Почему и как летает самолет

Рис. 7. Скорость самолета относительно окружающего его воздуха можно представить как скорость воздуха, набегающего на самолет.

Следовательно, явления, возникающие при движении тела в воздухе, можно изучать двумя способами: или двигая тело в неподвижном воздухе, или обдувая воздухом неподвижное тело.

Сейчас применяются оба способа, но второй более удобен и им чаще пользуются.

Раньше некоторые ученые считали второй способ ошибочным, но Н. Е. Жуковский показал его правильность. Этот способ очень удобен при опытах в так называемых аэродинамических трубах.

Аэродинамической трубой называется сооружение, которое позволяет создавать искусственный поток воздуха. Скорость воздушного потока, в зависимости от конструкции трубы, может быть очень большой. Простейшая аэродинамическая труба изображена на рис. 8.

Рис. 8. Схема аэродинамической трубы: 1 — решетка, спрямляющая воздушный поток, 2 — рабочая часть трубы, 3 — вентилятор, 4 — электромотор.

Вот как она устроена и работает. Оба конца трубы открыты, и в одном из них установлен большой вентилятор, вращаемый электромотором. При работе вентилятора в трубе создается воздушный поток. В самой узкой — рабочей— части трубы устанавливают для испытания модель самолета или крыла. Если воздушный поток «подкрасить» дымом, то через окно в трубе можно наблюдать, как воздух обтекает модель, и даже сфотографировать картину обтекания. С помощью специальных приборов можно измерять силы, возникающие при действии воздушного потока на модель.

В аэродинамической трубе, если вентилятор вращается равномерно, воздушный поток получается, как говорят, установившимся.

Если самолет летит с постоянной скоростью, то полет тоже называют установившимся.

ДВА ЗАКОНА АЭРОДИНАМИКИ

Течение воздуха и силы, возникающие при действии воздушного потока на тела, изучает наука аэродинамика. Это родная сестра гидродинамики, изучающей, течение жидкостей («гидр» — вода). Важнейшие законы гидродинамики были сформулированы учеными Эйлером и Д. Бернулли — современниками Ломоносова. С развитием авиации выяснилось, что эти законы в общем справедливы и для воздуха, то есть являются и законами аэродинамики. Они вытекают из основных законов естествознания: сохраняемости массы и энергии.

Эйлер сформулировал закон неразрывности течения жидкости.

Посмотрите на рис. 9, а.

Рис. 9. С уменьшением площади сечения струи скорость течения воды или воздуха возрастает, а давление падает.

На нем изображена схема прибора, состоящего из открытого резервуара и соединенной с ним трубки, которая имеет разные сечения. Если открыть оба крана так, чтобы уровень воды в резервуаре оставался неизменным, то течение воды по трубке будет установившимся: в любом месте трубки вода ни накапливается, ни убывает (иначе где-то образовался бы разрыв течения). Поэтому за одну секунду из трубки вытекает столько же воды, сколько в нее притекает из резервуара. Значит, через разные сечения трубки (А, Б и В) за одну секунду протекает одинаковая масса воды. А это может быть, очевидно, только в том случае, если через эти сечения вода течет с различной скоростью. Чем меньше сечение, тем больше скорость воды. Иначе за одну секунду через узкое сечение «не успеет» пройти такая же масса воды, какая проходит за одну секунду через широкое сечение.

В этом и состоит закон неразрывности течения жидкости. В справедливости его можно убедиться, наблюдая течение реки. Там, где ее русло суживается и мелеет, вода течет всегда быстрее.

Этот закон справедлив и для течения воздуха, когда скорость не превышает 400–500 км/час и воздух можно считать несжимаемым.

Теперь познакомимся со вторым важнейшим законом аэрогидродинамики, который был сформулирован ученым Бернулли. Воспользуемся опять же прибором, который изображен на рис. 9, а.

