Мрія про підкорення повітряного простору людиною відображається в легендах та переказах практично всіх народів, що населяють Землю. Перші документальні свідчення спроб людини підняти у повітря літальний апарат відносяться до першого тисячоліття до н. Тисячі років спроб, праці та роздумів призвело до повноцінного повітроплавання лише наприкінці 18 століття, вірніше до його розвитку. Спочатку з'явилися монгольф'єр, а потім і шарльєр. Це два види літального апарату легше за повітря — аеростата, надалі розвиток аеростатної техніки призвело до створення — дирижаблів. А на зміну цим повітряним левіафанам прийшли й апарати важчі за повітря.

Приблизно 400 року до зв. е. у Китаї масово стали застосовуватися повітряні змії як для розваги, а й у суто військових цілей, як засіб сигналізації. Цей апарат вже можна охарактеризувати як пристрій важчий за повітря, що має жорстку конструкцію і використовує для підтримки в повітрі аеродинамічну підйомну силу потоку, що набігає за рахунок струминних повітряних течій.

Класифікація літальних апаратів

Літальний апарат - це будь-який технічний пристрій, який призначається для польотів у повітряному чи космічному просторі. У загальній класифікації розрізняють апарати легші за повітря, важчі за повітря і космічні. Останнім часом дедалі ширше розвивається напрями конструювання суміжних апаратів, особливо створення гібриду повітряно-космічного апарату.

ЛА класифікуватися можуть і інакше, наприклад, за такими ознаками:

• за принципом дії (польоту);
• за принципом керування;
• за призначенням та сферами застосування;
• за типом двигунів, встановлених на ЛА;
• за конструктивними особливостями, що стосуються фюзеляжу, крил, оперення та шасі.

Коротко про літальні апарати.

1. повітроплавні ЛА.Вважаються літальні апарати легшими за повітря. Повітряна оболонка заповнена легким газом. До них відносяться дирижаблі, аеростати та гібридні ЛА. Вся конструкція даного типу апаратів повністю залишається важчою за повітря, але через різницю щільностей газових мас і поза оболонкою, створюється різницю тисків і як результат - виштовхувальна сила, так звана сила Архімеда.

2. ЛА, що використовують аеродинамічну підйомнусилу. Цей тип апаратів вважається вже важчим за повітря. Підйомна сила у них створюється за рахунок геометричних поверхонь — крил. Крила починають підтримувати ЛА в повітряному середовищі тільки після того, як навколо їх поверхонь починають утворюватися повітряні потоки. Таким чином, крила починають працювати після досягнення ЛА певної мінімальної швидкості «спрацьовування» крил. Там починає утворюватися підйомна сила. Тому, наприклад, щоб піднятися літаку у повітря чи опуститися з нього на землю, потрібний пробіг.

• Планери, літаки, екранольоти та крилаті ракети - це апарати, у яких підйомна сила утворюється при обтіканні крила;
• Гелікоптери та їм подібні агрегати, у них підйомна сила утворюється за рахунок обтікання лопатей несучого гвинта;
• ЛА, що мають корпус, що несе, створений за схемою «літаюче крило»;
• Гібридні - це апарати вертикального зльоту та посадки, як літаки, так і гвинтокрили, а також пристрої, що поєднують якості аеродинамічних і космічних ЛА;
• Апарати на динамічній подушці типу екраноплан;

3. досмічні ЛА.Ці апарати створені спеціально для роботи в безповітряному просторі з нікчемною гравітацією, а також для подолання сили тяжіння небесних тіл для виходу в космічний простір. До них належать супутники, космічні кораблі, орбітальні станції, ракети. Переміщення та підйомна сила створюється за рахунок реактивної тяги шляхом відкидання частини маси апарату. Робоче тіло так само утворюється завдяки перетворенню внутрішньої маси апарату, яка до початку польоту ще складається з окислювача та палива.

Найпоширеніші літальні апарати – це літаки. При класифікації вони поділяються за багатьма ознаками:

На другому місці за поширеністю знаходяться гелікоптери. Вони також класифікуються за різними ознаками, наприклад, за кількістю та розташуванням несучих гвинтів:

• мають одногвинтовусхему, яка передбачає наявність додаткового кермового гвинта;
• співвіснасхема - коли два несучі гвинти знаходяться на одній осі один над одним і обертаються в різні боки;
• поздовжня- це коли несучі гвинти знаходяться на осі руху один за одним;
• поперечна- гвинти розташовуються з боків від фюзеляжу вертольота.

1,5 - поперечна схема, 2 - поздовжня схема, 3 - одногвинтова схема, 4 - співвісна схема

Крім того, вертольоти можна класифікувати за призначенням:

• для пасажирських перевезень;
• для бойового застосування;
• для застосування як транспортні засоби при перевезенні вантажів різного призначення;
• для різноманітних сільськогосподарських потреб;
• для потреб медичного забезпечення та пошуково-рятувальних робіт;
• для застосування як повітряно-кранові пристрої.

Коротка історія авіації та повітроплавання

Люди, які серйозно займаються історією створення літальних апаратів, визначають, що якийсь пристрій є ЛА, в першу чергу виходячи зі здатності такого агрегату підняти людину в повітря.

Найперший із відомих історія польотів належить до 559 року нашої ери. В одній із держав на території Китаю засуджену до смерті людину закріпили на повітряному змії і після запуску він зміг пролетіти над міськими стінами. Цей змій був, швидше за все, першим планером конструкції «несуче крило».

Наприкінці першого тисячоліття нашої ери на території мусульманської Іспанії арабський учений Аббас ібн Фарнас сконструював та побудував дерев'яний каркас з крилами, який мав подібність до органів управління польотом. Він зміг злетіти на цьому прообразі дельтаплана з вершини невеликого пагорба, протриматись у повітрі близько десяти хвилин і повернутись до місця старту.

1475 - першими серйозними з наукового погляду кресленнями літальних апаратів і парашута вважаються ескізи зроблені Леонардо да Вінчі.

1783 - здійснено перший політ з людьми на повітряному аеростаті Монгольф'є, цього ж року в повітря піднімається аеростат з гелієвим наповненням кулі і виконується перший стрибок з парашутом.

1852 - перший дирижабль з паровим двигуном виконав успішний політ з поверненням в точку старту.

1853 - у повітря піднявся планер з людиною на борту.

1881 - 1885 - професор Можайський отримує патент, будує і випробовує літак з паровими двигунами.

1900 - побудований перший дирижабль Цепеліна з жорсткою конструкцією.

1903 - брати Райт виконують перші реально керовані польоти на літаках з поршневим двигуном.

1905 - створена Міжнародна авіаційна федерація (ФАІ).

1909 - створений рік тому Всеросійський аероклуб вступає у ФАІ.

1910 рік - з водної поверхні піднявся перший гідролітак, в 1915 році російський конструктор Григорович дає старт човну М-5.

1913 - в Росії створений родоначальник бомбардувальної авіації "Ілля Муромець".

1918, грудень — організований ЦАГІ, який очолив професор Жуковський. Цей інститут багато десятиліть визначатиме напрями розвитку російської та світової авіаційної техніки.

1921 - зароджується російська цивільна авіація, що перевозить пасажирів на літаках «Ілля Муромець».

1925 - здійснює політ АНТ-4, дводвигун суцільнометалевий літак-бомбардувальник.

1928 - прийнятий до серійного виробництва легендарний навчальний літак У-2, на якому буде підготовлено не одне покоління видатних радянських льотчиків.

Наприкінці двадцятих років було сконструйовано та успішно випробувано перший радянський автожир — гвинтокрилий літальний апарат.

Тридцяті роки минулого століття - це період різних світових рекордів, встановлених на ЛА різного типу.

1946 - у цивільній авіації з'являються перші вертольоти.

1948 року народжується радянська реактивна авіація — літаки МіГ-15 та Іл-28, цього ж року з'являється перший турбогвинтовий літак. Через рік у серійне виробництво запускається МіГ-17.

Аж до середини 40-х років XX століття основним будівельним матеріалом для ЛА були дерево і тканина. Але вже в перші роки Другої світової війни на зміну дерев'яним конструкціям приходять суцільнометалеві конструкції з дюралюмінію.

Конструкція літака

Всі літальні апарати мають схожі конструкційні елементи. Для повітряних апаратів легші за повітря — одні, для апаратів важчі за повітря — інші, для космічних — треті. Найрозвиненіша і найчисленніша гілка літальних апаратів — це пристрої важчі за повітря для польотів в атмосфері Землі. Для всіх літальних апаратів важче повітря є основні загальні риси, тому що всі аеродинамічний повітроплавання і подальші польоти в космос виходили з першої конструктивної схеми - схеми аероплана, літака по іншому.

