Алексей Жабров ПОЧЕМУ И КАК ЛЕТАЕТ САМОЛЕТ
ВВЕДЕНИЕ
О наше время мы так привыкли к самолетам, что даже не поднимаем головы, услышав знакомый гул в небе. Однако, хотя самолет внешне знаком всем, далеко не все знают, как он устроен и почему летает, какие физические законы при этом используются.
Полет птицы кажется более понятным. Птица машет крыльями и как бы отталкивается от воздуха. Почему же летает самолет? Ведь его крылья неподвижны! Что создает подъемную силу, способную поддерживать в воздухе тяжелую машину? Как летчик управляет этой силой и сохраняет равновесие крылатой машины? Почему самолет может делать в воздухе разнообразные фигуры?
Ответы вы найдете в этой небольшой книжке.
ИЗ ИСТОРИИ САМОЛЕТА
Издавна мечтали люди летать подобно птицам. Об этом рассказывают многие народные сказки, легенды и предания. Широко известно, например, древнегреческое сказание о Дедале.
Афинский скульптор Дедал и его сын Икар были заключены в высокую башню на острове Крите. Чтобы бежать из неволи, Дедал сделал себе и сыну крылья из птичьих перьев, скрепив их воском. На этих крыльях узники вылетели с острова. Летя над морем, Икар стал подниматься все выше и выше к солнцу. От солнечных лучей воск растаял, крылья рассыпались, Икар упал в море и погиб. Дедал же благополучно прилетел в Италию.
Наряду с подобными легендами сохранилось немало преданий и о действительных попытках человека летать подобно птице.
В русской летописи рассказывается, например, о том, как в царствование Ивана Грозного «некий смерд Никита боярского сына холоп» совершил полет на какой-то машине с крыльями, за что был казнен царем. Царский приказ гласил так: «Человек не птица, крыльев не имат. Аще же приставит себе крылья деревянные — против естества творит. То не божье дело, а от нечистой силы. За сие содружество с нечистой силой отрубить выдумщику голову…».
Первая попытка научно обосновать возможность механического полета человека принадлежит великому итальянскому ученому и художнику Леонардо да Винчи (1452–1519). В одной из его записных книжек были найдены вычисления, относящиеся к полету птиц и к полету человека с помощью крыльев, приводимых в движение мускульной силой. По мнению ученого, «механическую птицу» следовало строить по образу летучей мыши. На протяжении нескольких веков было множество попыток построить такую «механическую птицу». Однако все они не имели успеха.
Плодотворнее оказалась другая мысль Леонардо да Винчи — о создании так называемого воздушного винта. Эту мысль осуществил великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711–1765). Он первый построил модель винтокрылого летательного аппарата, называемого теперь вертолетом. Вот как об этом было записано в протоколе Российской Академии наук от 1 июля 1754 г.
«Высокопочтенный советник Ломоносов показал машину, названную аэродромической, выдуманную им и имеющую назначением при помощи крыльев, приводимых в движение часовой пружиной, нажимать воздух (т. е. отбрасывать его вниз) и подниматься в верхние слои атмосферы для того, чтобы можно было исследовать состояние верхнего воздуха метеорологическими приборами, прикрепленными к этой аэродромической машине»[1].
Крыльями здесь названы лопасти воздушного винта, вращающегося вокруг вертикальной оси. При вращении винта часовой пружиной лопасти создавали подъемную силу. Однако эта сила получилась, по-видимому, меньше веса аппарата, поэтому модель вертолета М. В. Ломоносова не могла летать.
Над созданием вертолета работало много изобретателей как в России, так и в западных странах. Но окончательно эта задача была решена только в наше время.
В середине XIX века зарождается идея летательной машины с неподвижными крыльями. Среди изобретателей летательных аппаратов такого типа выделился русский морской офицер А. Ф. Можайский (1825–1890). Сначала он строил гигантские воздушные змеи и сам поднимался на них в воздух. Затем, изучая полет птиц, Можайский начал делать опыты с моделями летательного аппарата, который мы теперь называем самолетом.
В 1876 году модель самолета Можайского поднялась в воздух. В последующие годы изобретатель разработал проект самолета с паровым двигателем и тремя воздушными винтами. Корпус самолета имел вид лодки, установленной на тележку. К бортам этой лодки прикреплялись широкие прямоугольные крылья. Для управления имелись рули — горизонтальный и вертикальный. Проект был разработан настолько убедительно, что Можайский получил патент на свое изобретение.
