Четыре силы полета
Веками изобретатели и ученые пытались понять основные принципы полета. И по сей день эксперты не пришли к единому мнению в отдельных вопросах аэродинамики. Пилотам необходимо понимать несколько фундаментальных концепций, и первая из них - это четыре влияющих на полет силы: подъемная сила, сила тяжести, сила тяги и сопротивление.
Эти четыре силы действуют попарно. Подъемная сила (сумма всех сил, направленных вверх) противодействует силе тяжести (сумме всех сил, направленных вниз). Аналогично сила тяги (тянущая самолет вперед) противодействует лобовому сопротивлению (которое тянет самолет назад). Противодействующие силы компенсируют одна другую в т.н. установившемся полете (в это понятие входят горизонтальный полет и наборы высоты со снижениями на постоянной скорости). Можно считать, что четыре силы направлены из одной точки - центра тяжести (ЦТ) самолета.
Подъемная сила
Подъемная сила - это та сила, которая заставляет самолет лететь. Большая часть подъемной силы создается крыльями самолета. Значение этой силы контролируется изменением воздушной скорости и угла атаки - угла, под которым на крыло набегает встречный воздушный поток. Общий принцип таков: по мере увеличения воздушной скорости или угла атаки самолета возрастает создаваемая его крыльями подъемная сила. Чтобы при растущей воздушной скорости выдерживать постоянную высоту, нужно уменьшить угол атаки, слегка опустив нос самолета. Чтобы выдерживать высоту при уменьшении скорости, нужно увеличить угол атаки, слегка подняв нос и нарастив, тем самым, подъемную силу.
Помните, что даже при наборе высоты или снижении подъемная сила существенно равна силе тяжести. В это время изменяется создаваемая двигателями самолета сила тяги, а не создаваемая крыльями подъемная сила.
Сила тяжести
Сила тяжести противодействует подъемной силе. Вектор силы тяжести можно представить как линию, направленную из центра тяжести самолета к центру Земли.
Поначалу можно предположить, что значение силы тяжести меняется только по мере потребления топлива. На самом деле при маневрировании изменяется действующий на самолет коэффициент перегрузки, а с ним и нагрузка на крыло. Например, коэффициент перегрузки самолета при горизонтальном развороте с креном 60 градусов равен 2. Если масса этого самолета в состоянии покоя составляет 2000 фнт. (907 кг), то при таком развороте его вес будет равна 4000 фнт. (1814 кг).
Чтобы поддерживать при маневрировании баланс между подъемной силой и силой тяжести, нужно изменять угол атаки. Например, на развороте с большим углом крена нужно слегка приподнять нос (увеличить угол атаки), чтобы нарастить подъемную силу и, таким образом, скомпенсировать выросшую силу тяжести.
Тяга
Тяга, создаваемая силовой установкой самолета, двигает его в полете вперед. Этой силе противодействует лобовое сопротивление, и в установившемся полете оно равно силе тяги. Если, выдерживая высоту, прибавить газ, сила тяги сразу же превысит лобовое сопротивление и самолет ускорится. Однако при этом увеличится и сопротивление, и скоро оно уравновесит силу тяги. Самолет прекратит ускоряться и снова войдет в установившийся полет на увеличившейся, но постоянной высоте.
Сила тяги - это также основной фактор, определяющий способность самолета набирать высоту. На самом деле, максимальная вертикальная скорость набора высоты зависит не от величины создаваемой крыльями подъемной силы, а от объема мощности, доступной сверх той, что требуется для выдерживания горизонтального полета.
Сопротивление
На самолет влияют два вида сопротивлений. Паразитное сопротивление возникает от трения о воздух деталей самолета - шасси, стоек, антенн и т.д. Паразитное сопротивление увеличивается пропорционально квадрату воздушной скорости самолета. Если удвоить скорость, паразитное сопротивление вырастет вчетверо.
