АЭРОДИНАМИКА

Когда самолет находится на земле и мотор не работает, единственная сила, которая действует на него, это сила тяжести, т. е. его собственный вес. Но в полете на самолет помимо силы тя­жести действуют и другие силы. Сила тяжести остается всегда оди­наковой, на земле ли самолет или в воздухе, и поэтому приятно знать, что эта постоянная сила всегда с нами. Полет возможен только тогда, когда есть поступательная скорость (движение вперед); мини­мальная скорость полета у разных типов самолетов различна. Посту­пательная скорость получается за счет энергии от сгорания горючего, преобразуемой мотором в мощность, передаваемую воздушному винту, который и развивает тяговое усилие.

Запомним, что если мы отрываемся от земли и поднимаемся на некоторую высоту, мы уже имеем некоторый запас энергии (вес само­лета), способный придать самолету поступательную скорость, когда мотор перестанет ее развивать. В случае остановки мотора на неко­торой высоте над землей вес продолжает тянуть самолет вперед; самолет не падает, а начинает планировать, скользя вниз, будучи все время управляем.

Чем выше самолет находится в воздухе, тем большее расстояние он может пролететь (спланировать) без мотора. Постоянно действую­щая сила тяжести становится чем-то вроде постоянной охраны, обеспечивая самолет невидимой энергией, необходимой для движе­ния вперед, и давая возможность самолету постепенно планировать вниз с любой высоты, если мотор остановился. Поэтому, если спуск производится умело и если соответственно учитывается характер по­верхности земли, то самолет может совершить посадку без аварии. Высота полета должна быть во всех случаях такой, чтобы дать само­лету возможность, планируя, пройти горизонтальное расстояние, достаточное для достижения удобного места посадки.

В полете самолет подвергается влиянию многих сил, обусловлен­ных наличием воздуха, но все их можно представить в виде четырех главных сил: силы тяжести, подъемной силы, силы тяги винта и силы сопротивления воздуха (лобовое сопротивление). Сила тяжести остается всегда постоянной, если не считать уменьшения ее по мере расхода горючего. Подъемная сила противодействует весу самолета и может быть больше или меньше веса, в зависимости от количества энергии, затрачиваемой на движение вперед. Силе тяги винта про­тиводействует сила сопротивления воздуха (иначе лобовое сопро­тивление).

При прямолинейном и горизонтальном полете эти силы взаимно уравновешиваются; сила тяги винта равна силе сопротивления воз­духа, подъемная сила равна весу самолета. Ни при каком ином соотношении этих четырех основных сил прямолинейный и горизон­тальный полет невозможен.

Любое изменение любой из этих сил повлияет на характер полета самолета. Если бы подъемная сила, создаваемая крыльями, увели­чилась по сравнению с силой тяжести, результатом оказался бы подъем самолета вверх. Наоборот, уменьшение подъемной силы против силы тяжести вызвало бы снижение самолета, т.. е. потерю высоты.

Силу тяги винта можно изменять, но сила сопротивления воз­духа всегда остается равной силе тяги и направленной в противо­положную сторону. Это звучит невероятно, не так ли? Эти четыре силы — наши постоянные спутники в воздухе, поэтому очень важно, чтобы вы знали и всегда сумели представить себе, как изменение любой из этих сил повлияет на полет самолета. Кроме того, от вас, т. е. от тех, кто будет управлять силой тяги, подъемной силой и си­лой сопротивления воздуха, будет зависеть, сумеете ли вы исполь­зовать силу притяжения для изменения скорости поступательного движения в условиях, когда самолет планирует.

Когда совершается дальний перелет, высота зависит от харак­тера местности и от преобладающего состояния атмосферных усло­вий. Сочетание этих двух условий плюс стремление выбрать высоту, наивыгоднейшую в отношении наименьшего расхода горючего и максимальной скорости, решает вопрос о том, на какой высоте надо лететь.

Энергия, затраченная при подъеме на известную высоту, ча­стично компенсируется во время планирования самолета, при приближении его к месту назначения. Сила притяжения дает добавочную движущую силу, либо увеличивая скорость поступа­тельного движения, если это нужно, либо давая экономию го­рючего.

Рис. 3. Подъемная сила создается движением частиц воздуха над щ под крылом. Ее можно получить или в случае, когда крыло самолета движется относительно воздуха с некоторой скоростью, или если струю воздуха пустить мимо неподвижного крыла. Общая форма крыла показана на рисунках: верхняя сторона более вы­пуклая, чем нижняя. Однако, у различных типов самолетов крылья делаются разной формы, в соответствии с тем, для какой цели строится самолет. Подъемная сила зависит от скорости частиц воз­духа, обтекающих крыло. Малейшее увеличение их скорости вызы­вает более быстрое увеличение как подъемной силы, так и лобового сопротивления. Если мы удвоим скорость движущегося крыла, подъемная сила увеличится вчетверо. Такое же изменение произой­дет и с лобовым сопротивлением. При любой скорости крыла отно­сительно воздуха подъемная сила меняется также и с изменением угла, под которым крыло встречается с потоком воздуха. Нельзя забывать, что любое изменение подъемной силы влечет за собой соответствующее изменение величины лобового сопротивления, не­зависимо от того, было ли это вызвано изменением скорости или изменением угла. Точка приложения равнодействующей подъемных сил всех отдельных участков крыла называется центром давле­ния (ЦД).