Самолет А. Ф. Можайского строился и испытывался в 1882–1885 годах на военном поле недалеко от Петербурга. При одном из этих испытаний, как свидетельствуют современники Можайского, самолет после разбега по деревянному настилу оторвался от него и немного пролетел над полем. К сожалению, из-за поломки машины и недостатка средств дальнейшие опыты прекратились.
Самолет А. Ф. Можайского, как и летательные машины других изобретателей, строивших самолеты в конце прошлого века, имел много недостатков. Было несколько причин, почему не удалось тогда покорить воздушный океан.
Главная причина заключалась в том, что наука о летании в то время была еще недостаточно развита. Для создания самолета необходимы глубокие знания законов полета, а таких знаний тогда еще не было.
Второй причиной было отсутствие легкого и мощного двигателя. Паровой же двигатель мало пригоден для самолета.
Кроме того, тогда не имелось никакого опыта в управлении самолетом. А ведь даже в наше время научиться этому не так-то легко. Требуется длительная тренировка, чтобы овладеть искусством полета.
Все эти преграды стояли на пути первых авиаторов[2].
Одним из них был немецкий инженер Отто Лилиенталь. Изучая полет птиц, он правильно заключил, что если птицы некоторое время держатся в воздухе, не махая крыльями, то и человек на верно рассчитанных крыльях может плавно «планировать» с возвышенного места. Лилиенталь решил, что прежде чем строить самолет, надо овладеть безмоторным летательным аппаратом — планером.
Первый планер, построенный им в 1890 году, имел крылья такой же формы, как у летучей мыши. Полеты Лилиенталь производил сначала с крыши сарая. Держа крылья за раму, он разбегался против ветра и прыгал вниз. В первый момент планер слегка взмывал вверх, а затем скользил к земле.
Позднее изобретатель построил второй планер лучшей конструкции. На нем Лилиенталь совершил сотни полетов с довольно высоких холмов и научился хорошо управлять планером. При сильном ветре ему иногда удавалось немного парить, как парят птицы. Но во время одного из таких полетов Лилиенталь не смог сохранить равновесие аппарата и упал, разбившись насмерть.
В России с особым вниманием к опытам Лилиенталя отнесся профессор Московского высшего технического училища — создатель науки о летании Н. Е. Жуковский (1847–1921). Он опубликовал статью «О парении птиц», в которой дал теоретическое объяснение полета птицы.
НИКОЛАЙ ЕГОРОВИЧ ЖУКОВСКИЙ
Н. Е. Жуковский навестил Лилиенталя, чтобы понаблюдать его полеты. В знак признательности Лилиенталь подарил русскому ученому один из своих планеров.
Из последователей Лилиенталя большую роль сыграли два американских изобретателя — братья Вильбур и Орвиль Райт.
Братья Райт имели маленькую мастерскую, занимаясь ремонтом велосипедов. В свободное время они построили планер, который имел два ряда крыльев и рули управления. Пилот управлял аппаратом, лежа на животе. Братья совершили много полетов и так хорошо изучили управление аппаратом, что им оставалось только поставить на него появившийся незадолго перед тем автомобильный бензиновый двигатель, чтобы превратить планер в самолет.
Первый полет самолета братьев Райт состоялся в 1903 году и продолжался всего лишь около минуты. В дальнейшем продолжительность полета постепенно увеличивалась. Через два года настойчивых опытов и совершенствований самолет мог пролететь уже 20 километров, а затем и больше. Скорость самолета составляла примерно 50–60 километров в час.
Вскоре после этого появилось несколько новых типов самолетов, созданных во Франции и других странах, и началось их быстрое совершенствование.
Полеты Вильбура Райт и французских летчиков вызвали огромный интерес во всем мире. В европейских странах устраивались летные состязания; десятки и сотни тысяч людей стекались на них, чтобы увидеть крылатые машины и приветствовать смелых авиаторов.
Так началась эра авиации. Развитие авиации неразрывно связано с развитием науки о летании — аэродинамики[3]. Аэродинамика изучает движение тел в воздухе и те силы, которые возникают при действии воздушного потока на тела. Эта наука изучает и полет самолета. Инженера она учит, как проектировать и строить самолет, а летчика — как управлять им.
Огромный вклад в развитие аэродинамики внес Н. Е. Жуковский. Он объяснил, как действуют крыло самолета и воздушный винт. За время своей многолетней научной деятельности он основал коллектив талантливых инженеров и научных работников. Многие из них стали впоследствии выдающимися деятелями советской авиации.
