Что значит самолет лег на крыло
Как летает самолет
Самолет может подняться в воздух, в том случае, если подъемная сила, возникающая при обтекании крыла воздухом превысит силу тяжести.
Для того, чтобы поднять самолет в воздух и получить требуемую подъемную силу, необходимо обеспечить обтекание крыла потоком воздуха, значит самолету для полета необходима скорость.
Самолет разбегается по взлетной полосе и, когда величина подъемной силы будет выше силы тяжести отрывается от земли. Попробуем разобраться, как возникает подъемная сила?
Аэродинамическая сила
При обтекании потокам воздуха пластины, расположенной параллельно линиям тока из-за разности давлений и сил трения, возникает аэродинамическая сила. В данном случае обтекание пластины потоком воздуха симметричное.
Несимметричным оно станет в том случае, если пластину наклонить, возникающая аэродинамическая сила будет направлена под углом к потоку. Угол наклона пластины называют углом атаки.
Разложим аэродинамическую силу на две составляющие:
При увеличении аэродинамической силы будут возрастать как вертикальная, так и горизонтальная составляющая.
Подъемная сила позволяет поднять самолет, а сила лобового сопротивления действует против направления его движения, то есть тормозит его.
Возникновение подъемной силы на крыле самолета
Наиболее благоприятным будет вариант, при котором, при малой силе сопротивления подъемная сила будет большой. Это позволит снизить потребную мощность двигателей, и расход топлива. Для этого создаются крылья несимметричного профиля.
Подъемная сила возникает при несимметричном обтекании профиля крыла потоком воздуха.
Струйки потока обтекают крыло сверху и снизу по разному.
При обтекании верхней выпуклой поверхности крыла из-за инертности струйки воздуха сжимаются, и в соответствии с уравнением неразрывности, скорость движения частиц воздуха.
В результате разницы давлений под крылом и над крылом возникает подъемная сила. Когда подъемная сила будет больше силы тяжести самолет взлетает.
Механизация крыла
Увеличение подъемной силы связано и с увеличением силы лобового сопротивления. Чем выше скорость самолета, тем сильнее сила лобового сопротивления будет тормозить его. Поэтому для полета на больших скоростях необходимо крыло, не вызывающее значительное лобовое сопротивление, подъемная сила у такого него также будет невелика, но когда самолет набрал высоту большая подъемная сила и не нужна.
Для полета на малых скоростях необходимо такое крыло, которое обеспечит максимальную подъемную силу, сила лобового сопротивления такого крыла выше, но на малых скоростях это не так критично.
Получается, что для того, чтобы взлетать на малой скорости, а проводить полет на большой скорости, самолету нужны крылья с разным профилем, или, как минимум, крыло с разными характеристиками. Получить необходимые характеристики на разных этапах полета помогают элементы механизации крыла:
Закрылок
Отклоняемый элемент механизации, расположенный на задней кромке крыла называют закрылком.
Выпуск закрылков позволяет значительно увеличить подъемную силу,при этом возрастает и сила лобового сопротивления.
Закрылки позволяют самолету взлететь на меньшей скорости, и совершать полет на малых скоростях.
Для набора скорости в полете сопротивление необходимо уменьшить, поэтому сначала угол наклона закрылков уменьшается, а затем они и вовсе убираются. В убранном закрылок составляет часть профиля крыла.
В режиме посадки, возрастающее сопротивление при выпуске закрылков позволяет снизить скорость самолета, а возросшая подъемная сила обеспечивает устойчивый полет при снижении скорости.
Предкрылок
Элемент механизации крыла, расположенный на его передней кромке, предназначенный для управления пограничным слоем называют предкрылком. Различают фиксированные предкрылки, жестко связанные с крылом и автоматические предкрылки, которые могут быть прижаты к крылу или выдвинуты в зависимости от угла атаки.
Щиток
Наклон щитка позволяет увеличить подъемную силу. Возрастающее сопротивление позволяет снизить пробег при посадке самолета.
Элементы управления
Вертикальное оперение позволяет обеспечить балансировку, устойчивость и управляемость самолета.
