Основы аэродинамики

Основы аэродинамики

Аэродинамика - это наука, изучающая эволюции происходящие с предметом в пространстве при набегающем на него потоке воздуха. Т.к. аэродинамика изучает поведение любого предмета под действием набегающего потока, то не трудно предположить, насколько обширен спектр ее исследований. Мы остановимся на достаточно узком направлении ее исследований – аэродинамике летательных аппаратов (ЛА), а если быть более конкретным – самолетов.

 

Крыло

Крыло это основной элемент конструкции самолета, обеспечивающий подъемную силу и удержание самолета в воздухе. Надо помнить, что любой ЛА, какой бы легкий он ни был он все равно тяжелее воздуха, соответственно только от конструктивных особенностей его крыла зависит, насколько он будет устойчив во время полета. Давайте рассмотрим эти особенности:

Если посмотреть на поперечный разрез крыла, то можно заметить, что оно обладает определенным профилем. Помимо того, что этот профиль имеет обтекаемую форму, он особым способом изогнут напоминая тело дельфина, и его продольная ось расположена под определенным углом относительно оси набегающего потока. Этот угол называется углом атаки α.

Такое положение крыла выбрано не случайно, т.к. является ключевым фактором физических процессов протекающих во время обдува данного профиля набегающим потоком воздуха и создающего подъемную силу. На профиль воздействует несколько сил одновременно: давление на нижнюю плоскость, лобовое сопротивление, сила притяжения земли (гравитация) и вытягивание верхней плоскости крыла за счет зоны разряжения (пониженного давления) за ней. Т.о. соотношение этих сил зависит исключительно от скорости набегающего потока. Если скорость потока мала, то гравитация и лобовое сопротивление не дадут аппарату подняться в воздух, если же скорость начать увеличивать, то давление потока на нижнюю плоскость увеличится. Так же увеличится разреженность молекул воздуха и над верхней плоскостью крыла. И кода эти две силы станут больше лобового сопротивления и силы притяжения земли, данный профиль начнет подниматься в воздухе.
Теперь рассмотрим соотношение данных сил при изменении угла атаки α. 
• При увеличении угла атаки, давление на нижнюю плоскость крыла увеличивается, но растет и лобовое сопротивление, т.к. профиль по своей площади относительно набегающего потока увеличился, а разрежение над верхней плоскостью, так же увеличившись, уже не вытягивает ее, а превращается в срывной поток играющего роль аэродинамического тормоза, то наш ЛА в ограниченный промежуток времени начнет набирать высоту, но если не увеличить его скорость, то лобовое сопротивление станет настолько превышать давление на нижнюю плоскость, что скорость упадет до критического значения, и притяжение земли заставит наш аппарат свалиться в штопор.

• При уменьшении угла атаки, наоборот, зона пониженного давления начнет исчезать, и профиль равномерно станет обдуваться потоком, давление на нижнюю плоскость тоже начнет стремиться к нулю. Соответственно подъемная сила также начнет уменьшаться. За счет притяжения земли ЛА начнет набирать скорость, но станет сильно снижаться, что может привести к двум последствиям – это затягивание в пикирование и столкновение с землей, либо флаттеру – когда скорость ЛА достигает критического значения для прочности данного аппарата и из-за переизбытка лобового сопротивления он разрушается. Оба явления мы рассмотрим более подробно немного позже.

 

Основные части самолета

Самолет делится на - крыло, фюзеляж и хвостовое оперение. Хвостовое оперение в свою очередь делится на киль и стабилизаторы.

