Текст книги "Почему и как летает самолет (Изд. 2-е)"
Автор книги: Алексей Жабров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 4 страниц)
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]12
Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или прямолинейного равномерного движения до тех пор, пока какая-нибудь сила не выведет его из этого состояния (первый закон Ньютона, называемый законом инерции).
[Закрыть]. 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]13
Центром тяжести тела называется воображаемая точка, в которой как бы приложена сила веса тела.
[Закрыть]. 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.
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]14
Ускорение – прирост скорости за 1 секунду.
[Закрыть]. 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.
