И их воздействия на твердые тела. Является подразделом гидро- и газодинамики. Исследования в этой области восходят к глубокой древности, ко времени изобретения стрел и планирующих копий, позволявших дальше и точнее посылать снаряд в цель. Однако потенциал аэродинамики полностью был раскрыт с изобретением аппаратов тяжелее воздуха, способных летать либо планировать на значительные расстояния.
С древних времен
Открытие законов аэродинамики в 20 веке способствовало фантастическому скачку во многих областях науки и техники, особенно в транспортной сфере. На ее достижениях созданы современные летательные аппараты, позволившие сделать общедоступным фактически любой уголок планеты Земля.
Первые упоминания о попытке покорения неба встречаются в греческом мифе об Икаре и Дедале. Отец с сыном соорудили крылья, похожие на птичьи. Это указывает на то, что еще тысячелетия назад люди задумывались о возможности оторваться от земли.
Очередной всплеск интереса к сооружению летательных аппаратов возник в эпоху Возрождения. Страстный исследователь Леонардо да Винчи много времени посвятил этой проблеме. Известны его записи, в которых объяснены принципы работы
Новая эпоха
Глобальный прорыв в науке (и аэронавтике в частности) совершил Исаак Ньютон. Ведь в основе аэродинамики лежит всеобъемлющая наука механика, родоначальником которой стал английский ученый. Ньютон первым рассмотрел воздушную среду как конгломерат частиц, которые, набегая на препятствие, либо прилипают к нему, либо упруго отражаются. В 1726 году он представил публике теорию сопротивления воздуха.
Впоследствии выяснилось, что среда действительно состоит из мельчайших частиц - молекул. Отражающую способность воздуха рассчитывать научились достаточно точно, а эффект «прилипания» считали несостоятельным предположением.
Удивительно, но данная теория нашла практическое применение спустя столетия. В 60-х, на заре космической эры, советские конструкторы столкнулись с проблемой расчета аэродинамического сопротивления спускаемых аппаратов «затупленной» сферической формы, при приземлении развивающих гиперзвуковые скорости. Из-за отсутствия мощных ЭВМ вычислить данный показатель было проблематично. Неожиданно выяснилось, что достаточно точно рассчитать величину сопротивления и даже распределение давления по лобовой части можно по простой формуле Ньютона, касающейся эффекта «прилипания» частиц к летящему объекту.
Развитие аэродинамики
Основатель гидродинамики Даниэль Бернулли описал в 1738 году фундаментальную взаимосвязь между давлением, плотностью и скоростью для несжимаемого потока, известную сегодня как принцип Бернулли, который также применителен к расчетам силы аэродинамического подъема. В 1799 году сэр Джордж Кэли стал первым человеком, который идентифицировал четыре аэродинамических силы полета (вес, подъемную силу, сопротивление и тягу), а также отношения между ними.
В 1871 году Фрэнсис Герберт Уэнам создал первую аэродинамическую трубу, позволяющую точно измерять аэродинамические силы. Неоценимые научные теории разработаны Жаном Ле Рондом Даламбером, Густавом Кирхгофом, лордом Рэлеем. В 1889 году Чарльз Ренард, французский инженер по аэронавтике, стал первым человеком, который научно рассчитал мощность, необходимую для устойчивого полета.
От теории к практике
В 19 веке изобретатели взглянули на крыло с научной точки зрения. И благодаря исследованиям механизма полета птиц была изучена аэродинамика в действии, которую позже применили к искусственным летательным аппаратам.
Особо в исследованиях механики крыла преуспел Отто Лилиенталь. Немецким авиаконструктором создано и испытано 11 типов планеров, в том числе биплан. Им же совершен первый полет на аппарате тяжелее воздуха. За относительно недолгую жизнь (46 лет) он совершил порядка 2000 полетов, постоянно совершенствуя конструкцию, которая скорее напоминала дельтаплан, чем самолет. Он погиб во время очередного полета 10 августа 1896 года, став и первопроходцем аэронавтики, и первой жертвой авиакатастрофы. Кстати, один из планеров немецкий изобретатель лично передал пионеру в изучении аэродинамики самолетов Жуковскому Николаю Егоровичу.
Жуковский не просто экспериментировал с В отличие от многих энтузиастов того времени, прежде всего он рассматривал поведение воздушных потоков с научной точки зрения. В 1904 году он основал первый в мире аэродинамический институт в Качино под Москвой. С 1918 года возглавлял ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт).
Первые самолеты
Аэродинамика - это наука, позволившая человеку покорить небо. Без ее изучения было бы невозможно строить летательные аппараты, стабильно перемещающиеся в воздушных потоках. Первый самолет в привычном нам понимании изготовили и подняли в воздух 7 декабря 1903 года братья Райт. Однако этому событию предшествовала тщательная теоретическая работа. Американцы много времени посвятили отладке конструкции планера в аэродинамической трубе собственной разработки.
Во время первых полетов Фредерик В. Ланчестер, Мартин Вильгельм Кутта и Николай Жуковский выдвинули теории, которые объясняли циркуляцию воздушных потоков, создающих подъемную силу. Кутта и Жуковский продолжили разработку двумерной теории крыла. Людвигу Прандтлу приписывают развитие математической теории тонких аэродинамических и подъемных сил, а также работу с пограничными слоями.
Проблемы и решения
Важность аэродинамики самолетов возрастала по мере увеличения их скоростей. Конструкторы начали сталкиваться с проблемами, связанными со сжатием воздуха со скоростью, близкой или большей, чем скорость звука. Различия в потоках при таких условиях привели к проблемам управления воздушным судном, увеличению сопротивления из-за ударных волн и угрозе разрушения конструкции из-за аэроупругого флаттера. Отношение скорости потока к скорости звука было названо по имени Эрнста Маха, который одним из первых исследовал свойства сверхзвукового потока.
Уильям Джон Маккуорн Ренкин и Пьер Анри Гугониот независимо друг от друга разработали теорию свойств течения воздуха до и после ударной волны, в то время как Якоб Акерет провел начальную работу по вычислению подъема и сопротивления сверхзвуковых аэродинамических поверхностей. Теодор фон Карман и Хью Латимер Драйден ввели термин «околозвуковой» для описания скоростей на границе 1 Маха (965-1236 км/час), когда сопротивление быстро растет. Впервые звуковой барьер был преодолен в 1947 году на самолете Bell X-1.
Основные характеристики
Согласно законам аэродинамики, для обеспечения полета в атмосфере земли любого аппарата важно знать:
- Аэродинамическое сопротивление (ось X), оказываемое потоками воздуха на объект. Исходя из этого параметра подбирается мощность силовой установки.
- Подъемную силу (ось Y), обеспечивающую набор высоты и позволяющую аппарату лететь горизонтально к поверхности земли.
- Моменты аэродинамических сил по трем осям координат, действующих на летящий объект. Наиболее важным является момент боковой силы по оси Z (Mz), направленной поперек самолета (условно вдоль линии крыла). Он определяет степень продольной устойчивости (будет ли аппарат «нырять» или задирать нос вверх при полете).