Конструкція такого ЛА як літак, незалежно від його типу або призначення, має ряд загальних елементів, обов'язкових для того, щоб пристрій міг літати. Класична схема виглядає так.

Планер літака.

Цим терміном називають цільну конструкцію, що складається з фюзеляжу, крил та хвостового оперення. Насправді це окремі елементи, що мають різні функції.

а) Фюзеляж -це основна силова конструкція літака, до якої кріпляться крила, хвостове оперення, двигуни та злітно-посадкові пристрої.

Корпус фюзеляжу зібраний за класичною схемою складається з:
- носової частини;
- Центральної або несучої частини;
- хвостової частини.

У носовій частині цієї конструкції, як правило, розташовується радіолокаційне та радіоелектронне літакове обладнання та кабіна екіпажу.

Центральна частина несе основне силове навантаження, до неї кріпляться крила літака. Крім того, в ній розташовуються основні паливні баки, прокладено центральні електричні, паливні, гідравлічні та механічні магістралі. Залежно від призначення ЛА всередині центральної частини фюзеляжу можуть розташовуватися салон для перевезення пасажирів, транспортний відсік для розміщення вантажів, що перевозяться, або відсік для розміщення бомбового і ракетного озброєння. Можливі також варіанти для паливозаправників, літаків розвідників чи інших спеціальних ЛА.

Хвостова частина має також потужну силову конструкцію, оскільки призначена для кріплення до неї хвостового оперення. У деяких модифікаціях літаків на ній розташовуються двигуни, а у бомбардувальників типу ІЛ-28, ТУ-16 або ТУ-95 в цій частині може розташовуватися повітряна стрілка з гарматами.

З метою зменшення опору тертя фюзеляжу про повітряний потік, що набігає, вибирається оптимальна форма фюзеляжу з загостреними носом і хвостом.

Враховуючи великі навантаження на цю частину конструкції під час польоту, він виконується суцільнометалевим із металевих елементів за жорсткою схемою. Основним матеріалом для виготовлення цих елементів є дюралюміній.

Основними елементами конструкції фюзеляжу є:
- стрінгери - що забезпечують жорсткість у поздовжньому відношенні;
- лонжерони - що забезпечують жорсткість конструкції в поперечному відношенні;
- шпангоути - металеві елементи швелерного типу, що мають вигляд замкнутої рами різного перерізу, що скріплюють стрінгери та елерони у задану форму фюзеляжу;
- Зовнішня обшивка - Заздалегідь заготовлені за формою фюзеляжу металеві листи з дюралюмінію або композиційних матеріалів, які кріпляться на стрінгери, лонжерони або шпангоути в залежності від конструкції ЛА.

Залежно від заданої конструкторами форми фюзеляж може створювати підйомну силу від двадцяти до сорока відсотків усієї підйомної сили ЛА.

Підйомна сила, за рахунок якої ЛА важче за повітря тримається в атмосфері — це реально існуюча фізична сила, що утворюється при обтіканні повітряним потоком крила, фюзеляжу та інших елементів конструкції ЛА, що набігає.

Підйомна сила прямо пропорційна щільності середовища, в якому утворюється повітряний потік, квадрату швидкості з яким рухається ЛА і куту атаки, який утворюють крило та інші елементи щодо потоку, що набігає. Вона також пропорційна площі ЛА.

Найпростіше та найпопулярніше пояснення виникнення підйомної сили це утворення різниці тисків у нижній та верхній частині поверхні.

б) Крило літака- це конструкція, що має несучу поверхню для утворення підйомної сили. Залежно від типу літака крило може бути:
- Прямим;
- стрілоподібним;
- Трикутним;
- трапецієподібним;
— із зворотною стрілоподібністю;
- Зі змінною стрілоподібністю.

Крило має центроплан, а також ліву та праву напівплощини, ще їх можна називати консолями. Якщо фюзеляж виконаний у вигляді несучої поверхні як у літака типу Су-27, то є тільки ліва і права напівплощини.

За кількістю крил можуть бути моноплани (це основна конструкція сучасних літаків) та біплани (прикладом може бути Ан-2) або триплани.

За розташуванням відносно фюзеляжу крила класифікуються як низькорозташовані, середньорозташовані, верхньорозташовані, «зонтик» (тобто крило розташоване над фюзеляжем). Основними силовими елементами конструкції крила є лонжерони та нервюри, а також металева обшивка.

До крила кріпиться механізація, що забезпечує керування літаком - це елерони з тріммерами, а також яка має відношення до злітно-посадкових пристроїв - це закрилки та передкрилки. Закрилки після їх випуску збільшують площу крила, змінюють його форму, збільшуючи можливий кут атаки на малій швидкості та забезпечують збільшення підйомної сили на режимах зльоту та посадки. Передкрилки – це пристрої для вирівнювання повітряного потоку та недопущення завихрень та зриву струменя на великих кутах атаки та малих швидкостях. Крім того, на крилі можуть інтерцептори-елерони - для поліпшення керованості ЛА та інтерцептори-спойлери - як додаткова механізація, що зменшує підйомну силу і гальмує ЛА в польоті.

Усередині крила можуть розміщуватися паливні баки, наприклад, як у літака МіГ-25. У закінчення крила розташовуються сигнальні вогні.

в) Хвостове оперення.

До хвостової частини фюзеляжу літака кріпляться два горизонтальні стабілізатори - це горизонтальне оперення і вертикальний кіль - це вертикальне оперення. Ці елементи конструкції ЛА забезпечують стабілізацію літака у польоті. Конструктивно вони виконані як і крила, тільки мають значно менший розмір. До горизонтальних стабілізаторів кріпляться керма висоти, а до кіля - кермо повороту.

Злітно-посадкові пристрої.

а) Шасіосновний пристрій, що відносяться до цієї категорії .

Стійка шасі. Задній візок

Шасі літака - це спеціальні опори призначені для зльоту, посадки, рулювання та стоянки ЛА.

Конструкція їх досить проста і включає стійку з амортизаторами або без них, систему опор і важелів, що забезпечують стійке положення стійки у випущеному положенні та швидке прибирання після зльоту. Також є колеса, поплавки або лижі залежно від типу літака та злітно-посадкової поверхні.

Залежно від розташування планера можливі різні схеми:
- шасі з передньою стійкою (основна схема для сучасних літаків);
- шасі з двома основними стійками та хвостовою опорою (прикладом може служити Лі-2 та Ан-2, в даний час практично не застосовується);
- Велосипедне шасі (таке шасі встановлено на літаку Як-28);
— шасі з передньою стійкою і задньою штангою з коліщатком, що випускається при посадці.

Найпоширенішою схемою для сучасних літаків є шасі з передньою стійкою та двома основними. На дуже важких машинах основні стійки мають багатоколісні візки.

б) Гальмівна система.Гальмування літака після посадки здійснюється за допомогою гальм у колесах, спойлерів-інтерцептерів, гальмівних парашутів та реверсу двигунів.

Двигуни силові установки.

Літакні двигуни можуть розміщуватися у фюзеляжі, підвішені на крилах за допомогою пілонів або розміщені у хвостовій частині літака.

