За счет чего поворачивает самолет в воздухе
Как самолеты поворачивают в воздухе?
Каждый бывалый авиапутешественник сталкивался с ситуацией, когда самолет наматывал круги над аэропортом в ожидании разрешения на посадку, а в новостных лентах регулярно проскакивают сообщения о том, что очередной пилот развернул борт из-за какого-нибудь дебошира на борту. А, кстати, как, вообще, пилоты разворачивают воздушное судно? Разбираемся в нюансах — рассказываем просто о сложном.
Когда самолет летит прямо и с постоянной скоростью, на него действуют сила тяжести и подъемная сила крыла. Вперед его толкает тяга двигателей, уравновешенная силой лобового сопротивления. При этом сила тяги составляет примерно 1/5 часть от веса самолета.
Чтобы судно развернулось в воздухе, требуется сила, которая будет действовать перпендикулярно направлению его скорости. Тут на помощь приходят элероны — подвижные части крыла, расположенные на его задней кромке: их видно в иллюминаторы. Непосредственно перед началом разгона и взлета их обязательно проверяют, поворачивая вверх и вниз.
Во время поворота один элерон поднимается верх, другой опускается. Там, где он опущен вниз, подъемная сила крыла увеличивается, а где поднят вверх — уменьшается, поэтому самолет как бы немного закручивается вдоль фюзеляжа, наклоняясь на некоторый угол. И у силы, двигающей воздушное судно вперед, появляется горизонтальная компонента. Она равна массе самолета, умноженной на тангенс угла поворота. Ее достаточно, чтобы преодолеть сопротивление других сил и развернуть самолет по виражу с безопасным креном.
Как самолет поворачивает и тормозит в воздухе и при чем здесь крыло?
Опубликовано 07.05.2021 · Обновлено 13.11.2021
После того, как самолет отрывается от земли, он теряет все привычные нашему взгляду точки опоры и ему приходится полагаться только на свою скорость, за счет которой давление воздуха под крылом удается поддерживать выше, чем над ним. В таких условиях все привычные способы маневрирования оказываются бесполезными, да и степеней свободы у самолета гораздо больше, нежели прямо, влево, вправо и назад. Как ему удается осуществлять маневрирование в воздухе, при чем с высокой точностью, ну и самое интересное: как можно разогнаться в воздухе довольно ясно, для этого есть несколько реактивных или винтовых двигателей, а как затормозить, особенно если самолет идет на снижение и при чем здесь крыло? На самом деле это не такая простая задача, учитывая что во время снижения самолета его скорость постоянно возрастет за счет действия ускорения свободного падения. Об этом поговорим в данном материале, доступно и просто. Приятного чтения!
Подъемная сила
На самом деле всем известно, что самолет удерживается в воздухе благодаря крыльям. За счет специального профиля и большой площади, при увеличении скорости самолета поток воздуха «изгибается», встречая сопротивление наклоненного крыла, и давление воздуха под ним значительно возрастает, а над ним остается прежним, за счет чего самолет взмывает ввысь, курсируя по воздуху словно над водной гладью. Эта разница давлений и называется подъемной силой, которая зависит от угла атаки (непосредственный угол наклона плоскости крыла навстречу воздушному потоку) и скорости потока воздуха (или наоборот — всякое движение относительно, мы это помним).
Подытожим: подъемной силой можно манипулировать изменяя два параметра: скорость и угол атаки. Подъемная сила названа таковой потому, что она направлена вверх от земли в небо, но на самом деле отклоняя любую плоскость в воздушном потоке можно создать разницу давлений между сторонами этой плоскости, соответственно будет возникать некая сила, направленная от стороны с большим давлением в сторону меньшего, причем плоскость может располагаться в любом положении, главное чтобы она находилась в набегающим воздушном потоке.
Плоскости крыла
Самолет имеет много степеней свободы, и за самые важные отвечает крыло: набор высоты и снижение, повороты, торможение, повышение подъемной силы при снижении скорости перед посадкой. Ну с высотой все понятно — в зависимости от угла атаки (который регулирует «хвостовое оперение» — руль высоты, наклоняя самолет либо носом вверх, либо вниз) подъемная сила либо возрастает, либо наоборот падает, а если она принимает отрицательные значения, то есть давление над крылом становится выше чем под ним, самолет снижается. А как быть с поворотами и торможением?
Для этих целей служат другие управляющие плоскости, которые носят названия: элероны, спойлеры, интерцепторы, закрылки и предкрылки. Для того, чтобы самолет осуществил поворот в какую-либо сторону пилот отклоняет штурвал словно руль автомобиля, и на крыльях в соответствующие стороны отклоняются элероны.
Элероны: повороты вправо-влево
Элероны на каждом крыле работают одновременно в противоположных направлениях: если на правом элерон отклоняется вверх, то на левом элерон отклоняется вниз, на одинаковое количество градусов. В этом случае на правом элерон станет «препятствием» воздушному потоку над крылом, точнее над самым его краем, значит давление над элероном будет возрастать и появится сила, толкающая край крыла вниз. Поскольку на противоположной стороне в данный момент будет происходить тот же процесс только в обратном направлении, получится вращающий момент: законцовка одного крыла движется вниз, а другого вверх, и самолет наклоняется. Из-за профиля в момент возникновения крена самолет начинает поворачивать в сторону крыла, направленного вниз к земле.
