Самолёт: почему он держится в воздухе

Крыло, силы, управление и двигатели. Все определения и объяснения собраны здесь.

Как появился самолёт

Летать с помощью крыльев люди учились постепенно: изучали птиц, строили планёры, испытывали профили и искали лёгкие двигатели. Одного подъёма в воздух было недостаточно — требовалось управлять движением. Братья Райт особенно внимательно исследовали крылья и управление. 17 декабря 1903 года они выполнили четыре успешных управляемых полёта самолёта с двигателем. Первый полёт, с Орвиллом за управлением, продолжался 12 секунд и прошёл около 36 м. Современная авиация — результат работы многих изобретателей, инженеров и исследователей. Историческая иллюстрация урока показывает обобщённый ранний аппарат, а не точную геометрию Flyer.

Из каких частей состоит самолёт

Фюзеляж соединяет основные части и размещает людей или груз. Крылья создают большую часть подъёмной силы. Горизонтальное и вертикальное оперение помогают устойчивости и управлению. Двигатель с винтом или реактивная установка создаёт тягу. Шасси служит опорой на земле. Конструкции различаются: эти названия описывают обычный самолёт, но не требуют одинакового расположения частей у всех летательных аппаратов.

Четыре силы

Сила тяжести направлена к Земле. Подъёмная сила — составляющая аэродинамической силы, перпендикулярная движению самолёта относительно воздуха. Сопротивление направлено против этого движения. Тяга возникает благодаря работе двигателя и движителя; в простом примере она направлена вперёд. В установившемся прямолинейном горизонтальном полёте подъёмная сила уравновешивает тяжесть, а тяга — сопротивление. Самолёт при этом движется с постоянной скоростью. Равенство сил не означает отсутствие движения; оно означает отсутствие ускорения.

Как крыло создаёт подъёмную силу

Крыло взаимодействует с потоком воздуха, меняет его направление и распределение давления. В типичном режиме поток за крылом отклоняется вниз. Суммарное действие воздуха на крыло имеет составляющую вверх. Давление действует на обе поверхности крыла; нельзя объяснять полёт только нижней стороной. Закон Бернулли связывает скорость и давление при определённых условиях, а законы Ньютона описывают изменение импульса потока. Эти способы объяснения согласуются друг с другом. Воздух над и под крылом не обязан одновременно прийти к задней кромке.

Угол атаки и срыв

Хорда — прямая от передней кромки профиля к задней. Угол атаки измеряют между хордой и набегающим потоком. Это отличается от угла носа самолёта к горизонту. При увеличении угла атаки подъёмная сила обычно растёт до определённого предела. Когда критический угол превышен, значительная часть потока отрывается от поверхности и подъёмная сила уменьшается: возникает срыв. Это аэродинамическое явление, а не обязательная остановка двигателя. Критический угол зависит от профиля, механизации, состояния поверхности и условий потока. Углы 5°, 12° и 22° в опыте — условные положения рисунка, не универсальные пороги.

Скорость, плотность и площадь крыла

Для заданного режима подъёмную силу часто записывают L = ½ρv²SCₗ. Здесь L — подъёмная сила, ρ — плотность воздуха, v — скорость относительно воздуха, S — площадь крыла, Cₗ — коэффициент, зависящий от формы, угла атаки и других условий. При неизменных ρ, S и Cₗ удвоение скорости увеличивает L в четыре раза. В реальном полёте пилот меняет угол атаки и конфигурацию, поэтому нельзя переносить этот вывод без условий. На большой высоте плотность обычно меньше. Это одна из причин, почему приборная и истинная воздушные скорости могут различаться.

Три оси управления

Крен — вращение вокруг продольной оси. Его главным образом создают элероны: подвижные поверхности у концов крыльев, которые меняют подъёмную силу слева и справа по-разному. Тангаж — вращение вокруг поперечной оси, которым управляет руль высоты на горизонтальном оперении. Рыскание — вращение вокруг вертикальной оси; руль направления на вертикальном оперении создаёт боковую силу. Органы управления взаимодействуют, а не работают совершенно независимо. У разных самолётов встречаются другие схемы, например цельноповоротное горизонтальное оперение.

Почему самолёт поворачивает с креном

В согласованном горизонтальном повороте подъёмная сила наклонена вместе с самолётом. Её вертикальная составляющая уравновешивает тяжесть, а горизонтальная направлена к центру поворота и меняет направление скорости. Чтобы сохранить высоту при крене, обычно требуется увеличить полную подъёмную силу. В модели урока при крене β = 30°: L cos β = W, значит L = W / cos 30° ≈ 1,15 W. Это около 15% прибавки к тяжести W. Если просто наклонить прежнюю силу, её вертикальная часть уменьшится. Не следует объяснять обычный поворот одним рулём направления, как поворот автомобиля рулём.

Двигатели и движители

Поршневой двигатель, газовая турбина и электродвигатель превращают энергию в механическую работу разными способами. Винт передаёт воздуху импульс назад и получает силу вперёд. Реактивный двигатель тоже создаёт тягу, изменяя импульс потока; важны и силы давления. Нельзя отличить тип двигателя только по наличию винта: винт может вращать газовая турбина. Воздушно-реактивный двигатель использует окружающий воздух, в том числе кислород для сгорания. Ракетный аппарат может нести необходимые компоненты с собой — это тема следующего урока.

