Для чего нужно крыло самолета
Почему летает самолет или зачем нужны крылья
С древних времен, наблюдая за полетом птиц, человек сам хотел научиться летать. Желание летать подобно птице нашло отражение в древних мифах и легендах. Одной из таких легенд является легенда об Икаре, который сделал крылья, чтобы взлететь высоко в небо, ближе к лучезарному солнцу. И хотя полет Икара закончился трагически, птицы прекрасно летают, несмотря на то, что они существенно тяжелее воздуха. Через три тысячи лет после возникновения этой легенды, в самом начале ХХ века, был осуществлен первый в истории полет человека на самолете. Этот полет длился всего 59 секунд, а пролетел самолет всего 260 метром. Так сбылась давняя мечта человека о полете. Современные самолеты летают гораздо дальше и дольше. Давайте попробуем разобраться, почему летает самолет, обладающий огромной массой, почему он при этом может летать быстрее, выше и дальше любой птицы, почему планер без мотора может долгое время парить в воздухе.
Несмотря на то, что во время полета, в отличие от птиц, крылья у самолета жестко закреплены на корпусе, самолет летает именно благодаря им, а также двигателям, которые создают силу тяги и разгоняют самолет до необходимой скорости. Сечение крыла самолета очень похоже на сечение крыла птицы. И это не случайно, так как, конструируя самолет, люди, в первую очередь, ориентировались на полет птиц. Во время полета на крыло самолета действуют четыре силы: сила тяги, создаваемая двигателями, сила тяжести, направленная к Земле, сила лобового сопротивления воздуха, препятствующая движению самолета, и, наконец, подъемная сила, которая и обеспечивает набор высоты. Соотношение этих сил и определяет способность самолета летать. При полете с постоянной скоростью сумма этих сил должна быть равна 0: сила тяги компенсирует силу лобового сопротивления, а подъемная сила – силу тяжести. Это важно знать всем, кто увлекается авиамоделированием, чтобы изготовить надежную летающую модель самолета.
Очень важным параметром является угол атаки – угол между хордой крыла (линией, соединяющей переднюю и заднюю кромки крыла) и направлением воздушного потока, обтекающего крыло. Чем меньше угол атаки, тем меньше сила лобового сопротивления, но вместе с тем меньше и подъемная сила, обеспечивающая взлет и устойчивый полет. Поэтому увеличение угла атаки обеспечивает достаточную для взлета и полета подъемную силу. Из-за несимметричности формы крыла воздух над крылом движется быстрее, чем под ним и, согласно уравнению Бернулли, давление воздуха под крылом больше, чем над ним. Однако возникающая при этом подъемная сила недостаточна для взлета, а основной эффект достигается за счет уплотнения воздуха под крылом набегающим потоком, что существенным образом зависит от угла атаки крыла самолета. Меняя угол атаки, можно управлять полетом самолета, эту функцию выполняют закрылки – отклоняемые поверхности, симметрично расположенные на задней кромке крыла. Они используются для улучшения несущей способности крыла во время взлёта, набора высоты, снижения и посадки, а также при полёте на малых скоростях.
Великий русский механик, создатель науки аэродинамики Николай Егорович Жуковский, всесторонне исследовав динамику полета птиц, открыл закон, определяющий подъемную силу крыла. Эта сила определяется разностью давлений над крылом и под ним и рассчитывается по следующей формуле:
где 
‑ плотность воздуха, 
‑ скорость набегающего воздушного потока, 
‑ площадь крыльев самолета, 
‑ скорость циркуляции воздуха возле крыла. Зависимость подъемной силы от угла атаки можно получить, используя закон сохранения импульса:
Похожую формулу для расчета подъемной силы первого в истории человечества самолета использовали братья Райт:
где 
‑ ускорение свободного падения, m – масса самолета.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Зачем самолёту крыло?
Самолёт без крыла даже представить сложно. Но зачем оно ему нужно? И можно ли обойтись вовсе без крыла? Попробуем разобраться.
Крыло у современных самолётов почти всегда одно — разделённое фюзеляжем на полуплоскости, или консоли (у птиц два крыла — каждая «полуплоскость» у них считается самостоятельным крылом).