Оперение самолета составляют из неподвижные и подвижные элементы:
Действие рулей основано на изменении аэродинамической силы, при изменении угла наклона по отношению к направлению движения потока воздуха. При изменении угла наклона возникает аэродинамической силы, которая, благодаря плечу относительно центра тяжести самолета, создает вращающий момент.
Руль высоты
При перемещении руля высоты в противоположном направлении, нос самолета опускается вниз, угол тангажа становится отрицательным, самолет пикирует.
Руль направления
При изменении положения руля направления, за счет возникающей аэродинамической силы, появляется момент, поворачивающий самолет относительно нормальной оси. С помощью руля направления можно изменяется угол рысканья самолета.
Руль направления чаще всего используется для корректировки курса самолета при разбеге или пробеге при посадке.
Элероны
Вид криволинейного полета, служащий для изменения направления называют виражом. Для осуществления виража самолет необходимо изменить угол крена, сделать это позволяют элероны.
Элемент управления самолета, расположенный на задней кромке крыла называют элероном.
При крене самолета, из-за изменения режима обтекания крыла, создается центростремительная сила и самолет начинает двигаться по кривой, но демпфирующий момент вертикального оперения противодействует развороту. Для выполнения виража необходимо не только накренить самолет, но и отклонить руль направления в сторону виража, увечить тягу двигателя.
Зачем самолёту крыло?
Самолёт без крыла даже представить сложно. Но зачем оно ему нужно? И можно ли обойтись вовсе без крыла? Попробуем разобраться.
Крыло у современных самолётов почти всегда одно — разделённое фюзеляжем на полуплоскости, или консоли (у птиц два крыла — каждая «полуплоскость» у них считается самостоятельным крылом).
Самолёту крыло нужно для создания подъёмной силы в результате разницы давлений воздуха на нижней и верхней поверхностях. Если говорить максимально упрощённо (а физика обтекания крыла воздухом на самом деле очень сложна), то разница давления создаётся за счёт разной скорости потоков над и под крылом. Это называется аэродинамическим путём создания подъёмной силы.
Но есть и другой путь — ракетодинамический, когда подъёмная сила создаётся за счёт силы тяги двигателей, превышающей силу тяжести нашей планеты. Как ясно из названия, в основном его используют с ракетными двигателями, поэтому крыльев у ракет обычно и нет. Но ничего не мешает его реализовать и с помощью реактивных моторов. На первый взгляд, такой принцип полёта совсем не выгоден из-за высокого расхода энергии.
Оттого для сверхзвуковых самолётов пытаются сделать крыло покороче, чтобы решить эту проблему.
И чем быстрее летают самолёты, тем более привлекательно окончательно избавиться от крыла. Однако есть одно «но» — самолёту надо по-прежнему садиться и взлетать, а это происходит на очень малых скоростях. И тут использовать крыло, как ни крути, в разы выгоднее, чем смириться с диким расходом топлива для создания подъёмной силы ракетодинамическим путём. В итоге над вопросом о крыле лучшие авиаконструкторы бьются уже более полувека.
Можно попробовать создавать подъёмную силу за счёт фюзеляжа самолёта — но пока даже в теории это совсем не просто, а уж до воплощения идеи в реальность далеко. Другой путь — создать двигатели одновременно и мощные, и экономичные, которые не столь невыгодны на малых скоростях.
Есть и другие идеи, но их всех объединяет общее — пока они не работают.
В итоге крыло сейчас уже даже можно назвать скорее тормозом для развития авиации, но пока отказаться от него возможности нет. И распространение самолётов без крыльев на своём веку мы явно не увидим.
Зачем нужны странные «плавнички» на концах крыльев самолётов?
Тут меня давеча спросили: а что это за такие вертикальные «плавнички» на крыльях у самолётов и зачем они нужны?
Отличный вопрос с интересным ответом. Поехали.
Почему вообще летают самолёты? Делают они благодаря явлению, известному как закон Бернулли. Суть его состоит в том, что движущиеся жидкость или газ оказывают на помещённые в эти жидкость или газ тело тем меньшее давление, чем с большей скоростью они движутся.
