Почему и как летает самолет

Рис. 15. Обтекание крыла воздушным потоком и возникновение подъемной силы: а) при небольшом угле атаки; б) скорость воздуха над крылом больше, чем под крылом; в) обтекание крыла при нулевом угле атаки и г) при критическом угле атаки.

Струйки воздуха обтекают крыло несимметрично, больше отклоняясь сверху, чем снизу. Сверху струйкам приходится огибать выпуклую часть крыла, поэтому они сжаты и, следовательно, по закону неразрывности скорость течения воздуха здесь больше, чем вдали от крыла. Под крылом же, наоборот, скорость течения воздуха меньше, так как здесь происходит некоторое торможение воздушного потока (благодаря углу атаки).

Таким образом, скорость воздуха над крылом получается больше, чем под крылом (рис. 15, б).

По закону Бернулли, чем больше скорость потока, тем меньше в нем давление. Следовательно, над крылом образуется пониженное давление, а под крылом — повышенное; к этому добавляется трение воздуха в пограничном слое и в результате возникает сила Р, направленная в сторону меньшего давления, — полная аэродинамическая сила крыла. Конечно, воздух давит снизу вверх не в одной точке крыла, как изображено на нашем рисунке, а на всю площадь крыла. Но давление воздуха на все крыло, то есть полную аэродинамическую силу, можно изобразить одной стрелкой Р, как бы приложенной в центре давления (сокращенно: Ц. Д.).

Полную аэродинамическую силу Р мы можем заменить, как уже делали раньше, двумя силами Л и П, направленными по потоку и перпендикулярно к нему. Сила Л — лобовое сопротивление крыла, а сила П — его подъемная сила.

У хороших крыльев подъемная сила при самом выгодном угле атаки бывает примерно в 20 раз больше силы лобового сопротивления. Таким образом, главная доля полной аэродинамической силы крыла идет на поддержание самолета.

Интересно, что многие крылья развивают подъемную силу даже при нулевом угле атаки, то есть когда воздух набегает на крыло параллельно хорде профиля (рис. 15, в). На первый взгляд это кажется совершенно непонятным, так как при нулевом угле атаки давление под крылом повышено немного (по сравнению с давлением вдали от крыла). Зато над крылом благодаря увеличению скорости струек при обтекании верхней выпуклой часта давление воздуха значительно понижено. Выходит, что и в этом случае благодаря несимметричности профиля разность давлений под крылом и над крылом все-таки имеется.

С малым углом атаки самолет летает при самой большой скорости, какую он может развить при полной мощности силовой установки. Тогда даже малый угол атаки оказывается достаточным для создания подъемной силы, равной весу самолета.

С увеличением угла атаки подъемная сила растет.

К сожалению, это происходит только до угла в 15–16 градусов, так как при таком угле плавность обтекания уже сильно нарушается (рис. 15, г). Струйки воз-духа отрываются от верхней поверхности крыла, образуются вихри, лобовое сопротивление возрастает, а подъемная сила начинает падать. Угол атаки, при котором это происходит, называют критическим. При таком угле атаки самолет уже плохо управляется и неустойчив.

Чтобы улучшить обтекание крыла на больших углах атаки, русский ученый С. А. Чаплыгин (1869–1942), ученик и соратник Н. Е. Жуковского, предложил щелевые крылья. Идея их состоит в том, что крыло снабжают так называемым предкрылком и благодаря щели между ним и крылом (рис. 16) поток более плавно обтекает крыло даже на больших углах атаки.

Рис. 16. Механизированные крылья.

Объясняется это тем, что струйки воздуха, проходя через узкую щель, увеличивают свою скорость и увлекают за собой другие струйки, задерживая их отрыв от крыла. Поэтому плавное обтекание крыла сохраняется дольше и подъемная сила не перестает возрастать до угла атаки в 25 градусов, а иногда и больше.

Еще чаще применяют закрылки и так называемые щитки, расположенные у задней кромки крыла. При взлете и посадке летчик отклоняет закрылки или щитки вниз на угол 20–40 градусов и благодаря этому как бы увеличивает кривизну нижней поверхности крыла, что ведет к увеличению подъемной силы. При взлете это сокращает длину разбега, а при посадке уменьшает скорость самолета во время приземления.

Применение предкрылков, закрылков и щитков получило в наше время название механизации крыла.

Механизированные крылья широко распространены во всем мире.

КАК РАБОТАЕТ ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ

В полете самолет все время преодолевает сопротивление воздуха. Эту работу выполняет его силовая установка, состоящая либо из поршневого двигателя внутреннего сгорания и воздушного винта, либо из реактивного двигателя. Мы кратко расскажем только о воздушном винте.