Индуктивное сопротивление - это побочный эффект подъемной силы, вызываемый движением воздуха из области повышенного давления под крылом в область пониженного давления над крылом. Такой эффект сильнее всего проявляется на малой воздушной скорости, где для того, чтобы уравновесить силу тяжести подъемной силой, необходим большой угол атаки. Индуктивное сопротивление меняется обратно пропорционально квадрату скорости. Если уменьшить воздушную скорость наполовину, индуктивное сопротивление возрастет вчетверо.
|
Шаг вперед: учитесь у профессионала В игре Flight Simulator аэродинамика и маневрирование в полете рассматриваются более подробно в цикле Летная школа Рода Мачадо. Чтобы начать обучение полетам у Рода, выберите в Учебном центре вкладку Занятия. На главной странице щелкните мышью название интересующего вас курса. Ознакомьтесь с наземным инструктажем, затем выберите в правом верхнем углу страницы ссылку Начать учебный полет. Можно также выбрать эту ссылку по окончании наземного инструктажа, и Род даст вам возможность опробовать полученные знания в полете. |
Процесс балансировки
Можно наблюдать связь четырех аэродинамических сил, поставив несложный эксперимент в игре Flight Simulator. Перейдите в горизонтальный полет на самолете "Цессна Скайхок SP" модель 172. Прибавьте газ, не трогая других органов управления. Сперва увеличится воздушная скорость, затем угол тангажа. Однако вскоре самолет прекратит ускоряться и скорость вернется к значению, близкому к прежнему. При этом увеличенные обороты заставят самолет набирать высоту с постоянной вертикальной скоростью. Установите обороты ниже первоначального значения, и скорость в итоге вернется и почти сравняется с прежней, но самолет при этом будет снижаться с установившейся вертикальной скоростью.
Оси полета
Самолет в полете вращается вокруг трех осей: продольной, вертикальной и поперечной. Вращение самолета вокруг каждой из осей контролируется одной из трех основных поверхностей управления.
Элероны, руль направления и руль высоты
С помощью элеронов пилот вводит самолет в крен - вращение вокруг продольной оси. Руль направления вращает самолет вокруг вертикальной оси (рыскание), а рули высоты - вокруг поперечной оси, по тангажу. Три этих оси пересекаются в центре тяжести самолета. Пилотов от горе-летунов отличает плавная и согласованная работа органами управления. Хорошие пилоты используют все органы управления сразу, координируя вращение самолета вокруг трех осей.
Горизонтальный полет
Выдерживание самолета в горизонтальном полете со стороны может показаться простым, но на самом деле это одна из самых сложных в освоении пилотажных фигур. Пилоты хотят контролировать самолет, и часто слишком усердствуют в управлении, нарушая первоначальную стабильность летательного аппарата. Подобно балансированию, горизонтальный полет требует плавных, осторожных движений, которые не дадут самолету беспорядочно болтаться под облаками.
Разделяй и властвуй
Лучше всего разделить задачу выдерживания горизонтального полета на две подзадачи.
Выдерживание постоянной высоты и скорости В этой подзадаче нужно удерживать баланс противодействующих сил: подъемной силы и силы тяжести а также силы тяги и сопротивления.
Выдерживание постоянного курса
В этой подзадаче нужно выдерживать нулевой крен и вести самолет в скоординированном полете, исправляя отклонения от курса и постоянно сверяясь с указателем курса и координатором разворота.
Тангаж + мощность = производительность
К счастью, есть простое правило, позволяющее выполнить условия первой подзадачи.
Основное уравнение "тангаж + мощность = производительность" - золотое правило пилота. Оно означает, что если установить определенный угол тангажа и определенную мощность двигателя, то самолет будет лететь с определенной скоростью и либо находиться в горизонтальном полете, либо набирать высоту или снижаться с постоянной вертикальной скоростью.