Конструктивні особливості інших літальних апаратів

1. Гвинтокрил.Здатність злітати вертикально і крутитися навколо своєї осі, зависати дома і літати боком і задом. Все це характеристики вертольота і все це забезпечується завдяки рухомій площині, що створює підйомну силу - це гвинт, який має аеродинамічні площини. Гвинт постійно знаходиться в русі, незалежно від того, з якою швидкістю і в якому напрямку відбувається політ безпосередньо вертольота.
2. Гвинтокрил.Особливістю цього ЛА є те, що зліт апарата здійснюється за рахунок несучого гвинта, а набір швидкості та горизонтальний політ - за рахунок класично розташованого пропелера, встановленого на ТВД, як у літака.
3. Конвертоплан.Цю модель ЛА можна віднести до апаратів з вертикальним зльотом та посадкою, які забезпечуються поворотними ТВД. Вони закріплені на кінцях крил і після зльоту повертаються в літакове положення, в якому створюється тяга горизонтального польоту. Підйомна сила забезпечується крилами.
4. Автожир.Особливість даного ЛА полягає в тому, що під час польоту він спирається на повітряну масу за рахунок гвинта, що вільно обертається, в режимі авторотації. У разі гвинти замінюють собою статичне крило. Але для підтримки польоту необхідно постійно обертати гвинт, а він обертається від повітряного потоку, що набігає, тому апарату, не дивлячись на гвинт необхідна мінімальна швидкість для польоту.
5. Літак вертикального зльоту та посадки.Злітає і сідає за нульової горизонтальної швидкості, використовуючи тягу реактивних двигунів, яка спрямована у вертикальному напрямку. У світовій авіаційній практиці це такі літаки як Харрієр та Як-38.
6. Екраноплан.Це апарат здатний пересуватися на великій швидкості, використовуючи при цьому ефект аеродинамічного екрану, який дозволяє ЛА триматися на висоті декількох метрів над поверхнею. При цьому площа крила цього апарата менша, ніж у аналогічного літака. Ла використовує цей принцип, але здатний підніматися на висоту в кілька тисяч метрів називається екраноліт.Особливістю його конструкції є ширші фюзеляж та крило. Такий апарат має велику вантажопідйомність та дальність польоту до тисячі кілометрів.
7. Планер, дельтаплан, параплан.Це ЛА важче за повітря, як правило безмоторні, які для польоту використовують підйомну силу за рахунок обтікання повітряним потоком крила або несучої поверхні.
8. Дирижабль.Це апарат легший за повітря, що використовує для керованого руху двигун з гвинтом. Він може бути з м'якою, напівжорсткою та жорсткою оболонкою. В даний час використовується у військових та спеціальних цілях. Однак ціла низка переваг, таких як дешевизна, велика вантажопідйомність та низка інших, дають привід до дискусій щодо повернення цього виду транспорту до реального сектору економіки.

Основною ознакою класифікації літальних апаратів є спосіб літання. Існують два основні способи літання апаратів важчих за повітря – аеродинамічний та балістичний.

Аеродинамічнийспосіб полягає в тому, що літальний апарат утримується в повітрі за допомогою аеродинамічної так званої підйомної сили, що виникає від взаємодії тіла з потоком повітря. Умовою утворення аеродинамічної сили є відносне переміщення повітря та тіла.

До літальних апаратів, що використовують аеродинамічний принцип польоту, відносяться літаки, крилаті ракети та гелікоптери.

Засобом, що створює необхідну для польоту аеродинамічну силу у крилатих літальних апаратів, є крило, а у гелікоптерів – гвинт, що несе. Так як крило приєднано до корпусу літального апарата нерухомо, то для створення аеродинамічної сили всьому літальному апарату надається поступальний рух за допомогою двигуна.

У вертольота роль крила відіграє гвинт, що приводиться в обертання двигуном. При цьому аеродинамічна сила створюється без поступального руху всього гелікоптера.

БаліститичнийМетод літання є політ вільно кинутого тіла, що відбувається переважно під впливом сили земного тяжіння. Такий політ може відбуватися лише за рахунок попередньо накопиченої кінетичної енергії.

Існує проміжний клас літальних апаратів – ракетоплани, для яких застосовуються обидва принципи польоту – аеродинамічний та балістичний.

Аеродинамічний принцип польоту може здійснюватися лише в межах атмосфери, від властивостей та стану якої залежить характер руху літального апарату. Тому знайомство з аеродинамікою літака потрібно починати з вивчення якостей атмосфери.

Атмосфера землі

Атмосферою називається газова оболонка, що оточує земну кулю. Газ, що становить цю оболонку, називається повітрям.

Висота газової оболонки Землі велика і становить більше 2000 км. У межах навколоземного простору до висоти 20 кмзнаходиться біля 95% всієї маси атмосферного повітря. Атмосфера поділяється на тропосферу , стратосферу ііоносферу (Малюнок1.1).

Малюнок 1.1. Будова атмосфери

Тропосферою називається нижній шар атмосфери. Товщина її над полюсами 7 - 8 кмнад екватором 16 – 18 км. Температура повітря у тропосфері з підйомом на висоту падає (6,5 ° на кожні 1000 м) (Малюнок1.2).Зміна температури призводить до переміщення повітряних мас. Внаслідок цього утворюються хмари, випадають опади, дмуть вітри.

Склад повітря тропосфери практично незмінний. У ньому міститься 78% азоту,21% кисню та навколо1% інших газів (аргон, вуглекислий газ, водень, неон, гелій).У тропосфері зосереджена майже вся водяна пара. Вміст водяної пари та пилу призводить до погіршення видимості.

Малюнок 1.2. Зміна температури повітря за висотами

Стратосфера - Шар повітря, що лежить безпосередньо над повітряними шарами тропосфери. У ній спостерігається повна відсутність хмар, дмуть сильні вітри. У стратосфері до висоти 25...30 кмтемпература постійна і становить -56°С. З висоти30 км до 55 кмтемпература повітря підвищується до +75°С. На висоті 82...83 кмтемпература повітря становить - 35°С(Малюнок 1.2).

Іоносфера - Шар повітря, що лежить безпосередньо над повітряним шаром стратосфери. Висоти іоносфери від 85 до 500 км. Через наявність в іоносфері величезної кількості іонів (заряджених молекул і атомів атмосферних газів повітря сильно нагрівається. В іоносфері спостерігаються полярні сяйва, магнітні бурі.

Як літак тримається у повітрі

Рід Мачадо

Ми часто користуємося механічними пристосуваннями, зовсім не уявляючи, як вони працюють.

Коли я був молодий і ще не встиг мати сім'ю, батьки подарували мені на день народження пилосос. За кілька місяців мені зателефонувала мама і запитала: "Знаєш, де знайти мішки для пилососа?". Я відповів: "Мішки? Які мішки?".

Звідки мені було знати, що цій штуці потрібні мішки?

Технічна неосвіченість має свої переваги, але не в повітрі. Звичайно, вам не обов'язково бути доктором аеродинамічних наук, щоб стати пілотом, але знання основних принципів аеродинаміки буде дуже корисним і навіть може врятувати життя. Саме тому найперше заняття з наземної підготовки – найдовше. Не хвилюйтеся - вам не доведеться лікувати очі після того, як ви все це прочитаєте. Я настійно рекомендую вам прочитати все від початку до кінця. Щоб літати літаком, потрібно спочатку зарядити мізки хоча б якоюсь кількістю інформації. Зробити це найкраще протягом цього заняття. Читайте і радійте - адже витрачений вами час надалі окупиться з лишком.

Нехай перебувають з вами 4 сили

Ні-ні, "4 сили" - це не назва рок-гурту 60-х. Це сили, які тягнуть та штовхають літак у польоті. 4 сили: підйомна сила, вага, тяга та опір - діють на літак весь той час, поки він перебуває в повітрі. Погляньте на малюнок 1-1, який демонструє дію чотирьох сил.

Зрозуміло, ці гігантські стрілки насправді не зростають із літака. Розумію, це розчарує тих, хто все ще очікує, що американські штати під час польоту будуть розфарбовані у сині та білі кольори, а вздовж їхніх кордонів будуть намальовані лінії. Але нічого страшного, ви звикнете. Ці стрілки лише демонструють захоплюючу гру - перетягування каната в чотирьох напрямках. Ви, як пілот, повинні використовувати наявні у вас ресурси, щоб збалансувати ці сили. Розглянемо їх докладніше.

Підйомна сила

Підйомна сила діє знизу нагору. Вона з'являється, коли крила літака рухаються крізь повітря. Рух уперед викликає невелику різницю між тиском повітря на нижню та верхню поверхні крила. Завдяки цій різниці тисків і виникає підйомна сила, що утримує літак у повітрі.

Вперше я відчув принцип дії підйомної сили у віці чотирьох років, коли вперше потрапив до церкви. Переді мною пронесли тарілку з пожертвуваннями, і я схопив з неї кілька блискучих штучок. Мій дідусь ганявся за мною довкола лави, а я думав: "Ух ти, як весело в церкві!" Дідусь спіймав мене за светр, підняв над землею і виніс із церкви назовні. Саме підйомна сила дідусиної руки, точно рівна моїй вазі, утримала мене в повітрі. Саме так і працюють крила літаком - розвивають підйомну силу, щоб утриматися в повітрі.

Вага діє зверху донизу. Цією силою пілот може керувати у певних межах, змінюючи завантаження літака. За винятком ваги спаленого палива, вага літака важко змінити. Не ви ж будете після зльоту спалювати вантаж або підсаджувати додаткових пасажирів (або, навпаки, викидати їх за борт). Висаджування пасажирів під час польоту є порушенням якогось правила Федерального управління цивільної авіації, тому не робіть так, будь ласка.

У польоті (тобто коли швидкість і напрямок польоту постійні) підйомна сила і вага врівноважують один одного.

