздух проходит большую дистанцию, его скорость растёт, давление в верхней часть потока (той, что над крылом) падает и достаточная для взлёта подъёмная сила развивается на меньшей поступательной скорости самолёта. Сказывается так же увеличение «ударной» подъёмной силы (как у воздушного змея) от столкновения с воздухом нижней поверхности крыла. Таким образом, увеличение угла атаки позволяет самолёту развить большую подъёмную силу на более медленной скорости.

Теперь Вы знаете, как аэродинамические поверхности и потоки образуют подъёмную силу на более медленных скоростях. Вы так же знаете, почему у взлетающих и приземляющихся самолётов нос задран. Но что будет на больших скоростях? Замечали ли Вы, что на крейсерских скоростях полёта самолёты летят с около нулевым тангажём?

На рисунке 4-12 показан самолет на различных углах атаки.

Рисунок 4-12 Соотношение между углом атаки и скоростью.
При изменениях скорости в горизонтальном полете зависимость между
углом атаки и скоростью полета просматривается достаточно четко.
С увеличением скорости полета самолету требуется меньший угол атаки,
чтобы оставаться в воздухе. При уменьшении скорости
полета требуется больший угол атаки.

На больших скоростях самолёты могут лететь с около нулевыми тангажами потому, что профили крыльев производят достаточную подъёмную силу. Убавьте скорость, и крылу придётся искусственно компенсировать потерю части ускорения воздушного потока увеличением угла атаки.

Отношения между углом атаки и подъёмной силой довольно интимные и близкие. Если бы подъёмная сила и угол атаки были Реттом и Скарлетт, сгорела бы не только Атланта. На небольших углах атаки рассчитанные профили крыльев производят подъёмную силу, достаточную для продолжения полёта так долго, как будет сохраняться высокая скорость полёта. «Ударная» составляющая на крейсерских режимах невелика, так как невелика площадь «толчковых» соударений с нижней поверхностью крыла.

Итак, чем меньше скорость, – тем больший угол атаки нужен для продолжения полёта. Однако слишком много хорошо – тоже плохо. Изогните поток слишком сильно, «перегните» воздух, и вместо того, чтобы плавно следовать изгибам крыла и создавать подъёмную силу, воздух завихряется, и становится непригоден для образования подъёмной силы. В этом случае мы сталкиваемся с явлением срыва (сваливания), которое будет рассмотрено позже.

А сейчас пришло время поговорить о том, как переходить к медленному полёту и как из него выходить в полёте.

Медленный полет в действии

В прямом и горизонтальном полёте на крейсерском режиме работы двигателя самолёт продвигается через воздух на скорости примерно 110 узлов. На этой скорости тангаж равен примерно 4 градусам вверх, по авиагоризонту. Исходя их этого, давайте рассмотрим переход к медленному полёту. Для реализма предположим, что мы готовимся к приземлению и должны уменьшить скорость до 75 узлов, чтобы не выкосить пропеллером, как сорняк тяпкой, впереди летящий самолёт.

Чтобы перейти к медленному полету при сохранении высоты

1. Убрать обороты двигателя до холостых.
   Со временем вы запомните какие обороты какой скорости соответствуют.
2. Задирайте нос в достаточном темпе, чтобы удержать стрелку вариометра на нуле (либо стофутовую стрелку альтиметра неподвижной).
3. По мере замедления самолёта, триммируйте самолёт, чтобы сохранить положительный тангаж (для скорости 75 узлов это будет примерно 9 градусов выше лини горизонта по авиагоризонту).
4. Когда желаемая скорость (75 узлов) установится, прибавьте двигателю оборотов достаточно, чтобы поддерживать высоту (примерно 1900 об/мин). Поддерживайте скорость небольшими изменениями тангажа.
5. Окончательно оттриммируйте самолёт для поддержки тангажа, который нужен для выдерживания заданной скорости полёта.