Например, чтобы перевести самолет "Скайхок SP в типичную крейсерскую конфигурацию на высоте 3000 фт. (915 м), установите мощность двигателя на 2500 об/мин. Для удержания самолета в горизонтальном полете установите такой угол тангажа, чтобы фигурка самолета на авиагоризонте была параллельна земле. Верх приборной доски должен находиться ниже настоящей линии горизонта, если смотреть через лобовое стекло.
Если не давать носу подняться или опуститься, и оставить РУД на 2500 об/мин, то самолет "Скайхок SP" будет лететь на одной высоте в крейсерском режиме на приборной скорости ок. 110 узлов.
Если самолет начинает набирать или терять высоту, то нужно исправить угол тангажа небольшими, плавными движениями РУС, а затем оттриммировать руль высоты так, чтобы можно было лететь "без рук".
Летим по прямой
Выдерживать постоянный курс немного легче, чем высоту, но для этого по-прежнему нужно внимательно глядеть на приборы. Почаще проверяйте указатель курса, чтобы убедиться, что нос указывает в правильном направлении.
Поглядывайте также на координатор разворота - если крылья изображенного на нем самолетика параллельны горизонту, значит, самолет летит прямо. Если одно крыло выше другого, то нужно плавно и осторожно отклонить элероны и руль направления так, чтобы крылья выровнялись и самолет перешел в скоординированный полет.
Развороты
Самолет поворачивает потому, что часть создаваемой крыльями подъемной силы тянет его "за угол", а не потому, что руль направления отклоняет нос влево или вправо. Теоретически вы можете войти в "управляемый занос" при помощи руля направления, но это довольно неэффективный (и неудобный) способ смены курса. Поэтому самолеты поворачивают с помощью крена.
Горизонтальная составляющая подъемной силы
При наклоне крыльев элеронами часть создаваемой ими подъемной силы отклоняется в сторону. Эта часть называется горизонтальной составляющей подъемной силы. Именно она вводит самолет в разворот.
Вредное рыскание
При крене меняется угол атаки каждого крыла, а при отклонении элеронов - его лобовое сопротивление. Из-за этого самолет стремится повернуть нос в сторону, противоположную развороту. Например, при левом крене нос самолета стремится повернуться вправо.
Чтобы компенсировать этот эффект, называющийся "вредным рысканием", нужно повернуть руль направления в сторону разворота. При левом крене слегка поверните руль влево, и наоборот.
Потеря подъемной силы
Для удерживания высоты в развороте нужно увеличить производимую крыльями подъемную силу - ведь часть ее при этом "отклоняется в сторону". Чтобы увеличить подъемную силу, нужно увеличить угол атаки, для чего при входе в разворот слегка поднимите руль высоты, взяв РУС на себя. Чем круче разворот, тем выше надо поднимать руль высоты. Чтобы удержать высоту при крене в 45 градусов и больше, нужно как следует взять РУС на себя и, возможно, добавить газ. Не забудьте вернуть РУС в прежнее положение при выходе из разворота.
Индикатор скольжения
Координатор разворота - это на самом деле не один, а два прибора. Гироскоп показывает скорость разворота самолета (т.е. скорость смены курса). Шарик в трубке называется уклономером или указателем скольжения и показывает "качество" разворота - скоординирован разворот или нет.
Принцип действия
Разворот по стандартной схеме
Акт балансировки
|
Как исправить снос
|
|
Как исправить скольжение наружу
|
При использовании в игре Flight Simulator автокоординирования, руль направления автоматически отклоняется так, чтобы удерживать самолет в скоординированном полете.
Наборы высоты
Самолет набирает высоту тогда, когда его двигатель (или двигатели) производит больше тяги, чем требуется для удерживания высоты при данной массе и угле атаки. Набор высоты происходит не из-за того, что увеличивается производимая крыльями подъемная сила. Это может показаться странным, но картина проясняется, если вспомнить, что самолет в установившемся полете - например, при наборе высоты с постоянными горизонтальной и вертикальной скоростями - обладает равными по модулю подъемной силой и силой тяжести. Если бы при наборе высоты подъемная сила превысила силу тяжести, то самолет ускорился бы вертикально вверх.
