АЭРОДИНАМИКА
Рис. 1. Когда самолёт находится на земле и мотор не работает, единственная сила, которая действует на самолет, это сила тяжести, т. е. его собственный вес. Но в полете на самолет помимо силы тяжести действуют и другие силы. Сила тяжести остается всегда одинаковой, на земле ли самолет или в воздухе, и очень приятно знать, что эта постоянная сила всегда с нами. Полет возможен только тогда, когда есть поступательная скорость (движение вперед); минимальная скорость полета у разных типов самолетов различна. Поступательная скорость получается за счет энергии от сгорания горючего, преобразуемой мотором в мощность, передаваемую воздушному винту, который и развивает тяговое усилие. Запомним, что если мы отрываемся от земли и поднимаемся на некоторую высоту, мы уже имеем некоторый запас энергии (вес самолета), способный придать самолету поступательную скорость, когда мотор перестанет ее развивать. В случае остановки мотора на некоторой высоте над землей вес продолжает тянуть самолет вперед; самолет не падает, а начинает планировать, скользя вниз, будучи все время управляем.
Чем выше самолет находится в воздухе, тем большее расстояние он может пролететь (спланировать) без мотора. Постоянно действующая сила тяжести становится чем-то вроде постоянной охраны, обеспечивая самолет невидимой анергией, необходимой для движения вперед, и давая возможность самолету постепенно планировать
вниз с любой высоты, если мотор остановился. Поэтому, если спуск производится умело и если соответственно учитывается характер поверхности земли, то самолет может совершить посадку без аварии. Высота полета должна быть во всех случаях такой, чтобы дать самолету возможность, планируя, пройти горизонтальное расстояние, достаточное для достижения удобного места посадки.
В полете самолет подвергается влиянию многих сил; все их можно представить в виде четырех главных сил: силы тяжести, подъемной силы, силы тяги винта и силы сопротивления воздуха (лобовое сопротивление). Сила тяжести остается всегда постоянной, если не считать уменьшения ее по мере расхода горючего. Подъемная сила противодействует весу самолета и может быть больше или меньше веса в зависимости от количества энергии, затрачиваемой на движение вперед. Силе тяги винта противодействует сила сопротивления воздуха, иначе лобовое сопротивление.
При прямолинейном и горизонтальном полете эти силы взаимно уравновешиваются: сила тяги винта равна силе сопротивления воздуха, подъемная сила равна весу самолета. Ни при каком ином соотношении этих четырех основных сил прямолинейный и горизонтальный полет невозможен.
Любое изменение любой из этих сил повлияет на характер полета самолета. Если бы подъемная сила, создаваемая крыльями, увеличилась по сравнению с силой тяжести, результатом оказался бы подъем самолета вверх. Наоборот, уменьшение подъемной силы против силы тяжести вызвало бы снижение самолета, т. е. потерю высоты.
Силу тяги винта можно изменять, но сила сопротивления воздуха всегда остается равной силе тяги и направленной в противоположную сторону. Это звучит невероятно, не так ли? Эти четыре силы - наши постоянные спутники в воздухе, поэтому очень важно, чтобы вы знали и всегда сумели представить себе, как изменение любой из этих сил повлияет на полет самолета. Кроме того, от вас, т. е. от тех, кто будет управлять силой тяги, подъемной силой и силой сопротивления воздуха, будет зависеть, сумеете ли вы использовать силу тяжести для изменения скорости поступательного движения в условиях, когда самолет планирует.
Когда совершается дальний перелет, высота зависит от характера местности и от преобладающего состояния атмосферы на трассе. Сочетание этих двух условий плюс стремление выбрать высоту, наивыгоднейшую в отношении наименьшего расхода горючего и максимальной скорости, решает вопрос о том, на какой высоте надо лететь.
Энергия, затраченная при подъеме на известную высоту, частично компенсируется во время планирования самолета при приближении его к месту назначения. Сила тяжести дает добавочную движущую силу, либо увеличивая скорость поступательного движения, если это нужно, либо давая экономию горючего.