Ещё один, более ЗОЖный пример: окна, которые закрываются (или открываются) когда ветер дует параллельно стене дома (и плоскости окна).
Короче, мы с вами запомнили: чем быстрее движется газ, тем слабее он давит на плоскость, параллельную направлению его движения.
Теперь посмотрим на поперечное сечение крыла самолёта. Можно увидеть, что оно состоит как бы из двух половинок: верхняя — более выпуклая, нижняя — более плоская.
При движении крыла (вместе с самолётом, разумеется), в воздушном потоке воздуху, который обтекает крыло сверху, нужно пройти больший путь, чем воздуху, который обтекает его снизу. А так как в конечном итоге должна обеспечиваться непрерывность потока, то поток, обтекающий крыло сверху, должен двигаться быстрее того, что идёт снизу. Согласно закону Бернулли, это значит, что воздух под крылом давит на само крыло сильнее, чем воздух над крылом. Возникает разница давлений, которая как бы толкает крыло вверх — точнее, не как бы, а именно что толкает. Так как в законе Бернулли давление зависит не от скорости, а от квадрата скорости, то чем с большей скоростью летит самолёт — тем больше разница давлений. Так как подъёмная сила равна разнице давлений, умноженной на площадь, то чем больше площадь крыла — тем также больше подъёмная сила.
Именно поэтому у первых, медленно летающих самолётов, крылья были большие: разница давлений (из-за маленькой скорости) там была довольно скромная, и чтобы получить нужную подъёмную силу, требовалась серьёзная площадь. Иногда даже делали самолёты с двумя парами крыльев — бипланы, или даже (экзотика) с тремя.
С ростом скоростей самолётов в этом необходимость отпала. Как ни крути, а большие крылья (или большее количество крыльев) — это и лишний вес, и, что немаловажно, сопротивление воздуха — то самое «динамическое» давление, «ветер в лицо», который давит на переднюю кромку крыла. Поэтому у скоростных самолётов (например, военных истребителей) крылья маленькие: из-за их большой скорости разница давлений там солидная, и нужную подъёмную силу создаёт и небольшое крыло, которое при этом испытывает меньшее сопротивление воздуха.
Хотя наврал: трипланы существуют и сегодня. Технически трипланом является, например, российский СУ-30МК: у него тоже три пары крыльев, только расположенные не одна над другой, а одна перед другой — т.н. горизонтальный триплан. Зачем так делают — расскажу как-нибудь в другой раз.
Прошу прощения у тех, кто и так знает, за счёт чего летают самолёты: как показала практика, это далеко не такой общеизвестный факт, как многим кажется. А нам в рамках нашего объяснения надо показать, почему давление воздуха под крылом и над крылом — различны. Потому что именно это, являясь причиной того, что самолёт летает в принципе, создаёт проблемы, которые призваны решать «плавнички», которые инженеры называют законцовками крыла.
Дело вот в чем. Когда мы смотрим на ситуацию в середине крыла, всё хорошо: сверху давление меньше, снизу больше, разница давлений толкает крыло вверх. Но на конце крыла у нас возникает ситуация: здесь верхний и нижний потоки с разными давлениями встречаются. Естественно, что давления стремятся уравняться: воздух снизу крыла устремляется наверх. Огибая крыло, он закручивается в вихрь. А так как всё это дело у нас ещё движется в перпендикулярном направлении (в том, в котором движется самолёт), то за самолётом возле конца каждого крыла возникают эдакие «воздуховороты», которые называют вихревыми шнурами.
Как эти шнуры и их образование влияют на самолёт и его движение? Плохо влияют. Дабы не вдаваться в тонкости аэродинамики, поясним это так. На образование вихря требуется некая энергия. Откуда ей взяться? Просто неоткуда, кроме как из энергии, которую производят двигатели самолёта. То есть, часть этой энергии тратится не на что-то полезное, а на создание совершенно «ненужных» с точки зрения полёта вихревых шнуров. Результат: часть произведённой двигателем энергии уходит в прямом смысле слова в атмосферу. Это, в свою очередь, приводит, к примеру, к повышению затрат топлива.