Вы видите, что к трубке переменного сечения присоединены вертикальные трубочки с открытыми концами. Эти трубочки играют роль манометров. Когда краны закрыты и вода не течет по трубке, то в манометрах она стоит на том же уровне, что и в резервуаре (как во всяких сообщающихся сосудах). Но как только вода потечет по трубке, уровень воды в манометрах понизится.

Это доказывает, что если вода течет, то давление ее на стенки трубки меньше, чем когда она находится в покое. Кроме того, оказывается, что уровень воды больше всего понизится в том манометре, который присоединен к самому узкому сечению, а меньше всего — в манометре, присоединенном к самому широкому сечению.

Таким образом, когда скорость воды, то есть ее кинетическая энергия, увеличивается, давление в струе (потенциальная энергия) уменьшается[8]. В этом и заключается смысл закона Бернулли.

То же самое можно наблюдать и при течении воздуха по трубке переменного сечения (рис. 9, б). Манометры и здесь покажут, что давление уменьшается при сужении струи, то есть при увеличении скорости течения воздуха.

В справедливости закона Бернулли легко убедиться и на более простом опыте.

Возьмите два листа писчей бумаги, держа их параллельно (рис. 10, а), дуньте в промежуток между ними.

Рис. 10. Если дуть в промежуток между двумя листами бумаги, то они сблизятся, так как давление в струе меньше, чем с внешних сторон листов.

Казалось бы, что струя воздуха подействует как клин и поэтому листы разойдутся. Произойдет же как раз обратное: листы сблизятся (рис. 10, б). Дело в том, что с внешних сторон давление воздуха на листы равно атмосферному, в промежутке же между ними — в струе воздуха — давление будет немного меньше атмосферного; разность давлений и заставляет листы сближаться.

Теперь, когда вы познакомились с важнейшими законами аэродинамики, вы поймете возникновение аэродинамических сил и, в частности, подъемной силы крыла, поддерживающей самолет в воздухе.

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ

На самолет в полете действуют аэродинамические силы. Покажем сначала на простых примерах, как они возникают.

Прежде всего, что такое аэродинамическая сила?

Когда при полном безветрии вы быстро едете на велосипеде, встречный воздух стремится затормозить ваше движение. А если вы стоите неподвижно и на вас дует сильный ветер, то воздух стремится сдвинуть вас с места. В обоих случаях это воздействие воздушного потока на тело и называют аэродинамической силой, или силой сопротивления воздуха.

Аэродинамическая сила получается тем большей, чем больше поперечные размеры тела и плотность воздуха, и особенно сильно она возрастает с увеличением скорости движения (или скорости потока). Кроме того, величина аэродинамической силы зависит еще от формы тела и от положения его в воздушном потоке. То и другое имеет огромное значение для полета.

Как же возникает аэродинамическая сила?

На рис. 11, а изображена схема обтекания воздухом круглой пластины (диска), поставленной перпендикулярно к потоку. Посмотрите на нее внимательно.

Рис. 11. Возникновение аэродинамической силы Р при симметричном обтекании: а) пластины и б) хорошо обтекаемого тела.

Струйки воздуха давят на пластину, так как она является для них препятствием. Перед пластиной получается повышенное давление (обозначено знаками плюс).

Огибая пластину, струйки сжимаются и поэтому, согласно закону неразрывности, скорость их возрастает. В силу инерции они стремятся двигаться прямолинейно и отрываются от пластины. По этой причине позади нее получается разрежение, то есть пониженное давление воздуха (обозначено знаками минус). Некоторые струйки врываются в это разреженное пространство и образуют вихри, которые потом постепенно исчезают.

Таким образом, впереди пластины давление воздуха повышено, а позади нее понижено. К чему это ведет?