С воздушным винтом каждый из нас знаком с детства.

В деревнях ребята часто устанавливают на воротах двухлопастную ветрянку, которая при ветре вращается так быстро, что лопасти ее сливаются в сплошной круг. Ветрянка и есть простейший винт. Если насадить такой винт на ось, сильно закрутить между ладонями и выпустить, то он с жужжанием полетит вверх.

Воздушный винт самолета насаживается на вал двигателя. При вращении винта лопасти набегают на воздух под некоторым углом атаки и отбрасывают его назад, благодаря чему, как бы отталкиваясь от воздуха, стремятся двигаться вперед. Таким образом, при вращении воздушный винт развивает аэродинамическую силу, направленную вдоль оси винта. Эта сила тянет самолет вперед и поэтому называется силой тяги.

Воздушный винт может иметь две, три или четыре лопасти. Профиль (сечение) лопасти подобен профилю крыла.

В работе по созданию силы тяги большую роль играют шаг воздушного винта и угол установки лопасти к плоскости вращения.

Шагом воздушного винта называют расстояние, которое винт должен был бы пройти за один свой полный оборот, если бы он ввинчивался в воздух, как болт в гайку. В действительности же при полете самолета воздушный винт из-за малой плотности воздуха продвигается на несколько меньшее расстояние.

Шаг воздушного винта получается тем больше, чем больше угол установки лопасти к плоскости вращения (рис. 17, а).

Рис. 17. Возникновение силы тяги воздушного винта и угол атаки лопасти: а) при работе винта на месте и б) в полете.

Таким образом, винт с большим углом установки лопастей быстрее «шагает», чем винт с малым углом установки (подобно тому как болт с крупной резьбой быстрее ввинчивается в гайку, чем болт с мелкой резьбой). Следовательно, винт с большим шагом нужен для большой скорости полета, а с малым шагом — для малой скорости.

Работа лопастей воздушного винта подобна работе крыла. Но движение винта сложнее. В отличие от крыла лопасти винта в полете не только движутся вперед, но еще и вращаются при этом. Эти движения складываются, и поэтому лопасти винта движутся в полете по некоторой винтовой линии (рис. 17, б). Посмотрим, как возникает сила тяги воздушного винта.

Для этого выделим на каждой лопасти маленький элемент, ограниченный двумя сечениями (рис. 17, а). Его можно считать за маленькое крыло, которое в полете движется по винтовой линии, набегая на воздух под некоторым углом атаки. Следовательно, элемент лопасти, подобно крылу самолета, создаст аэродинамическую силу Р. Эту силу мы можем разложить на две силы — параллельно оси винта и перпендикулярно к ней. Сила, направленная вперед, и будет силой тяги элемента лопасти, вторая же, маленькая сила, направленная против вращения винта, будет тормозящей силой.

Элементарные силы тяги обеих лопастей в сумме дадут силу тяги Т всего винта, как бы приложенную к его оси. Тормозящие силы преодолевает двигатель.

Сила тяги винта очень сильно зависит от скорости полета. С увеличением скорости она уменьшается. Почему это происходит и какое имеет значение для полета?

Когда самолет стоит на земле и силовая установка работает, то лопасти винта имеют только одну скорость — окружную (рис. 17, а). Значит, воздух набегает на лопасть по направлению стрелки В, показанной в плоскости вращения винта. Угол между этой стрелкой и хордой профиля лопасти будет, очевидно, углом атаки. Как видим, при неподвижном воздухе он равен углу установки лопасти к плоскости вращения. Иначе получается в полете, когда, кроме вращательного движения, винт движется еще и вперед (вместе с самолетом).

В полете эти движения складываются, и в результате лопасть движется по винтовой линии (рис. 17, б). Поэтому воздух набегает на лопасть по направлению стрелки В1, и угол между ней и хордой профиля будет углом атаки. Вы видите, что угол атаки стал меньше угла установки. И чем больше будет скорость полета, тем меньше станут углы атаки лопастей, а поэтому тем меньше станет и сила тяги (при неизменном числе оборотов винта).

Этот недостаток в особенности присущ простому винту, у которого угол установки лопастей, а тем самым и шаг винта, нельзя изменять в полете (простой винт имеет и другие недостатки). Гораздо более совершенен винт изменяемого шага (рис. 18).

Рис. 18. Трехлопастный воздушный винт изменяемого шага на пассажирском самолете.

