Почему и как летает самолет

Какие же моменты действуют на самолет в полете и как летчик приводит их к равновесию?

Самолет в воздухе может вращаться вокруг многих воображаемых осей, проходящих через центр тяжести. Главными из них являются три взаимно перпендикулярные оси: поперечная, продольная и ось поворотов (рис. 22, в). Поэтому моменты сил удобнее рассматривать относительно этих осей.

Моменты сил, стремящиеся вращать самолет вокруг поперечной оси (поднимать или опускать его нос), называют продольными. Уравновесив их, летчик создаст продольное равновесие самолета.

Моменты сил, стремящиеся вращать самолет вокруг продольной оси (кренить его на то или другое крыло), называют накреняющими. Если их уравновесить, будет достигнуто поперечное равновесие.

Моменты сил, стремящиеся вращать самолет вокруг оси поворотов (вправо или влево), называют заворачивающими. Уравновесив их, летчик получает путевое равновесие самолета.

Особого внимания от летчика требует продольное равновесие. При нарушении его изменяется угол атаки крыла и, следовательно, его подъемная сила, а это ведет к искривлению траектории полета в вертикальной плоскости.

На самолет действуют два главных продольных момента: момент подъемной силы крыла П·а и момент подъемной силы горизонтального оперения n·А (рис. 22, а). Они стремятся вращать самолет вокруг поперечной оси в противоположных направлениях. Летчик уравновешивает их рулем высоты. Отклоняя руль немного вверх или вниз, он изменяет угол атаки горизонтального оперения и величину его подъемной силы. Следовательно, летчик может так подобрать величину момента подъемной силы горизонтального оперения, чтобы он был равен моменту подъемной силы крыла, то есть чтобы самолет сохранял продольное равновесие.

Поперечное равновесие достигается при помощи элеронов (рис. 23, а).

Рис. 23. Поперечное равновесие самолета достигается при помощи элеронов, а путевое — при помощи руля направления.

Опущенный элерон увеличивает подъемную силу полукрыла, а поднятый уменьшает. При этом создается накреняющий момент, который может уравновесить накреняющий момент противоположного направления, например, накреняющий момент винта (воздушный винт, вращаясь в одну сторону, стремится накренить самолет в противоположную сторону, подобно тому, как, прыгая с лодки на берег, мы отталкиваем лодку в противоположную сторону). Таким образом, достигается поперечное равновесие.

Путевое равновесие летчик получает с помощью руля направления (рис. 23, б). При отклонении руля на него действует аэродинамическая сила и создается заворачивающий момент, который может уравновесить какой-либо заворачивающий момент противоположного направления, например, момент от действия струи винта на вертикальное оперение (вращающийся винт отбрасывает вращающуюся же струю воздуха, которая действует на вертикальное оперение с той или другой его стороны в зависимости от направления вращения винта).

А как рули и элероны служат для управления самолетом?

Взглянем опять на рис. 22, а и представим себе, что летчик отклонил руль высоты немного больше или меньше, чем он был отклонен при равновесии. Этим летчик изменит момент горизонтального оперения. Продольное равновесие будет нарушено, и самолет начнет поворачиваться вокруг поперечной оси (рис. 24), опуская или поднимая нос, уменьшая или увеличивая угол атаки.

Рис. 24. Действие руля высоты для продольного управления самолетом: а) при отклонении руля вниз угол атаки крыла уменьшается, б) при отклонении руля вверх угол атаки увеличивается.

Когда летчик передвигает ручку рулевого управления от себя, руль высоты отклоняется вниз, на него начинает действовать аэродинамическая сила снизу вверх (рис. 24, а), а поэтому самолет уменьшает угол атаки крыла. Если же летчик берет ручку на себя, то руль отклоняется вверх, аэродинамическая сила действует на него сверху вниз, и под ее влиянием угол атаки увеличивается (рис. 24, б). При этих изменениях угла атаки траектория полета останется прямолинейной, если летчик, изменяя угол атаки, будет соответственно изменять и тягу силовой установки. В противном случае траектория полета искривится вниз или вверх.