Рис. 2. Подъемная сила создается движением частиц воздуха над и под крылом. Ее можно получить или в случае, когда крыло самолета движется относительно воздуха с некоторой скоростью, или если струю воздуха направить на неподвижное крыло. Общая форма крыла показана на рисунках: верхняя сторона более выпуклая, чем нижняя. Однако у различных типов самолетов крылья делаются разной формы, в соответствии с тем, для какой цели строится самолет. Подъемная сила зависит от скорости частиц воздуха, обтекающих крыло. Малейшее увеличение их скорости вызывает более быстрое увеличение как подъемной силы, тан и лобового сопротивления. Если мы удвоим скорость движущегося крыла, подъемная сила увеличится вчетверо. Такое же изменение произойдет и с лобовым сопротивлением. При любой скорости крыла относительно воздуха подъемная сила меняется также и с изменением угла, под которым крыло встречается с потоком воздуха. Нельзя забывать, что любое изменение подъемной силы влечет за собой соответствующее изменение величины лобового сопротивления, независимо от того, было ли ото вызвано изменением скорости пли изменением угла. Точка приложения равнодействующей подъемных сил всех отдельных участков крыла называется центром давления (ц. д.).
Угол, под которым крыло встречается с воздухом, называется углом атаки. Подъемная сила создается только в том случае, если этот угол не выходит из определенных пределов. Для каждого типа крыла, в зависимости от профиля, имеются определенные углы атаки, при которых создается подъемная сила. Если же выйти ив этого предела, то лобовое сопротивление сильно увеличится, а подъем-пая сила станет ничтожной.
Воздушный змей летает потому, что его плоскость поставлена против ветра под известным углом, и поэтому возникает подъемная сила, способная удерживать в воздухе вес змея и вес длинного шнура, другой конец которого находится на земле.
Процесс, в результате которого крыло самолета создает подъемную силу, тот же, что у змея, но в принципе имеется значительная разница. У самолета воздух должен всегда плавно протекать вдоль верхней и нижней поверхностей крыла.
Частицы воздуха должны двигаться по верхней поверхности крыла с большей скоростью, чем но нижней, так как им надо пройти
более длинный путь, поскольку верхняя поверхность крыла более выпуклая, чем нижняя (рис. 10, 11). Эта разница скоростей, с которой движутся частицы воздуха, обтекая крыло, вызывает своеобразное явление «подсасывания», величину которого можно выразить в килограммах как подъемную силу. Ото но пустота (вакуум), а разность атмосферного давления, создающаяся над и иод крылом. На современных самолетах эта разница едва ли превосходит 1%. Даже и при этой малой разнице каждый квадратный метр крыльев многих современных самолетов может нормально поднять тяжесть в 200 кг и более.
Какова же сила атмосферного давления? Если бы разность между давлением на нижней и верхней поверхностях крыла равнялась 50% атмосферного давления, тогда каждый квадратный метр поверхности крыла мог бы поднять тяжесть в 5 т на уровне моря.
Заметьте, что центр давления меняет свое положение, а лобовое сопротивление и подъемная сила - свою величину соответственно углу атаки, под которым крыло движется против воздуха. На рис. 2 крыло движется в воздухе под углом атаки 0°. Центр давления находится на линии, которая делит хорду крыла на две 10
равные части. Когда угол атаки меняется от 0° до положительного угла, например 4-5° (рис. 3, А), центр давления перемещается вперед, подъемная сила, а также и сила лобового сопротивления значительно увеличиваются. Но если то же крыло встретится с воздухом под отрицательным углом -5°, центр давления передвинется к задней кромке крыла, вследствие чего подъемная сила уменьшится вместе с силой лобового сопротивления. Если мы поставим движущееся крыло под углом атаки +10° (рис. 4), то центр давления немедленно переместится в переднюю часть крыла, и подъемная сила, а также сила лобового сопротивления достигнут большой величины. Дальнейшее увеличение угла атаки (рис. 5), например до +15° (угол в 15° является максимальным углом для большинства крыльев), дает максимальную подъемную силу и максимальное лобовое сопротивление. Если бы мы продолжали увеличивать угол атаки выше максимального для данного крыла (рис. 6), то подъемная сила стала бы постепенно или быстро уменьшаться. Скорость, с которой подъемная сила уменьшается, характерна для каждого типа крыла. По мерс падения подъемной силы величина лобового сопротивления быстро увеличивается. В настоящее время имеется свыше тысячи видов профилей крыльев, и каждый имеет свои особенности.
