Почему самолет летает и крыльями не машет? Интересный вопрос. Как гласит мое любимое определение - "Самолет - это совокупность деталей каждая из которых сама по себе стремится упасть на землю. Но благодаря своим непрерывным совместным усилиям они преодолевают эту тенденцию."
Давайте посмотрим, как это у них получается. К сожалению, придется немного вспомнить физику, но это нестрашно, нам понадобятся только самые простые вещи.
Итак, у самолета (нормальной схемы, она же - классическая) основным источником подъемной силы является крыло. Основные его характеристики - это площадь крыла и его профиль. Есть и другие, но о них чуть позже. Самая простая формула подъемной силы выглядит вот так:
Здесь все просто. "Y" - это и есть подъемная сила, "S" - это площадь крыла, "V" - скорость полета, а "p" - плотность воздуха. Чтобы самолет летел, нам нужно, чтобы подъемная сила была равна весу самолета. (Кстати, давайте считать, что мы летаем только на небольших высотах и при неизменной температуре, тогда у нас плотность воздуха будет постоянной). Из этой формулы уже ясно, что для того, чтобы увеличить подъемную силу крыла, нам нужно или увеличить его площадь или лететь быстрее. А что такое загадочный Су? Это как раз главный показатель - коэффициент подъемной силы. Главная характеристика профиля крыла - это его поляра - график зависимости коэффициента подъемной силы и коэффициента лобового сопротивления от угла атаки:
Точки на этом графике это и есть углы атаки. То есть мы видим, что чем выше угол атаки, тем выше будет коэффициент подъемной силы, а заодно и коэффициент лобового сопротивления. Ну, а что такое угол атаки, это совсем просто:
Это всего лишь угол между набегающим потоком и собственно крылом (если точнее, то хордой профиля). Вроде бы все просто и паззл сложился - чтобы увеличить подъемную силу у нас есть три пути (их можно и комбинировать):
1. Увеличить площадь крыла - способ вроде бы хороший, но есть и минус: при этом растет лобовое сопротивление. К тому же, пилотам этот способ недоступен - самолет уже спроектирован и построен!
2. Увеличить скорость полета. Именно этим способом (в комбинации с третьим) мы обычно и пользуемся - вспомните взлет. Мы набираем - набираем - набираем скорость, и только потом задираем нос самолета (третий способ - увеличение угла атаки) и взлетаем.
3. Увеличить угол атаки. Посмотрите на поляру: чем больше угол атаки - тем больше и коэффициент подъемной силы, разница в разы, то есть это очень эффективный способ! Правда при этом растет и сопротивление, но это проблема не наша, а двигателей самолета - развить достаточно тяги, чтобы его преодолеть.
А теперь представим, что мы летим на реальном самолете. Площадь крыла и его характеристики (профиль, удлинение, сужение) уже определены, мы можем варьировать только скорость и угол атаки. И тут мы увидели внизу что-то очень интересное. Разумеется, мы начинаем снижать скорость, чтобы это интересное рассмотреть! Что происходит в этот момент? Ответ все в той же формуле: плотность воздуха и площадь крыла не меняются, скорость падает - для того, чтобы сохранить подъемную силу нам приходится увеличивать угол атаки. Еще раз взгляните на поляру:
При увеличении угла атаки растет коэффициент подъемной силы, но только до значения в 17 градусов (на этом конкретном графике), а дальше она начинает падать. Это значение называется критическим углом атаки (а-кр) - при его превышении резко падает подъемная сила крыла - самолет больше не может сохранять высоту и сваливается. Чтобы пилот не попал в такие условия, есть значение максимально допустимого угла атаки (а-доп), при приближении к нему самолет начинает предупреждать пилота (разумеется только тот самолет на котором конструкторами система предупреждения предусмотрена). Отсюда выросло и такое понятие как скорость сваливания самолета - это та скорость, на которой нам приходится увеличивать угол атаки до критического. Лететь медленнее уже нельзя.
Чем опасно сваливание? На малой высоте все очевидно - падением. Ничего другого случиться просто не успеет. А на большой? А на большой - вероятным (впрочем не обязательным) переходом в штопор: режим полёта самолета на закритических углах атаки, заключающийся в его снижении по крутой нисходящей спирали малого радиуса с одновременным вращением относительно всех трёх его осей.
Дело в том, что даже самый идеально симметричный самолет летит в живой атмосфере - левая и правая консоли крыла не могут обтекаться абсолютно одинаково (особенно это касается поршневых самолетов - с воздушным винтом). На какой-то из них сваливание произойдет чуть раньше и самолет свалится не строго вниз (точнее на нос), а больше на одно крыло. Если ничего не предпринять - эта неравномерность будет только развиваться. Как бороться со сваливанием? Вспоминаем поляру и все становится очевидно - уменьшить угол атаки - отдать ручку (или штурвал) от себя и перевести самолет в пикирование. Причем делать это нужно немедленно, пока нас не раскрутило - мы не перешли в установившийся штопор. При этом мы будем терять высоту, но набирать скорость. И сочетание этих двух факторов - уменьшение угла атаки (ниже критического, то есть произойдет прирост Су) и рост скорости вскоре позволит нам восстановить подъемную силу и вернуться к нормальному полету.
А теперь вопрос, а почему это мы говорим о поляре профиля, у нас же летит самолет, а не профиль? Да просто так удобнее, на самом деле поляра самолета выглядит принципиально точно так же, однако там будет больше сопротивление и меньше максимальные значения коэффициента подъемной силы. Это вызвано несколькими факторами:
а) потери на сопротивление фюзеляжа, оперения, шасси
б) потери на сопротивление крыла, а они зависят от геометрии крыла - его относительного удлинения, то есть соотношения между его размахом и максимальной шириной (хордой) и сужения, то есть отношение между шириной (то есть хордой) у фюзеляжа и у концов крыла.
Вроде бы все просто?
Больше статей - тут!