Тяга та опір

Тяга – це сила, що діє вперед. Вона викликана повітряним гвинтом, що обертається двигуном. Як правило, чим більший двигун (тобто більше потужність), тим більше сила тяги, яку він викликає і тим швидше літак долетить до пункту призначення. За рух уперед доводиться платити так званим аеродинамічний опір. Сила опору діє назад. Вона викликана молекулярним опором атмосфери під час руху крізь неї. Говорячи простою мовою (пілоти та інженери рідко ним користуються), це опір вітру. Мати-природа мало що дає задарма. Як любить говорити один мій приятель: "Якщо ти щось отримуєш і нічого за це не платиш - значить просто користуєшся чужою кредитною карткою".

Тяга викликає прискорення літака, але кінцева швидкість визначається опором. У разі збільшення швидкості збільшується і опір. Завдяки впертості природи, збільшення швидкості літака вдвічі викликає збільшення опору вчетверо. У якийсь момент опір врівноважує потяг і досягається стала швидкість.

Мій Фольксваген Жук часів старшої школи знав ці межі. Його швидкість була обмежена розміром двигуна. Використовуючи чотири маленькі циліндри (причому в будь-який момент часу працювали лише три з них), Volkswagen просто не міг розігнатися вище 65 миль на годину. Малюнок 1-2 показує, як максимальна сила тяги врівноважується опір саме при цій швидкості.

Чим менша швидкість руху, тим менше потрібно потужності, оскільки зменшується опір. Якщо швидкість руху менша за максимальну, то утворюється певний запас тяги (потужності). Його можна використати, наприклад, для обгону. Або, можливо, для гри на свистках, якщо ви цим захоплюєтеся.

Все це слушно і для літака. Якщо швидкість горизонтального польоту нижча за максимальну, то з'являється запас потужності (тяги). Його можна використовувати для одного з найважливіших авіаційних маневрів – набору висоти.

На цьому вступну частину закінчено. Думаю, тепер саме час дізнатися про органи управління літака.

Органи управління

Якщо ви готовий пілот, значить, ви терпляче чекали на розповідь про органи управління. Ганді б міг поаплодувати вашому терпінню (але його тут немає, тому поаплодую я). На малюнку 1-3 зображено три уявні осі літака.

Використовуючи органи управління, можна змусити літак обертатися навколо однієї чи більше осей. Поздовжня вісьпроходить вздовж центральної лінії літака від носа до хвоста. Обертання літака навколо поздовжньої осі називається креном. Щоб запам'ятати, у якому напрямі проходить поздовжня вісь літака, використовуйте такі асоціації: поздовжня - довга - довга - вісь, що проходить вздовж найдовшого виміру літака.

У футболі пас ще може називатися пасом упоперек поля. Аналогічно вісь, що проходить від законцювання одного крила до законцювання іншого, називається поперечної. Тангаж – це обертання літака навколо поперечної осі.

Вертикальна вісьспрямована зверху вниз, від кабіни літака до його черева. Обертання літака навколо цієї осі називається нишпоренням. Ризик схожий на сонне потягування - коли ви позіхаєте, ви витягуєтеся у вертикальному напрямку, при цьому обертаючи тулуб вліво-вправо, щоб розім'яти хребет.

Тепер ми готові докладно розглянути кожен із трьох органів управління, які обертають літак навколо його осей.

Елерони – це рухливі аеродинамічні поверхні, розташовані на зовнішній частині задньої кромки крила. Вони призначені для нахилення літака в той бік, в який потрібно повертати. При повороті штурвала вправо елерони одночасно відхиляються у протилежних напрямках, проте це зовсім не означає, що вони зламані (див. рис.1-4).

Лівий елерон відхиляється вниз, викликаючи збільшення підйомної сили на лівому крилі. Правий елерон відхиляється, викликаючи зменшення підйомної сили на правому крилі. Саме це і змушує літак нахилятися праворуч.

При повороті штурвала ліворуч лівий елерон відхиляється вгору, викликаючи тим самим зменшення підйомної сили на лівому крилі (див. рис. 1-5).

Правий елерон відхиляється вниз, викликаючи збільшення підйомної сили правому крилі. Це змушує літак нахилятися вліво.

Елерони викликають різницю між підйомними силами, які діють різні крила. Ця різниця нахиляє літак, у результаті сумарний вектор підйомної сили нахиляється у той бік, куди треба повернути.

Кермо висоти

Кермо висоти – це рухлива горизонтальна поверхня в задній частині літака, призначена для підйому чи опускання носа літака (див. рис. 1-6).

Кермо висоти діє так само, як і елерони. Відхилення штурвала викликає відхилення керма висоти вгору (див. рис. 1-6).

Під хвостовою частиною з'являється область зниженого тиску, що викликає рух хвоста вниз, а носа - вгору.

На малюнку 1-7 показано, що відбувається з літаком у разі відхилення штурвала вперед.

Кермо висоти відхиляється вниз, викликаючи падіння тиску над хвостовою частиною, внаслідок чого хвіст піднімається. Ніс переміщається вниз щодо поперечної осі. Простіше кажучи, підняти носа можна, потягнувши штурвал на себе; опустити – відхиливши штурвал від себе.

Є ще й третій орган управління – кермо спрямування. Він керує нишпоренням щодо вертикальної осі. Його ми розглянемо пізніше, головне – знайте, що про нього не забув.

А зараз, оскільки ви отримали основне поняття про роботу органів управління, перенесемося подумки в літак і поговоримо про виконання одного корисного маневру – горизонтального польоту.

Горизонтальний політ

Ви ось-ось почнете відпрацьовувати горизонтальний політ – один із фундаментальних авіаційних маневрів. Цей маневр ніби складається з двох: "польоту по прямій" та "майданчику". Політ по прямій - політ, під час якого ніс літака зберігає той самий напрямок, а крила паралельні горизонту. Майданчик – політ без набору чи втрати висоти.

На малюнку 1-8 показано, як виглядає горизонтальний політ із лівого крісла, де ви, пілот, зазвичай і сидите.

Малюнок 1-8

Нічого страшного, що ми на картинці летимо в гори. Я з вами, і я вмію оминати гори. Це, взагалі-то, моя спеціальність.

Як визначити, що ви летить по прямій

Отже, як ви дізнаєтесь, що перейшли у горизонтальний політ? Найпростіший спосіб – глянути поверх приладової дошки у вітрове скло (так називається вікно, розташоване попереду), як показано на малюнку 1-8. Видно, що верхня частина приладової дошки практично паралельна горизонту. Отже, літак не нахилений, а це означає, що ви летить по прямій, нікуди не повертаючи.

Проте є й інший спосіб це визначити. Можна натиснути перемикач видів джойстика (це перемикач, що стирчить з джойстика під великим пальцем). Якщо глянете у ліве чи праве вікно, позначте собі положення кожного крила щодо горизонту (див. рис. 1-9).

Малюнок 1-9

При польоті по прямій обидва крила знаходяться на однаковій відстані над горизонтом (саме над горизонтом, а не над горами).

Правильне просторове становище

На справжніх літаках я волію, щоб курсанти практично згортали шиї, дивлячись то у ліве вікно, то у праве. Це вчить їх відзначати положення крил та зосереджувати увагу на повітряному русі. Так-так, саме повітряному, а не автомобільному. Щоправда, у симуляторі незручно постійно перемикати види то вліво, то вправо. Тому ви користуватиметеся авіагоризонтом для утримання літака у горизонтальному польоті. Авіагоризонт – прилад, розташований у верхній частині групи 6 основних приладів. Ця група приладів знаходиться перед вами (див. рис. 1-10).

Малюнок 1-10

Авіагоризонт - це штучне уявлення справжнього горизонту. Як випливає з назви, він відображає просторове положення літака (позитивний або негативний тангаж і кут крену). Верхня половина авіагоризонту забарвлена ​​в синій колір (як справжнє небо, якщо ви, звичайно, не летить над Лос-Анджелесом), нижня половина - коричнева (як земна поверхня). Тонка біла лінія, що розділяє ці кольори, - це лінія штучного горизонту. Пілоти користуються авіагоризонтом, якщо вони не бачать обрії через обмежену видимість або якщо в даний момент незручно стежити за кінцями крил (саме так зазвичай і буде при польоті в симуляторі).

При відхиленні важеля управління ліворуч літак нахиляється ліворуч, нахиляючи ліве крило до землі (див. рис. 1-11А).