 

Механизация самолета

Механизация самолета – это совокупность устройств на крыле и фюзеляже летательного аппарата, предназначенных для регулирования его несущих свойств и взлетно-посадочных возможностей. Механизация включает в себя закрылки, предкрылки, интерцепторы, спойлеры, флапероны, активные системы управления пограничным слоем и шасси. Мы же рассмотрим стандартную механизацию самолетов времен 2 мировой войны. Она включала в себя – закрылки, элероны, предкрылки, стабилизаторы, рули высоты и рули направления. Механизация делится на основную и вспомогательную:
• К основной механизации относят элероны, рули высоты и рули направления.
Элероны – служат для управления самолетом по крену (наклону самолета вправо, влево)

Рули высоты – служат для управления самолетом по тангажу (вниз, вверх).
Рули направления – служат для управления самолета по рысканью (повороту самолета в горизонтальной плоскости)

• К вспомогательной – закрылки, предкрылки, переставной стабилизатор и шасси.
Закрылки – отклоняемые поверхности на задней кромке крыла, при отклонении которых изменяется его профиль, что меняет коэффициент подъемной силы для тех или иных режимов полета.
Предкрылки – предназначены для исключения или более позднего образования срывного потока с передней кромки крыла за счет образования на нем аэродинамической щели.
Переставной стабилизатор – служит для поградусного изменения параметров полета по тангажу.
Шасси – служат для осуществления взлета и посадки самолета.

 

  • Особенно важно понимать - самолёт управляется за счёт использования Элеронов и Рулей высоты как основных средств, а Руль направления используется в полёте и при пилотаже лишь как уточняющий направление элемент.

 

Штопор

Это особый, критический режим полёта самолета, заключающийся в его снижении по крутой нисходящей спирали малого радиуса с одновременным вращением относительно всех трёх его осей вследствии потери скорости на критических углах атаки. Штопору предшествует потеря скорости и сваливание. В ряде случаев предштопорное состояние самолёта характеризуется предупредительной тряской.

 

Флаттер

Это критический режим полета на скорости выше предусмотренной конструктивными характеристиками данного ЛА обусловленный возникающим сочетанием самовозбуждающихся незатухающих изгибающих и крутящих автоколебаний элементов конструкции летательного аппарата – главным образом крыла самолета. Флаттер способен разрушить самолет при продолжительном воздействии на элементы его конструкции.

 

Затягивание в пикирование

Этот режим полета возникает во время длительного пикирования самолета и критического набора скорости предусмотренного ТТХ данного ЛА. В момент, когда надо вывести самолет в горизонтальный полет, либо начать кабрирование (набор высоты), пилот физически не может этого сделать, т.к. мускульных сил его рук (а иногда и ног и вообще всего тела) не хватает чтобы отклонить рули высоты на нужный угол из-за такого сильного воздействия на них набегающего потока воздуха. Как правило это явление приводит либо к флаттеру, либо к столкновению с землей. Все зависит от высоты начала выведения самолета из пикирования. Поэтому когда начинаете пикировать, надо внимательно следить за ростом скорости. Как правило, при пикировании более 600, тяга убирается на холостые обороты, что существенно замедлит набор скорости до критических значений, но не избавит от ее медленного набора.

 

Ошибки пилотов

1) НЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЕРЕСТАВНОГО СТАБИЛИЗАТОРА

Суть проблемы:

На истребителях Luftwaffe установлены стабилизаторы с изменяемым углом атаки. Изменение угла стабилизатора происходит вручную, по решению пилота. Некоторые “преподаватели” в виртуальном сообществе Ил-2 рекомендуют его не использовать и некоторые пилоты слушают их. Это является грубой ошибкой пилотирования самолёта, так как стабилизатор позволяет выровнять самолёт в горизонтальном полёте с точностью до миллиметра, а в бою выигрывать угол у противника.

Последствия:

Не использование стабилизатора напрямую влияет на скорость вашего самолёта и комфортность в управлении. Если не использовать эту возможность, значит эти показатели будут существенно ниже.

Рекомендации:

Мы рекомендуем использовать стабилизатор всегда и везде в полётах. Подстраивайте угол атаки стабилизатора под текущую скорость и задачу самолёта. 
Эффективнее всего настроить стабилизатор на ось, имеющую самый длинный ход, доступную не отпуская руд.