Классификация
Аэродинамические характеристики классифицируются по условиям и свойствам воздушного потока, включая скорость, сжимаемость и вязкость. Внешняя аэродинамика - это исследование потока вокруг твердых объектов различной формы. Примерами являются оценка подъема и вибраций самолета, а также ударных волн, которые образуются перед носом ракеты.
Внутренняя аэродинамика - это исследование воздушного потока, перемещающегося через отверстия (проходы) в твердых объектах. Например, она охватывает изучение потоков через реактивный двигатель.
Аэродинамические показатели также могут быть классифицированы в зависимости от скорости потока:
- Дозвуковой называют скорость, меньшую скорости звука.
- Околозвуковой (трансзвуковой) - если присутствуют скорости как ниже, так и выше скорости звука.
- Сверхзвуковой - когда скорость потока больше скорости звука.
- Гиперзвуковая - скорость потока намного больше скорости звука. Обычно под этим определением подразумевают скорости с числами Маха выше 5.
Аэродинамика вертолета
Если принцип полета самолета основан на подъемной силе при поступательном движении, оказываемой на крыло, то вертолет как бы сам создает подъемную силу за счет вращения лопастей в режиме осевого обдува (то есть без поступательной скорости). Благодаря данной особенности геликоптер способен зависать в воздухе на месте и совершать энергичные маневры вокруг оси.
Другие области применения
Естественно, аэродинамика применима не только к летательным аппаратам. Сопротивление воздуха испытывают все объекты, движущиеся в пространстве в газовой и жидкой среде. Известно, что водные обитатели - рыбы и млекопитающие - обладают обтекаемыми формами. На их примере можно проследить аэродинамику в действии. Ориентируясь на животный мир, люди также делают водный транспорт заостренной либо каплевидной формы. Это касается кораблей, катеров, подводных лодок.
Значительное сопротивление воздуха испытывают транспортные средства: оно возрастает по мере увеличения скорости. Для достижения лучшей аэродинамики автомобилям придают обтекаемую форму. Особенно это актуально для спорткаров.
Основным признаком классификации летательных аппаратов является способ летания. Существуют два основных способа летания аппаратов тяжелее воздуха – аэродинамический и баллистический .
Аэродинамический способ заключается в том, что летательный аппарат удерживается в воздухе при помощи аэродинамической, так называемой подъемной силы, возникающий от взаимодействия тела с потоком воздуха. Условием образования аэродинамической силы является относительное перемещение воздуха и тела.
К летательным аппаратам, использующим аэродинамический принцип полета, относятся самолеты, крылатые ракеты и вертолеты.
Средством, создающим необходимую для полета аэродинамическую силу у крылатых летательных аппаратов, является крыло, а у вертолетов – несущий винт. Так как крыло присоединено к корпусу летательного аппарата неподвижно, то для создания аэродинамической силы всему летательному аппарату придается поступательное движение при помощи двигателя.
У вертолета роль крыла играет несущий винт, приводимый во вращение двигателем. При этом аэродинамическая сила создается без поступательного движения всего вертолета.
Баллиститический способ летания есть полет свободно брошенного тела, происходящий в основном под действием силы земного притяжения. Такой полет может совершатся только за счет предварительно накопленной кинетической энергии.
Существует промежуточный класс летательных аппаратов – ракетопланы, для которых применяются оба принципа полета – аэродинамический и баллистический.
Аэродинамический принцип полета может осуществляться только в пределах атмосферы, от свойств и состояния которой зависит характер движения летательного аппарата. Поэтому знакомство с аэродинамикой самолета необходимо начинать с изучения свойств атмосферы.
Атмосфера земли
Атмосферой называется газовая оболочка, окружающая земной шар. Газ, составляющий эту оболочку, называется воздухом.
Высота газовой оболочки Земли велика и составляет более 2000 км . В пределах околоземного пространства до высоты 20 км находится около 95% всей массы атмосферного воздуха. Атмосфера разделяется на тропосферу , стратосферу и ионосферу (Рисунок1.1).
Рисунок 1.1. Строение атмосферы
Тропосферой называется нижний слой атмосферы. Толщина ее над полюсами 7 - 8 км , над экватором 16 - 18 км . Температура воздуха в тропосфере с подъемом на высоту падает (6,5° на каждые 1000 м ) (Рисунок1.2). Изменение температуры приводит к перемещению воздушных масс. Вследствие этого образуются облака, выпадают осадки, дуют ветры.
Состав воздуха тропосферы практически постоянен. В нем содержится 78% азота, 21% кислорода и около 1% других газов (аргон, углекислый газ, водород, неон, гелий). В тропосфере сосредоточен почти весь водяной пар. Содержание водяного пара и пыли приводит к ухудшению видимости.
Рисунок 1.2. Изменение температуры воздуха по высотам
Стратосфера - слой воздуха, лежащий непосредственно над воздушными слоями тропосферы. В ней наблюдается полное отсутствие облаков, дуют сильные ветры.. В стратосфере до высоты 25...30 км температура постоянна и составляет -56°С . С высоты 30 км до 55 км температура воздуха повышается до + 75°С . На высоте 82...83 км температура воздуха составляет - 35°С (Рисунок 1.2).
Ионосфера - слой воздуха, лежащий непосредственно над воздушным слоем стратосферы. Высоты ионосферы от 85 до 500 км . Из-за наличия в ионосфере огромного количества ионов (заряженных молекул и атомов атмосферных газов, воздух сильно нагревается. В ионосфере наблюдаются полярные сияния, магнитные бури.
Люди были одержимы идеей подняться в воздух на протяжении столетий. В мифах практически всех народов есть легенды о летающих животных и людях с крыльями. Самыми ранними известными летательными аппаратами были крылья, имитирующие птичьи. С ними люди прыгали с башен или пытались воспарить, сорвавшись со скалы. И хотя такие попытки заканчивались, как правило, трагически, люди придумывали все более сложные конструкции летательных аппаратов. О знаковых летательных аппаратах пойдёт речь в нашем сегодняшнем обзоре.
1. Бамбуковый вертолет
Один из старейших в мире летательных аппаратов, бамбуковый вертолет (также известный как бамбуковая стрекоза или китайская вертушка) - игрушка, которая взлетает вверх, если быстро раскрутить ее основной стержень. Изобретенный в Китае около 400 г. до н.э., бамбуковый вертолет состоял из лопастей-перьев, насаженных на конец бамбуковой палки.
2. Летающий фонарик
Летающий фонарик - небольшой воздушный шар из бумаги и деревянного каркаса с отверстием на дне, под которым разжигается небольшой огонь. Считается, что китайцы экспериментировали с летающими фонариками уже в 3 веке до нашей эры, но традиционно, их изобретение приписывается мудрецу и полководцу Чжугэ Ляну (181-234 г.г. н.э.).
3. Воздушный шар
Воздушный шар - первая успешная технология полета человека на несущей конструкции. Первый пилотируемый полет провели Пилатр де Розье и маркиз д"Арланд в 1783 году в Париже на воздушном шаре (на привязи), созданном братьями Монгольфьер. Современные воздушные шары могут пролетать тысячи километров (самый длительный полет на воздушном шаре - 7672 км от Японии до Северной Канады).