Малюнок 1-11А Малюнок 1-11В Малюнок 1-11С

Саме так починається лівий розворот. Зверніть увагу: маленький літачок із помаранчевими крилами на авіагоризонті теж нахиляє ліве крило до землі. З погляду механіки, насправді рухається не літачок, а куля авіагоризонту, відображаючи таким чином просторове становище літака. Тим не менш, ви завжди можете визначити напрямок крену по тому, яке крило на авіагоризонті нахиляється до землі (це просто, оскільки є лише два варіанти).

При плавному відхиленні важеля управління праворуч (так само, як було описано вище) авіагоризонт відобразить правий розворот. Тепер праве крило помаранчевого літачка нахиляється до землі, як показано на малюнку 1-11В. Відхиліть джойстик вправо або вліво доти, доки крила маленького літачка не будуть паралельні лінії авіагоризонту. Джойстик повернеться в центральне положення (за замовчуванням), а літак - до польоту прямою (див. рис. 1-11С). Якщо крену немає - отже, літак не повертається.

Головне – знати свій курс

Є ще один спосіб визначити, чи летить ви по прямій. Він полягає у використанні покажчика курсу (див. рис. 1-12).

Малюнок 1-12

На малюнку 1-12 показано покажчик курсу (його ще називають гірокомпасом). Він розташований у центрі нижнього ряду шести основних приладів (їх ми швидко розглянемо). Покажчик курсу можна уявити як механічний компас, що показує напрямок літака. Погляньте на цифри на поверхні покажчика. Подумки додайте нуль до будь-якої цифри - і отримайте дійсний напрямок літака. Наприклад, цифра 6 насправді означає курс 60 градусів (вимовляється "нуль-шість-нуль"). Число 33 означає курс 330 градусів (коли ми вимовляємо курс, ми говоримо "курс три-три-нуль" для чіткості. У польоті дуже важливо вимовляти слова чітко). Цифри нанесені з інтервалом 30 градусів, між цифрами розташовані мітки, що позначають інтервали 5 і 10 градусів.

Для польоту за заданим курсом просто розгорніть літак за найкоротшим напрямком на потрібний курс. Наприклад, якщо розвернутися так, щоб ніс літачка на покажчику курсу вказував на літеру W, це буде політ з курсом на захід (тобто з курсом 270). Зрозуміло, що курс залишається постійним при польоті прямою, оскільки не виконуються розвороти. Це ще один спосіб визначити, що ви летить по прямій.

Тепер, коли ви дізналися все про політ прямою, можна перейти до розгляду другої складової горизонтального польоту - до майданчика.

Переконайтеся, що висота постійна

Поговоримо про те, що відбувається з висотою за зміни тангажу літака. Якщо підняти ніс літака, потягнувши джойстик на себе, маленький літачок на авіагоризонті теж вказуватиме на небо (синя частина), як показано на малюнку 1-13А. Вертикальна шкала авіагоризонту розмічена з кроком 5 градусів, тому перші чотири мітки (знизу вгору) позначають тангаж 5, 10, 15 і 20 градусів.

Малюнок 1-13

Погляньте на висотомір, розташований праворуч від авіагоризонту (див. мал. 1-13В). Велика стрілка (що означає сотні футів) зазвичай рухається за годинниковою стрілкою при піднятому носі. Як і на годиннику, рух за годинниковою стрілкою означає збільшення чогось. У разі - збільшення висоти.

Прямо під висотоміром розташований варіометр - покажчик вертикальної швидкості. Його стрілка відхиляється вгору під час підняття носа, показуючи у своїй швидкість набору висоти (див. рис. 1-13С). Це додатковий спосіб визначити, що ви набираєте висоту, а не летить на фіксованій висоті.

При поверненні джойстика в центральне положення літак почне повертатися до польоту майданчиком (передбачається, що літак правильно відтримується - це ми розглянемо трохи пізніше).

При нахилі вниз літак на авіагоризонті вказуватиме на земну поверхню (коричневу), як показано на малюнку 1-14.

Малюнок 1-14

Стрілка висотоміра почне обертатись проти годинникової стрілки, це означає втрату висоти. Стрілка варіометра відхилиться вниз і показуватиме швидкість зниження. Можна сміливо сказати: якщо стрілка висотоміра не рухається, а стрілка варіометра показує нуль - отже, ви летить на фіксованій висоті. Це найточніший спосіб визначення.

Потрібна практика, щоб утримувати ці стрілки нерухомими (у цьому польоті вони завжди рухаються, хоча б трохи). Звичайний пілот-аматор вже молодець, якщо утримає висоту в межах +/- 100 футів (30 м). На жаль, коли я був курсантом, я вважав за краще постійно змінювати задану висоту, на якій я хотів би летіти (це тривало, доки я нарешті не натренувався).

У польоті з інструктором ви потренуєтесь витримувати курс утриманням помаранчевого літачка на авіагоризонті паралельно лінії штучного горизонту. Якщо праве або ліве крило нахилиться до землі, ви повернете його у вихідне положення, відхиливши джойстик у протилежний бік.

Ще ви потренуєтесь зберігати висоту, утримуючи нерухомою велику стрілку висотоміра. Вона має рухатися. Якщо зрушить - використовуйте джойстик для зміни тангажу, плавно, поки стрілка не зупиниться. Це буде тангаж, необхідний для майданчика.

Час для тримування

Літаки схильні до дії різних аеродинамічних сил. Деякі з них намагаються задерти літакові носа, деякі - навпаки, опустити. Тяга двигуна, вага, підйомна сила – це лише деякі з цих сил. Що це все означає? Наприклад, якщо літак намагається опустити ніс, то ви не зможете весь політ тягнути штурвал на себе. Якщо постійно тягнути штурвал на себе для підтримки тангажу, то ваші руки дуже швидко втомляться (можливо, ваш особистий тренер і пишатиметься вами, але я – ні). На щастя, літаки мають одну річ - триммер - для зняття зусилля зі штурвала (і з пілота). Подивимося, як працює тример, а потім поговоримо про те, як ним користуватися.

Як працює тример

Тример - це маленька рухлива поверхня, прикріплена до тієї поверхні, якою ви хочете керувати (у нашому випадку це кермо висоти). Малюнок 1-15А показує триммер та його коліщатко, що використовується для зміни положення тримера. У цьому літаку коліщатко зазвичай розташоване між двома передніми сидіннями або в нижній частині приладової дошки.

Рух тримера викликає невелику різницю тиску на кінці аеродинамічної поверхні, до якої тример прикріплений. Утворюється тиск, достатній для утримання основної поверхні в потрібному положенні без необхідності утримувати при цьому штурвал. Зверніть увагу – триммер відхиляється у бік, протилежний тій, куди відхилена основна поверхня. Якщо хочете відхилити кермо висоти вгору (якби ви потягнули штурвал на себе), тріммер треба відхилити вниз, як показано на кермі висоти А (див. рис. 1-15А).

Для утримання керма висоти відхиленим донизу (як при зниженні) триммер повинен бути відхилений вгору, як показано на кермі висоти (див. рис. 1-15В).

Малюнок 1-15В. Як працює тример. 1 - ніс опускається; 2 – ніс піднімається.

Тример - це ніби уявна рука, що утримує літак у заданому положенні і знімає зусилля, яке ви прикладаєте до штурвала. Елемент управління триммером може бути на вашому джойстику у вигляді коліщатків або кнопок.

Якщо на джойстику немає кнопок керування триммером, можна використовувати дві клавіші на цифровій клавіатурі для тримування літака. Клавіша ENDтримає літак вгору, клавіша HOME- Вниз.

Подивимося, як відтримувати літак для горизонтального польоту. По-перше, перевірте, чи не відтримано літак. Це можна зробити, зменшивши відхилення джойстика. Слідкуйте за стрілкою варіометра. Якщо стрілка показує набір висоти, необхідно тримати вниз. Відхиліть джойстик трохи більше від себе для повернення до майданчика та натисніть HOMEодин раз для невеликого тримування вниз (або за допомогою кнопки тримування вниз). Після цього зменшіть відхилення джойстика та дивіться, що станеться.

Чим довше ви натискаєте кнопку тримування, тим більше відхилення тримера. Будьте терплячі. Можливо, вам доведеться повторити процедуру кілька разів, перш ніж стрілка варіометра займе майже горизонтальне положення (біля нульового значення).

Якщо стрілка варіометра покаже зниження (тобто відхилятиметься вниз), трохи потягніть джойстик на себе, щоб повернутися до горизонтального польоту. Після чого кілька разів натисніть ENDдля тримування вгору (або за допомогою кнопки тримування вгору). Потім зменшіть відхилення джойстика та погляньте на реакцію стрілки варіометра. При необхідності повторюйте процедуру, поки літак не буде ні знижуватися, ні набирати висоту.