Владимир Ильич Ленин высоко оценил заслуги Н. Е. Жуковского перед Родиной и назвал его отцом русской авиации.
КАК УСТРОЕН САМОЛЕТ
Много различных типов самолетов можно увидеть теперь в воздухе — от маленького ПО-2 до громадного турбовинтового пассажирского корабля ТУ-114. Но все самолеты имеют общие черты своего устройства, и для того чтобы получить представление об устройстве самолета, достаточно познакомиться с одним из типов.
На авиационных праздниках обычно участвуют самолеты ЯК-18 и ЯК-11. На рис. 1 показано звено самолетов ЯК-18 в полете, а на рис. 2 этот самолет изображен для наглядности в полуразобранном виде.
Рис. 1. Самолеты ЯК-18 в полете.
Рис. 2. Схематическое изображение самолета ЯК-18 в полуразобранном виде: 1 — двигатель, 2 — винт, 3 — центральная часть крыла, 4 — левая консоль, 5 — элерон (левый), 6 — фюзеляж, 7 — нога шасси, 8 — стабилизатор, 9— руль высоты, 10 — киль, 11 — руль направления.
Это двухместная учебно-тренировочная машина. Самолет ЯК-11 изображен на обложке книги — это двухместный учебно-тренировочный истребитель, развивающий значительно большую скорость, чем ЯК-18.
На этих самолетах советские летчики-спортсмены завоевали несколько рекордов.
Главными частями самолета являются: крыло с элеронами, фюзеляж, хвостовое оперение, силовая установка, шасси и хвостовое колесо, рулевое управление.
Крыло предназначено поддерживать, «нести» машину в воздухе. Оно состоит из центральной части (рис. 3), накрепко соединяемой с фюзеляжем, и так называемых консолей.
Рис. 3. Центральная часть крыла самолета ЯК-18: 1 — передний лонжерон (балка), 2— задний лонжерон, 3 — нервюра (ребро), 4 — хвостик нервюры, 5 — дюралюминиевая обшивка.
Каркас крыла изготовлен из двух дюралюминиевых[4] балок — лонжеронов, которые скреплены дюралюминиевыми ребрами — нервюрами. На задней части крыла имеются шарнирно соединенные с ним небольшие крылышки — элероны. С их помощью летчик может выправлять крен самолета или, наоборот, накренять машину.
Фюзеляж — это корпус самолета. К нему крепятся крылья и силовая установка. В нем размещены кабины экипажа и пассажиров, грузы, а также баки с горючим. Каркас фюзеляжа сделан из стальных труб.
Хвостовое оперение — горизонтальное и вертикальное — служит для изменения и сохранения равновесия самолета в полете. Рулем высоты летчик может изменять продольное положение самолета (наклонять самолет вниз и вверх), а руль направления играет примерно ту же роль, что и руль лодки. Стабилизатор и киль — неподвижные поверхности, они способствуют устойчивому равновесию самолета в воздухе.
Силовая установка на самолете ЯК-18 состоит из поршневого двигателя воздушного охлаждения и двухлопастного воздушного винта.
Шасси и хвостовое колесо дают возможность осуществлять взлет и посадку. Самолет ЯК-18, как и большинство современных самолетов, имеет убирающееся в полете шасси. Подъем и выпуск шасси летчик производит при помощи специального механизма.
Рулевое управление — «нервы» самолета. На самолете ЯК-18 рулевое управление позволяет управлять машиной из обеих кабин — инструктора и ученика (рис. 4).
Рис. 4. Схема рулевого управления самолета ЯК-18: 1 — ручка рулевого управления, 2 — педали, 3 — кронштейн ручки рулевого управления, 4 — продольная труба (вал), на которой укреплена ручка рулевого управления, 5 — тяга к рулю высоты, 6 — качалка, 7 —проволочные тяги к рулю направления, 5 — рычаг на руле высоты, 9—рычаг для передачи движений ручки элеронам, 10—жесткая тяга к элеронам, 11 — качалки, 12 — элерон (левый), 13 — рычаг на руле направления.
Перед сидением каждого летчика находится ручка рулевого управления 1; с ее помощью летчик действует рулем высоты и элеронами. Под ногами расположены педали 2; с их помощью летчик движет рулем направления.
Посмотрим, как летчик действует рулями (работу рулей объясним дальше).