Пять частей турбовентиляторного двигателя

Вентилятор ускоряет воздух и разделяет его на поток через сердцевину и внешний поток. Компрессор повышает давление воздуха сердцевины. В камере сгорания топливо добавляет энергию потоку. Турбина извлекает часть энергии горячего газа и через валы вращает компрессор и вентилятор. Остаток газа выходит через сопло; внешний воздух также движется назад. В двигателе с большой степенью двухконтурности внешний поток даёт большую часть тяги. Схема урока показывает связи, а не точную внутреннюю геометрию: реальные машины часто имеют несколько валов и много ступеней.

Воздушная и путевая скорость

Крыло взаимодействует с воздухом, поэтому важна скорость относительно воздуха. Скорость перемещения по карте измеряют относительно земли. Вектор скорости над землёй равен сумме воздушной скорости и скорости ветра. В простом опыте направления совпадают: 100 км/ч воздушной скорости плюс попутный ветер 20 км/ч дают 120 км/ч над землёй. Встречный ветер даёт 80 км/ч. За минуту пути соответственно 2 км и около 1,33 км. В штиль — около 1,67 км. При боковом ветре складывают векторы и учитывают снос; простого сложения чисел недостаточно.

О чём говорят приборы

Указатель воздушной скорости использует разность полного и статического давлений. Показание нужно интерпретировать с учётом особенностей прибора и условий; оно не тождественно скорости автомобиля по дороге. Барометрический высотомер оценивает высоту по давлению с заданной настройкой. Авиагоризонт показывает положение самолёта относительно горизонта, но не напрямую траекторию. Навигационная система может определять скорость над землёй. Общий рисунок кабины не предназначен для чтения конкретных приборов; каждый из них объясняется словами.

Как летит планёр

Планёр создаёт подъёмную силу крыльями без постоянной тяги двигателя. В неподвижном воздухе при установившемся планировании он снижается: потенциальная энергия уменьшается и помогает преодолевать сопротивление. Аэродинамическое качество равно отношению подъёмной силы к сопротивлению; в таком режиме оно также равно отношению горизонтального пути к потере высоты. Учебный пример: качество 12 и высота 500 м дают 12 × 500 = 6000 м горизонтального пути. Условия — постоянное качество, неподвижный воздух, отсутствие манёвров и резерва высоты. Это не обещание дальности реального полёта. Восходящие потоки позволяют планёру набирать высоту, получая энергию от атмосферы.

Зачем нужны закрылки и шасси

Закрылки у задней кромки меняют кривизну профиля, а некоторые увеличивают и площадь крыла. Они повышают доступный коэффициент подъёмной силы, помогая лететь с меньшей скоростью. Обычно возрастает и сопротивление. Некоторые самолёты имеют предкрылки или другие устройства у передней кромки. Шасси поддерживает самолёт на земле; убираемое шасси уменьшает сопротивление в полёте. Положения механизации и шасси определяются конструкцией и этапом полёта. Нельзя считать выпущенный закрылок универсальным способом заставить самолёт немедленно набрать высоту.

От подготовки до посадки

До вылета проверяют техническое состояние, массу и размещение груза, топливо, маршрут и погоду. При разбеге самолёт набирает воздушную скорость. На взлёте и при наборе высоты управление тягой и положением связано с управлением энергией. В установившемся полёте силы и режим двигателя согласованы. Для снижения и захода меняют скорость, высоту и конфигурацию. После касания основные колёса становятся опорой, а торможение и другие предусмотренные средства уменьшают скорость. В уроке объясняются физические принципы, а не последовательность действий пилота конкретной машины.

Почему авиация изменила мир

Самолёт резко сократил время перемещения на большие расстояния. Он помогает перевозить людей и срочные грузы, наблюдать за земной поверхностью и достигать удалённых районов. Надёжный полёт требует большой системы: аэропортов, подготовки экипажей, обслуживания, связи и управления воздушным движением. Развитие авиации также связано с задачами уменьшения расхода топлива, шума и выбросов. Электропривод, новые материалы и формы крыла исследуют для разных типов аппаратов; одна технология не решает сразу все задачи.

Типичные ошибки

«Верхний воздух должен встретиться с нижним» — нет такого обязательного условия. «Срыв означает выключение двигателя» — это срыв обтекания крыла. «Поднятый нос всегда означает набор высоты» — положение и траектория различаются. «Тяга всегда равна сопротивлению» — это верно лишь при подходящих условиях равновесия. «При крене достаточно наклонить прежнюю подъёмную силу и высота сохранится» — вертикальная составляющая уменьшится. «Попутный ветер автоматически увеличивает воздушную скорость» — в опыте она постоянна, меняется путевая скорость.

Словарь RU/EN

Крыло — wing; фюзеляж — fuselage; подъёмная сила — lift; сопротивление — drag; тяга — thrust; хорда — chord; угол атаки — angle of attack; срыв — stall; крен — roll/bank; тангаж — pitch; рыскание — yaw; элерон — aileron; руль высоты — elevator; руль направления — rudder; закрылок — flap; шасси — landing gear; вентилятор — fan; компрессор — compressor; камера сгорания — combustor; турбина — turbine; воздушная скорость — airspeed; скорость над землёй — ground speed; аэродинамическое качество — glide ratio.

Заметки для учителя

Начните с вопроса, какие силы действуют на летящий самолёт и почему равновесие не останавливает движение. Перед каждым нажатием предложите ученикам предсказать результат. В опыте с управлением обязательно назвать выбранный вид. В повороте сравнить полную силу и её составляющие; в опыте с ветром каждый раз назвать систему отсчёта. Попросите объяснить полёт планёра через энергию. Не переносите условные углы, стрелки, качество и скорости на реальный самолёт. В конце ученик должен своими словами связать движение воздуха, силу, управление и энергию. Превью и незаполненные кнопки 3D/видео — места для будущих материалов, не готовые модели или ролики.