4. Солнечный воздушный шар
Технически этот тип воздушного шара летает за счет нагревания воздуха в нем при помощи солнечного излучения. Как правило, такие аэростаты делают из черного или темного материала. Хотя они в основном используются на рынке игрушек, некоторые солнечные шары достаточно велики для того, чтобы поднять в воздух человека.
5. Орнитоптер
Орнитоптер, который был вдохновлен полетами птиц, летучих мышей и насекомых, представляет собой самолет, который летит, хлопая крыльями. Большинство орнитоптеров беспилотные, но также было построено несколько пилотируемых орнитоптеров. Одна из самых ранних концепций такого летательного аппарата была разработана Леонардо да Винчи еще в 15 веке. В 1894 году Отто Лилиенталь, немецкий пионер авиации, впервые в истории совершил пилотируемый полет на орнитоптере.
6. Парашют
Изготавливаемый из легкой и прочной ткани (подобной нейлону) парашют представляет собой устройство, которое используется, чтобы замедлить движение объекта через атмосферу. Описание самого древнего парашюта было найдено в анонимной итальянской рукописи, датируемой 1470 годом. В современные дни парашюты используются для спуска различных грузов, в том числе людей, продуктов питания, оборудования, космических капсул и даже бомб.
7. Воздушный змей
Первоначально построенный путем растяжения шелка над рамкой из расщепленного бамбука, воздушный змей был изобретен в Китае в 5 веке до нашей эры. В течение длительного времени много других культур переняли это устройство, а некоторые из них даже продолжали дальнейшее усовершенствование этого простого летательного аппарата. Например, воздушные змеи, способные переносить человека, как полагают, существовали в древнем Китае и Японии.
8. Дирижабль
Дирижабль стал первым летательным аппаратом, способным на управляемые взлет и посадку. В начале в дирижаблях использовали водород, но из-за большой взрывоопасности этого газа, в большинстве дирижаблей, построенных после 1960-х годов, начали использовать гелий. Дирижабль также может оснащаться двигателями, а экипажа и/или полезная нагрузка в нем расположены в одной или нескольких "гондолах", подвешенных под баллоном с газом.
9. Планер
Планер - летательный аппарат тяжелее воздуха, который поддерживается в полете динамической реакцией воздуха на его несущие поверхности, т.е. он не зависит от двигателя. Таким образом, большинство планеров не имеют двигателя, хотя некоторые парапланы могут быть оснащены ими, чтобы продлить полет в случае необходимости.
10. Биплан
Биплан - самолет с двумя неподвижными крыльями, которые расположены друг над другом. Бипланы имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными конструкциями крыла (монопланами): они позволяют добиться большей площади крыльев и подъемной силы при меньшем размахе крыла. Биплан братьев Райт в 1903 году стал первым успешно поднявшимся в воздух самолетом.
11. Вертолет
Вертолет - винтокрылый летательный аппарат, который может взлетать и садиться вертикально, парить и лететь в любом направлении. На протяжении последних столетий было много концепций, похожих на современные вертолеты, но только в 1936 году был построен первый рабочий вертолет Фокке-Вульф Fw 61.
12. Аэроцикл
В 1950-х годах Lackner Helicopters придумали необычный летательный аппарат. HZ-1 Aerocycle предназначался для эксплуатации неопытными пилотами в качестве стандартной разведывательной машины в армии США. Хотя раннее тестирование показало, что аппарат может предоставить достаточную мобильность на поле боя, более обширные оценки показали, что его слишком трудно контролировать неподготовленным пехотинцам. В итоге, после пары аварий проект был заморожен.
13. Кайтун
Кайтун - гибрид воздушного змея и воздушного шара. Основным его преимуществом является то, что кайтун может оставаться в достаточно стабильном положении над точкой привязки троса, независимо от силы ветра, в то время как обычные воздушные шары и воздушные змеи менее стабильны.
14. Дельтаплан
Дельтаплан – немоторизованный летательный аппарат тяжелее воздуха, в котором отсутствует хвост. Современные дельтапланы изготовлены из алюминиевого сплава или композитных материалов, а крыло - из синтетической парусины. Эти аппараты имеют высокое соотношение подъемной силы, что позволяет пилотам летать в течение нескольких часов на высоте тысяч метров над уровнем моря в восходящих потоках теплого воздуха и исполнять фигуры высшего пилотажа.
15. Гибридный дирижабль
Гибридный дирижабль представляет собой летательный аппарат, который сочетает в себе характеристики аппарата легче воздуха (т. е. технологии дирижабля) с технологиями летательных аппаратов тяжелее воздуха (либо неподвижное крыло, либо роторный винт). На массовое производство такие конструкции не были поставлены, но на свет появилось несколько пилотируемых и беспилотных прототипов, включая Lockheed Martin P-791 - экспериментальный гибридный дирижабль, разработанный Lockheed Martin.
16. Авиалайнер
Также известный как реактивный лайнер, реактивный пассажирский самолет представляет собой тип самолета, предназначенный для перевозки пассажиров и грузов по воздуху, который передвигается благодаря реактивным двигателям. Эти двигатели позволяют самолету достигать высоких скоростей и генерировать достаточную тягу для передвижения воздушного судна большой массы. В настоящее время A380 Airbus является крупнейшим в мире реактивным пассажирским лайнером со вместимостью до 853 человек.
17. Ракетоплан
Ракетный самолет - летательный аппарат, который использует ракетный двигатель. Ракетопланы могут достигать гораздо более высоких скоростей, чем реактивные самолеты аналогичных размеров. Как правило, двигатель у них работает в течение не более нескольких минут, после чего самолет планирует. Ракетоплан подходит для полетов на очень большой высоте, а также он способен развивать гораздо большее ускорение и имеет более короткий разбег.
18. Поплавковый гидросамолет
Это тип самолета с неподвижным крылом, способный взлетать с воды и садиться на нее. Плавучесть гидросамолету обеспечивают понтоны или поплавки, которые устанавливаются вместо шасси под фюзеляжем. Поплавковые гидросамолеты широко использовались до Второй мировой войны, но затем их вытеснили вертолеты и самолеты, применяющиеся с авианосцев.
19. Летающая лодка
Другой тип гидросамолета - летающая лодка - представляет собой самолет с фиксированным крылом и корпусом такой формы, которая позволяет ему садиться на воду. Он отличается от поплавкового гидросамолета тем, что в нем используется специально спроектированный фюзеляж, который может плавать. Летающие лодки были очень распространены в первой половине 20-го века. Подобно поплавковым гидросамолетам, впоследствии их перестали использовать после Второй мировой войны.
Также известный под другими названиями (например, грузовое воздушное судно, грузовое судно, транспортный самолет или грузовой самолет), грузовой самолет является самолетом с неподвижным крылом, который предназначен или переоборудован для перевозки грузов, а не пассажиров. В данный момент самым большим и самым грузоподъемным в мире является построенный в 1988 году Ан-225.