Самолёту крыло нужно для создания подъёмной силы в результате разницы давлений воздуха на нижней и верхней поверхностях. Если говорить максимально упрощённо (а физика обтекания крыла воздухом на самом деле очень сложна), то разница давления создаётся за счёт разной скорости потоков над и под крылом. Это называется аэродинамическим путём создания подъёмной силы.
Но есть и другой путь — ракетодинамический, когда подъёмная сила создаётся за счёт силы тяги двигателей, превышающей силу тяжести нашей планеты. Как ясно из названия, в основном его используют с ракетными двигателями, поэтому крыльев у ракет обычно и нет. Но ничего не мешает его реализовать и с помощью реактивных моторов. На первый взгляд, такой принцип полёта совсем не выгоден из-за высокого расхода энергии.
Оттого для сверхзвуковых самолётов пытаются сделать крыло покороче, чтобы решить эту проблему.
И чем быстрее летают самолёты, тем более привлекательно окончательно избавиться от крыла. Однако есть одно «но» — самолёту надо по-прежнему садиться и взлетать, а это происходит на очень малых скоростях. И тут использовать крыло, как ни крути, в разы выгоднее, чем смириться с диким расходом топлива для создания подъёмной силы ракетодинамическим путём. В итоге над вопросом о крыле лучшие авиаконструкторы бьются уже более полувека.
Можно попробовать создавать подъёмную силу за счёт фюзеляжа самолёта — но пока даже в теории это совсем не просто, а уж до воплощения идеи в реальность далеко. Другой путь — создать двигатели одновременно и мощные, и экономичные, которые не столь невыгодны на малых скоростях.
Есть и другие идеи, но их всех объединяет общее — пока они не работают.
В итоге крыло сейчас уже даже можно назвать скорее тормозом для развития авиации, но пока отказаться от него возможности нет. И распространение самолётов без крыльев на своём веку мы явно не увидим.
Как летает самолет
Самолет может подняться в воздух, в том случае, если подъемная сила, возникающая при обтекании крыла воздухом превысит силу тяжести.
Для того, чтобы поднять самолет в воздух и получить требуемую подъемную силу, необходимо обеспечить обтекание крыла потоком воздуха, значит самолету для полета необходима скорость.
Самолет разбегается по взлетной полосе и, когда величина подъемной силы будет выше силы тяжести отрывается от земли. Попробуем разобраться, как возникает подъемная сила?
Аэродинамическая сила
При обтекании потокам воздуха пластины, расположенной параллельно линиям тока из-за разности давлений и сил трения, возникает аэродинамическая сила. В данном случае обтекание пластины потоком воздуха симметричное.
Несимметричным оно станет в том случае, если пластину наклонить, возникающая аэродинамическая сила будет направлена под углом к потоку. Угол наклона пластины называют углом атаки.
Разложим аэродинамическую силу на две составляющие:
При увеличении аэродинамической силы будут возрастать как вертикальная, так и горизонтальная составляющая.
Подъемная сила позволяет поднять самолет, а сила лобового сопротивления действует против направления его движения, то есть тормозит его.
Возникновение подъемной силы на крыле самолета
Наиболее благоприятным будет вариант, при котором, при малой силе сопротивления подъемная сила будет большой. Это позволит снизить потребную мощность двигателей, и расход топлива. Для этого создаются крылья несимметричного профиля.
Подъемная сила возникает при несимметричном обтекании профиля крыла потоком воздуха.
Струйки потока обтекают крыло сверху и снизу по разному.
При обтекании верхней выпуклой поверхности крыла из-за инертности струйки воздуха сжимаются, и в соответствии с уравнением неразрывности, скорость движения частиц воздуха.
В результате разницы давлений под крылом и над крылом возникает подъемная сила. Когда подъемная сила будет больше силы тяжести самолет взлетает.
Механизация крыла
Увеличение подъемной силы связано и с увеличением силы лобового сопротивления. Чем выше скорость самолета, тем сильнее сила лобового сопротивления будет тормозить его. Поэтому для полета на больших скоростях необходимо крыло, не вызывающее значительное лобовое сопротивление, подъемная сила у такого него также будет невелика, но когда самолет набрал высоту большая подъемная сила и не нужна.
