Краткий ответ - по небу, но вы же сюда не за этим пришли?
Одни кричат: «Магия!». Другие кричат: «Это невозможно!». Третьи говорят, что это «бесовские технологии». Сегодня я раскрою все секреты такого явления как полёт самолёта. Надеюсь, после этого эксперты меня не сожгут за то, как я сильно все переврал (или быть может раскрыл грандиозные тайны?).
В одной из прошлых статей (Зачем эта штука? Или ещё 10 "глупых вопросов" про самолёты) я в двух словах рассказал про общий принцип создания подъёмной силы, в этом материале я подробнее разберу:
- что такое подъемная сила и её формула;
- разные профили крыла и их свойства;
- а также для чего самолёту механизация и какая она бывает.
Сядьте по удобней в автобусе, встаньте по устойчивей в метро, заварите чай по крепче на кухне, посмотрите нет ли начальника за спиной. Хотя, вдруг ему тоже будет интересно?
Итак, в путь!
Подъёмная сила
Давайте разбираться что тут вообще написано, и что это значит.
Первое что мы видим это Су – так называемый коэффициент подъёмной силы, он зависит от многих параметров, но для простоты скажем что у каждого профиля крыла (Про профили поговорим чуть дальше) свой Су. Эту характеристику задают конструкторы, и ее значения определяют опытным путём на продувках в аэродинамических трубах или с помощью аэродинамических расчётов в специальных программах. Чем Су больше, тем лучше несущая способность крыла.(Несущая способность крыла способность крыла создавать подъемную силу. Такие определения в учебниках по аэродинамике, я не виноват). Так же Су зависит от угла атаки, а угол атаки это — угол между направлением вектора скорости набегающего потока воздуха и продольной линией самолёта (профиля крыла).
Следующая величина — это скоростной напор.
Сюда входит плотность воздуха на той высоте, на которой проходит полёт и скорость нашего самолёта в квадрате.
Почему нам важна плотность воздуха?
Чем выше плотность, тем больше воздуха, соответственно тем больше сопротивление, которое тормозит самолёт. Его надо преодолеть, увеличивая скорость, а увеличение скорости ведёт к большей трате топлива, а на больших скоростях может и вовсе разрушиться конструкция лайнера. Поэтому самолёт стремиться забраться как можно выше. Но до определённого предела, так как на больших высотах плотность воздуха становится на столько маленько что этого уже недостаточно для поддержания высоты полёта.
Следующая и последняя буква - это площадь крыла, здесь все в целом просто, больше площадь - больше сила.
Вот так, лавируя между сопротивлением и скоростью инженеры выбирают оптимальные параметры конструкции крыла.
Теперь давайте обсудим крыло и какое оно бывает.
Первое с чего мы начнём это поперечный профиль крыла.
Профиль крыла самолета – это геометрическое сечение крыла, проходящее параллельно оси самолета. Или проще – порезанный где-то по середине вид крыла сбоку. За долгие годы развития авиастроения в разных лабораториях и институтах постоянно разрабатывали и испытывали крылья самой различной конфигурации. Росли скорости, масса самолетов, менялись задачи — и все это требовало новые профили крыла.
На сегодняшний день существуют различные профили крыла, отличающиеся по назначению. Один и тот же тип может иметь множество вариантов и применяться на различных самолетах.
Но в целом существующие основные типы профилей можно проиллюстрировать изображением ниже:
- Симметричный;
- Несимметричный;
- Плосковыпуклый;
- Двояковыпуклый;
- S-образный;
- Ламинизированный;
- Чечевицеобразный;
- Ромбовидный;
- Клиновидный;
Причудливые, на первый взгляд, рисунки сечений крыла делаются не из-за любви к высокому искусству, а исключительно в прагматичных целях – для обеспечения высоких аэродинамических характеристик профилей крыла. К этим важнейшим характеристикам относятся коэффициент подъемной силы Су (который обсудили выше) и коэффициент сопротивления Сх для каждого конкретного профиля. Сами коэффициенты не имеют постоянного значения и зависят от угла атаки, скорости и некоторых других характеристик. После проведения испытаний в аэродинамической трубе для каждого профиля крыла самолета может быть составлена так называемая поляра. Она отражает зависимость между Сх и Су при определенном угле атаки. Созданы специальные справочники, содержащие подробную информацию о каждом аэродинамическом профиле, крыла и иллюстрированные соответствующими графиками и схемами.