21. Бомбардировщик
Бомбардировщик - боевой самолет, предназначенный для атаки наземных и морских целей путем сбрасывания бомб, запуска торпед или пуска крылатых ракет "воздух-земля". Есть два типа бомбардировщиков. Стратегические бомбардировщики в первую очередь предназначены для бомбардировочных миссий дальнего действия - т. е. для атаки стратегических целей, таких как базы снабжения, мосты, заводы, верфи и т.д. Тактические бомбардировщики направлены на противодействие военной деятельности противника и поддержки наступательных операций.
22. Космоплан
Космоплан - аэрокосмический аппарат, который используется в атмосфере Земли. Они могут использовать как только ракеты, так и вспомогательные обычные реактивные двигатели. Сегодня есть пять подобных аппаратов, которые успешно использовались: X-15, Space Shuttle, Буран, SpaceShipOne и Boeing X-37.
23. Космический корабль
Космический корабль представляет собой транспортное средство, предназначенное для полетов в космическом пространстве. Космические аппараты используются для различных целей, в том числе для связи, для наблюдения за Землей, метеорологии, навигации, космической колонизации, исследования планет, а также перевозки людей и грузов.
Космическая капсула представляет собой особый тип космического аппарата, который был использован в большинстве пилотируемых космических программ. Пилотируемая космическая капсула должна иметь все необходимое для повседневной жизни, включая воздух, воду и пищу. Космическая капсула также защищает космонавтов от холода и космической радиации.
25. Дрон
Официально известный как беспилотный летательный аппарат (БПЛА), дрон часто используется для миссий, которые являются слишком "опасными" или попросту невозможными для людей. Изначально они использовались в основном в военных целях, а сегодня их можно встретить буквально повсюду.
Как самолет держится в воздухе
Род Мачадо
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?
Техническая необразованность имеет свои преимущества, но только не в воздухе. Конечно, вам не обязательно быть доктором аэродинамических наук, чтобы стать пилотом, но знание основных принципов аэродинамики будет весьма полезным и даже может спасти жизнь. Именно поэтому самое первое занятие по наземной подготовке - самое длинное. Не волнуйтесь - вам не придется лечить глаза после того, как вы все это прочтете. Я настоятельно рекомендую вам прочитать все от начала до конца. Чтобы летать на самолете, нужно сначала зарядить мозги хотя бы каким-нибудь количеством информации. Сделать это лучше всего в течение данного занятия. Читайте и радуйтесь - ведь потраченное вами время в дальнейшем окупится с лихвой.
Да пребудут с вами 4 силы
Нет-нет, "4 силы" - это не название рок-группы 60-х. Это силы, которые тянут и толкают самолет в полете. 4 силы: подъемная сила, вес, тяга и сопротивление - действуют на самолет все то время, пока он находится в воздухе. Взгляните на рисунок 1-1, демонстрирующий действие четырех сил.
Разумеется, эти гигантские стрелки на самом деле не растут из самолета. Понимаю, это разочарует тех, кто все еще ожидает, что американские штаты во время полета будут раскрашены в синие и белые цвета, а вдоль их границ будут нарисованы линии. Но ничего страшного, вы привыкнете. Эти стрелки всего лишь демонстрируют захватывающую игру - перетягивание каната в четырех направлениях. Вы как пилот должны использовать имеющиеся у вас ресурсы, чтобы сбалансировать эти силы. Рассмотрим их подробнее.
Подъемная сила
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.
Впервые я испытал принцип действия подъемной силы в возрасте четырех лет, когда в первый раз попал в церковь. Передо мной пронесли тарелку с пожертвованиями, и я схватил с нее несколько блестящих штучек. Мой дедушка гонялся за мной вокруг скамьи, а я думал: "Ух ты, как весело в церкви!" Дедушка поймал меня за свитер, поднял над землей и вынес из церкви наружу. Именно подъемная сила дедушкиной руки, в точности равная моему весу, удержала меня в воздухе. Именно так и работают крылья на самолете - развивают подъемную силу, чтобы удержаться 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 - это сила, действующая вперед. Она вызвана воздушным винтом, который вращается двигателем. Как правило, чем больше двигатель (т.е. больше мощность), тем больше сила тяги, которую он вызывает и тем быстрее самолет долетит до пункта назначения. За движение вперед приходится платить так называемым аэродинамическим сопротивлением. Сила сопротивления действует назад. Она вызвана молекулярным сопротивлением атмосферы при движении сквозь нее. Говоря простым языком (пилоты и инженеры редко им пользуются), это сопротивление ветра. Мать-природа мало что дает даром. Как любит говорить один мой приятель: "Если ты что-то получаешь и ничего за это не платишь - значит, просто пользуешься чужой кредитной карточкой".
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.
Все это справедливо и для самолета. Если скорость горизонтального полета ниже максимальной, то появляется запас мощности (тяги). Его можно использовать для одного из важнейших авиационных маневров - набора высоты.
На этом вступительная часть закончена. Думаю, теперь самое время узнать кое-что об органах управления самолета.
Органы управления
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.
Используя органы управления, можно заставить самолет вращаться вокруг одной или более осей. Продольная ось проходит вдоль центральной линии самолета от носа к хвосту. Вращение самолета вокруг продольной оси называется креном. Чтобы запомнить, в каком направлении проходит продольная ось самолета, используйте следующие ассоциации: продольная - долгая - длинная - ось, проходящая вдоль самого длинного измерения самолета.
В футболе пас в сторону еще может называться пасом поперек поля. Аналогично ось, проходящая от законцовки одного крыла до законцовки другого, называется поперечной . Тангаж - это вращение самолета вокруг поперечной оси.
Вертикальная ось направлена сверху вниз, от кабины самолета к его брюху. Вращение самолета вокруг этой оси называется рысканьем. Рысканье похоже на сонное потягивание - когда вы зеваете, вы вытягиваетесь в вертикальном направлении, при этом вращая туловище влево-вправо, чтобы размять позвоночник.
Теперь мы готовы подробно рассмотреть каждый из трех органов управления, вращающих самолет вокруг его осей.
Элероны - это подвижные аэродинамические поверхности, расположенные на внешней части задней кромки крыла. Они предназначены для накренения самолета в ту сторону, в которую необходимо поворачивать. При повороте штурвала вправо элероны одновременно отклоняются в противоположных направлениях, однако это вовсе не означает, что они сломаны (см. рис.1-4).
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.
Руль высоты
Руль высоты - это подвижная горизонтальная поверхность в задней части самолета, предназначенная для подъема или опускания носа самолета (см. рис. 1-6).
Руль высоты действует так же, как и элероны. Отклонение штурвала на себя вызывает отклонение руля высоты вверх (см. рис. 1-6).
Под хвостовой частью возникает область пониженного давления, что вызывает движение хвоста вниз, а носа - вверх.
На рисунке 1-7 показано, что происходит с самолетом при отклонении штурвала вперед.