Для полета на малых скоростях необходимо такое крыло, которое обеспечит максимальную подъемную силу, сила лобового сопротивления такого крыла выше, но на малых скоростях это не так критично.
Получается, что для того, чтобы взлетать на малой скорости, а проводить полет на большой скорости, самолету нужны крылья с разным профилем, или, как минимум, крыло с разными характеристиками. Получить необходимые характеристики на разных этапах полета помогают элементы механизации крыла:
Закрылок
Отклоняемый элемент механизации, расположенный на задней кромке крыла называют закрылком.
Выпуск закрылков позволяет значительно увеличить подъемную силу,при этом возрастает и сила лобового сопротивления.
Закрылки позволяют самолету взлететь на меньшей скорости, и совершать полет на малых скоростях.
Для набора скорости в полете сопротивление необходимо уменьшить, поэтому сначала угол наклона закрылков уменьшается, а затем они и вовсе убираются. В убранном закрылок составляет часть профиля крыла.
В режиме посадки, возрастающее сопротивление при выпуске закрылков позволяет снизить скорость самолета, а возросшая подъемная сила обеспечивает устойчивый полет при снижении скорости.
Предкрылок
Элемент механизации крыла, расположенный на его передней кромке, предназначенный для управления пограничным слоем называют предкрылком. Различают фиксированные предкрылки, жестко связанные с крылом и автоматические предкрылки, которые могут быть прижаты к крылу или выдвинуты в зависимости от угла атаки.
Щиток
Наклон щитка позволяет увеличить подъемную силу. Возрастающее сопротивление позволяет снизить пробег при посадке самолета.
Элементы управления
Вертикальное оперение позволяет обеспечить балансировку, устойчивость и управляемость самолета.
Оперение самолета составляют из неподвижные и подвижные элементы:
Действие рулей основано на изменении аэродинамической силы, при изменении угла наклона по отношению к направлению движения потока воздуха. При изменении угла наклона возникает аэродинамической силы, которая, благодаря плечу относительно центра тяжести самолета, создает вращающий момент.
Руль высоты
При перемещении руля высоты в противоположном направлении, нос самолета опускается вниз, угол тангажа становится отрицательным, самолет пикирует.
Руль направления
При изменении положения руля направления, за счет возникающей аэродинамической силы, появляется момент, поворачивающий самолет относительно нормальной оси. С помощью руля направления можно изменяется угол рысканья самолета.
Руль направления чаще всего используется для корректировки курса самолета при разбеге или пробеге при посадке.
Элероны
Вид криволинейного полета, служащий для изменения направления называют виражом. Для осуществления виража самолет необходимо изменить угол крена, сделать это позволяют элероны.
Элемент управления самолета, расположенный на задней кромке крыла называют элероном.
При крене самолета, из-за изменения режима обтекания крыла, создается центростремительная сила и самолет начинает двигаться по кривой, но демпфирующий момент вертикального оперения противодействует развороту. Для выполнения виража необходимо не только накренить самолет, но и отклонить руль направления в сторону виража, увечить тягу двигателя.
Излом на крыле самолета — зачем он нужен
Секрет заключается в том, что систему типа «чаячье крыло» применяют в различных целях, причем эти цели иногда могут кардинальным образом друг другу противоречить. Более того, далеко не всегда крыло самолета gull wing вообще выполняет какую-либо функцию. Его появлению способствовал прецедент, связанный с ошибкой одного талантливого инженера.
В 1930 году знаменитый немецкий авиаконструктор Александр Липпиш спроектировал спортивный планер Fafnir. Липпиш разрабатывал машину для конкретных целей — демонстрации возможностей безмоторной авиации и установления рекордов. В своем стремлении к поиску революционного решения инженер применил, помимо ряда других интересных находок, схему крыла с изломом, предполагая, что она увеличит стабильность полета при боковых кренах. Как называется это крыло теперь? Нетрудно догадаться — «чаячье крыло».