С помощью элеронов летчик может не только сохранять поперечное равновесие, но и накренять самолет (если понадобится), а с помощью руля направления — не только сохранять путевое равновесие, но и поворачивать самолет вправо и влево.

Когда летчик отклоняет ручку рулевого управления вправо, правый элерон поднимается, а левый опускается (рис. 23, а), подъемная сила правого полукрыла становится меньше, а левого — больше, а поэтому самолет кренится вправо. При движении ручки влево происходит обратное — и самолет кренится влево.

Если же летчик, перемещая ручку вправо, одновременно нажимает правую педаль (рис. 23, б), то самолет делает разворот вправо. Аналогично делается и левый разворот.

По выражению летчиков, самолет в полете «ходит за ручкой». Однако такой послушной машина бывает только, если она устойчива. Теперь строятся устойчивые и хорошо управляемые самолеты. Расчет устойчивости и управляемости входит в так называемый аэродинамический расчет самолета.

КАК САМОЛЕТ ВЗЛЕТАЕТ И НАБИРАЕТ ВЫСОТУ

Очень интересно наблюдать взлет самолета, когда тяжелая машина превращается в легкокрылую птицу. Самой меньшей скоростью, с которой возможен полет самолета, является, как нам уже известно, минимальная скорость горизонтального полета. Но при такой скорости самолет еще недостаточно устойчив и плохо управляется. Поэтому отрыв самолета от земли летчик производит на несколько большей скорости. После отрыва летчик продолжает разгон самолета, как говорят, «выдерживает» машину над землей до тех пор, пока скорость не станет достаточной для безопасного подъема.

Таким образом, взлет самолета можно разделить на три этапа: разбег, выдерживание над землей для увеличения скорости и подъем (рис. 25, а).

Рис. 25. Взлет самолета: а) этапы взлета, б) силы, действующие на самолет при взлете.

Эти три этапа составляют так называемую взлетную дистанцию.

Посмотрим, как летчик производит разбег, какие силы действуют на самолет при разбеге и как создается ускорение движения[14]. Ради простоты будем опять считать, что все главные силы приложены в центре тяжести самолета, то есть моменты их равны нулю (поскольку теперь нас интересуют силы, а не их моменты).

Вот самолет стоит на старте, готовый к полету, и двигатель работает на малом газе (рис. 25, б). Тяга винта пока еще недостаточна для преодоления силы трения колес о землю. Но летчик дал полный газ, тяга винта увеличилась до максимальной и самолет начал разбег. Избыточная тяга создает ускорение, и скорость растет. Чтобы скорость нарастала быстрее, летчик немного отклоняет руль высоты вниз, поэтому хвост самолета поднимается и угол атаки крыла уменьшается (рис. 25, б). С ростом скорости возрастает подъемная силы крыла, и вскоре самолет уже едва касается колесами земли. Наконец, подъемная сила становится равной весу самолета, затем немного больше ее, и машина отрывается от земли (рис. 25, б). Разбег закончен — самолет взлетел.

Некоторое время машина летит низко, набирая скорость. Затем летчик отклоняет ручку рулевого управления на себя и переводит самолет на режим подъема (рис. 25, а).

При подъеме на самолет действуют те же силы, что и при горизонтальном полете, но взаимодействие их несколько иное (рис. 26).

Рис. 26. Действие сил при установившемся подъеме: подъемная сила крыла равна только одной слагаемой силе веса В1, а сила тяги Т равна сумме сил лобового сопротивления Л и слагаемой веса В2.

Подъемная сила крыла всегда перпендикулярна к направлению полета. Поэтому во время подъема она направлена уже не вертикально и, следовательно, не может полностью уравновесить силу веса. Если разложить силу веса на две слагаемые силы, как показано на рис. 26, то становится видно, что подъемная сила крыла может уравновесить только одну из них — В1. Другую же слагаемую силы веса — В2 — вместе с лобовым сопротивлением должна уравновесить, очевидно, сила тяги винта.