Интерцепторы и спойлеры: торможение самолета
Довольно часто пилотам приходится выдерживать жесткий скоростной режим, например во время кружения в зоне посадки крупных аэропортов, когда авиадиспетчер директивно каждому воздушному судну в зоне его ответственности выдает указания: на какой высоте лететь и с какой скоростью.
Если во время горизонтального полета выдерживать скорость не сложно так как она напрямую зависит от заданной мощности силовых установок, то во время снижения скорость как правило возрастает, а если снизиться нужно быстро (такое бывает в зажатых зонах посадки крупных аэропортов) то вертикальная скорость так или иначе перейдет в горизонтальную, и возникает потребность в воздушном тормозе.
Роль воздушного тормоза в небе на крупных воздушных судах играют интерцепторы — отклоняемые только вверх плоскости, расположенные на верхней стороне крыла. Открываясь на заданный угол интерцепторы создают сопротивление воздушному потоку, и, как мы уже знаем, возникает зона повышения давления воздуха и вместе с ней сила, направленная вниз и в противоположном направлении. Поскольку площадь крыла намного больше площади интерцепторов вектор силы, направленный вниз, на высокой скорости не играет особой роли, зато тормозящий эффект проявляется неплохо.
Сразу после посадки как правило открываются на максимальный угол все панели интерцепторов и дополнительные панели, которые называют спойлерами. Знакомое жителям интернета название — спойлер, в авиации так и обозначает — воздушный тормоз. Его действие во время посадки самолета на взлетную полосу, когда скорость самолета небольшая, связано как раз с прижимной силой — крыло прижимается к земле препятствуя эффекту подскока (на профессиональном языке есть термин — «козление»).
Закрылки: значительное повышение несущей способности крыла
Взлетная скорость крупного гражданского самолета составляет более 225 км/ч, но стоит учитывать, что угол атаки на взлете высок и двигатели работают в самом мощном взлетном режиме, придавая воздушному судну постоянное ускорение. Стабильный полет выполняется на скоростях, близких к 300 — 350 км/ч. Посадка на такой высокой скорости является очень рискованной, так что авиаконструкторам пришлось идти на всякие хитрости.
Полностью выпущенные закрылки
Одной из хитростей стало изобретение закрылков — это самые масштабные плоскости, которые продолжают крыло под значительным углом, и сильно увеличивающие его площадь, а значит и подъемную силу. Поскольку закрылки продолжают крыло под значительным углом, они создают большое сопротивление воздушному потоку, так что двигателям приходится работать на более мощных режимах при их выпуске. Та сила, которая возникает от сопротивления воздушному потоку, направлена вверх, а значит увеличенная тяга двигателей приводит не к разгону самолета, а к увеличению подъемной силы.
Закрылки позволяют самолету уверенно держаться «на крыле» на меньших скоростях, но с увеличенной тягой двигателей. Таким образом, с полностью выпущенными закрылками, современный гражданский самолет может уменьшить скорость посадки с 300 до 180 км/ч.
Предкрылки: предотвращают «срыв потока»
Посмотрите на схему «оперения» самолета, предкрылки расположены на переднем крае крыла по всей длине.
Предкрылки отклоняются чуть вперед и вниз, таким образом изменяя геометрию крыла. Все дело в том, что во время взлета и посадки крыло находится на больших «углах атаки». Чтобы не произошел срыв потока, когда передний его край будет создавать слишком сильное сопротивление воздушному потоку, приводя к падению скорости, а вместе с ней и подъемной силы. Выпущенные предкрылки продлевают крыло и занижают его передний край, а на больших углах атаки предкрылок не будет оказывать сильное сопротивление воздушному потоку, позволяя ему «пробегать» над крылом.
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.
Как самолеты поворачивают в воздухе
Наверняка многим пассажирам приходилось становиться свидетелем того, как пилот разворачивает в воздухе их самолет. Однако чаще всего этот процесс не слишком заметен для людей, не разбирающихся в устройстве авиасудна, ведь нам просто кажется, что полет продолжается так же, как и до этого. Правда, пилоты в это время проделывают трюк с элеронами — частями крыла, которые могут двигаться. Ниже мы рассказываем, для чего же самолеты нужно разворачивать в небе и как на это влияют элероны.
Зачем необходима способность поворота
С земли нам кажется, что сама возможность совершать поворот для лайнера в воздухе как-то нелогична, ведь создается впечатление, что он всегда всегда летит по прямому маршруту. Однако такая способность очень важна, так как она влияет на множество аспектов в управлении самолетом.
Так, в воздухе чаще всего разворот авиасудна происходит по аварийным причинам. Например, если на борту случается какая-либо чрезвычайная ситуация, то может потребоваться экстренная посадка рейса. Сюда относятся проблемы со здоровьем у человека, находящегося на борту, когда работники рейса не в состоянии ему помочь. Тогда пилот направляет лайнер к ближайшему аэропорту, где человеку оказывают медицинскую помощь.