Представьте себе, что вы давите на полуоткрытую дверь, а ваш товарищ давит на нее с другой стороны. Если вы сильнее, то под действием разности давлений дверь откроется в сторону вашего товарища. Так и здесь. Разность давлений впереди и позади пластины создает силу, направленную в сторону меньшего давления (мы будем обозначать ее русской буквой Р)[9]. Если пластина неподвижна, то эта аэродинамическая сила будет стремиться сорвать пластину и унести ее. Если же пластина движется, то эта сила будет тормозить движение.

Сопротивление воздуха, как было сказано, сильно зависит еще от формы тела. Какая же форма будет наиболее выгодной?

Снабдим нашу круглую пластину спереди тупой конусообразной наставкой, а сзади — более заостренным конусом (рис. 11, б). При такой форме срыв струй отсутствует, вихрей позади тела почти нет, разность давлений воздуха впереди и позади тела незначительна. По сравнению с пластиной сопротивление такого тела примерно в 25 раз меньше, и создается оно главным образом лишь трением воздуха о его поверхность.

При такой форме воздушный поток почти не тормозится телом, он течет вдоль его гладких боков и хорошо обтекает заостренную заднюю часть. Поэтому такие формы получили название хорошо обтекаемых.

Мы познакомились с обтеканием тел симметричной формы, когда воздух течет параллельно оси симметрии тела[10]. В таких случаях воздух обтекает тело тоже симметрично и разность давлений получается только впереди и позади тела, а не по бокам его. Эта разность давлений, а также трение воздуха о поверхность тела и создают силу, направленную прямо против движения, как говорят, «в лоб» (рис. 11). Поэтому в таких случаях аэродинамическую силу называют силой лобового сопротивления.

Таким образом, лобовое сопротивление складывается из сопротивления давления и сопротивления трения.

Вот как возникает сопротивление трения.

Всем известно поверхностное трение между твердыми телами. Существует еще внутреннее трение между соседними слоями жидкости или газа, называемое вязкостью. Например, если опустить в воду палец, а затем вынуть его, то к нему прилипнет немного воды. Но если проделать то же самое с маслом или глицерином, то к пальцу прилипнет много жидкости — тем больше, чем больше ее вязкость.

Вязкость воздуха наблюдать труднее. Однако известно, что через форточку, затянутую марлей, воздух проходит заметно хуже, чем без марли. Это в значительной мере объясняется вязкостью воздуха.

Когда воздушный поток обтекает тело, воздух непосредственно около самого тела не скользит по его поверхности, а прилипает к ней. Прилипший тончайший слой тормозит движение соседнего, этот — следующего и т. д., и лишь на некотором расстоянии от поверхности тела это явление прекращается. Слой, в котором проявляются силы внутреннего трения, называют пограничным (он граничит с поверхностью тела).

Чтобы уменьшить силы внутреннего трения в пограничном слое, крыльям и фюзеляжу самолета придают хорошо обтекаемую форму и полируют их поверхность.

Итак, лобовая аэродинамическая сила только тормозит движение тела. Посмотрим теперь, как возникает сила, нужная для полета.

Она появляется в тех случаях, когда воздух обтекает пластину (крыло) несимметрично.

На рис. 12 изображена схема обтекания прямоугольной пластины, поставленной под острым углом к потоку.

Рис. 12. Возникновение аэродинамической силы Р при несимметричном обтекании пластины и замена силы Р двумя аэродинамическими силами — подъемной силой П и силой лобового сопротивления Л.

Под пластиной происходит торможение потока, и поэтому давление здесь повышается. Над пластиной вследствие срыва струй получается разрежение воздуха, то есть давление здесь понижено. Благодаря этой разности давлений и возникает аэродинамическая сила. Она направлена в сторону меньшего давления, то есть назад и вверх.

Отклонение аэродинамической силы вверх зависит от угла, под которым пластина поставлена к потоку. Этот угол получил очень удачное название «угла атаки». Под этим углом пластина как бы «атакует» воздух (этот угол принято обозначать греческой буквой α — альфа).

Таким образом, воздушный поток стремится здесь отнести пластину не только назад, но одновременно и вверх.