Когда самолет набирает высоту, то подъемная сила крыла меньше веса самолета. Почему же в таком случае самолет набирает высоту? Дело в том, что тяга винта здесь не только преодолевает лобовое сопротивление, но и берет на себя часть веса самолета, как это показано на рисунке. Иными словами, при подъеме самолета сила тяги частично выполняет роль подъемной силы.

И если самолет мог бы подниматься вертикально вверх, то неподвижное крыло стало бы совершенно бесполезным — машину поднимала бы вверх исключительно тяга винта. Самолет превратился бы в вертолет.

При подъеме самолет набирает ежесекундно некоторую высоту, которая называется вертикальной скоростью подъема. Например, вертикальная скорость самолета ЯК-18 в начале подъема равна 4 метрам в секунду. Но затем она уменьшается.

Почему это происходит и к чему ведет?

По мере подъема на высоту плотность воздуха становится все меньше и меньше, поэтому в цилиндры двигателя попадает меньше кислорода, нужного для сгорания топлива, и в результате мощность силовой установки падает. Следовательно, уменьшается избыточная мощность, необходимая для подъема. И вот, наконец, на какой-то высоте никакой избыточной мощности уже нет, и самолет не может продолжать подъем. Высоту, на которой это происходит, называют «потолком» самолета.

САМОЛЕТ ПЛАНИРУЕТ

Перед посадкой летчик выключает двигатель или убавляет его обороты до самых малых. Самолет начинает плавно снижаться по наклонной траектории. Такой спуск самолета называют планированием.

Чтобы легче понять поведение самолета при планировании, вообразите, что в горизонтальном полете неожиданно остановился двигатель, и тяга винта внезапно исчезла. Под действием лобового сопротивления скорость полета начинает падать, а вместе с ней быстро уменьшается и подъемная сила крыла. Но если летчик рулем высоты наклонит машину вниз, то в направлении полета тотчас же начнет действовать некоторая доля веса самолета, которая как бы заменит исчезнувшую тягу (подобно тому как при движении автомашины под уклон доля се веса заменяет тягу мотора). Самолет полетит наклонно к земле, оставаясь вполне управляемым и устойчивым.

Это наглядно иллюстрирует рис. 27, на котором показаны силы, действующие на самолет при установившемся планировании с очень малым углом атаки, равным примерно трем-четырем градусам (напомним, что угол атаки — это угол между хордой профиля крыла и направлением полета).

Рис. 27. Действие сил при установившемся планировании самолета: подъемная сила П равна слагаемой силы веса B1, другая слагаемая силы веса В2 равна силе лобового сопротивления Л.

Так как тяги винта нет, то сейчас действуют только две главные силы: полная аэродинамическая сила Р и сила веса В. Но первую удобнее будет опять заменить ее слагаемыми — подъемной силой П, которая перпендикулярна к направлению полета, и лобовой силой Л, направленной против полета. Силу веса тоже можно разложить на две слагаемые: по линии действия подъемной силы и в направлении полета. Теперь видно, что подъемная сила крыла может уравновесить лишь одну слагаемую веса — В1. Другая же слагаемая веса — В2, направленная вперед и играющая роль тяги, уравновешивает силу лобового сопротивления.

Если на планировании летчик передвинет ручку рулевого управления немного от себя, то самолет перейдет в более крутое планирование. Поэтому сила веса, играющая роль тяги, станет больше лобовой силы и сообщит самолету ускорение (ведь и автомашина, когда уклон становится круче, катится все быстрее).

Крутое планирование самолета называют пикированием.

При пикировании скорость самолета может стать очень большой. При отвесном пикировании она может превысить скорость горизонтального полета примерно в два раза. Пикирование применяется при фигурных полетах, в воздушном бою и при бомбометании.

