Алексей Жабров - Почему и как летает самолет [Изд. 2-е]

А как рули и элероны служат для управления самолетом?

Взглянем опять на рис. 22, а и представим себе, что летчик отклонил руль высоты немного больше или меньше, чем он был отклонен при равновесии. Этим летчик изменит момент горизонтального оперения. Продольное равновесие будет нарушено, и самолет начнет поворачиваться вокруг поперечной оси (рис. 24), опуская или поднимая нос, уменьшая или увеличивая угол атаки.

Рис. 24. Действие руля высоты для продольного управления самолетом: а) при отклонении руля вниз угол атаки крыла уменьшается, б) при отклонении руля вверх угол атаки увеличивается.

Когда летчик передвигает ручку рулевого управления от себя, руль высоты отклоняется вниз, на него начинает действовать аэродинамическая сила снизу вверх (рис. 24, а), а поэтому самолет уменьшает угол атаки крыла. Если же летчик берет ручку на себя, то руль отклоняется вверх, аэродинамическая сила действует на него сверху вниз, и под ее влиянием угол атаки увеличивается (рис. 24, б ). При этих изменениях угла атаки траектория полета останется прямолинейной, если летчик, изменяя угол атаки, будет соответственно изменять и тягу силовой установки. В противном случае траектория полета искривится вниз или вверх.

С помощью элеронов летчик может не только сохранять поперечное равновесие, но и накренять самолет (если понадобится), а с помощью руля направления — не только сохранять путевое равновесие, но и поворачивать самолет вправо и влево.

Когда летчик отклоняет ручку рулевого управления вправо, правый элерон поднимается, а левый опускается (рис. 23, а ), подъемная сила правого полукрыла становится меньше, а левого — больше, а поэтому самолет кренится вправо. При движении ручки влево происходит обратное — и самолет кренится влево.

Если же летчик, перемещая ручку вправо, одновременно нажимает правую педаль (рис. 23, б ), то самолет делает разворот вправо. Аналогично делается и левый разворот.

По выражению летчиков, самолет в полете «ходит за ручкой». Однако такой послушной машина бывает только, если она устойчива. Теперь строятся устойчивые и хорошо управляемые самолеты. Расчет устойчивости и управляемости входит в так называемый аэродинамический расчет самолета.

Очень интересно наблюдать взлет самолета, когда тяжелая машина превращается в легкокрылую птицу. Самой меньшей скоростью, с которой возможен полет самолета, является, как нам уже известно, минимальная скорость горизонтального полета. Но при такой скорости самолет еще недостаточно устойчив и плохо управляется. Поэтому отрыв самолета от земли летчик производит на несколько большей скорости. После отрыва летчик продолжает разгон самолета, как говорят, «выдерживает» машину над землей до тех пор, пока скорость не станет достаточной для безопасного подъема.

Таким образом, взлет самолета можно разделить на три этапа: разбег, выдерживание над землей для увеличения скорости и подъем (рис. 25, а ).

Рис. 25. Взлет самолета: а) этапы взлета, б) силы, действующие на самолет при взлете.

Эти три этапа составляют так называемую взлетную дистанцию.

Посмотрим, как летчик производит разбег, какие силы действуют на самолет при разбеге и как создается ускорение движения [14] Ускорение — прирост скорости за 1 секунду. . Ради простоты будем опять считать, что все главные силы приложены в центре тяжести самолета, то есть моменты их равны нулю (поскольку теперь нас интересуют силы, а не их моменты).

Вот самолет стоит на старте, готовый к полету, и двигатель работает на малом газе (рис. 25, б ). Тяга винта пока еще недостаточна для преодоления силы трения колес о землю. Но летчик дал полный газ, тяга винта увеличилась до максимальной и самолет начал разбег. Избыточная тяга создает ускорение, и скорость растет. Чтобы скорость нарастала быстрее, летчик немного отклоняет руль высоты вниз, поэтому хвост самолета поднимается и угол атаки крыла уменьшается (рис. 25, б ). С ростом скорости возрастает подъемная силы крыла, и вскоре самолет уже едва касается колесами земли. Наконец, подъемная сила становится равной весу самолета, затем немного больше ее, и машина отрывается от земли (рис. 25, б ). Разбег закончен — самолет взлетел.

Некоторое время машина летит низко, набирая скорость. Затем летчик отклоняет ручку рулевого управления на себя и переводит самолет на режим подъема (рис. 25, а ).

При подъеме на самолет действуют те же силы, что и при горизонтальном полете, но взаимодействие их несколько иное (рис. 26).

Рис. 26. Действие сил при установившемся подъеме: подъемная сила крыла равна только одной слагаемой силе веса В1, а сила тяги Т равна сумме сил лобового сопротивления Л и слагаемой веса В2.

Подъемная сила крыла всегда перпендикулярна к направлению полета. Поэтому во время подъема она направлена уже не вертикально и, следовательно, не может полностью уравновесить силу веса. Если разложить силу веса на две слагаемые силы, как показано на рис. 26, то становится видно, что подъемная сила крыла может уравновесить только одну из них — В1. Другую же слагаемую силы веса — В2 — вместе с лобовым сопротивлением должна уравновесить, очевидно, сила тяги винта.

Когда самолет набирает высоту, то подъемная сила крыла меньше веса самолета. Почему же в таком случае самолет набирает высоту? Дело в том, что тяга винта здесь не только преодолевает лобовое сопротивление, но и берет на себя часть веса самолета, как это показано на рисунке. Иными словами, при подъеме самолета сила тяги частично выполняет роль подъемной силы.

И если самолет мог бы подниматься вертикально вверх, то неподвижное крыло стало бы совершенно бесполезным — машину поднимала бы вверх исключительно тяга винта. Самолет превратился бы в вертолет.

При подъеме самолет набирает ежесекундно некоторую высоту, которая называется вертикальной скоростью подъема. Например, вертикальная скорость самолета ЯК-18 в начале подъема равна 4 метрам в секунду. Но затем она уменьшается.

Почему это происходит и к чему ведет?

По мере подъема на высоту плотность воздуха становится все меньше и меньше, поэтому в цилиндры двигателя попадает меньше кислорода, нужного для сгорания топлива, и в результате мощность силовой установки падает. Следовательно, уменьшается избыточная мощность, необходимая для подъема. И вот, наконец, на какой-то высоте никакой избыточной мощности уже нет, и самолет не может продолжать подъем. Высоту, на которой это происходит, называют «потолком» самолета.