Липпиш ошибался. Но надо же такому случиться, что Fafnir действительно оказался очень удачной конструкцией. Он выиграл ряд воздушных соревнований, «прогремел» по всей Германии, установил мировой рекорд высоты подъема для планера, совершил несколько сверхдальних перелетов. Сам Липпиш придавал конструкции крыла самолёта gull wing большое значение и полагал, что она сыграла немалую роль в успехе планера. Об этом же писали газеты — все-таки излом на крыле был самым заметным визуальным элементом «Фафнира». Планер Липпиша породил нечто вроде моды на «чаячьи крылья»: значительная доля планеров 1930-х годов использовала такую же схему.
Но проведенные много позже аэродинамические исследования показали, что роль излома была мизерной, если не сказать никакой. Липпиш вполне мог самолет, где крыло обычное— и тот был бы не хуже. Последовавшие же за модной тенденцией компании столкнулись с рядом проблем: «чаячье крыло» было значительно сложнее и дороже в изготовлении, да и выгод особых не давало. Преимущества или недостатки планеров создавались за счет других элементов. Тем не менее идея получила свое продолжение, потому что определенная функция у «чаячьего крыла» все-таки имелась.
В море и на суше
Современные исследования доказали: излом крыла вверх (классическое «чаячье крыло»), и обратный излом снижают аэродинамическое качество летательного средства. То есть отношение подъемной силы крыла самолёта к лобовому сопротивлению, а также скороподъемность — скорость набора высоты в полете. В чем же причина его популярности в 1930-е годы и вплоть до конца 1950-х? В первую очередь — в эстетике. Планеры с изломанным крылом напоминали благородных птиц, казались эффектнее, быстрее, красивее. Чистый дизайн, никакой функциональности. Но если в планеризме «чаячье крыло» оказалось не более чем игрушкой, то в самолетостроении идея Липпиша нашла очевидное функциональное назначение. И в первую очередь — в гидросамолетах.
В 1930—1940-х гидроавиация развивалась ударными темпами. Мощность двигателей и размеры самолетов росли как на дрожжах. Появлялись такие конструкции, как Boeing 314 (1938) — первый самолет, совершавший регулярные трансатлантические рейсы, или Hughes H-4 Hercules (1947) — самый большой самолет в мире, причем рекорд по размаху крыла летательного аппарата он удерживает по сей день. Все это были летающие лодки.
Рост мощности предъявлял определенные требования и к пропеллерам. В скоростных истребителях «работало» повышение оборотов двигателя, но для относительно тихоходных гидросамолетов такая схема не подходила. Для эффективной работы мощного двигателя приходилось увеличивать диаметр винта. Это меняло и устройство крыла самолета.
Тут-то и возникло расхождение. С одной стороны, крыло должно было находиться достаточно близко к воде, поскольку поплавок на слишком длинной опоре терял жесткость и мог подломиться при посадке. А при использовании более массивной конструкции система становилась тяжелее. Но с другой стороны, точки крепления двигателей должны были возвышаться над водной поверхностью для создания должного зазора между лопастями пропеллеров и водой. Изгиб позволил решить эту проблему — двигатели устанавливались на верхней точке крыла, на самом изломе, а законцовки с поплавком «спускались» к воде. Первой лодкой, в конструкции которой использовался этот прием, стала Short R.24/31 Knuckleduster, британский плавающий моноплан 1933 года. Из хорошо известных российскому читателю амфибий с «чаячьим крылом» стоит упомянуть Бе-12, построенный в 1960 году ОКБ Бериева. Бе-12 оказался достаточно удачной моделью, в документации он получил говорящее наименование «Чайка». Впрочем, аналогичные крылья имел и самолет-амфибия Бе-6 — его предшественник.
А вот в «сухопутных» самолетах «чаячье крыло» себя не оправдывало. Первой попыткой его применения был польский моноплан PZL P.1 системы Жигмонта Пилявского. Элемент изгиба крыла самолёта конструктор использовал, чтобы максимально поднять плоскость крыла над фюзеляжем, обеспечивая пилоту наилучший боковой обзор (в классических монопланах того времени крылья и их крепления перекрывали большую часть поля зрения пилота). Система Пилявского более или менее прижилась и даже получила особое название — «польское крыло». Впоследствии оно использовалось в советском истребителе 1938 года И-153 «Чайка» — как иначе мог он называться?