Планируя над аэродромом, летчик делает глазомерный расчет на посадку. Чтобы осуществить этот расчет, он выполняет два-три разворота в одну и ту же сторону (по кругу). С высоты 100–150 метров планирует по прямой к намеченной точке посадки.

Когда до земли остается 6-10 метров, летчик понемногу начинает выравнивать самолет, уменьшает угол планирования (рис. 28).

Рис. 28. Посадка самолета и ее этапы.

При этом слагаемая сила веса, играющая роль тяги, уменьшается, и скорость полета падает.

На высоте около 1 метра над землей летчик заканчивает выравнивание, и траектория полета переходит из наклонной в горизонтальную.

Однако горизонтальный полет возможен, как известно, только в том случае, если подъемная сила равна весу самолета. Между тем из-за отсутствия тяги скорость продолжает падать, поэтому должна уменьшаться и подъемная сила. Поскольку летчик должен приземлить самолет с наименьшей скоростью, то он как можно дольше не дает машине коснуться земли — выдерживает ее над землей, стремясь «погасить» скорость. Для этого летчик постепенно увеличивает угол атаки, чтобы подъемная сила еще некоторое время оставалась равной весу самолета.

Но вот угол атаки доведен почти до критического, самолет принял положение, которое он имеет при стоянке на земле. Скорость уже близка к минимальной скорости горизонтального полета, подъемная сила начинает падать, становится меньше веса — и самолет мягко касается земли. По инерции он бежит по земле, но в результате торможения скоро останавливается. Полет окончен.

Посадка, как и взлет, обычно производится против ветра. Встречный ветер уменьшает скорость самолета относительно земли во время приземления и длину пробега. То и другое облегчает выполнение посадки.

ВИРАЖИ И ФИГУРЫ В ПОЛЕТЕ

Почему самолет может делать виражи[15] и фигуры?

Какие силы заставляют тяжелую машину легко кувыркаться в воздухе? Как летчик управляет этими силами в криволинейном полете?

Конечно, это все те же аэродинамические силы. И в криволинейном полете опять-таки главную роль играет подъемная сила крыла.

Известно, что всякое тело по инерции стремится двигаться прямолинейно. Чтобы заставить его двигаться по кривой, нужна так называемая центростремительная сила. Вот пример.

Если привязать нитку к камню и вращать его, то нитка натянется и, удерживая камень, заставит его описывать круги. Движение камня по окружности будет происходить под действием силы вашей руки. Передаваясь через нитку, эта сила не позволяет камню удалиться от центра вращения. Если нитка оборвется, то действие этой силы прекратится и камень по инерции полетит прямолинейно. Сила, с которой ваша рука действует на камень и заставляет его вращаться вокруг некоторого центра, и называется центростремительной (она направлена от окружности к центру).

При движении велосипедиста по кривой линии центростремительной силой служит слагаемая силы веса, так как велосипедист наклоняет машину в сторону поворота. При движении самолета по криволинейной траектории роль центростремительной силы обычно выполняет слагаемая подъемной силы крыла (рис. 29, а). Когда летчик наклоняет самолет на некоторый угол в сторону желаемого разворота, то на такой же угол отклоняется от вертикали и подъемная сила (рис. 29, б).

Рис. 29. Вираж самолета: а) вираж по кругу; б) действие сил на вираже: вертикальная слагаемая подъемной силы П1 уравновешивает силу веса В, а горизонтальная слагаемая П2 играет роль центростремительной силы.

И если разложить ее на две слагаемые — по вертикали и горизонтали, то становится ясно, что слагаемая П1 поддерживает самолет в воздухе, а слагаемая П2, направленная к центру виража, служит центростремительной силой (ей всегда сопутствует центробежная сила Ц, направленная в противоположную сторону).

Чтобы подъемной силы крыла хватило и на то и на другое, летчик при вводе самолета в вираж увеличивает угол атаки (или скорость полета).