Ручка рулевого управления с помощью кронштейна 3 соединена шарнирно с продольной вращающейся трубой 4 (расположенной на полу кабины). Благодаря этому летчик может наклонять ручку назад и вперед, вправо и влево. Когда он наклоняет ее назад, как говорят «берет ручку на себя», нижний конец ее отклоняется вперед и прикрепленным к нему тросом 5 при посредстве качалки 6 тянет верхний конец рычажка 8 руля высоты. В результате руль отклоняется вверх, и самолет поднимает нос; когда же летчик «дает ручку от себя», происходит обратное: руль высоты отклоняется вниз и самолет опускает нос.
Когда летчик отклоняет ручку вправо, продольная труба 4, к которой прикреплена ручка, вращается тоже вправо; это движение передается через качалки и тяги 9, 10 и 11 на элероны 12, причем правый элерон поднимается, а левый опускается, и самолет кренится вправо. Если летчик отклоняет ручку влево, то левый элерон поднимается, а правый опускается, и самолет кренится влево.
Педали 2 соединены тросами 7 с рычажком 13 руля направления. Когда летчик нажимает правую педаль, руль отклоняется вправо, и самолет начинает разворачиваться вправо. При нажиме на левую педаль руль отклоняется влево, и самолет начинает разворот влево.
На тяжелых самолетах вместо ручки рулевого управления обычно устанавливают штурвал. Как и ручку, летчик отклоняет штурвал на себя и от себя, и таким образом действует рулем высоты. Вращая же штурвал вправо и влево, он управляет элеронами.
Тяжелые самолеты имеют и другие конструктивные особенности. Например, на двухвинтовых и четырехвинтовых самолетах силовые установки помещают на крыльях, кабину пилота и штурмана располагают в носовой части фюзеляжа и т. д.
ВОЗДУХ И ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК
Самолет летает в воздухе. Воздух служит опорой для его крыльев. Поэтому прежде чем разобраться в том, почему и как летает самолет, познакомимся с физическими свойствами воздуха.
Как известно, воздух представляет собой смесь нескольких газов. Воздушную оболочку земного шара мы называем атмосферой; она простирается приблизительно до высоты 2000 километров. Но, строго говоря, верхней границы атмосферы не существует, так как с высотой воздух становится все разреженнее и постепенно атмосфера сменяется безвоздушным пространством[5].
Воздух кажется нам невесомым, но это неверно. У поверхности земли, на уровне моря, один кубический метр воздуха весит приблизительно 1,3 килограмма (подсчитайте вес воздуха в вашей комнате и вы убедитесь, что воздух — довольно тяжелый газ). На высоте 5 километров один кубический метр воздуха весит уже 0,7 килограмма, на высоте 10 километров — только 0,4 килограмма и т. д.
Поскольку воздух имеет вес, он давит на тела, на всякую площадку, с которой соприкасается (подобно тому как вода давит на погруженное в нее тело со всех сторон).
Атмосферное давление можно измерить прибором, который называется барометром[6]. В простейшем виде он изображен на рис. 5.
Рис. 5. Ртутный барометр. Величина столбика ртути (Р) в трубке показывает величину давления воздуха (В) на поверхность ртути в чашке.
Идея прибора состоит в том, что давление воздуха уравновешивается столбом ртути в трубке, в которой воздуха нет, то есть над уровнем ртути в трубке пустота.
Высота столба ртути на уровне моря бывает равна в среднем 760 миллиметрам.
Когда атмосферное давление увеличивается, часть ртути из чашки вдавливается в трубку и уровень ртути в трубке повышается. При уменьшении атмосферного давления происходит обратное. Измеряя высоту столба ртути по шкале, можно всегда узнать величину атмосферного давления в миллиметрах ртутного столба.
Если площадь поперечного сечения трубки барометра равна одному квадратному сантиметру (1 см2), то вес ртутного столба, а значит и давление воздуха, равен приблизительно 1,03 килограмма. Следовательно, на уровне моря каждый квадратный сантиметр поверхности тела (сверху, снизу, с боков) испытывает давление воздуха, равное 1,03 килограмма, а каждый квадратный метр — давление в 10 000 раз большее, т. е. 10 300 килограммов.
Мы не замечаем этого громадного давления по той причине, что давление воздуха (как и жидкости) передается во все стороны с одинаковой силой. Поэтому всякое тело, находящееся в воздухе, испытывает давление со всех сторон (а также изнутри, когда воздух проникает в поры тела).