Обратный излом
Итак, прямой излом (с острием угла, смотрящим вверх) на аэродинамику влиял негативно, зато позволял решить другие конструктивные задачи и повысить эстетические свойства самолета. А если «сломать» крыло в другом направлении? Появляется еще один вид крыльев самолета. Как ни странно, подобная система («обратная чайка») на земле решала ровно ту же задачу, что прямой излом — на воде. В отличие от гидропланов, обычные самолеты имели один центрально расположенный двигатель и, соответственно, пропеллер. Зазор между лопастями и землей при взлете и посадке тут играет еще большую роль, нежели у амфибий. Соответственно, увеличить этот зазор можно, расположив стойки шасси на самых нижних точках крыльев и таким образом максимально увеличив дорожный просвет самолета. Конечно, можно удлинять и сами стойки — но при этом, как говорилось выше, снижается их жесткость и растет масса. Схему «обратной чайки» использовал, например, американский истребитель Vought F4U Corsair — он имел самый большой из всех американских самолетов такого класса диаметр пропеллера и при этом очень короткие, жесткие стойки шасси, укрепленные как раз в точке излома крыла, на стыке корневого и концевого участков.
Зачем самолёту крыло?
Самолёт без крыла даже представить сложно. Но зачем оно ему нужно? И можно ли обойтись вовсе без крыла? Попробуем разобраться.
Самолёт без крыла даже представить сложно. Но зачем оно ему нужно? И можно ли обойтись вовсе без крыла? Попробуем разобраться.
Крыло у современных самолётов почти всегда одно — разделённое фюзеляжем на полуплоскости, или консоли ( у птиц два крыла — каждая « полуплоскость» у них считается самостоятельным крылом).
Самолёту крыло нужно для создания подъёмной силы в результате разницы давлений воздуха на нижней и верхней поверхностях. Если говорить максимально упрощённо ( а физика обтекания крыла воздухом на самом деле очень сложна), то разница давления создаётся за счёт разной скорости потоков над и под крылом. Это называется аэродинамическим путём создания подъёмной силы.
Но есть и другой путь — ракетодинамический, когда подъёмная сила создаётся за счёт силы тяги двигателей, превышающей силу тяжести нашей планеты. Как ясно из названия, в основном его используют с ракетными двигателями, поэтому крыльев у ракет обычно и нет. Но ничего не мешает его реализовать и с помощью реактивных моторов. На первый взгляд, такой принцип полёта совсем не выгоден из-за высокого расхода энергии.
Это так, поэтому особенно на дозвуковых скоростях и правда лучше иметь крыло, а не летать только на тяге своей двигательной установки ( хотя поддерживать высокую скорость не так затратно по топливу, если аппарат её уже набрал).
Но чем больше скорость, тем больше сопротивление воздуха — и тем больше крыло начинает мешать, а не помогать.
Оттого для сверхзвуковых самолётов пытаются сделать крыло покороче, чтобы решить эту проблему.
И чем быстрее летают самолёты, тем более привлекательно окончательно ‘ title=>избавиться от крыла. Однако есть одно « но» — самолёту надо по-прежнему садиться и взлетать, а это происходит на очень малых скоростях. И тут использовать крыло, как ни крути, в разы выгоднее, чем смириться с диким расходом топлива для создания подъёмной силы ракетодинамическим путём. В итоге над вопросом о крыле лучшие авиаконструкторы бьются уже более полувека.
Можно попробовать создавать подъёмную силу за счёт фюзеляжа самолёта — но пока даже в теории это совсем не просто, а уж до воплощения идеи в реальность далеко. Другой путь — создать двигатели одновременно и мощные, и экономичные, которые не столь невыгодны на малых скоростях.
Есть и другие идеи, но их всех объединяет общее — пока они не работают.
В итоге крыло сейчас уже даже можно назвать скорее тормозом для развития авиации, но пока отказаться от него возможности нет. И распространение самолётов без крыльев на своём веку мы явно не увидим.