Поэтому для наглядности мы можем здесь заменить полную аэродинамическую силу Р двумя силами — Л и П, из которых первая направлена прямо назад (сила лобового сопротивления), а вторая направлена вертикально вверх (подъемная сила)[11].

Возникновение аэродинамических сил при несимметричном обтекании можно хорошо видеть у воздушного змея, сделанного, например, из листа бумаги с двумя диагональными рейками и одной поперечной.

Если уздечку змея, к которой прикрепляется леер (нить, на которой запускают змей), построить из ниток равной длины, прикрепленных к концам диагональных реек, то змей летать не будет. Побежав с таким змеем против ветра (рис. 13 внизу), вы увидите, что змей будет нестись на высоте вашей руки, стоя в воздухе перпендикулярно к ветру.

Рис. 13. Полет воздушного змея: внизу — с неправильно построенной уздечкой, вверху — с правильно построенной уздечкой.

Такая замена называется разложением одной силы на две по правилу параллелограмма.

По натяжению леера вы будете чувствовать, что змей сопротивляется движению, но и только. Это и понятно, так как в этом случае аэродинамическая сила будет только лобовой.

Но если вы сделаете уздечку так, что две верхние нитки будут равной длины, а третья (нижняя) чуть покороче, и прикрепите ее к центру змея, то змей, при наличии правильно сделанного хвоста, легко взмоет и будет устойчиво летать (рис. 13 вверху). В этом случае змей «атакует» воздух под углом 40–60 градусов и в результате несимметричного обтекания возникает подъемная сила.

Подъемная сила крыла самолета, как мы сейчас увидим, возникает, однако, несколько иначе, чем подъемная сила пластины, или воздушного змея.

КАК ВОЗНИКАЕТ ПОДЪЕМНАЯ СИЛА КРЫЛА САМОЛЕТА

И изобретатели первых летательных машин строили крылья в виде плоских или немного изогнутых поверхностей. Позже выяснилось, что выгоднее придавать крылу самолета обтекаемую форму — такую, какая в поперечном сечении изображена на рис. 14, а.

Рис. 14. Различные формы крыла самолета: а) профиль крыла, линия ЛБ — хорда профиля, б) вид крыла сверху.

Это сечение называется профилем крыла.

Существует много профилей крыльев. На нашем рисунке изображены наиболее типичные. Линия АБ, соединяющая носок и хвостик профиля, называется его хордой.

Вид крыла сверху тоже бывает различным, но чаще конструкторы применяют только три формы: прямоугольную, трапециевидную и стреловидную (рис. 14, б). Концы прямоугольных и трапециевидных крыльев обычно закругляются.

При выборе формы крыла и его профиля конструктор руководствуется их аэродинамической выгодностью. Крыло работает выгодно, когда оно развивает большую подъемную силу, но дает малое лобовое сопротивление.

Крыло самолета, само по себе неподвижное, создает подъемную силу благодаря поступательному движению самолета, которое сообщает ему силовая установка. Встречный воздушный поток обтекает крыло несимметрично. Аэродинамическая сила благодаря специальному профилю крыла отклоняется еще больше вверх, чем у плоской пластины, поставленной под острым углом к потоку. Несимметричное обтекание крыла вызывается несимметричной формой профиля или наличием угла атаки, а чаще — тем и другим вместе.

Углом атаки крыла условились считать угол между хордой профиля и направлением воздушного потока.

Обычно самолет имеет в полете очень малый угол атаки крыла — около 3–5 градусов, а скоростные самолеты — еще меньше. Уже одно это показывает, что крыло самолета создает подъемную силу несколько иначе, чем воздушный змей, который летает, как мы видели, при угле атаки в 40–60 градусов.

Каким же образом при таком малом угле атаки возникает подъемная сила, способная поддерживать в воздухе очень тяжелую машину?

Посмотрите внимательно на рис. 15, а, на котором изображена схема обтекания крыла воздухом при малом угле атаки.