Атмосферное давление можно обнаружить очень простым опытом. Наполните стакан водой до краев, прикройте его листком плотной бумаги, затем, придерживая листок ладонью, опрокиньте стакан и отнимите руку: листок как бы при липнет к краям стакана, и вода не выльется. Сила давления воздуха, действующая на листок снизу, будет больше силы давления воды, то есть ее веса.
При изучении аэродинамических сил, действующих на самолет в полете, приходится измерять не атмосферное давление, а разность между двумя давлениями, из которых одно, скажем, равно атмосферному, а другое больше или меньше атмосферного. Для этой цели служит особый прибор — манометр. Принцип его действия такой же, как и барометра. Манометр изображен на рис. 6.
Рис. 6. Ртутный манометр. Разность уровней (Д) показывает разность давлений воздуха (В) на поверхность ртути (Р) в коленах трубки.
На поверхность ртути в обоих коленах трубки действует одинаковое давление — атмосферное; поэтому ртуть стоит в них на одном уровне. Если же одно колено, скажем, левое, соединить с пространством, в котором давление меньше атмосферного, то уровень ртути в этом колене повысится.
Столбик ртути между уровнями ртути в коленах трубки и покажет разность давлений в миллиметрах ртутного столба.
Аэродинамические силы, действующие на тело при его движении в воздухе, зависят только от его скорости относительно воздуха. Поэтому движется ли тело, а воз-дух неподвижен или, наоборот, тело неподвижно, а движется воздух, — суть дела не меняется. Как в первом, так и во втором случае мы вправе говорить о воздушном потоке, набегающем на тело. Поэтому можно представить, что самолет, летящий, например, со скоростью 200 километров в час (рис. 7, а), неподвижен, а на него набегает поток воздуха, с той же скоростью 200 километров в час (рис. 7, б)[7].
Рис. 7. Скорость самолета относительно окружающего его воздуха можно представить как скорость воздуха, набегающего на самолет.
Следовательно, явления, возникающие при движении тела в воздухе, можно изучать двумя способами: или двигая тело в неподвижном воздухе, или обдувая воздухом неподвижное тело.
Сейчас применяются оба способа, но второй более удобен и им чаще пользуются.
Раньше некоторые ученые считали второй способ ошибочным, но Н. Е. Жуковский показал его правильность. Этот способ очень удобен при опытах в так называемых аэродинамических трубах.
Аэродинамической трубой называется сооружение, которое позволяет создавать искусственный поток воздуха. Скорость воздушного потока, в зависимости от конструкции трубы, может быть очень большой. Простейшая аэродинамическая труба изображена на рис. 8.
Рис. 8. Схема аэродинамической трубы: 1 — решетка, спрямляющая воздушный поток, 2 — рабочая часть трубы, 3 — вентилятор, 4 — электромотор.
Вот как она устроена и работает. Оба конца трубы открыты, и в одном из них установлен большой вентилятор, вращаемый электромотором. При работе вентилятора в трубе создается воздушный поток. В самой узкой — рабочей— части трубы устанавливают для испытания модель самолета или крыла. Если воздушный поток «подкрасить» дымом, то через окно в трубе можно наблюдать, как воздух обтекает модель, и даже сфотографировать картину обтекания. С помощью специальных приборов можно измерять силы, возникающие при действии воздушного потока на модель.
В аэродинамической трубе, если вентилятор вращается равномерно, воздушный поток получается, как говорят, установившимся.
Если самолет летит с постоянной скоростью, то полет тоже называют установившимся.
ДВА ЗАКОНА АЭРОДИНАМИКИ
Течение воздуха и силы, возникающие при действии воздушного потока на тела, изучает наука аэродинамика. Это родная сестра гидродинамики, изучающей, течение жидкостей («гидр» — вода). Важнейшие законы гидродинамики были сформулированы учеными Эйлером и Д. Бернулли — современниками Ломоносова. С развитием авиации выяснилось, что эти законы в общем справедливы и для воздуха, то есть являются и законами аэродинамики. Они вытекают из основных законов естествознания: сохраняемости массы и энергии.
Эйлер сформулировал закон неразрывности течения жидкости.
Посмотрите на рис. 9, а.
Рис. 9. С уменьшением площади сечения струи скорость течения воды или воздуха возрастает, а давление падает.