Я віддаю перевагу дивитися на стрілку варіометра при тримуванні, тому що цей прилад дуже чутливий. Чутливий не в тому сенсі, що може заплакати, якщо ви скажете йому, що він погано виглядає, а в тому сенсі, що він реагує на дрібні зміни тангажу. Це полегшує визначення відхилення від горизонтального польоту. На наступному занятті я покажу, як використовується стрілка варіометра для тримування в наборі висоти або зниження.

Багато літаків можна тримувати в крені за допомогою тримера елеронів. Можливо, на вашому джойстику є відповідні елементи управління. Тример крену може стати в нагоді при нерівномірному завантаженні паливних баків або якщо пасажири переважують з будь-якої сторони.

Відтримується літак чи ні - він все одно може здійснювати маленькі коливання вгору і вниз, при цьому відхилення висоти може становити до 100 футів (30 м). Такі вони, літаки. Кожен любить сваволіти і може відхилятися як за висотою, так і за курсом, навіть якщо він правильно відтримується. Не заважайте літаку, якщо, звичайно, відхилення не будуть надто великими. Ваше завдання – полегшити собі політ настільки, наскільки можливо, щоб був час думати, планувати та систематизувати свої способи безпечно літати на симуляторі.

Можете пишатися собою, тому що ви завершили свою першу наземну підготовку. Особисто я вами пишаюся! Настав час польоту з інструктором.

Клацніть Розпочати навчальний політдля опрацювання вивченого матеріалу. Під час наступної наземної підготовки я познайомлю вас із основами виконання розворотів.

І їх вплив на тверді тіла. Є підрозділом гідро- та газодинаміки. Дослідження в цій галузі сягають глибокої давнини, до часу винаходу стріл і плануючих копій, що дозволяли далі і точніше посилати снаряд в ціль. Однак потенціал аеродинаміки повністю був розкритий з винаходом апаратів важчих за повітря, здатних літати або планувати на значні відстані.

З давніх часів

Відкриття законів аеродинаміки в 20 столітті сприяло фантастичному стрибку в багатьох галузях науки та техніки, особливо у транспортній сфері. На її досягнення створено сучасні літальні апарати, що дозволили зробити загальнодоступним фактично будь-який куточок планети Земля.

Перші згадки про спробу підкорення неба зустрічаються в грецькому міфі про Ікара та Дедала. Батько з сином спорудили крила, схожі на пташині. Це вказує на те, що ще тисячоліття тому люди думали про можливість відірватися від землі.

Черговий сплеск інтересу до спорудження літальних апаратів виник за доби Відродження. Пристрасний дослідник Леонардо да Вінчі багато часу присвятив цій проблемі. Відомі його записи, у яких пояснено принципи роботи

Нова епоха

Глобальний прорив у науці (і аеронавтиці зокрема) здійснив Ісаак Ньютон. Адже в основі аеродинаміки лежить всеосяжна наука механіка, родоначальником якої став англійський вчений. Ньютон першим розглянув повітряне середовище як конгломерат частинок, які набігаючи на перешкоду, або прилипають до нього, або пружно відбиваються. В 1726 він представив публіці теорію опору повітря.

Згодом з'ясувалося, що середовище справді складається з найдрібніших частинок – молекул. Відбивну здатність повітря розраховувати навчилися досить точно, а ефект «прилипання» вважали неспроможним припущенням.

Дивно, але ця теорія знайшла практичне застосування через сторіччя. У 60-х, на зорі космічної ери, радянські конструктори зіткнулися з проблемою розрахунку аеродинамічного опору апаратів, що спускаються «затупленою» сферичної форми, при приземленні розвиваючих гіперзвукові швидкості. Через відсутність потужних ЕОМ обчислити цей показник було проблематично. Несподівано з'ясувалося, що досить точно розрахувати величину опору і навіть розподіл тиску по лобовій частині можна за простою формулою Ньютона щодо ефекту «прилипання» частинок до об'єкта, що летить.

Розвиток аеродинаміки

Засновник гідродинаміки Даніель Бернуллі описав у 1738 році фундаментальний взаємозв'язок між тиском, щільністю та швидкістю для стисканого потоку, відому сьогодні як принцип Бернуллі, який також застосовується до розрахунків сили аеродинамічного підйому. У 1799 році сер Джордж Келлі став першою людиною, яка ідентифікувала чотири аеродинамічні сили польоту (вага, підйомна сила, опір і тяга), а також відносини між ними.

У 1871 році Френсіс Герберт Уенам створив першу аеродинамічну трубу, що дозволяє точно вимірювати аеродинамічні сили. Неоціненні наукові теорії розроблено Жаном Ле Рондом Даламбером, Густавом Кірхгофом, лордом Релеєм. У 1889 році Чарльз Ренард, французький інженер з аеронавтики, став першою людиною, яка науково розрахувала потужність, необхідну для стійкого польоту.

Від теорії до практики

У 19 столітті винахідники глянули на крило з наукового погляду. І завдяки дослідженням механізму польоту птахів була вивчена аеродинаміка у дії, яку пізніше застосували до штучних літальних апаратів.

Особливо в дослідженнях механіки крила досяг Отто Лілієнталь. Німецьким авіаконструктором створено та випробувано 11 типів планерів, у тому числі біплан. Їм же здійснено перший політ на апараті важчим за повітря. За відносно недовге життя (46 років) він здійснив близько 2000 польотів, постійно вдосконалюючи конструкцію, яка швидше нагадувала дельтаплан, ніж літак. Він загинув під час чергового польоту 10 серпня 1896, ставши і першопрохідником аеронавтики, і першою жертвою авіакатастрофи. До речі, один із планерів німецький винахідник особисто передав піонеру у вивченні аеродинаміки літаків Жуковському Миколі Єгоровичу.

Жуковський не просто експериментував з На відміну від багатьох ентузіастів того часу, перш за все він розглядав поведінку повітряних потоків з наукового погляду. У 1904 році він заснував перший у світі аеродинамічний інститут у Качино під Москвою. З 1918 року очолював ЦАГІ (Центральний аерогідродинамічний інститут).

Перші літаки

Аеродинаміка – це наука, яка дозволила людині підкорити небо. Без її вивчення було б неможливо будувати літальні апарати, які стабільно переміщаються в повітряних потоках. Перший літак у звичному нам розумінні виготовили та підняли у повітря 7 грудня 1903 року брати Райт. Однак цій події передувала ретельна теоретична робота. Американці багато часу присвятили налагодженню конструкції планера в аеродинамічній трубі власної розробки.

Під час перших польотів Фредерік В. Ланчестер, Мартін Вільгельм Кутта та Микола Жуковський висунули теорії, які пояснювали циркуляцію повітряних потоків, що створюють підйомну силу. Кутта та Жуковський продовжили розробку двовимірної теорії крила. Людвігу Прандтлу приписують розвиток математичної теорії тонких аеродинамічних та підйомних сил, а також роботу з прикордонними шарами.

Проблеми та рішення

Важливість аеродинаміки літаків зростала зі збільшенням їх швидкостей. Конструктори почали стикатися з проблемами, пов'язаними зі стиском повітря зі швидкістю, близькою або більшою, ніж швидкість звуку. Відмінності в потоках за таких умов призвели до проблем управління повітряним судном, збільшення опору через ударні хвилі та загрозу руйнування конструкції через аеропружний флаттер. Відношення швидкості потоку до швидкості звуку було названо на ім'я Ернста Маха, який одним із перших досліджував властивості надзвукового потоку.

Вільям Джон Маккуорн Ренкін і П'єр Анрі Гугоніот незалежно один від одного розробили теорію властивостей течії повітря до і після ударної хвилі, тоді як Якоб Акерет провів початкову роботу з обчислення підйому та опору надзвукових аеродинамічних поверхонь. Теодор фон Карман і Х'ю Латімер Драйден ввели термін «околозвуковий» для опису швидкостей на кордоні 1 Маха (965-1236 км/год), коли опір швидко зростає. Вперше звуковий бар'єр було подолано 1947 року літаком Bell X-1.

Основні характеристики

Відповідно до законів аеродинаміки, для забезпечення польоту в атмосфері землі будь-якого апарату важливо знати:

• Аеродинамічний опір (вісь X), що надається потоками повітря на об'єкт. Виходячи з цього параметра підбирається потужність силової установки.
• Підйомна сила (вісь Y), що забезпечує набір висоти і дозволяє апарату летіти горизонтально до поверхні землі.
• Моменти аеродинамічних сил за трьома осями координат, що діють на об'єкт, що летить. Найбільш важливим є момент бічної сили осі Z (Mz), спрямованої поперек літака (умовно вздовж лінії крила). Він визначає ступінь поздовжньої стійкості (чи апарат «пірнати» або задирати ніс вгору при польоті).