Равномерная тяга
При наборе высоты в установившемся полете та составляющая подъемной силы, что направлена вертикально вниз, на самом деле немного меньше, чем подъемная сила, поскольку в этом случае часть подъемной силы направлена назад, а не вверх. Таким образом, набор высоты вызван вектором тяги, тянущим самолет под углом вверх. Чтобы представить себе картину в целом, вообразите, что кто-то тянет санки на гору.
Больше мощности
Если набор самолетом высоты определяется мощностью двигателя, то очевидно, что главный орган управления им по оси "вверх-вниз" - это РУД, а не штурвальная колонка. Обычно набор высоты начинается со взятия штурвала на себя, что увеличивает угол тангажа. Но затем возросшее индуктивное сопротивление быстро нейтрализует излишки подъемной силы, и самолет, немного набрав высоту, переходит в горизонтальный полет на меньшей воздушной скорости или в медленный набор высоты с постоянной скоростью. Чтобы достичь установившейся скорости набора высоты и выдерживать ее, нужная избыточная тяга, а для этого нужно увеличить обороты двигателя.
Снижение
Многие считают, что для снижения нужно просто направить нос вниз, отдав штурвал от себя. На самом деле, для того, чтобы перевести самолет в стабильное снижение с постоянной скоростью, пилот должен изменить как угол тангажа, так и мощность двигателя.
Самолет может снижаться с нулевым и даже положительным углом тангажа. Помните, что при постоянном угле тангажа именно сила тяги определяет, будет ли самолет выдерживать высоту, набирать ее или снижаться. Если создаваемой двигателем тяги больше, чем нужно для горизонтального полета, самолет будет набирать высоту. Если уменьшить газ, самолет будет снижаться.
Как правило, вертикальную скорость снижения в негерметичном самолете стоит ограничивать примерно 500 фт./мин (152 м/мин). Такая скорость позволит ушам пассажиров приспособиться к изменению давления.
Уделите немного времени воссозданным в игре Flight Simulator самолетам и изучите их производительность на разных скоростях и режимах двигателей. Помните, что чем ниже мощность, тем быстрее снижается самолет. Научитесь прекращать снижение, плавно добавляя газ.
Зачем самолету крылья
Самолет держат в воздухе крылья, а не двигатели. Крылья бывают самых разных форм, но все они создают подъемную силу, разделяя надвое встречный воздушный поток, называемый "набегающим". Часть потока, проходящая под крылом, сохраняет свое внешнее давление, а часть, проходящая над верхней выгнутой поверхностью крыла, ускоряется, и, в соответствии с несколькими факторами (в т.ч. и принципом Бернулли), обладает уменьшенным давлением. Разность между относительно высоким давлением под крылом и относительно низким давлением над ним создает т.н. подъемную силу. Отклонение воздуха вниз от задней кромки крыла также вносит свой вклад в создание крылом подъемной силы. Пилоты изменяют значение подъемной силы с помощью руля высоты, меняя угол тангажа, а вместе с ним - и угол атаки крыла.
Траектория полета и тангаж
Важно помнить, что набегающий поток не обязательно набегает на самолет параллельно его продольной оси. Иначе говоря, угол атаки не измеряется по отношению к горизонту. Это угол между траекторией движения самолета и его крыльями.
Сваливание
Сваливание происходит, когда крыло достигает критического угла атаки. Независимо от коэффициента перегрузки, воздушной скорости, угла крена или метеоусловий самолет входит в сваливание при одном и том же критическом угле атаки. Пилоты изменяют угол атаки с помощью руля высоты.
Сваливание - это чисто аэродинамическое явление, не зависящее от мощности двигателя. И планеры, и авиалайнеры, и реактивные истребители, и винтовые учебно-тренировочные самолеты - все входят в сваливание из-за того, что их крылья достигают определенного угла атаки, а не из-за перебоев в работе мотора.