На нем изображена схема прибора, состоящего из открытого резервуара и соединенной с ним трубки, которая имеет разные сечения. Если открыть оба крана так, чтобы уровень воды в резервуаре оставался неизменным, то течение воды по трубке будет установившимся: в любом месте трубки вода ни накапливается, ни убывает (иначе где-то образовался бы разрыв течения). Поэтому за одну секунду из трубки вытекает столько же воды, сколько в нее притекает из резервуара. Значит, через разные сечения трубки (А, Б и В) за одну секунду протекает одинаковая масса воды. А это может быть, очевидно, только в том случае, если через эти сечения вода течет с различной скоростью. Чем меньше сечение, тем больше скорость воды. Иначе за одну секунду через узкое сечение «не успеет» пройти такая же масса воды, какая проходит за одну секунду через широкое сечение.
В этом и состоит закон неразрывности течения жидкости. В справедливости его можно убедиться, наблюдая течение реки. Там, где ее русло суживается и мелеет, вода течет всегда быстрее.
Этот закон справедлив и для течения воздуха, когда скорость не превышает 400–500 км/час и воздух можно считать несжимаемым.
Теперь познакомимся со вторым важнейшим законом аэрогидродинамики, который был сформулирован ученым Бернулли. Воспользуемся опять же прибором, который изображен на рис. 9, а.
Вы видите, что к трубке переменного сечения присоединены вертикальные трубочки с открытыми концами. Эти трубочки играют роль манометров. Когда краны закрыты и вода не течет по трубке, то в манометрах она стоит на том же уровне, что и в резервуаре (как во всяких сообщающихся сосудах). Но как только вода потечет по трубке, уровень воды в манометрах понизится.
Это доказывает, что если вода течет, то давление ее на стенки трубки меньше, чем когда она находится в покое. Кроме того, оказывается, что уровень воды больше всего понизится в том манометре, который присоединен к самому узкому сечению, а меньше всего — в манометре, присоединенном к самому широкому сечению.
Таким образом, когда скорость воды, то есть ее кинетическая энергия, увеличивается, давление в струе (потенциальная энергия) уменьшается[8]. В этом и заключается смысл закона Бернулли.
То же самое можно наблюдать и при течении воздуха по трубке переменного сечения (рис. 9, б). Манометры и здесь покажут, что давление уменьшается при сужении струи, то есть при увеличении скорости течения воздуха.
В справедливости закона Бернулли легко убедиться и на более простом опыте.
Возьмите два листа писчей бумаги, держа их параллельно (рис. 10, а), дуньте в промежуток между ними.
Рис. 10. Если дуть в промежуток между двумя листами бумаги, то они сблизятся, так как давление в струе меньше, чем с внешних сторон листов.
Казалось бы, что струя воздуха подействует как клин и поэтому листы разойдутся. Произойдет же как раз обратное: листы сблизятся (рис. 10, б). Дело в том, что с внешних сторон давление воздуха на листы равно атмосферному, в промежутке же между ними — в струе воздуха — давление будет немного меньше атмосферного; разность давлений и заставляет листы сближаться.
Теперь, когда вы познакомились с важнейшими законами аэродинамики, вы поймете возникновение аэродинамических сил и, в частности, подъемной силы крыла, поддерживающей самолет в воздухе.
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ
На самолет в полете действуют аэродинамические силы. Покажем сначала на простых примерах, как они возникают.
Прежде всего, что такое аэродинамическая сила?
Когда при полном безветрии вы быстро едете на велосипеде, встречный воздух стремится затормозить ваше движение. А если вы стоите неподвижно и на вас дует сильный ветер, то воздух стремится сдвинуть вас с места. В обоих случаях это воздействие воздушного потока на тело и называют аэродинамической силой, или силой сопротивления воздуха.
Аэродинамическая сила получается тем большей, чем больше поперечные размеры тела и плотность воздуха, и особенно сильно она возрастает с увеличением скорости движения (или скорости потока). Кроме того, величина аэродинамической силы зависит еще от формы тела и от положения его в воздушном потоке. То и другое имеет огромное значение для полета.
Как же возникает аэродинамическая сила?
На рис. 11, а изображена схема обтекания воздухом круглой пластины (диска), поставленной перпендикулярно к потоку. Посмотрите на нее внимательно.
Рис. 11. Возникновение аэродинамической силы Р при симметричном обтекании: а) пластины и б) хорошо обтекаемого тела.
Струйки воздуха давят на пластину, так как она является для них препятствием. Перед пластиной получается повышенное давление (обозначено знаками плюс).