Ещё одним важным геометрическим параметром является средняя аэродинамическая хорда крыла, но про неё я лучше расскажу подробнее в другой статье, когда буду разбирать по полочкам центровку самолёта.
Дальше идёт стреловидность крыла. (Подробно и в деталях про стреловидность можно почитать здесь).
С ростом скорости самолета, растёт сопротивление воздуха Чтобы уменьшить величину сопротивления было придумано устанавливать крыло под углом относительно продольной оси самолета. Этот угол принято называть углом стреловидности. Чем больше угол тем меньше компонента сопротивления воздуха, но при больших углах уменьшается размах крыла (размах — это расстояние от одного конца крыла до другого) а это влечёт за собой уменьшение летных характеристик и снова наступает вечная дилемма в авиации - «борьба компромиссов».
Получается, параметры крыла постоянный если это монолитная конструкция? А что, если на взлёте нам нужны одни характеристики, а на эшелоне другие? Выходит, будем выпускать техников наружу и менять крыло на ходу? В целом может быть идея и рабочая, но шутки в сторону, у нас тут все очень серьёзно! Для решения этих задач придумали механизацию.
Вы видели, когда ни будь крыло птицы на взлёте/посадке и в полёте?
Обратите внимание какое крыло изогнутое и пушистое на взлёте\посадке и гладкое в полёте. Так же и у самолёта.
А зачем так надо?
Как я уже говорил выше, для того, чтобы создать подъёмную силу нужно добавить достаточно скорости, а для этого как минимум нужно время на ее набор и потом, невозможно быстро лететь около земли, из-за скоростного напора, который создает огромное сопротивление и просто может разрушить самолёт. Так вот что бы создать нужную подъемную силу при меньшей скорости нужна механизация. При выдвижении закрылков и предкрылок из крыла, во-первых, увеличивается его площадь (компонента из формулы подъёмной силы, смотри выше), а во-вторых, увеличивается кривизна профиля, все это и создает нужные условия.
Но нельзя просто выпустить механизацию в одинаковое положение и так взлетать и садится, для разных этапов полёта нам нужны разные режимы: если на взлёте нам нужно по максимуму увеличить подъёмную силу, то на посадке при касании полосы ее надо наоборот убрать до нуля что бы самолёт опять не взлетел и как можно быстрее остановился.
В момент касания полосы выпускаются спойлеры, они работают как воздушные тормоза (принцип их работы вы можете проверить сами, просто высуньте кусок фанеры из окна, когда будете ехать на машине на большой скорости, так же работают и спойлеры) и интерцепторы (бывает что один механизм может выполнять и те и те функции, как на фотографии ниже), они «отрезают» полезную площадь крыла тем самым уменьшая создание подъемной силы.
Когда в следующий раз будите лететь, обратите внимание как работает механизация. Довольно интересно наблюдать как крыло «ощетинивается» в момент касания ВПП.
На этом Мы разобрали все самые важные характеристики и механизмы крыла, а также принцип создания подъёмной силы, но все это не важно если наш самолёт не создает тягу, а тягу создает двигатель. О том, как он работает и какие типы бывают расскажу во второй части.
Подписывайтесь, делитесь своими мыслями в комментариях, задавайте вопросы. До новых встреч в следующих статьях.
Если вам интересно как обеспечивают надежность работы систем самолёта на этапе проектирования, можете почитать об этом здесь.
Так же можете ознакомиться со статьей о эксперименте по управляемому крушению воздушного судна.
Благодарю портал FB за полезный материал "Профиль крыла самолета: виды, технические и аэродинамические характеристики, метод расчета и наибольшая подъемная сила"