Угол, под которым крыло встречается с воздухом, называется углом атаки. Подъемная сила создается только в том случае, если этот угол не выходит из определенных пределов. Для каждого типа крыла, в зависимости от профиля, имеются определенные углы атаки, при которых создается подъемная сила. Если же выйти из этого предела, то лобовое сопротивление сильно увеличится, а подъемная сила станет ничтожной.

Воздушный змей ле­тает потому, что его пло­скость поставлена против ветра под известным уг­лом, и поэтому возникает подъемная сила, способная

рцл

з~ удерживать в воздухе вес змея и вес длинного шну­ра, другой конец которого находится на земле.

Процесс, в результате которого крыло самолета создает подъемную силу, тот же, что у змея, но в * принципе имеется значи­тельная разница. У само­лета воздух должен всегда плавно протекать вдоль верхней и нижней поверх­ностей крыла.

Частицы воздуха дол — 5°’ жны двигаться по верхнеіі плоскости с большей ско­ростью, чем по нижней, так как им надо пройти более длинный путь, по­скольку верхняя плос­кость крыла более вы-

Рис. ґ

6. пуклая, чем нижняя (рис. 11, В). Эта разница скоростей, с которой дви­жутся частицы воздуха вокруг крыла, вызывает своеобразное явление «подсасывания», величину Рис. которого можно выразить в килограммах, как подъ­емную силу. Это не пустота (вакуум), а разность атмосферного давления, создающаяся над и под крылом. На современных са­молетах эта разница едва ли превосходит 1%. Даже и при

этой малой разнице каждый квадратный метр крыльев многих современных самолетов может нормально поднять тяжесть в 200 кз и более.

Покажем силу атмосферного давления: если бы разность давле­ния между нижней и верхней поверхностями крыла равнялась 50% атмосферного давления, тогда каждый квадратный метр поверхности крыла мог бы поднять тяжесть в 5 т на уровне моря.

Заметьте, что центр давления меняет свое положение, а лобовое сопротивление и подъемная сила — свою величину соответственно углу атаки, под которым крыло движется против воздуха. На рис. 3 крыло движется в воздухе под углом атаки 0°. Центр давления находится на линии, которая делит хорду крыла на две равные части. Когда угол атаки меняется от 0° до положи­тельного угла, например, +5° (рис. 4, Л), центр давления пере­мещается вперед, подъемная сила, а также и сила лобового сопро­тивления значительно увеличиваются. Но если то же крыло встретится с воздухом под отрицательным углом —5°, центр давле­ния передвинется к задней кромке крыла, вследствие чего подъемная сила уменьшается вместе с силой лобового сопротивления. Если мы доставим движущееся крыло под углом атаки +10° (рис. 5), то центр давления немедленно переместится в переднюю часть крыла, и подъемная сила, а также сила лобового сопротивления достигнут большой величины. Дальнейшее увеличение угла атаки (рис. 6), например, до +15° (угол в 15° является максимальным углом для большинства крыльев), дает максимальную подъемную силу и мак­симальное лобовое сопротивление. Если бы мы продолжали увели­чивать угол атаки выше максимального для данного крыла (рис. 7), то подъемная сила стала бы постепенно или быстро уменьшаться. Скорость, с которой подъемная сила уменьшается, характерна для каждого типа крыла. По мере падения подъемной силы, величина лобового сопротивления быстро увеличивается. В настоящее время имеется свыше тысячи видов профилей крыльев, и каждый имеет свои особенности.

На рис. 7, на котором крыло встречает воздух под углом бо­лее 15°, вы видите, как частицы воздуха проходят по верхней по­верхности крыла не плавно, а образуя завихрение. Это явление мы называем «срывом обтекания».

Поэтому не следует лететь под таким большим углом атаки, за исключением случаев, когда мы намеренно создаем его. Угол атаки, как это показано на рисунках, является углом, который

U

образуется направлением движения и линией, ка­сающейся задней кромки крыла и его нижней по­верхности 1.

Центр давления вашего пальто, когда оно висит на вешалке, находится в точке соприкосновения пальто и крючка.

Суммарная подъемная сила крыла (рис. 8) за­висит также от отношения между размахом крыла и хордой. Это отношение известно под названием «удлинения крыла». На ри­сунке вы ясно видите три крыла с одинаковым ти­пом профиля; каждое имеет одинаковую площадь (24 кв. м), но различное удлинение. Крыло (р и с. 8, А) с удлинением, равным 6 (размах крыльев 12 м и хорда 2 м), может дать нам при ьтой же скорости и угле атаки большую подъемную силу, чем кры­ло В или С с меньшим удлинением. Наибольшее применяемое практически удлинение крыла редко превышает 8; оно зависит также от формы крыла.