Огибая пластину, струйки сжимаются и поэтому, согласно закону неразрывности, скорость их возрастает. В силу инерции они стремятся двигаться прямолинейно и отрываются от пластины. По этой причине позади нее получается разрежение, то есть пониженное давление воздуха (обозначено знаками минус). Некоторые струйки врываются в это разреженное пространство и образуют вихри, которые потом постепенно исчезают.
Таким образом, впереди пластины давление воздуха повышено, а позади нее понижено. К чему это ведет?
Представьте себе, что вы давите на полуоткрытую дверь, а ваш товарищ давит на нее с другой стороны. Если вы сильнее, то под действием разности давлений дверь откроется в сторону вашего товарища. Так и здесь. Разность давлений впереди и позади пластины создает силу, направленную в сторону меньшего давления (мы будем обозначать ее русской буквой Р)[9]. Если пластина неподвижна, то эта аэродинамическая сила будет стремиться сорвать пластину и унести ее. Если же пластина движется, то эта сила будет тормозить движение.
Сопротивление воздуха, как было сказано, сильно зависит еще от формы тела. Какая же форма будет наиболее выгодной?
Снабдим нашу круглую пластину спереди тупой конусообразной наставкой, а сзади — более заостренным конусом (рис. 11, б). При такой форме срыв струй отсутствует, вихрей позади тела почти нет, разность давлений воздуха впереди и позади тела незначительна. По сравнению с пластиной сопротивление такого тела примерно в 25 раз меньше, и создается оно главным образом лишь трением воздуха о его поверхность.
При такой форме воздушный поток почти не тормозится телом, он течет вдоль его гладких боков и хорошо обтекает заостренную заднюю часть. Поэтому такие формы получили название хорошо обтекаемых.
Мы познакомились с обтеканием тел симметричной формы, когда воздух течет параллельно оси симметрии тела[10]. В таких случаях воздух обтекает тело тоже симметрично и разность давлений получается только впереди и позади тела, а не по бокам его. Эта разность давлений, а также трение воздуха о поверхность тела и создают силу, направленную прямо против движения, как говорят, «в лоб» (рис. 11). Поэтому в таких случаях аэродинамическую силу называют силой лобового сопротивления.
Таким образом, лобовое сопротивление складывается из сопротивления давления и сопротивления трения.
Вот как возникает сопротивление трения.
Всем известно поверхностное трение между твердыми телами. Существует еще внутреннее трение между соседними слоями жидкости или газа, называемое вязкостью. Например, если опустить в воду палец, а затем вынуть его, то к нему прилипнет немного воды. Но если проделать то же самое с маслом или глицерином, то к пальцу прилипнет много жидкости — тем больше, чем больше ее вязкость.
Вязкость воздуха наблюдать труднее. Однако известно, что через форточку, затянутую марлей, воздух проходит заметно хуже, чем без марли. Это в значительной мере объясняется вязкостью воздуха.
Когда воздушный поток обтекает тело, воздух непосредственно около самого тела не скользит по его поверхности, а прилипает к ней. Прилипший тончайший слой тормозит движение соседнего, этот — следующего и т. д., и лишь на некотором расстоянии от поверхности тела это явление прекращается. Слой, в котором проявляются силы внутреннего трения, называют пограничным (он граничит с поверхностью тела).
Чтобы уменьшить силы внутреннего трения в пограничном слое, крыльям и фюзеляжу самолета придают хорошо обтекаемую форму и полируют их поверхность.
Итак, лобовая аэродинамическая сила только тормозит движение тела. Посмотрим теперь, как возникает сила, нужная для полета.
Она появляется в тех случаях, когда воздух обтекает пластину (крыло) несимметрично.
На рис. 12 изображена схема обтекания прямоугольной пластины, поставленной под острым углом к потоку.
Рис. 12. Возникновение аэродинамической силы Р при несимметричном обтекании пластины и замена силы Р двумя аэродинамическими силами — подъемной силой П и силой лобового сопротивления Л.
Под пластиной происходит торможение потока, и поэтому давление здесь повышается. Над пластиной вследствие срыва струй получается разрежение воздуха, то есть давление здесь понижено. Благодаря этой разности давлений и возникает аэродинамическая сила. Она направлена в сторону меньшего давления, то есть назад и вверх.
Отклонение аэродинамической силы вверх зависит от угла, под которым пластина поставлена к потоку. Этот угол получил очень удачное название «угла атаки». Под этим углом пластина как бы «атакует» воздух (этот угол принято обозначать греческой буквой α — альфа).