Накреняя самолет элеронами в сторону виража, летчик одновременно отклоняет в ту же сторону и руль направления (действующий подобно рулю лодки). Благодаря этому самолет разворачивается «охотнее».

На самолете можно делать виражи различных радиусов. Особенно важны виражи малых радиусов (например, при фигурных полетах или в воздушном бою, когда нужно быстро развернуться). Для уменьшения радиуса виража приходится увеличивать крен — ведь при этом растет центростремительная сила.

Радиус виража сильно зависит от скорости полета.

Вы знаете, что при быстром беге, быстрой езде на велосипеде, мотоцикле, автомобиле трудно сделать крутой поворот, для поворота приходится уменьшать скорость. Так и на самолете: если летчик желает уменьшить радиус виража, то он должен уменьшить скорость полета.

По этой причине тихоходный самолет может делать виражи малых радиусов, а истребитель — только больших радиусов. Например, самолет ПО-2 может сделать вираж с радиусом всего в 60 метров, тогда как истребитель делает вираж с радиусом самое меньшее 350–400 метров. Именно поэтому во время Великой Отечественной войны самолеты ПО-2 нередко спасались от нападения фашистских истребителей: в опасный момент советский летчик делал крутой вираж и самолет противника, не имея возможности так же круто развернуться, проскакивал мимо.

Очень интересен быстрый вираж с одновременным подъемом, который называют боевым разворотом (рис. 30, а).

Рис. 30. Фигурный полет самолета: а) боевой разворот, б) петля Нестерова.

Для боевого разворота летчик накреняет машину элеронами и одновременно сильно увеличивает угол атаки. Самолет с креном круто взмывает вверх, причем по мере подъема крен увеличивается, а радиус разворота уменьшается. Затем летчик выравнивает самолет и берет нужное направление полета.

Самая эффектная фигура — петля Нестерова (рис. 30, б). Первым в мире ее выполнил замечательный русский летчик П. Н. Нестеров в 1913 году. В прежние времена в цирках показывали очень интересный номер. Акробат на велосипеде или на тележке съезжал по крутому настилу, изгибавшемуся затем в виде вертикальной петли. Вершину петли акробат проезжал вниз головой. Этот номер именовался «мертвой петлей».

Подобием ее и является петля, выполняемая на самолете, — с той лишь разницей, что разгон самолета достигается тягой силовой установки.

Для выполнения петли летчик в горизонтальном полете энергично берет ручку рулевого управления на себя.

Поэтому угол атаки крыла сильно увеличивается, подъемная сила резко возрастает и становится больше силы веса, то есть появляется некоторый излишек подъемной силы. Под действием излишка подъемной силы траектория полета круто изгибается вверх. Самолет описывает первую половину петли при работе двигателя на полном газе. На вершине петли машина оказывается вверх колесами, а летчик — вниз головой. Всегда сопутствующая центростремительной силе центробежная сила как бы прижимает самолет к воздуху, находящемуся выше его, а летчика — к сидению. Когда самолет переходит за вершину петли, летчик уменьшает тягу винта до самой малой и ставит ручку управления в среднее положение, а за-тем выбирает ее на себя, чтобы перевести самолет из пикирования в нормальный полет.

Действие центростремительной и центробежной сил можно легко проверить на опыте с вращением камня, если последний заменить ведерком с водой. При вращении вокруг некоторого центра ведерко будет описывать «мертвую петлю» и вода из него не выльется. Центробежная сила будет отбрасывать ведерко от центра к окружности, прижимать воду к донышку, как прижимает и летчика к сидению.

Форма петли, выполняемой на самолете, получается не круглой, а несколько вытянутой вверх. Это объясняется тем, что при подъеме на вершину петли скорость падает, и радиус кривизны траектории уменьшается. Во второй половине петли (при пикировании) скорость снова нарастает, и радиус опять увеличивается.