Такой винт благодаря особому устройству втулки без участия летчика изменяет свой шаг. Когда летчик уменьшает скорость полета, шаг винта тотчас же уменьшается, когда же летчик увеличивает скорость, винт увеличивает шаг.

В современной авиации применяются почти исключительно винты изменяемого шага.

САМОЛЕТ ЛЕТИТ ГОРИЗОНТАЛЬНО, ПРЯМОЛИНЕЙНО И РАВНОМЕРНО

Высоко в небе летит пассажирский самолет (рис. 19).

Рис. 19. Пассажирский 27-местный самолет ИЛ-12 конструкции С. В. Ильюшина в горизонтальном полете.

Большие крылья легко несут воздушный корабль, а мощный гул винтов свидетельствует о напряженной работе двигателей. Самолет летит горизонтально, прямолинейно и равномерно…

Под действием каких сил происходит такой полет?

Из первого закона механики, открытого великим английским ученым Исааком Ньютоном (1643–1727), следует, что прямолинейное равномерное движение происходит без действия каких-либо сил — по инерции[12]. На первый взгляд это кажется совершенно непонятным, так как из жизни мы знаем, что без силы тяги невозможно осуществить прямолинейное равномерное движение. Но дело в том, что сила тяги нужна только для того, чтобы все время преодолевать тормозящую силу, от которой мы не можем избавиться. Если бы ее не было, то тело, раз получив движение, двигалось бы вечно — по инерции.

Приведем простой пример.

По реке движется моторная лодка с постоянной скоростью. Сила тяги гребного винта, преодолевая силу сопротивления воды и силу сопротивления воздуха, должна быть равна их сумме, иначе равномерного движения не получится: если сила тяги будет больше тормозящих сил, движение будет ускоренным, если сила тяги станет меньше их, движение замедлится. Таким образом, для прямолинейного равномерного движения лодки необходимо, чтобы действующие на нее силы взаимно уравновешивались, то есть чтобы сумма их равнялась нулю. А ведь это и означает, что такое движение происходит без каких-либо сил — по инерции.

Следовательно, и для прямолинейного полета с постоянной скоростью (установившегося полета) тоже необходимо, чтобы действующие на самолет силы взаимно уравновешивались. Это справедливо как для горизонтального полета, так и для подъема и спуска.

Вот самолет летит горизонтально и прямолинейно (рис. 20) с постоянной скоростью при некотором угле атаки α.

Рис. 20. Силы, действующие на самолет в установившемся горизонтальном полете. Подъемная сила П равна силе веса В, а сила тяги винта Т равна силе лобового сопротивления Л; Ц. Т. — центр тяжести.

На самолет действуют три главные силы: сила веса В сила тяги Т и полная аэродинамическая сила Р всего самолета, которую удобнее представить в виде ее слагаемых — подъемной силы П и силы лобового сопротивления Л.

Сила веса всегда приложена в центре тяжести самолета[13]. Другие силы обычно приложены хотя и близко от центра тяжести, но в других точках. Однако ради простоты будем пока считать, что они приложены тоже в центре тяжести.

Сила веса всегда направлена вертикально вниз, то есть отвесно. Подъемная сила всегда перпендикулярна к воздушному потоку, значит, в горизонтальном полете она направлена вертикально вверх. Сила тяги направлена, конечно, вперед — по движению, а сила лобового сопротивления — назад, против движения.

При установившемся прямолинейном полете силы должны взаимно уравновешиваться.

Так как подъемная сила направлена вертикально вверх, а сила веса — вертикально вниз, то, очевидно, подъемная сила и должна уравновесить силу веса. Сила тяги должна уравновесить тормозящую силу, то есть силу лобового сопротивления.

Таким образом, в горизонтальном установившемся полете подъемная сила равна весу самолета, а сила тяги равна лобовой силе.

Ну, а если нужно изменить скорость горизонтального полета? Казалось бы, что для этого достаточно изменить тягу винта, как это делает водитель моторной лодки. Но здесь дело не так просто. Если летчик изменит только тягу винта, то изменится и подъемная сила крыла (поскольку она зависит от скорости полета), равновесие ее с силой веса нарушится, и поэтому траектория полета искривится вверх или вниз. Следовательно, одновременно с изменением тяги винта летчик должен сделать еще что-то.

Подъемная сила крыла зависит также от угла атаки, с увеличением его она растет, с уменьшением — падает. Так как летчик может изменять угол атаки (рулем высоты), то тем самым он может изменять и величину подъемной силы.

Таким образом, для изменения скорости полета в распоряжении летчика имеются рычаги управления силовой установкой и рулем высоты.