На рис. 6, на котором крыло встречает воздух под углом более 15°, вы видите, как частицы воздуха проходят но верхней поверхности крыла не плавно, а образуя завихрение. Это явление мы называем «срывом обтекания». Поэтому не следует лететь под таким большим углом атаки, за исключением случаев, когда мы намеренно создаем его. Угол атаки, как это показано па рисунках, является углом, который образуется направлением движения и линией, касающейся задней кромки крыла и его нижней поверхности ‘.
Центр давления вашего пальто, когда оно висит па вешалке, находится в точке соприкосновения пальто и крючка.
Суммарная подъемная сила крыла (рис. 7) зависит также от отношения между размахом крыла и хордой. Это отношение известно иод названием «удлинения крыла». На рисунке вы ясно видите три крыла с одинаковым типом профиля; каждое имеет одинаковую площадь (24 кв. м), но различное удлинение. Крыло (рис. 7, А) с удлинением, равным 6 (размах крыльев 12 м и хорда 2 м), может дать нам при этой же скорости и угле атаки большую подъемную силу, чем крыло B или C с меньшим удлинением. Наибольшее применяемое практически удлинение крыла редко превышает 8; оно зависит также от формы крыла.
1 если крыло двояковыпуклое, линия проводится внутри крыла, от задней кромки к передней. - Ред.
При одинаковой плотности воздуха подъемная сила, как сказано выше, меняется со скоростью движения крыльев. На рис. 8 показано, что если крыло A движется со скоростью V км/час и создает подъемную силу 25 кг на каждый квадратный метр своей поверхности, то то же самое крыло при удвоенной скорости (2 V) создает при том же угле атаки и той же плотности воздуха подъемную силу в 100 кг на 1 кв. м. Подъемная сила как и лобовое сопротивление, увеличивается прямо пропорционально увеличению плотности воздуха (рис. 9). Это значит, что если крыло продолжает двигаться с той же скоростью и при том же угле атаки, тогда как плотность воздуха уменьшилась, скажем, вдвое, то, подъемная сила, как и си и лобового сопротивления уменьшается наполовину. С другой стороны, мы можем сохранить ту же подъемную силу при уменьшенной плотности воздуха,если увеличим скорость движения или одновременно увеличим скорость и угол атаки. На рис. 10, А показаны три профиля крыла, от очень тонкого,
скоростного, до толстого, способного носить больший вес на 1 кв. м.
Существенная разница состоит в величине лобового сопротивлении.
При одинаковых условиях тонкое крыло имеет минимальное лобовое
сопротивление, но в то же время создает минимальную подъемную силу.
Большинство крыльев современных самолетов имеет на каждый килограмм силы лобового сопротивления до 18 кг подъемной силы. Это отношение опять-таки меняется в зависимости от профиля крыла и угла атаки.
Разделив полетный вес самолета на число квадратных метров площади его крыла (рис. 11), мы получим нагрузку на единицу поверхности крыла. Практика показывает, что нагрузка крыла должна быть не слишком малой, но и не слишком большой. Практически нагрузка на крыло принята от 40 до 100 кг. на 1 кв.м. Нагрузка крыла оказывает определенное влияние на устойчивость самолета в воздухе особенно когда полет проходит при плохой погоде, в неспокойном воздухе, кроме того, она влияет на посадочную скорость: чем больше нагрузка крыла, тем больше посадочная скорость.
Сила сопротивления, оказываемая воздухом телу, движущемуся в нем, зависит не только от скорости и плотности воздуха, но и от формы тела. На рис. 12-16 максимальное поперечное сечение тел одинаково. Представим себе, что все они двигаются справа налево с одинаковой скоростью в воздухе одинаковой плотности.
13
Плоская пластинка (рис. 12) вызывает наибольшее лобовое сопротивление. Почему? Потому что воздух, проходя острой ребро плоской поверхности, образует завихрения вокруг и позади нее, постоянно стремясь заполнить пространство за задней стороной пластинки, где давление значительно меньше атмосферного. При движении круглого тела (рис. 13) уменьшение давления позади шара, ввиду его округленной формы, не так велико, как при движении плоской пластинки. Воздух обтекает контур шара более плавно, и поэтому лобовое сопротивление его не так велико. Если мы прибавим к шару конус, то получим форму, изображенную на рис. 14, причем сила сопротивления уменьшится. Если мы возьмем то же тело и будем двигать его круглым концом вперед (рис. 15), лобовое сопротивление еще уменьшится; но самые лучшие результаты мы получим с телом, имеющим обтекаемую форму, показанную на рис. 16; в данном случае мы сможем довести лобовое сопротивление до минимума. В этом последнем примере частицы воздуха постепенно раздвигаются передним концом тела; они следуют близ поверхности тела и плавно обтекают его.