Когда вы входите в режим медленного полета ваш самолет выглядит подобно изображенному на рисунке 4-13.

Рисунок 4-13

Выход из медленного полета

Предположим, что мы летим вслед за самолетом, и диспетчер на вышке хочет, чтобы мы увеличили скорость с 75 до 85 узлов. Как вы это сделаете? Просто проделайте процедуру, рассмотренную выше в обратном порядке.

Чтобы выйти из медленного полета

1. Немного прибавьте оборотов, скажем до 2000 об/мин.
2. Опустите нос в достаточной степени для того, чтобы стрелка на VSI (вариометре, ВАРе) оставалась на нуле (либо стофутовая стрелка альтиметра был неподвижной).
3. По мере разгона самолёта, триммируйте его на требующемся для полёта со скоростью 85 узлов тангаже (примерно 6 градусов положительных по авиагоризонту).
4. Когда самолет разгонится до заданной скорости, установите достаточные обороты для поддержания высоты. Поддерживайте скорость небольшими изменениями тангажа.
5. Окончательно оттриммируйте самолёт для полёта со скоростью 85 узлов.

При выходе из медленного полета ваш самолет будет выглядеть, как на рисунке 4-14.

Рисунок 4-14

Сохранение высоты на крейсерской скорости

Подъитожим. На этой стадии обучения, узнав, как ведёт себя самолёт при полёте с разными скоростями, Вы должны твёрдо усвоить, что изменение оборотов используется для поддержания высоты и вертикальной скорости (скорости набора высоты/снижения). Скорость поддерживается изменениями тангажа. Но что, если вам не нужно лететь с определённой скоростью, скажем крейсерской? Как-никак, при полёте на крейсерском режиме Вы не поддерживаете высоту, прибавляя или убавляя обороты, не так ли? Да, оборотами вы в этом случае не пользуетесь. И вот почему

В полёте в крейсерском режиме Вы обычно устанавливаете такие обороты, при которых двигатель работает без перегрузки, оптимально. Установив такие обороты, Вы больше их не трогаете. Вы не всегда привязаны к определённой скорости в крейсерском режиме. В такие моменты Вы можете поддерживать или менять высоту полёта небольшими изменениями тангажа (главное тут не выйти на конструкционные ограничения по скорости). Но в медленном полёте, вам нужно пользоваться именно оборотами для контроля высоты и тангажём для контроля скорости. Возможно, это несколько отличается от того, что Вы думали раньше. Скоро вы увидите, что именно такую технику я потребую от Вас, когда мы будем приземляться.

Вы действуете самостоятельно

Теперь я хочу, чтобы вы выполнили интерактивный урок и потренировались в медленном полете. Ваша сверхзадача - выдерживать высоту и курс, пока будете пытаться летать с разными низкими полетными скоростями. Поначалу будет трудновато выдерживать скорость полета и высоту и еще пытаться удержать точный курс. Поэтому распределите приоритеты так: первое – подберите тангаж, чтобы добиться нужной скорости полета. Затем, выдерживая этот тангаж, небольшими изменениями оборотов добейтесь удержания нужной Вам высоты полёта.

Если всё у Вас будет получаться хорошо, попробуйте развороты с медленной скоростью. Но будьте осторожны. Вспомните из урока 2 - для выдерживания высоты иногда необходимо немного изменить тангаж. Теперь, умея пользоваться оборотами, Вы можете прибавить немного, если это необходимо, для выдерживания высоты в развороте. Чем круче разворот, тем больше понадобится оборотов. Триммируйте по мере необходимости (но знайте, что в развороте лучше этого не делать, так как это режим неустановившийся). Это поможет Вам удержать самолёт от потери нужного тангажа, если вдруг что-либо отвлечёт Ваше внимание от приборной панели. Ну и не забывайте наслаждаться!

Щелкните по "Выполнить этот урок сейчас", чтобы попрактиковаться в том, что вы только что изучили.

Выполнить этот урок сейчас

- вверх -