Аэродинамическая сила и принцип полёта самолёта¶

Полёт самолёта — это результат действия четырёх основных аэродинамических сил, уравновешивающих летательный аппарат в воздухе: подъёмной силы, силы тяжести, тяги и лобового сопротивления. Самолёт летит, поскольку крыло, движущееся относительно воздушной среды, создаёт подъёмную силу, превышающую вес машины, а авиадвигатели обеспечивают тягу, преодолевающую сопротивление воздуха.

¶Основные силы, действующие на самолёт в полёте

В полёте на самолёт одновременно действуют четыре силы, направленные по трём осям:

В устойчивом горизонтальном полёте подъёмная сила равна весу, а тяга равна сопротивлению. Если тяга превышает сопротивление — самолёт разгоняется, если подъёмная сила превышает вес — набирает высоту.

¶Как крыло создаёт подъёмную силу

Крыло самолёта имеет форму аэродинамического профиля: верхняя поверхность, как правило, выпуклая, нижняя — более плоская. При движении крыла сквозь воздух набегающий поток разделяется на передней кромке и обтекает профиль. Вследствие формы профиля и угла атаки (угла между хордой крыла и набегающим потоком) воздух над крылом ускоряется, а давление над верхней поверхностью снижается. Под крылом давление остаётся относительно высоким. Разность давлений создаёт направленную вверх силу — подъёмную.

Ранее распространённое объяснение полёта через «неравную длину пути» воздуха над и под крылом считается упрощённым и в современной аэродинамике не является полным: подъёмная сила возникает в результате отклонения потока вниз (реактивный эффект) и связанного с ним изменения импульса воздуха.

Величина подъёмной силы описывается формулой:

Y = Cy · S · ρ · V² / 2

где Cy — коэффициент подъёмной силы, S — площадь крыла, ρ — плотность воздуха, V — скорость полёта. Подъёмная сила растёт с квадратом скорости: при удвоении скорости она увеличивается в четыре раза. Площадь крыла и его профиль подбираются под тип самолёта: у пассажирских лайнеров крыло большое, у истребителей — тонкое и стреловидное.

¶Угол атаки и критический угол

Пилот управляет подъёмной силой, изменяя угол атаки крыла. При увеличении угла атаки коэффициент подъёмной силы растёт, но лишь до определённого предела — критического угла (обычно 15–20°). При его превышении поток над крылом срывается, подъёмная сила резко падает, сопротивление растёт — начинается сваливание (аэродинамический срыв). Именно поэтому взлёт и посадка выполняются на относительно низких скоростях с большим углом атаки, а на крейсерском режиме самолёт летит на малых углах.

¶Роль двигателей и тяги

Двигатели создают тягу, необходимую для преодоления сопротивления воздуха и поддержания скорости. В гражданской авиации преобладают турбовентиляторные двигатели: вентилятор забирает воздух, его часть идёт в камеру сгорания, остальная (байпас) вытекает сзади, создавая реактивную тягу. Турбовинтовые двигатели используют винт, реактивные — сопло, поршневые — воздушный винт, приводимый поршневым мотором.

Тяга зависит от плотности воздуха: на большой высоте, где воздух разрежен, двигатели развивают меньшую тягу, а крыло — меньшую подъёмную силу. Это ограничивает практический потолок самолёта.

¶Режимы полёта

• Взлёт — разбег по ВПП с максимальной тягой; на расчётной скорости Vr пилот отклоняет рули высоты, крыло создаёт подъёмную силу, превышающую вес, и самолёт отрывается от земли.
• Набор высоты — двигатели работают с повышенной тягой, самолёт идёт на набегающий поток с большим углом атаки.
• Крейсерский полёт — тяга равна сопротивлению, подъёмная сила равна весу; самолёт летит с постоянной скоростью и высотой.
• Снижение и посадка — тяга уменьшается, самолёт снижается, перед посадкой выпускаются закрылки, увеличивающие площадь и кривизну крыла, что позволяет лететь на меньшей скорости без сваливания.

¶Влияние высоты и погоды

Плотность воздуха уменьшается с высотой примерно на 10% на каждые 1000 м, поэтому на взлёте в жару или на высокогорных аэродромах самолёт разбегается дольше. Ветер влияет на выбор направления взлёта и посадки: встречный ветер увеличивает скорость набегающего потока при той же скорости относительно земли, что сокращает разбег.

¶Историческая справка

Первый управляемый полёт выполнили братья Райт 17 декабря 1903 года в Китти-Хок: их «Флайер-1» пролетел 36 метров за 12 секунд. Теоретические основы полёта заложили Н. Е. Жуковский (теорема о циркуляции, 1902–1906), С. А. Чаплыгин и М. В. Келдыш. В СССР важнейшие исследования аэродинамики проводились в ЦАГИ, основанном в 1918 году.

¶Источники

• Жуковский Н. Е. «О присоединённых вихрях» (1906)
• Космодемьянский А. А. «Теоретическая механика»
• Бабенко Л. П., Кожин В. М. «Аэродинамика»
• Материалы ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского
• Anderson J. D. «Introduction to Flight»