Также часто можно наблюдать, как самолет долгое время может просто кружить в воздухе над посадочной полосой. Это значит, что пилот по каким-либо причинам пока что не может совершить посадку. Так, он может просто дожидаться разрешения на это действие, либо же сжигать специально топливо, наличие которого не позволяет начать спуск. Во всех этих случаях пилоты так или иначе разворачивают лайнер в воздухе.
Физика решает все
То, как происходит поворот, объясняет физика. Так, на лайнер всегда действуют некоторые силы. Когда он движется прямо и с постоянной скоростью, то само продвижение обеспечивается силой тяги. А чтобы повернуть судно, необходима сила, действующая перпендикулярно относительно направления его движения. В этом как раз и выручают элероны.
Они представляют собой части крыла, которые расположены на самих кромках. Они могут двигаться в зависимости от того, в какую сторону нужно сделать разворот. Так, если поднять один, а другой опустить, то на последнем подъемная сила увеличится, и лайнер начнет как бы закручиваться вокруг своей оси.
Также предлагаем ознакомиться с тем, как самолеты перемещаются на суше.
А вы когда-нибудь видели, как разворачивают самолет?
За счет чего поворачивает самолет в воздухе
Мы часто пользуемся механическими приспособлениями, совершенно при этом не представляя, как они работают.
Когда я был молод и еще не успел обзавестись семьей, родители подарили мне на день рождения пылесос. Через несколько месяцев мне позвонила мама и спросила: «Знаешь, где найти мешки для пылесоса?». Я ответил: «Мешки? Какие мешки?».
Откуда мне было знать, что этой штуке необходимы мешки?
Да пребудут с вами 4 силы
Подъемная сила действует снизу вверх. Она появляется, когда крылья самолета движутся сквозь воздух. Движение вперед вызывает небольшую разницу между давлением воздуха на нижнюю и верхнюю поверхности крыла. Благодаря этой разнице давлений и возникает подъемная сила, удерживающая самолет в воздухе.
Вес действует сверху вниз. Этой силой пилот может управлять в определенных пределах, изменяя загрузку самолета. За исключением веса сожженного топлива, вес самого самолета трудно изменить. Не будете же вы после взлета сжигать груз или подсаживать дополнительных пассажиров (или, наоборот, выбрасывать их за борт). Высадка пассажиров во время полета является нарушением какого-то правила Федерального управления гражданской авиации, поэтому не делайте так, пожалуйста.
В установившемся полете (то есть когда скорость и направление полета постоянны) подъемная сила и вес уравновешивают друг друга.
Тяга и сопротивление
Тяга вызывает ускорение самолета, но конечная скорость определяется сопротивлением. При увеличении скорости увеличивается и сопротивление. Благодаря упрямству природы, увеличение скорости самолета в два раза вызывает увеличение сопротивления в четыре раза. В какой-то момент сопротивление уравновешивает тягу и достигается постоянная скорость.
Мой Фольксваген Жук времен старшей школы знал эти пределы. Его скорость была ограничена размером двигателя. Используя четыре маленьких цилиндра (причем в любой момент времени работали только три из них), Фольксваген попросту не мог разогнаться выше 65 миль в час. Рисунок 1-2 показывает, как максимальная сила тяги уравновешивается сопротивлением именно при этой скорости.
Чем меньше скорость движения, тем меньше требуется мощности, так как уменьшается сопротивление. Если скорость движения меньше максимальной, то образуется определенный запас тяги (мощности). Его можно использовать, например, для обгона. Или, может быть, для игры на свистках, если вы этим увлекаетесь.
На этом вступительная часть закончена. Думаю, теперь самое время узнать кое-что об органах управления самолета.
Если вы готовый пилот, значит, вы терпеливо дожидались рассказа об органах управления. Ганди бы мог поаплодировать вашему терпению (но его здесь нет, поэтому поаплодирую я). На рисунке 1-3 изображены три воображаемые оси самолета.
Теперь мы готовы подробно рассмотреть каждый из трех органов управления, вращающих самолет вокруг его осей.
Левый элерон отклоняется вниз, вызывая увеличение подъемной силы на левом крыле. Правый элерон отклоняется вверх, вызывая уменьшение подъемной силы на правом крыле. Именно это и заставляет самолет накреняться вправо.
При повороте штурвала влево левый элерон отклоняется вверх, вызывая тем самым уменьшение подъемной силы на левом крыле (см. рис. 1-5).
Правый элерон отклоняется вниз, вызывая увеличение подъемной силы на правом крыле. Это заставляет самолет накреняться влево.
Элероны вызывают разницу между подъемными силами, действующими на разные крылья. Эта разница накреняет самолет, в результате чего суммарный вектор подъемной силы наклоняется в ту сторону, куда надо повернуть.
 Рисунок 1-6. Как тангаж изменяется с помощью руля высоты Хвост опускается (1) из-за того, что поднимается руль высоты (2). |