Руль высоты отклоняется вниз, вызывая падение давления над хвостовой частью, в результате чего хвост поднимается. Нос перемещается вниз относительно поперечной оси. Проще говоря, поднять нос можно, потянув штурвал на себя; опустить - отклонив штурвал от себя.
Есть еще и третий орган управления - руль направления. Он управляет рысканьем относительно вертикальной оси. Его мы рассмотрим позже, главное - знайте, что я о нем не забыл.
А сейчас, поскольку вы получили основное понятие о работе органов управления, перенесемся мысленно в самолет и поговорим о выполнении одного полезного маневра - горизонтального полета.
Горизонтальный полет
Вы вот-вот начнете отрабатывать горизонтальный полет - один из фундаментальных авиационных маневров. Этот маневр как бы состоит из двух: "полета по прямой" и "площадки". Полет по прямой - полет, во время которого нос самолета сохраняет одно и то же направление, а крылья параллельны горизонту. Площадка - полет без набора или потери высоты.
На рисунке 1-8 показано, как выглядит горизонтальный полет с левого кресла, где вы, пилот, обычно и сидите.
 Рисунок 1-8 |
Ничего страшного, что на картинке мы летим в горы. Я с вами, и я умею обходить горы. Это, вообще-то, моя специальность.
Как определить, что вы летите по прямой
Итак, как вы узнаете, что перешли в горизонтальный полет? Самый простой способ - глянуть поверх приборной доски в ветровое стекло (так называется окно, расположенное впереди), как показано на рисунке 1-8. Видно, что верхняя часть приборной доски практически параллельна горизонту. Следовательно, самолет не накренен, а это значит, что вы летите по прямой, никуда не поворачивая.
Однако есть и другой способ определить это. Можно нажать переключатель видов джойстика (это переключатель, торчащий из джойстика под вашим большим пальцем). Если глянете в левое или правое окно, отметьте про себя положение каждого крыла относительно горизонта (см. рис. 1-9).
 Рисунок 1-9 |
При полете по прямой оба крыла находятся на одинаковом расстоянии над горизонтом (именно над горизонтом, а не над горами).
Правильное пространственное положение
На настоящих самолетах я предпочитаю, чтобы курсанты практически сворачивали шеи, глядя то в левое окно, то в правое. Это учит их отмечать положение крыльев и сосредоточивать внимание на воздушном движении. Да-да, именно воздушном, а не автомобильном. Правда, в симуляторе неудобно постоянно переключать виды то влево, то вправо. Поэтому вы будете пользоваться авиагоризонтом для удержания самолета в горизонтальном полете. Авиагоризонт - прибор, расположенный в верхней части группы 6 основных приборов. Эта группа приборов находится прямо перед вами (см. рис. 1-10).
 Рисунок 1-10 |
Авиагоризонт - это искусственное представление настоящего горизонта. Как следует из его названия, он отображает пространственное положение самолета (положительный или отрицательный тангаж и угол крена). Верхняя половина авиагоризонта окрашена в синий цвет (как настоящее небо, если вы, конечно, не летите над Лос-Анджелесом), нижняя половина - коричневая (как земная поверхность). Тонкая белая линия, разделяющая эти цвета - это линия искусственного горизонта. Пилоты пользуются авиагоризонтом, если они не видят горизонта из-за ограниченной видимости или если в данный момент неудобно следить за концами крыльев (именно так обычно и будет при полете в симуляторе).
При отклонении рычага управления влево самолет накреняется влево, наклоняя левое крыло к земле (см. рис. 1-11А).
|
Именно так начинается левый разворот. Обратите внимание: маленький самолетик с оранжевыми крыльями на авиагоризонте тоже наклоняет левое крыло к земле. С точки зрения механики, на самом деле движется не самолетик, а шар авиагоризонта, отображая таким образом пространственное положение самолета. Тем не менее, вы всегда можете определить направление крена по тому, какое крыло на авиагоризонте наклоняется к земле (это просто, поскольку есть всего два варианта).
При плавном отклонении рычага управления вправо (так же, как было описано выше) авиагоризонт отобразит правый разворот. Теперь уже правое крыло оранжевого самолетика наклоняется к земле, как показано на рисунке 1-11В. Отклоните джойстик вправо или влево до тех пор, пока крылья маленького самолетика не будут параллельны линии авиагоризонта. Джойстик вернется в центральное положение (по умолчанию), а самолет - к полету по прямой (см. рис. 1-11С). Если крена нет - значит, самолет не поворачивается.
Главное - знать свой курс
Есть еще один способ определить, летите ли вы по прямой. Он заключается в использовании указателя курса (см. рис. 1-12).
 Рисунок 1-12 |
На рисунке 1-12 показан указатель курса (его еще называют гирокомпасом). Он расположен в центре нижнего ряда шести основных приборов (их мы скоро рассмотрим). Указатель курса можно представить себе как механический компас, показывающий направление самолета. Взгляните на цифры на поверхности указателя. Мысленно прибавьте ноль к любой цифре - и получите действительное направление самолета. К примеру, цифра 6 в действительности обозначает курс 60 градусов (произносится "ноль-шесть-ноль"). Число 33 обозначает курс 330 градусов (когда мы произносим курс, мы говорим "курс три-три-ноль" для четкости. В полете очень важно произносить слова отчетливо). Цифры нанесены с интервалом в 30 градусов, между цифрами расположены метки, обозначающие интервалы в 5 и 10 градусов.
Для полета по заданному курсу просто разверните самолет по кратчайшему направлению на нужный курс. Например, если развернуться так, чтобы нос самолетика на указателе курса указывал на букву W, то это будет полет с курсом на запад (то есть с курсом 270). Понятно, что курс остается постоянным при полете по прямой, так как не выполняются развороты. Это еще один способ определить, что вы летите по прямой.
Теперь, когда вы узнали все о полете по прямой, можно перейти к рассмотрению второй составляющей горизонтального полета - к площадке.
Убедитесь в том, что высота постоянна
Поговорим о том, что происходит с высотой при изменении тангажа самолета. Если поднять нос самолета, потянув джойстик на себя, маленький самолетик на авиагоризонте тоже будет указывать на небо (синяя часть), как показано на рисунке 1-13А. Вертикальная шкала авиагоризонта размечена с шагом в 5 градусов, поэтому первые четыре метки (снизу вверх) обозначают тангаж в 5, 10, 15 и 20 градусов.
 Рисунок 1-13 |
Взгляните на высотомер, расположенный справа от авиагоризонта (см. рис. 1-13В). Большая стрелка (обозначающая сотни футов) обычно движется по часовой стрелке при поднятом носе. Как и на часах, движение по часовой стрелке означает увеличение чего-либо. В данном случае - увеличение высоты.
Прямо под высотомером расположен вариометр - указатель вертикальной скорости. Его стрелка отклоняется вверх при поднятии носа, показывая при этом скорость набора высоты (см. рис. 1-13С). Это дополнительный способ определить, что вы набираете высоту, а не летите на фиксированной высоте.
При возврате джойстика в центральное положение самолет начнет возвращаться к полету по площадке (предполагается, что самолет правильно оттриммирован - это мы рассмотрим чуть позже).
