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

С малым углом атаки самолет летает при самой большой скорости, какую он может развить при полной мощности силовой установки. Тогда даже малый угол атаки оказывается достаточным для создания подъемной силы, равной весу самолета.

С увеличением угла атаки подъемная сила растет.

К сожалению, это происходит только до угла в 15–16 градусов, так как при таком угле плавность обтекания уже сильно нарушается (рис. 15, г ). Струйки воз-духа отрываются от верхней поверхности крыла, образуются вихри, лобовое сопротивление возрастает, а подъемная сила начинает падать. Угол атаки, при котором это происходит, называют критическим. При таком угле атаки самолет уже плохо управляется и неустойчив.

Чтобы улучшить обтекание крыла на больших углах атаки, русский ученый С. А. Чаплыгин (1869–1942), ученик и соратник Н. Е. Жуковского, предложил щелевые крылья. Идея их состоит в том, что крыло снабжают так называемым предкрылком и благодаря щели между ним и крылом (рис. 16) поток более плавно обтекает крыло даже на больших углах атаки.

Рис. 16. Механизированные крылья.

Объясняется это тем, что струйки воздуха, проходя через узкую щель, увеличивают свою скорость и увлекают за собой другие струйки, задерживая их отрыв от крыла. Поэтому плавное обтекание крыла сохраняется дольше и подъемная сила не перестает возрастать до угла атаки в 25 градусов, а иногда и больше.

Еще чаще применяют закрылки и так называемые щитки, расположенные у задней кромки крыла. При взлете и посадке летчик отклоняет закрылки или щитки вниз на угол 20–40 градусов и благодаря этому как бы увеличивает кривизну нижней поверхности крыла, что ведет к увеличению подъемной силы. При взлете это сокращает длину разбега, а при посадке уменьшает скорость самолета во время приземления.

Применение предкрылков, закрылков и щитков получило в наше время название механизации крыла.

Механизированные крылья широко распространены во всем мире.

В полете самолет все время преодолевает сопротивление воздуха. Эту работу выполняет его силовая установка, состоящая либо из поршневого двигателя внутреннего сгорания и воздушного винта, либо из реактивного двигателя. Мы кратко расскажем только о воздушном винте.

С воздушным винтом каждый из нас знаком с детства.

В деревнях ребята часто устанавливают на воротах двухлопастную ветрянку, которая при ветре вращается так быстро, что лопасти ее сливаются в сплошной круг. Ветрянка и есть простейший винт. Если насадить такой винт на ось, сильно закрутить между ладонями и выпустить, то он с жужжанием полетит вверх.

Воздушный винт самолета насаживается на вал двигателя. При вращении винта лопасти набегают на воздух под некоторым углом атаки и отбрасывают его назад, благодаря чему, как бы отталкиваясь от воздуха, стремятся двигаться вперед. Таким образом, при вращении воздушный винт развивает аэродинамическую силу, направленную вдоль оси винта. Эта сила тянет самолет вперед и поэтому называется силой тяги.

Воздушный винт может иметь две, три или четыре лопасти. Профиль (сечение) лопасти подобен профилю крыла.

В работе по созданию силы тяги большую роль играют шаг воздушного винта и угол установки лопасти к плоскости вращения.

Шагом воздушного винта называют расстояние, которое винт должен был бы пройти за один свой полный оборот, если бы он ввинчивался в воздух, как болт в гайку. В действительности же при полете самолета воздушный винт из-за малой плотности воздуха продвигается на несколько меньшее расстояние.

Шаг воздушного винта получается тем больше, чем больше угол установки лопасти к плоскости вращения (рис. 17, а).

Рис. 17. Возникновение силы тяги воздушного винта и угол атаки лопасти: а) при работе винта на месте и б) в полете.

Таким образом, винт с большим углом установки лопастей быстрее «шагает», чем винт с малым углом установки (подобно тому как болт с крупной резьбой быстрее ввинчивается в гайку, чем болт с мелкой резьбой). Следовательно, винт с большим шагом нужен для большой скорости полета, а с малым шагом — для малой скорости.

Работа лопастей воздушного винта подобна работе крыла. Но движение винта сложнее. В отличие от крыла лопасти винта в полете не только движутся вперед, но еще и вращаются при этом. Эти движения складываются, и поэтому лопасти винта движутся в полете по некоторой винтовой линии (рис. 17, б ). Посмотрим, как возникает сила тяги воздушного винта.

Для этого выделим на каждой лопасти маленький элемент, ограниченный двумя сечениями (рис. 17, а ). Его можно считать за маленькое крыло, которое в полете движется по винтовой линии, набегая на воздух под некоторым углом атаки. Следовательно, элемент лопасти, подобно крылу самолета, создаст аэродинамическую силу Р. Эту силу мы можем разложить на две силы — параллельно оси винта и перпендикулярно к ней. Сила, направленная вперед, и будет силой тяги элемента лопасти, вторая же, маленькая сила, направленная против вращения винта, будет тормозящей силой.

Элементарные силы тяги обеих лопастей в сумме дадут силу тяги Т всего винта, как бы приложенную к его оси. Тормозящие силы преодолевает двигатель.

Сила тяги винта очень сильно зависит от скорости полета. С увеличением скорости она уменьшается. Почему это происходит и какое имеет значение для полета?

Когда самолет стоит на земле и силовая установка работает, то лопасти винта имеют только одну скорость — окружную (рис. 17, а). Значит, воздух набегает на лопасть по направлению стрелки В, показанной в плоскости вращения винта. Угол между этой стрелкой и хордой профиля лопасти будет, очевидно, углом атаки. Как видим, при неподвижном воздухе он равен углу установки лопасти к плоскости вращения. Иначе получается в полете, когда, кроме вращательного движения, винт движется еще и вперед (вместе с самолетом).

В полете эти движения складываются, и в результате лопасть движется по винтовой линии (рис. 17, б). Поэтому воздух набегает на лопасть по направлению стрелки В1 , и угол между ней и хордой профиля будет углом атаки. Вы видите, что угол атаки стал меньше угла установки. И чем больше будет скорость полета, тем меньше станут углы атаки лопастей, а поэтому тем меньше станет и сила тяги (при неизменном числе оборотов винта).

Этот недостаток в особенности присущ простому винту, у которого угол установки лопастей, а тем самым и шаг винта, нельзя изменять в полете (простой винт имеет и другие недостатки). Гораздо более совершенен винт изменяемого шага (рис. 18).