Теперь предположим, что в горизонтальном полете двигатель работает на полной мощности, и самолет летит с максимальной скоростью. При такой скорости достаточно очень малого угла атаки, чтобы подъемная сила была равна весу самолета (рис. 21, а).

Рис. 21. Горизонтальный полет с разными скоростями: а) максимальная скорость при очень малом угле атаки, б) некоторая средняя скорость, в) минимальная скорость при критическом угле атаки.

Но вот летчик решил немного уменьшить скорость полета. Для этого он уменьшает обороты двигателя и одновременно увеличивает угол атаки (рис. 21, б). В результате уменьшения скорости подъемная сила должна уменьшиться, а в результате увеличения угла атаки она должна увеличиться. Вот и получается, что в итоге она остается неизменной, равной весу самолета.

И чем меньшую скорость хочет получить летчик, тем больше он увеличивает угол атаки (рис. 21, б), соответственно изменяя тягу винта. Положение, изображенное на рис. 21, б, примерно соответствует полету с минимальной (наименьшей) возможной скоростью. Она получается при критическом угле атаки. Со скоростью, меньшей минимальной, самолет летать не может.

Все скорости, с которыми самолет может лететь горизонтально, составляют, как говорят, диапазон скоростей самолета. Например, минимальная скорость самолета ЯК-18 равна 100 километрам в час, а максимальная — 257 километрам в час, следовательно, этот самолет может лететь с любой скоростью в диапазоне от 100 до 257 километров в час.

Чем больше диапазон скоростей горизонтального полета, тем лучше самолет.

РАВНОВЕСИЕ САМОЛЕТА

Для устойчивого равновесия самолета в полете большую роль играет положение его центра тяжести. Центр тяжести самолета во всех случаях лежит позади передней кромки крыла (рис. 22, а).

Рис. 22. Продольное равновесие самолета достигается рулем высоты: а) момент подъемной силы руля высоты и стабилизатора уравновешивает момент подъемной силы крыла; б) равновесие весов; в) оси вращения самолета.

Расстояние от передней кромки до центра тяжести (расстояние Ц) называют центровкой самолета. Конструктор самолета указывает допустимые изменения центровки, то есть возможные перемещения центра тяжести по длине самолета. Позволительны лишь небольшие перемещения. Однако даже самое правильное положение центра тяжести еще не обеспечивает самолету равновесия в полете. Необходимо также, чтобы моменты всех сил относительно центра тяжести взаимно уравновешивались.

Но что такое момент силы?

Как известно, вращающее действие силы зависит не только от ее величины, но и от ее «плеча», то есть расстояния от линии действия силы до оси вращения (например, завернуть гайку тем легче, чем длиннее ключ).

Произведение величины силы на длину ее плеча и называется в механике моментом силы. Чем больше будет момент силы, тем больше будет и ее вращающее действие.

Теперь сделаем маленький опыт, чтобы познакомиться с равновесием моментов сил.

Если вы положите на одну чашку простейших весов (рис. 22, б) грузик р, а на другую груз Р, в пять раз больший, то эта чашка, естественно, перетянет. Но можно уравновесить наши весы и при неравных грузах, передвинув нитку, на которой вращается коромысло, ближе к чашке с большим грузом. Уравновесив весы, вы убедитесь, что плечо А в пять раз длиннее плеча а.

Таким образом, если две неравные силы стремятся вращать тело в противоположные стороны, то они будут уравновешивать друг друга в том случае, если произведение одной силы на ее плечо равно произведению другой силы на ее плечо, то есть если моменты сил равны.

Из нашего опыта следует также, что маленькая сила, действуя на достаточно большое плечо, может даже преодолеть большую силу. Это легко проверить, если передвинуть ось вращения еще ближе к чашке с большим грузом, — тогда маленький грузик, момент которого теперь преобладает, перетянет.

Все сказанное справедливо и для самолета в полете.

Раньше мы для простоты считали, что все главные силы приложены в центре тяжести самолета, то есть моменты их относительно центра тяжести равны нулю (поскольку плечо каждой силы равно нулю). В действительности же дело обстоит иначе. В центре тяжести приложена только сила веса, а точки приложения других сил обычно не совпадают с центром тяжести. Следовательно, самолет всегда находится под действием нескольких моментов сил, стремящихся поворачивать (вращать) самолет вокруг центра тяжести. И для того, чтобы самолет сохранял равновесие, летчику приходится уравновешивать моменты сил.

Итак, уравновесить самолет в полете — это значит уравновесить моменты сил относительно его центра тяжести.