Анатомия сваливания
До определенного момента увеличение угла атаки повышает создаваемую крылом подъемную силу. Но потом воздух, обтекающий верхнюю часть крыла, больше не может повторять его контуры и начинает образовывать завихрения, подобно водным струям, обтекающим камни в ручье. В этот момент, когда крыло достигает т.н. критического угла атаки, его подъемная сила резко падает и происходит сваливание.
У каждого крыла есть свой критический угол атаки, при котором оно всегда входит в сваливание. Большинство самолетов авиации общего назначения обладают крыльями с критическим углом атаки ок. 15 градусов. Неопытные пилоты часто путают угол тангажа с углом атаки. Помните, что траектория полета самолета (а, следовательно, и направление набегающего воздушного потока) может отличаться от направления, в котором указывает его нос.
Тревожные признаки
Сваливанию часто предшествует небольшая тряска, т.н. бафтинг. Эту тряску вызывает турбулентность воздушного потока, обтекающего верхнюю часть крыла. Когда этот поток сталкивается с хвостовым стабилизатором и рулем высоты, можно почувствовать легкую вибрацию ручки управления. Большинство самолетов оборудовано звуковым сигналом, предупреждающим об опасной близости к режиму сваливания.
Выход из сваливания
Выйти из сваливания можно только одним способом - уменьшив угол атаки. Отдайте ручку управления от себя, чтобы уменьшить угол атаки, и прибавьте газ, чтобы минимизировать потерю высоты.
Центр тяжести
Центр тяжести (ЦТ) - это та точка, на которой самолет мог бы висеть в состоянии равновесия, если его подвесить на тросе. В центре тяжести также пересекаются продольная, вертикальная и поперечная оси, и из него же направлены четыре основные аэродинамические силы - подъемная сила, сила тяжести, сила тяги и сила сопротивления. Чтобы самолет в полете гарантированно сохранял стабильное положение и должным образом реагировал на органы управления, нужно, загружая его, не допускать выхода центра тяжести за расчетный предел центровки.
Самолет как качели
Пустой самолет можно сравнить с качелями, качающимися на центре тяжести. Каждый элемент груза слегка сдвигает центр тяжести самолета. Предметы, размещенные спереди от первоначального центра тяжести, заставляют самолет наклониться вперед, а размещенные сзади - наклониться назад. Значение опрокидывающей силы зависит от веса груза и его "рычага" - расстояния между грузом и произвольно выбранной координатной осью, называемой базовой линией. Во многих самолетах за базовую линию принимается противопожарная перегородка, отделяющая двигательный отсек от кабины.
Управляем центром тяжести
Пилоты меняют расположение центра тяжести, распределяя нагрузку в самолете. Во многих маленьких самолетах топливные баки и сиденья расположены близко к оптимальному центру тяжести, поэтому в них расположение ЦТ почти не меняется с добавлением топлива, пассажиров и багажа. Тем не менее, перед каждым вылетом пилот должен убедиться, что центр тяжести загруженного самолета попадает в установленные производителем пределы.
Центр тяжести и стабильность
Очень важно удерживать центр тяжести в его расчетных границах, поскольку положение центра тяжести влияет на стабильность самолета точно так же, как положение ребенка на качелях влияет на их равновесие.
При перемещении центра тяжести назад (по направлению к хвосту), у самолета уменьшается стабильность по тангажу. Если центр тяжести расположен слишком далеко сзади, то опускание носа для выхода из сваливания может оказаться невыполнимым.
Если центр тяжести расположен слишком близко впереди, самолет становится "перетяжеленным на нос", что затрудняет, или вовсе исключает возможность выравнивания при посадке.
Посадка
Для многих пилотов самым сложным этапом полета является посадка. Секрет мягкой и плавной посадки состоит, как ни странно, в том, чтобы не дать самолету слишком быстро коснуться земли. Узнать о посадках больше можно на Занятиях Рода Мачадо. Для этого выберите в Учебном центре раздел "Занятия".