Сумма веса различных частей самолета - крыльев, мотора, фюзеляжа, хвоста, колес, баков с горючим и груза-представлена одной силой, называемой силой тяжести; точка ее приложения называется центром тяжести. На рис. 17 самолет находится в положении прямолинейного и горизонтального полета, и четыре силы - тяга, подъемная сила, лобовое сопротивление и сила тяжести-взаимно уравновешиваются. Подъемная сила равна силе тяжести, а лобовое сопротивление равно тяге винта. Все эти четыре силы измеряются и килограммах. Если мы увеличим угол подъема всего самолета по отношению к земле, как показано на рис. 18, и захотим сохранить равновесие наших четырех сил и ту же скорость, то придется увеличить тягу, так как при этих условиях лобовое сопротивление увеличится. Но если имеет место обратное явление вследствие опускания носа самолета (рис. 19) значительно ниже линии горизонтального положения, то сила тяги создается не только винтом, но и силой тяжести. Сумма этих двух сил станет достаточной, чтобы заставить самолет двигаться вперед с большей скоростью. Поэтому, если мы захотим сохранить ту же скорость поступательного движения, как и в предыдущих случаях, надо силу тяги винта уменьшить, и тогда при определенном угле планирования самолета по отношению к земле мы будем иметь силу тяги, равную лобовому сопротивлению, созданную, как и в предыдущих случаях, силой тяжести. При этом условии подъемная сила станет меньше, чем вес самолета, и результатом явится медленный спуск.
14
Если нос самолета поднять значительно выше горизонтальной плоскости, то для данного мотора, дающего определенную мощность, и с данным винтом максимум силы тяги может оказаться меньше лобового сопротивления (рис. 20). В этом положении самолет не может остаться, так как его нос сразу начнет опускаться и будет стремиться принять положение, при котором достигается равновесие между силой тяги и лобовым сопротивлением.
Самолет может вращаться вокруг своего центра тяжести в трех направлениях. Вращением вокруг продольной оси (рис. 21) управляют посредством элеронов, представляющих собой подвижные поверхности на концах крыльев; элероны соединены с управлением в кабине. Это движение называется креном. Если мы накреним самолет, не поворачивая его в сторону, то указатель крена покажет, на какой угол самолет накренен. Но.мы заинтересованы в том, чтобы крен был правильный, а правильный крен всегда сопровождается поворотом в сторону; в этом случае стальной шарик, плавающий в жидкости указателя крена, должен показывать на шкале прибора нуль.
На рис. 22 показано кабрирование и клевание самолета. Угол наклона самолета между продольной осью и горизонтом оказывает
15
определенное влияние на скорость самолета. Этим движением управляют посредством руля высоты, который представляет собой горизонтальную подвижную плоскость на конце хвоста, соединенную с ручкой управления в кабине.
Рис. 23 показывает рысканье самолета слева направо или наоборот. Этим движением управляют посредством руля поворотов, который представляет собой вертикальную подвижную плоскость на конце киля. Киль - неподвижная вертикальная плоскость, служащая для придания самолету большей устойчивости пути. Руль соединен с педалями в кабине.
До сих пор мы описывали положение самолета относительно земли, но самолет имеет еще три направления возможных перемещений. Рис. 24 показывает вертикальное перемещение, т. е., попросту говоря, подъем или спуск самолета; это движение измеряется мерой вертикальной скорости, т. е. метрами в секунду.
Горизонтальное перемещение самолета определяется его поступательной скоростью относительно воздуха. Оно измеряется скоростью в километрах в час (рис. 25). Боковое перемещение самолета имеет место, когда мы накреняем его, не делая поворота (рис. 26); в этом случае возникает скольжение в сторону, что заставляет шарик указателя крена отойти в сторону опущенного крыла.
16
Рис. 27 показывает устройство двойного рулевого управления, которым мы будем пользоваться во время тренировочных полетов. Я сижу в передней кабине, а вы в задней. Каждое движение вашего управления заставит мое управление двигаться вслед за вашим, а кроме того, я могу разговаривать с, вами и учить вас в полете.
Позднее мы используем закрытый самолет, где оба комплекта рулевого управления будут рядом.