Класифікація

Аеродинамічні характеристики класифікуються за умовами та властивостями повітряного потоку, включаючи швидкість, стисливість та в'язкість. Зовнішня аеродинаміка – це дослідження потоку навколо твердих об'єктів різної форми. Прикладами є оцінка підйому та вібрацій літака, а також ударних хвиль, що утворюються перед носом ракети.

Внутрішня аеродинаміка – це дослідження повітряного потоку, що переміщується через отвори (проходи) у твердих об'єктах. Наприклад, він охоплює вивчення потоків через реактивний двигун.

Аеродинамічні показники можуть бути класифіковані в залежності від швидкості потоку:

• Дозвуковою називають швидкість, меншу за швидкість звуку.
• Навколозвуковий (трансзвуковий) - якщо присутні швидкості як нижче, так і вище швидкості звуку.
• Надзвуковий - коли швидкість потоку більша за швидкість звуку.
• Гіперзвукова - швидкість потоку набагато більша за швидкість звуку. Зазвичай під цим визначенням мають на увазі швидкості з числами Маха вище 5.

Аеродинаміка вертольота

Якщо принцип польоту літака заснований на підйомній силі при поступальному русі, що виявляється на крило, то гелікоптер як би сам створює підйомну силу за рахунок обертання лопат у режимі осьового обдування (тобто без поступальної швидкості). Завдяки цій особливості гелікоптер здатний зависати у повітрі дома і здійснювати енергійні маневри навколо осі.

Інші сфери застосування

Звичайно, аеродинаміка застосовна не тільки до літальних апаратів. Опір повітря відчувають усі об'єкти, що рухаються у просторі в газовому та рідкому середовищі. Відомо, що водні жителі - риби і ссавці - мають обтічні форми. На їхньому прикладі можна простежити аеродинаміку у дії. Орієнтуючись на тваринний світ, люди роблять водний транспорт загостреної чи краплевидної форми. Це стосується кораблів, катерів, підводних човнів.

Значний опір повітря відчувають транспортні засоби: воно зростає зі збільшенням швидкості. Для досягнення кращої аеродинаміки автомобілям надають обтічну форму. Особливо це актуально для спортивних автомобілів.

Питання проведення теоретичних занять для школярів з авіаційного профілю може стати головним болем для викладача, а може спонукати його до творчих справ у плані різноманітності теоретичного курсу. Мій досвід викладання занять у тренажерному класі як інструктор – тренажера планера для школярів спонукав мене до такого пошуку.

Навряд чи школярам будуть цікаві теоретичні висновки рівняння Бернуллі, а також закони Гей-Люсака та Бойля-Маріотта разом узятих. Набагато цікавіше показувати щось на практичному прикладі, наприклад, запустити планер і пояснити, чому він летить саме такою траєкторією, а не іншою. Саме з цим питанням зіткнувся ваш покірний слуга, коли складав теоретичні лекції для курсу "Основи пілотування літака через планер", пов'язаний із польотами на планерному тренажері.

Мої пошуки привели мене до статті «Основи авіамоделювання», за мотивами симулятора KSP, де простою та зрозумілою для всіх мовою були описані аеродинамічні істини з їх практичним застосуванням. Пропоную всім бажаючим поринути в основи аеродинаміки та проектування літальних апаратів, а якщо з'явитися бажання то й самому випробувати це у грі. В якості провідника в основи аеродинаміки виступатиме містер Кептін та ігровий простір програми KSP. Оригінал статті можна знайти за адресою: www.forum.kerbalspaceprogram.com.

Практична аеродинаміка за допомогою KSP

KSP – це гра, в якій гравці створюють та керують своїми власними космічними програмами. Будівництво човників, керування ними та запуск місій у відкритий космос – ось простір для творчості у KSP.

Хочете побудувати ракету та облетіти планету, будь ласка, є всі необхідні інструменти. Питання в іншому: чи вистачить палива, чи витримає шасі при посадці, чи опуститься туди рятувальна капсула. Вообщем всі питання технічного плану, і навіть самостійного управління побудованими літальними апаратами, гравцю доведеться брати він. За бажання ще можна обтяжити себе фінансовим тягарем, і отримувати субсидії на космонавтику замість корисних досліджень різного рівня. Як перспективи для розвитку є можливість здійснити вихід людини у відкритий космос, створити космічну станцію, а навіть заснувати колонію-поселення на іншій планеті.

Один із доповнень до гри пов'язаний із створенням літаків: зібрати літак із окремих частин, запустити і подивитися, що з цього вийде. Свобода творчості та, в результаті, розуміння законів аеродинаміки. Оскільки після кількох невдач на посадці конструктор почне думати головою щодо посилення стійки шасі, або полегшення конструкції.

Якщо комусь цікаво, ось так виглядає урок створення літака:

Гра постійно оновлюється. Оновлення та нововведення відбуваються можливо навіть зараз, а на сайті лежить новий мод, коли ви читаєте ці рядки. Для знайомства з програмою достатньо завантажити з сайту гри демоверсію.

Що таке центр тиску і чому його порівнюють із центром мас

Перш ніж перейти до моделювання літаків, варто трохи зануритися в теорію аеродинаміки. Роздуми на цю тему доречно розпочати із запитання: «Що таке центр тиску?». Центр тиску – це точка, до якої прикладена сумарна підйомна сила різних частин літака: крил і хвостового оперення.

На малюнку показані аеродинамічні поверхні, що створюють підйомну силу. Сумарна підйомна сила знаходиться у точці, яка називається центром тиску.

У тому випадку, якщо центр тяжіння буде перебувати надто близько до центру мас, літальний апарат може стати надмірно маневреним (тобто «нейтрально стабільним»), оскільки у нього будуть відсутні природні тенденції до прагнення рухатися в будь-якому напрямку. Загалом бажано прагнути до того, щоб центр тиску знаходився позаду центру тяжіння. У цьому випадку літальний апарат прагнутиме падати вперед.

Правила центрів

Якщо Ц.Д. попереду Ц.М., то літальний апарат схильний до раптових переворотів, якщо Ц.Д. та Ц.М. збіглися, то літальний апарат має надмірну маневреність, якщо Ц.Д. знаходиться трохи позаду Ц.Т., то літальний апарат буде мати високу маневреність, якщо трохи подалі, то в польоті з'являтиметься велика стійкість, якщо сильно далі, то вийде дротик для дартс.

Якщо взяти картонну модель літака і підвісити його на нитці до стелі, то точка, в якій літак кріпиться до нитки, буде центром тиску.

Якщо ви будуєте літальний апарат, який має Ц.Д. знаходиться сильно попереду Ц.М., це дуже близько схоже на кріплення носа літака за нитку. Щоразу під час зльоту він намагатиметься перевернутися вгору носом. У той самий час, якщо Ц.Д. у літака знаходиться дещо нижче Ц.М., то при зльоті літальний апарат буде прагнути перевернутися догори дригом.


Розташування та орієнтація підйомних поверхонь визначає центр тиску. До нього ми повернемося через деякий час. Але спочатку перейдемо до розгляду ще однієї потенційно важливої ​​сили та точки її застосування – центру тяги (Ц.Т.).

Центр тяги – це точка застосування всіх сумарних сил тяги, що діють на літальний апарат. Якщо в літального апарату один двигун, то Ц.Т. перебуватиме саме в центрі двигуна.

Все чудово, але тільки до тих пір, поки центр тяги вашого двигуна знаходиться на одній лінії із центром мас літального апарату. Що якщо це не так… У цьому випадку доречно говорити про несиметричну потяг.

Ось тут і починаються різні конфузи:

Дія несиметричного центру тяги можна порівняти з моментом від застосування гайкового ключа. Негативні наслідки від такого втручання можна зменшити роботою площин управління чи збільшенням підйомної сили. Але тут укладено каверзу: ефективність аеродинамічних поверхонь змінюється в залежності від висоти польоту і щільності повітря.

Так що зі зміною швидкості та висоти польоту також повинні змінюватися інші характеристики літального апарату (наприклад, за допомогою системи автоматичної стабілізації польоту САСП).

Саме тому у всіх успішних проектів космічних кораблів центр мас розташовується на одній лінії із центром тяги.