Так вот, перпендикулярные «плавнички» на концах крыльев призваны как раз препятствовать свободному течению воздуха из нижней части крыла в верхнюю и закручиванию этого потока в вихри, что, в свою очередь, ведёт к более рациональному использованию производимой двигателем энергии и уменьшению расхода топлива.
Другое дело, что эти «плавнички», или «крылышки» (их, кстати, так и называют — винглеты) увеличивают лобовое сопротивление крыла и его вес. Кроме того, винглеты увеличивают нагрузку на крыло (они испытывают давление пытающегося закрутиться воздушного потока), что требует от конструкторов делать его более прочным, что в авиации обычно значит — более тяжёлым.
Всё это, в свою очередь, опять же ведёт к увеличению расхода топлива. Поэтому винглеты ставит не на все самолёты, а преимущественно на магистральные авиалайнеры, которые значительную часть своего полёта проводят в крейсерском режиме — с постоянной значительной скоростью.
Есть, к слову, и другие конструкции законцовок крыла, призванные минимизировать концевые эффекты. Например, применяются так называемые гребневые законцовки: как бы треугольнички, ориентированные в основной плоскости крыла, призванные уменьшить площадь концевых участков крыла относительно самого крыла и, соответственно, минимизировать концевые эффекты.
Их ставят, к примеру, на новейшие самолёты Boeing: они не заметны так, как классические винглеты, это просто заострённое окончание крыла, не будешь знать, на что смотреть, так и не увидишь. Подобное же решение использовано и на российском МС-21.
Авиаинженеры продолжают экспериментировать с конструкцией законцовок крыла, которые должны обеспечить должный положительный эффект при минимальных «побочках». Посмотрим, что ещё новенького они придумают.
Почему летает самолет или зачем нужны крылья
С древних времен, наблюдая за полетом птиц, человек сам хотел научиться летать. Желание летать подобно птице нашло отражение в древних мифах и легендах. Одной из таких легенд является легенда об Икаре, который сделал крылья, чтобы взлететь высоко в небо, ближе к лучезарному солнцу. И хотя полет Икара закончился трагически, птицы прекрасно летают, несмотря на то, что они существенно тяжелее воздуха. Через три тысячи лет после возникновения этой легенды, в самом начале ХХ века, был осуществлен первый в истории полет человека на самолете. Этот полет длился всего 59 секунд, а пролетел самолет всего 260 метром. Так сбылась давняя мечта человека о полете. Современные самолеты летают гораздо дальше и дольше. Давайте попробуем разобраться, почему летает самолет, обладающий огромной массой, почему он при этом может летать быстрее, выше и дальше любой птицы, почему планер без мотора может долгое время парить в воздухе.
Несмотря на то, что во время полета, в отличие от птиц, крылья у самолета жестко закреплены на корпусе, самолет летает именно благодаря им, а также двигателям, которые создают силу тяги и разгоняют самолет до необходимой скорости. Сечение крыла самолета очень похоже на сечение крыла птицы. И это не случайно, так как, конструируя самолет, люди, в первую очередь, ориентировались на полет птиц. Во время полета на крыло самолета действуют четыре силы: сила тяги, создаваемая двигателями, сила тяжести, направленная к Земле, сила лобового сопротивления воздуха, препятствующая движению самолета, и, наконец, подъемная сила, которая и обеспечивает набор высоты. Соотношение этих сил и определяет способность самолета летать. При полете с постоянной скоростью сумма этих сил должна быть равна 0: сила тяги компенсирует силу лобового сопротивления, а подъемная сила – силу тяжести. Это важно знать всем, кто увлекается авиамоделированием, чтобы изготовить надежную летающую модель самолета.