При наклоне вниз самолетик на авиагоризонте будет указывать на земную поверхность (коричневую), как показано на рисунке 1-14.
 Рисунок 1-14 |
Стрелка высотомера начнет вращаться против часовой стрелки, это обозначает потерю высоты. Стрелка вариометра отклонится вниз и будет показывать скорость снижения. Можно смело сказать: если стрелка высотомера не движется, а стрелка вариометра показывает ноль - значит, вы летите на фиксированной высоте. Это самый точный способ определения.
Нужна практика, чтобы удерживать эти стрелки неподвижными (в настоящем полете они всегда движутся, хотя бы чуть-чуть). Обычный пилот-любитель уже молодец, если удержит высоту в пределах +/- 100 футов (30 м). К сожалению, когда я был курсантом, я предпочитал постоянно менять заданную высоту, на которой я хотел бы лететь (это продолжалось, пока я наконец не натренировался).
В полете с инструктором вы потренируетесь выдерживать курс удержанием оранжевого самолетика на авиагоризонте параллельно линии искусственного горизонта. Если правое или левое крыло наклонится к земле, вы вернете его в исходное положение, отклонив джойстик в противоположную сторону.
Еще вы потренируетесь сохранять высоту, удерживая неподвижной большую стрелку высотомера. Она не должна двигаться. Если сдвинется - используйте джойстик для изменения тангажа, плавно, пока стрелка не остановится. Это и будет тангаж, необходимый для площадки.
Время для триммирования
Самолеты подвержены действию различных аэродинамических сил. Некоторые из них пытаются задрать самолету нос, некоторые - наоборот, опустить. Тяга двигателя, вес, подъемная сила - это лишь некоторые из этих сил. Что все это значит? Например, если самолет пытается опустить нос, то вы же не сможете весь полет тянуть штурвал на себя. Если постоянно тянуть штурвал на себя для поддержания тангажа, то ваши руки очень быстро устанут (возможно, ваш личный тренер и будет гордиться вами, но я - нет). К счастью, у самолетов есть одна вещь - триммер - для снятия усилия со штурвала (и с пилота). Посмотрим, как работает триммер, а потом поговорим о том, как им пользоваться.
Как работает триммер
Триммер - это маленькая подвижная поверхность, прикрепленная к той поверхности, которой вы хотите управлять (в нашем случае, это руль высоты). Рисунок 1-15А показывает триммер и его колесико, использующееся для изменения положения триммера. В настоящем самолете колесико обычно расположено между двумя передними сидениями или в нижней части приборной доски.
Движение триммера вызывает небольшую разницу давлений на конце аэродинамической поверхности, к которой триммер прикреплен. Образуется давление, достаточное для удержания основной поверхности в нужном положении, без необходимости удерживать при этом штурвал. Обратите внимание - триммер отклоняется в сторону, противоположную той, куда отклонена основная поверхность. Если хотите отклонить руль высоты вверх (как если бы вы потянули штурвал на себя), триммер надо отклонить вниз, как показано на руле высоты А (см. рис. 1-15А).
Для удержания руля высоты отклоненным вниз (как при снижении) триммер должен быть отклонен вверх, как показано на руле высоты (см. рис. 1-15В).
 Рисунок 1-15В. Как работает триммер. 1 - нос опускается; 2 - нос поднимается. |
Триммер - это как бы воображаемая рука, удерживающая самолет в заданном положении и снимающая усилие, которое вы прикладываете к штурвалу. Элемент управления триммером может быть на вашем джойстике в виде колесиков или кнопок.
Если на вашем джойстике нет кнопок управления триммером, можно использовать две клавиши на цифровой клавиатуре для триммирования самолета. Клавиша END триммирует самолет вверх, клавиша HOME - вниз.
Посмотрим, как оттриммировать самолет для горизонтального полета. Во-первых, проверьте, не оттриммирован ли уже самолет. Это можно сделать, уменьшив отклонение джойстика. Следите за стрелкой вариометра. Если стрелка показывает набор высоты - необходимо триммирование вниз. Отклоните джойстик чуть больше от себя для возврата к площадке и нажмите HOME один раз для небольшого триммирования вниз (или используйте кнопку триммирования вниз). После этого уменьшите отклонение джойстика и смотрите, что произойдет.
Чем дольше вы нажимаете кнопку триммирования, тем больше отклонение триммера. Будьте терпеливы. Возможно, вам придется повторить процедуру несколько раз, прежде чем стрелка вариометра займет почти горизонтальное положение (около нулевого значения).
Если стрелка вариометра покажет снижение (т.е. будет отклоняться вниз), чуть-чуть потяните джойстик на себя, чтобы вернуться к горизонтальному полету. После чего несколько раз нажмите END для триммирования вверх (или используйте кнопку триммирования вверх). Затем уменьшите отклонение джойстика и взгляните на реакцию стрелки вариометра. При необходимости повторяйте процедуру до тех пор, пока самолет не будет ни снижаться, ни набирать высоту.
Я предпочитаю смотреть на стрелку вариометра при триммировании, так как этот прибор весьма чувствителен. Чувствителен не в том смысле, что может заплакать, если вы скажете ему, что он отвратительно выглядит, а в том смысле, что он реагирует на мельчайшие изменения тангажа. Это облегчает определение отклонения от горизонтального полета. На следующем занятии я покажу, как используется стрелка вариометра для триммирования в наборе высоты или в снижении.
Многие самолеты можно триммировать в крене с помощью триммера элеронов. Возможно на вашем джойстике есть соответствующие элементы управления. Триммер крена может пригодиться при неравномерной загрузке топливных баков или если пассажиры перевешивают с какой-либо стороны.
Оттриммирован самолет или нет - он все равно может совершать маленькие колебания вверх и вниз, при этом отклонение высоты может составить до 100 футов (30 м). Такие уж они, самолеты. Каждый любит своевольничать и может отклоняться как по высоте, так и по курсу, даже если он правильно оттриммирован. Не мешайте самолету, если, конечно, отклонения не будут очень уж большими. Ваша задача - облегчить себе полет настолько, насколько возможно, чтоб было время думать, планировать и систематизировать свои способы безопасно летать на симуляторе.
Можете собой гордиться, так как вы завершили свою первую наземную подготовку. Лично я вами горжусь! Настало время полета с инструктором.
Щелкните Начать учебный полет для отработки изученного материала. Во время следующей наземной подготовки я познакомлю вас с основами выполнения разворотов.
Вопрос проведения теоретических занятий для школьников по авиационному профилю может стать головной болью для преподавателя, а может подвигнуть его на творческие дела в плане разнообразия теоретического курса. Мой опыт преподавания занятий в тренажерном классе в качестве инструктора – тренажера планера для школьников побудил меня к такому поиску.
Вряд ли школьникам будут интересны теоретические выводы уравнения Бернулли, а также законы Гей-Люсака и Бойля-Мариотта вместе взятых. Гораздо интереснее показывать что-то на практическом примере, например, запустить планер и объяснить, почему он летит именно по такой траектории, а не по другой. Именно с этим вопросом столкнулся ваш покорный слуга, когда сочинял теоретические лекции для курса «Основы пилотирования самолёта через планер», связанный с полётами на планерном тренажере.