Розглянемо докладніше площини управління літальним апаратом: вузли, що рухаються, які дозволяють керувати положенням літального апарату. Всі вони діють як важелі на центр мас, причому чим далі точка докладання сил від центру мас тим більше зусилля можна створити.


Органи управління на малюнку – це елевони, гібрид елеронів та кермів висоти. Контрольні площини створюють підйомну силу, але також створюють опір повітря. Елевони зменшують кількість деталей, таким чином зменшуючи сумарний опір. Перебираючи різні варіанти поєднань площин управління можна побачити їх плюси та мінуси.

Кожному літаку свої крила

Перейдемо до магічного слова – крила! Почнемо знайомство із співвідношення сторін: розмах, поділений на хорду (відношення довжини та ширини).

Кожна із представлених схем літальних апаратів має однакову площу, але різну форму. Кожна форма має свої переваги та недоліки. Ці відмінності стають ще більш разючими, якщо підключити модуль Ferram Aerospace Research, який показуватиме більш реалістичну модель опорів.

Повернемося до питання стріловидності крил: кут, під яким знаходиться крило по відношенню до фюзеляжу. Усі бачили спритні винищувачі, але на що насправді впливає стрілоподібність крила.

Коли швидкість літака стає близькою до швидкості звуку, ударні хвилі стають надзвуковими. Стріловидність крил зменшує опір на навколозвукових швидкостях, оскільки вигин крила зменшує лобовий опір, що можна побачити повітряним потоком.

Найкоротша відстань між двома точками – це пряма. Оскільки повітряний потік через стрілоподібне крило проходить більший шлях, ніж через пряме крило і контур крила, що перетинає потік, не виглядає як стінка, то ударних хвиль у випадку зі стрілоподібним крилом не створюється.

Що стосується гри KSP, то в стандартній версії ефект стріловидності не має великого ефекту. Цим ефектом можна насолодитися додатковою версією гри, яка називається Ferram Aerospace Research.

Йдемо далі…. Розглядаємо кріплення крила та поперечний кут крила, тобто кут нахилу крила. Якщо центр тиску розташовується над центром мас, підвищується стійкість літального апарату. Перенесення ж крил нагору фюзеляжу створює стабілізуючий ефект для літального апарату, що зветься поперечного ефекту.

Отже, якщо центр тиску знаходиться нижче центру мас, або крила переносяться вниз фюзеляжу, то літак стає більш маневреним, але менш стійким у польоті.

Стійкість літального апарату можна контролювати перенесенням крил вище – нижче щодо фюзеляжу, тобто перенесенням центру мас.

Практичне застосування комбінацій крил та центрів мас:

Зрештою, короткий екскурс у тему збільшення підйомної сили у грі KSP. Цього можна досягти наступним шляхом:

• Додати площу крил
• Збільшити швидкість

Збільшення кількості крил, як і їх площі, призведе до збільшення лобового опору та уповільнення літака, з одного боку. З іншого боку, це призведе до зниження швидкості звалювання та мінімальної швидкості польоту, а отже, зменшення злітної та посадкової дистанцій.

Занадто велика кількість крил і площин управлінь призведе до того, що літальним апаратом доведеться керувати складніше: найменші коливання на ручці управління будуть викликати сильні зміни в напрямку польоту. Маса літака та його бажана крейсерська швидкість польоту (звалювання) будуть визначати кількість підйомних сил, які потрібні для літака.

Чим крутіший кут атаки, тим більша підйомна сила. Але це правило працює до деяких пір: «до критичного кута атаки». Після досягнення критичного кута аеродинамічний потік починає переходити до зриву, а літак втрачає підйомну силу. У KSP кут атаки стає критичним за 20°, залежно від моделі.

Також варто розповісти про «кут падіння». Кут падіння - це кут, під яким крило знаходиться щодо фюзеляжу. Зростання цього кута збільшує абсолютне значення кута атаки і підвищує підйомну силу, але водночас збільшує лобовий опір.

Комусь може здатися: «Вона того варта!». Але конструкція крила стає складнішою та змінюється характер польоту. Крило з позитивним кутом атаки має підйомні властивості, що відрізняються в порівнянні з горизонтальним крилом. Тобто підйомна тяга у такого крила стає набагато більше, ніж у крила з горизонтальним розташуванням.

Оскільки основне крило створює надмірно велику підйомну силу, порівняно з хвостовим стабілізатором, пілотові доведеться опускати вниз важіль управління літаком або працювати триммером на хвостовому оперенні, але аби не дати літаку піднятися вгору. І навпаки, ручку прибирати на себе в тому випадку, якщо ніс літака опуститься надто низько.

У Kerbal Space Program літальний апарат, спроектований з нульовим кутом падіння, простіше піддається контролю, але є також аргументи на користь зміни цього кута:

• можна заздалегідь встановити ідеальний крейсерський кут тангажу
• немає необхідності задирати різко тангаж вгору під час зльоту (для запобігання удару хвостом)

У тексті прозвучала згадка про «крейсерський режим польоту»: це стосується режиму, в якому літальний апарат поводитиметься найкраще. Якщо літак не знаходиться в такому режимі польоту, то всі його вузли і сам політ не будуть перебувати в оптимальному режимі: підвищена витрата палива, збільшений знос двигуна. Спочатку в конструкції все закладається саме виходячи з умов польоту в оптимальних умовах: оперення, двигуни, площа крил, матеріали та багато іншого розраховується на політ в оптимальних умовах.

З чого почати проектувати шасі

Тепер перейдемо до питання конфігурації шасі, ось деякі варіанти:

Конфігурація «трицикл» простіше у регулюванні, ніж чотириколісна: її простіше посадити, ніж конфігурацію з опорою на хвостове колесо.

Правильний підхід під час проектування полягає в тому, щоб розмістити заднє шасі прямо під центром мас. У такому разі літальний апарат може вільно розгортатися та набирати потрібний кут атаки під час зльоту.

Якщо з деяких причин виникає необхідність розміщувати заднє колесо далі від центру мас, тоді варто задуматися над тим, щоб розмістити його трохи вище переднього шасі. У цьому випадку ми одержав заздалегідь позитивний кут атаки і, як наслідок, спростимо зліт літального апарату.

Посадкові шасі повинні бути розташовані так, щоб для зльоту потрібно від пілота лише мінімальне зусилля на ручці.

Літаки з хвостовим оперенням злітають саме за цим принципом: сама схема такого літака гарантує автоматичний зліт при досягненні певної швидкості.



Відхилення від курсу при посадці може означати одне з двох:

1. Злітно-посадкова смуга не є прямою насправді, оскільки шасі розташовується перпендикулярно «злітку» і дивляться суворо вперед.
2. Надмірна вага, що припадає на одне з шасі, може призвести до прогину стійки і, як наслідок, відведення літака з траєкторії.
3. Також занадто велика притискна сила на одному з шасі призведе до того, що решта не повністю перебуватиме в зачепленні з майданчиком. Цей ефект називається "колеса тачки".

Можливі способи вирішення цього завдання:

• Виправити стійку шасі в редакторі
• Зміцнити стійку шасі за допомогою підкосу
• Розподілити вагу на велику кількість стійок шасі
• Зменшити вагу на шасі за допомогою полегшення конструкції літака
• Зробити великі шасі та подолати зусилля у кермовому управлінні

Лобовий опір та його вплив на параметри літака

У програмі KSP використовується проста модель лобового опору. Чим більше маси буде додано (у вигляді деталей), тим більше створюватиметься опір повітря, незалежно від того, чи знаходиться модель в повітряному потоці чи ні.

Кожна деталь має максимальне значення лобового опору (найчастіше це значення 0,2 від максимального). Значення лобового опору можна вважати за заданою формулою:

Лобовий опір = Щільність повітря * Швидкість (у квадраті) * Коефіцієнт максимального опору * Масу

Зауважте, що лобовий опір залежить від маси та від коефіцієнта і не залежить від кількості деталей. Зменшення маси призведе до покращення аеродинаміки. Конструювання аеродинамічного профілю часто зводиться до якнайбільшого зменшення кількості деталей, а також двигунів, площин управління, паливних баків, але при збереженні керованості літального апарату.


Якщо ви хочете досягти успіху в тому, що зображено на картинках, Вам слід скористатися модою KSP, який більш реалістично підходить до розрахунку лобового опору. Цей мод називається Ferram Aerospace Research. Я люблю Ferram, тому я встановлюю його скрізь, де тільки можна.

Сподіваюся, це оповідання зарядило Вас ентузіазмом для того, щоб творити та створювати свої власні літаки та космічні кораблі! Успіхів!