Очень важным параметром является угол атаки – угол между хордой крыла (линией, соединяющей переднюю и заднюю кромки крыла) и направлением воздушного потока, обтекающего крыло. Чем меньше угол атаки, тем меньше сила лобового сопротивления, но вместе с тем меньше и подъемная сила, обеспечивающая взлет и устойчивый полет. Поэтому увеличение угла атаки обеспечивает достаточную для взлета и полета подъемную силу. Из-за несимметричности формы крыла воздух над крылом движется быстрее, чем под ним и, согласно уравнению Бернулли, давление воздуха под крылом больше, чем над ним. Однако возникающая при этом подъемная сила недостаточна для взлета, а основной эффект достигается за счет уплотнения воздуха под крылом набегающим потоком, что существенным образом зависит от угла атаки крыла самолета. Меняя угол атаки, можно управлять полетом самолета, эту функцию выполняют закрылки – отклоняемые поверхности, симметрично расположенные на задней кромке крыла. Они используются для улучшения несущей способности крыла во время взлёта, набора высоты, снижения и посадки, а также при полёте на малых скоростях.
Великий русский механик, создатель науки аэродинамики Николай Егорович Жуковский, всесторонне исследовав динамику полета птиц, открыл закон, определяющий подъемную силу крыла. Эта сила определяется разностью давлений над крылом и под ним и рассчитывается по следующей формуле:
где 
‑ плотность воздуха, 
‑ скорость набегающего воздушного потока, 
‑ площадь крыльев самолета, 
‑ скорость циркуляции воздуха возле крыла. Зависимость подъемной силы от угла атаки можно получить, используя закон сохранения импульса:
Похожую формулу для расчета подъемной силы первого в истории человечества самолета использовали братья Райт:
где 
‑ ускорение свободного падения, m – масса самолета.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Лечь на крыло
Экраноплан – это летательный аппарат, полет которого проходит на небольшой высоте. Аппарат использует набегающие потоки воздуха, которые позволяют снять большую часть нагрузки с двигателей. За счет этого экраноплан может парить над землей.
Экранопланы вообще, и новый китайский аппарат WIG в частности, отличаются безопасностью, экономичностью и высокой производительностью. По словам профессора шанхайского университета Тунцзи Сюя Чжэнюя, WIG расходует в два раза меньше топлива, чем рейсовый самолет, при этом он может поднять больше груза. Да и его себестоимость в два раза ниже традиционного летательного аппарата. WIG собираются использовать для морских перевозок и охраны водных границ. Уже к 2013 году китайцы планируют построить экраноплан на 50 мест, а к 2017 году представить миру аппараты, способные перевозить грузы до 200–400 тонн.
У российских конструкторов китайские успехи вызывают горькую улыбку. Хотя наша страна была одной из первых, кто вплотную занялся экранопланами, мы рискуем потерять лидирующие позиции. Разработки в этой области авиационного строительства начались у нас еще в 60-е годы прошлого века. Первым экспериментальным аппаратом стал военный экраноплан «Каспийский монстр», разработанный советским конструктором Ростиславом Алексеевым. Позже появился десантный вариант «Орленок», который принял на вооружение военно-морской флот СССР в 1986 году. Через год появился мощный экраноплан-ракетоноситель «Лунь». «Уже тогда наши летательные аппараты могли развивать скорость в 200–300 км в час, – рассказал «НИ» академик Российской академии транспорта Прокопий Драчев. – В 2006 году прошел испытания в Дубне гражданский экраноплан «Иволга», разработанный отечественным конструктором Вячеславом Калгановым. Совсем скоро будет запущено его серийное производство. Это гражданский вариант 14-местного летательного судна, скорость которого 175–185 км».
Сам конструктор экраноплана Вячеслав Калганов более скептичен в оценках отечественных летательных аппаратов. «В Китае разработка экранопланов является национальной программой, – пояснил «НИ» Вячеслав Калганов. – У нас же этой отрасли не уделяется достаточного внимания. Пока Россия удерживает приоритет в разработке экранопланов. Но, боюсь, пороху у нас хватит только на ближайшие 1,5–2 года. После развала Союза финансирование этих программ прекратилось почти полностью. Мы до сих пор получаем копейки за свою работу. Как ни печально, но кроме готовой и прошедшей испытание «Иволги» мы почти ничем похвастаться не можем. Все остальные разработки аппаратов – только на бумаге. Так что если у нашего государства не изменится отношение к этой сфере авиационного строительства, китайцы действительно займут наше место. А нам придется приобретать их продукцию».