Мои поиски привели меня к статье «Основы авиамоделирования», по мотивам симулятора KSP, где простым и понятным для всех языком были описаны аэродинамические истины с их практическим применением. Предлагаю всем желающим погрузиться в основы аэродинамики и проектирования летательных аппаратов, а если появиться желание то и самому испытать это в игре. В качестве проводника в основы аэродинамики будет выступать мистер Кептин и игровое пространство программы KSP. Оригинал статьи можно найти по адресу: www.forum.kerbalspaceprogram.com.
Практическая аэродинамика с помощью KSP
KSP – это игра, в которой игроки создают и управляют своими собственными космическими программами. Строительство челноков, управление ими и запуск миссий в открытый космос – вот пространство для творчества в KSP.
Хотите построить ракету и облететь планету, пожалуйста, есть все необходимые инструменты. Вопрос в другом: хватит ли топлива, выдержит ли шасси при посадке, туда ли опустится спасательная капсула. Вообщем все вопросы технического плана, а также самостоятельного управления построенными летательными аппаратами, игроку придется брать на себя. При желании ещё можно обременить себя финансовым бременем, и получать субсидии на космонавтику взамен на полезные исследования разного уровня. В качестве перспектив для развития есть возможность осуществить выход человека в открытый космос, создать космическую станцию, а даже основать колонию-поселение на другой планете.
Одно из дополнений к игре связано с созданием самолётов: собрать самолёт из отдельных частей, запустить и посмотреть, что из этого получится. Свобода творчества и, в результате, понимание законов аэродинамики. Поскольку после нескольких неудач на посадке конструктор начнет думать головой по поводу усиления стойки шасси, либо облегчения конструкции.
Если кому-то интересно, вот так выглядит урок по созданию самолёта:
Игра постоянно обновляется. Обновления и нововведения происходят возможно даже сейчас, а на сайте лежит новый мод, когда вы читаете эти строки. Для знакомства с программой достаточно скачать с сайта игры демоверсию.
Что такое центр давления и почему его сравнивают с центром масс
Прежде чем перейти к моделированию самолетов стоит немного погрузиться в теорию аэродинамики. Размышления на эту тему уместно начать с вопроса: «Что такое центр давления?». Центр давления – это точка, к которой приложена суммарная подъемных сил разных частей самолёта: крыльев и хвостового оперения.
На рисунке показаны аэродинамические поверхности, которые создают подъемную силу. Суммарная подъемная сила находится в точке, которая называется центром давления.
В том случае, если центр тяжести будет находиться слишком близко к центру масс, летательный аппарат может стать чрезмерно маневренным (другими словами «нейтрально стабильным»), поскольку у него будут отсутствовать естественные тенденции к стремлению двигаться в любом направлении. Вообще желательно стремиться к тому, чтобы центр давления находился позади центра тяжести. В этом случае летательный аппарат будет стремиться падать вперед.
Правила центров
Если Ц.Д. впереди Ц.М., то летательный аппарат подвержен внезапным переворотам, если Ц.Д. и Ц.М. совпали, то летательный аппарат имеет чрезмерную маневренность, если Ц.Д. находится немного позади Ц.Т., то летательный аппарат будет иметь высокую маневренность, если немного подальше, то в полёте будет появляться большая устойчивость, если сильно дальше, то получится дротик для дартс.
Если взять картонную модель самолета и подвесить его на нитке к потолку, то точка, в которой самолёт крепится к нитке, и будет являться центром давления.
Если вы строите летательный аппарат, у которого Ц.Д. находится сильно впереди Ц.М., то это очень близко походит на крепление носа самолёта за нитку. Каждый раз при взлете он будет стремиться перевернуться вверх носом. В то же время, если Ц.Д. у самолёта находится несколько ниже Ц.М., то при взлёте летательный аппарат будет стремиться перевернуться вверх тормашками.
Местоположение и ориентация подъемных поверхностей определяет центр давления. К нему мы вернемся через некоторое время.… Но сначала перейдем к рассмотрению ещё одной потенциально важной силы и точки её приложения – центра тяги (Ц.Т.).
Центр тяги – это точка приложения всех суммарных сил тяги, действующих на летательный аппарат. Если у летательного аппарата один двигатель, то Ц.Т. будет находиться как раз в центре двигателя.
Все прекрасно, но только до тех пор, пока центр тяги вашего двигателя находится на одной линии с центром масс летательного аппарата. Что если это не так… В этом случае уместно говорить про несимметричную тягу.
Вот тут и начинаются различные конфузы:
Действие несимметричного центра тяги можно сравнить по действию с моментом от приложения гаечного ключа. Негативные последствия от такого вмешательства можно приуменьшить работой плоскостей управления или увеличением подъемной силы. Но здесь заключен подвох: эффективность аэродинамических поверхностей меняется в зависимости от высоты полёта и плотности воздуха.
Так что с изменением скорости и высоты полёта также должны меняться и другие характеристики летательного аппарата (например, с помощью системы автоматической стабилизации полёта САСП).
Именно поэтому у всех успешных проектов космических кораблей центр масс располагается на одной линии с центром тяги.
Рассмотрим подробнее плоскости управления летательным аппаратом: движущиеся узлы, которые позволяют управлять положением летательного аппарата. Все они действуют как рычаги на центр масс, причем, чем дальше точка приложения сил от центра масс, тем большее усилие можно создать.
Органы управления на рисунке – это элевоны, гибрид элеронов и рулей высоты. Контрольные плоскости создают подъёмную силу, но они также создают сопротивление воздуха. Элевоны уменьшают количество деталей, таким образом уменьшая суммарное сопротивление. Перебирая всевозможные варианты сочетаний плоскостей управления можно увидеть их плюсы и минусы.
Каждому самолёту свои крылья
Перейдем к магическому слову – крылья! Начнем знакомство с соотношения сторон: размах, поделенный на хорду (отношение длины и ширины).
Каждая из представленных схем летательных аппаратов имеет одинаковую площадь, но разную форму. Каждая форма имеет свои преимущества и недостатки. Эти различия становятся ещё более поразительными, если подключить модуль Ferram Aerospace Research, который будет показывать более реалистичную модель сопротивлений.
Вернемся к вопросу стреловидности крыльев: угол, под которым находится крыло по отношению к фюзеляжу. Все видели ловкие истребители, но на что на самом деле влияет стреловидность крыла.
Когда скорость самолёта становится близка к скорости звука, ударные волны становятся сверхзвуковыми. Стреловидность крыльев уменьшает сопротивление на околозвуковых скоростях, поскольку изгиб крыла уменьшает лобовое сопротивление, что можно увидеть по воздушному потоку.
Наикратчайшее расстояние между двумя точками – это прямая. Поскольку воздушный поток через стреловидное крыло проделывает больший путь, чем через прямое крыло и контур крыла, который пересекает поток, не выглядит как стенка, то ударных волн в случае со стреловидным крылом не создается.
Что касается игры KSP, то в стандартной версии эффект стреловидности не играет большого эффекта. Этим эффектом можно насладиться в дополнительной версии игры, которая называется Ferram Aerospace Research.
Идем дальше…. Рассматриваем крепление крыла и поперечный угол крыла, то есть угол наклона крыла. Если центр давления располагается над центром масс, то повышается устойчивость летательного аппарата. Перенос же крыльев наверх фюзеляжа создает стабилизирующий эффект для летательного аппарата, который носит название поперечного эффекта.
Следовательно, если центр давления располагается ниже центра масс, либо крылья переносятся вниз фюзеляжа, то самолёт становится более маневренный, но менее устойчивым в полёте.
Устойчивость летательного аппарата можно контролировать переносом крыльев выше – ниже относительно фюзеляжа, другими словами переносом центра масс.
Практическое применение комбинаций крыльев и центров масс:
Наконец, короткий экскурс в тему увеличения подъемной силы в игре KSP. Этого можно добиться следующим путём:
- Добавить площадь крыльям
- Увеличить скорость
Увеличение количества крыльев, как и их площади, приведет к увеличению лобового сопротивления и к замедлению самолёта, с одной стороны. С другой стороны, это приведет к снижению скорости сваливания и минимальной скорости полёта, а, следовательно, уменьшению взлетной и посадочной дистанций.
Слишком большое количество крыльев и плоскостей управлений приведет к тому, что летательным аппаратом придется сложнее управлять: малейшие колебания на ручке управления будут вызывать сильные изменения в направлении полёта. Масса самолёта и его желаемая крейсерская скорость полёта (сваливания) будут определять количество подъемных сил, требуемых для самолёта.
Чем круче угол атаки, тем больше подъемная сила. Но это правило работает до некоторых пор: «до критического угла атаки». После достижения критического угла аэродинамический поток начинает переходить в срыв, а самолёт теряет подъемную силу. В KSP угол атаки становится критическим при 20°, в зависимости от модели.
Также стоит рассказать про «углом падения». Угол падения — это угол, под которым крыло находится относительно фюзеляжа. Рост этого угла увеличивает абсолютное значение угла атаки и повышает подъемную силу, но в тоже время увеличивает лобовое сопротивление.
Кому-то может показаться: «Оно того стоит!». Но конструкция крыла становится сложнее и изменяется характер полёта. Крыло с положительным углом атаки имеет отличающиеся подъемные свойства по сравнению с горизонтальным крылом. Другими словами подъемная тяга у такого крыла становится гораздо больше, чем у крыла с горизонтальным расположением.
Поскольку основное крыло создает чрезмерно большую подъемную силу, по сравнению с хвостовым стабилизатором, пилоту придется опускать вниз рычаг управления самолётом или работать триммером на хвостовом оперении, но лишь бы не дать самолёту подняться вверх. И наоборот, ручку убирать на себя в том случае, если нос самолёта опуститься слишком низко.
В Kerbal Space Program летательный аппарат, спроектированный с нулевым углом падения, проще поддается контролю, но имеются также доводы в пользу изменения этого угла:
- можно заранее установить идеальный крейсерский угол тангажа
- нет необходимости задирать резко тангаж вверх во время взлета (для предотвращения удара хвостом)
В тексте прозвучало упоминание про «крейсерский режим полёта»: это относится к режиму, в котором летательный аппарат будет вести себя лучше всего. Если самолёт не находится в таком режиме полёта, то все его узлы и сам полёт не будут находиться в оптимальном режиме: повышенный расход топлива, увеличенный износ двигателя. Изначально в конструкции все закладывается именно исходя из условий полёта в оптимальных условиях: оперение, двигатели, площадь крыльев, материалы и многое другое рассчитывается на полёт в оптимальных условиях.
С чего начать проектировать шасси
Теперь перейдем к вопросу конфигурации шасси, вот некоторые варианты:
Конфигурация «трицикл» проще в регулировке, чем четырехколесная: её проще посадить, чем конфигурацию с опорой на хвостовое колесо.
Правильный подход при проектировании заключается в том, чтобы разместить заднее шасси прямо под центром масс. В таком случае летательный аппарат может свободно разворачиваться и набирать нужный угол атаки при взлете.
Если по некоторым причинам появляется необходимость размещать заднее колесо дальше от центра масс, тогда стоит задуматься над тем, чтобы разместить его несколько выше переднего шасси. В этом случае мы получил заранее положительный угол атаки и, как следствие, упростим взлет летательного аппарата.
Посадочные шасси должны быть расположены так, чтобы для взлёта требовалось от пилота лишь минимальное усилие на ручке.
Самолёты с хвостовым оперением взлетают именно по этому принципу: сама схема такого самолёта гарантирует автоматический взлет при достижении определенной скорости.
Отклонение от курса при посадке может обозначать одно из двух:
- Взлетно-посадочная полоса не является прямой на самом деле, поскольку шасси располагается перпендикулярно «взлётке» и смотрят строго вперед.
- Чрезмерный вес, приходящийся на одно из шасси, может привести к прогибу стойки и, как следствие, уводу самолёта с траектории.
- Также слишком большая прижимная сила на одном из шасси приведет к тому, что остальные не будут полностью находиться в зацеплении с площадкой. Этот эффект называется «колеса тачки».
Возможные способы решения этой задачи:
- Выправить стойку шасси в редакторе
- Укрепить стойку шасси с помощью подкоса
- Распределить вес на большое число стоек шасси
- Снизить вес на шасси с помощью облегчения конструкции самолёта
- Сделать большие шасси и преодолеть усилия в рулевом управлении
Лобовое сопротивление и его влияние на параметры самолёта
В программе KSP используется простая модель лобового сопротивления. Чем больше массы будет добавлено (в виде деталей), тем больше будет создаваться сопротивление воздуха, независимо от того, находится ли модель в воздушном потоке или нет.
Каждая деталь имеет максимальное значение лобового сопротивления (в большинстве случаев это значение 0,2 от максимального). Значение лобового сопротивления можно посчитать по заданной формуле:
Лобовое сопротивление = Плотность воздуха * Скорость(в квадрате) * Коэффициент максимального сопротивления * Массу
Заметьте, что лобовое сопротивление зависит от массы и от коэффициента и не зависит от числа деталей. Уменьшение массы приведет к улучшению аэродинамики. Конструирование аэродинамического профиля часто сводится к как можно большему уменьшению количества деталей, а также двигателей, плоскостей управления, топливных баков, но при сохранении управляемости летательного аппарата.
Если вы хотите преуспеть в том, что изображено на картинках, Вам следует воспользоваться модом KSP, который более реалистично подходит к расчету лобового сопротивления. Этот мод называется Ferram Aerospace Research. Я люблю Ferram, именно поэтому я устанавливаю его везде, где только можно.
Надеюсь, это повествование зарядило Вас энтузиазмом для того, чтобы творить и создавать свои собственные самолёты и космические корабли! Удачи!