Таким образом, воздушный поток стремится здесь отнести пластину не только назад, но одновременно и вверх.
Поэтому для наглядности мы можем здесь заменить полную аэродинамическую силу Р двумя силами — Л и П, из которых первая направлена прямо назад (сила лобового сопротивления), а вторая направлена вертикально вверх (подъемная сила)[11].
Возникновение аэродинамических сил при несимметричном обтекании можно хорошо видеть у воздушного змея, сделанного, например, из листа бумаги с двумя диагональными рейками и одной поперечной.
Если уздечку змея, к которой прикрепляется леер (нить, на которой запускают змей), построить из ниток равной длины, прикрепленных к концам диагональных реек, то змей летать не будет. Побежав с таким змеем против ветра (рис. 13 внизу), вы увидите, что змей будет нестись на высоте вашей руки, стоя в воздухе перпендикулярно к ветру.
Рис. 13. Полет воздушного змея: внизу — с неправильно построенной уздечкой, вверху — с правильно построенной уздечкой.
Такая замена называется разложением одной силы на две по правилу параллелограмма.
По натяжению леера вы будете чувствовать, что змей сопротивляется движению, но и только. Это и понятно, так как в этом случае аэродинамическая сила будет только лобовой.
Но если вы сделаете уздечку так, что две верхние нитки будут равной длины, а третья (нижняя) чуть покороче, и прикрепите ее к центру змея, то змей, при наличии правильно сделанного хвоста, легко взмоет и будет устойчиво летать (рис. 13 вверху). В этом случае змей «атакует» воздух под углом 40–60 градусов и в результате несимметричного обтекания возникает подъемная сила.
Подъемная сила крыла самолета, как мы сейчас увидим, возникает, однако, несколько иначе, чем подъемная сила пластины, или воздушного змея.
КАК ВОЗНИКАЕТ ПОДЪЕМНАЯ СИЛА КРЫЛА САМОЛЕТА
И изобретатели первых летательных машин строили крылья в виде плоских или немного изогнутых поверхностей. Позже выяснилось, что выгоднее придавать крылу самолета обтекаемую форму — такую, какая в поперечном сечении изображена на рис. 14, а.
Рис. 14. Различные формы крыла самолета: а) профиль крыла, линия ЛБ — хорда профиля, б) вид крыла сверху.
Это сечение называется профилем крыла.
Существует много профилей крыльев. На нашем рисунке изображены наиболее типичные. Линия АБ, соединяющая носок и хвостик профиля, называется его хордой.
Вид крыла сверху тоже бывает различным, но чаще конструкторы применяют только три формы: прямоугольную, трапециевидную и стреловидную (рис. 14, б). Концы прямоугольных и трапециевидных крыльев обычно закругляются.
При выборе формы крыла и его профиля конструктор руководствуется их аэродинамической выгодностью. Крыло работает выгодно, когда оно развивает большую подъемную силу, но дает малое лобовое сопротивление.
Крыло самолета, само по себе неподвижное, создает подъемную силу благодаря поступательному движению самолета, которое сообщает ему силовая установка. Встречный воздушный поток обтекает крыло несимметрично. Аэродинамическая сила благодаря специальному профилю крыла отклоняется еще больше вверх, чем у плоской пластины, поставленной под острым углом к потоку. Несимметричное обтекание крыла вызывается несимметричной формой профиля или наличием угла атаки, а чаще — тем и другим вместе.
Углом атаки крыла условились считать угол между хордой профиля и направлением воздушного потока.
Обычно самолет имеет в полете очень малый угол атаки крыла — около 3–5 градусов, а скоростные самолеты — еще меньше. Уже одно это показывает, что крыло самолета создает подъемную силу несколько иначе, чем воздушный змей, который летает, как мы видели, при угле атаки в 40–60 градусов.
Каким же образом при таком малом угле атаки возникает подъемная сила, способная поддерживать в воздухе очень тяжелую машину?
Посмотрите внимательно на рис. 15, а, на котором изображена схема обтекания крыла воздухом при малом угле атаки.
Рис. 15. Обтекание крыла воздушным потоком и возникновение подъемной силы: а) при небольшом угле атаки; б) скорость воздуха над крылом больше, чем под крылом; в) обтекание крыла при нулевом угле атаки и г) при критическом угле атаки.
Струйки воздуха обтекают крыло несимметрично, больше отклоняясь сверху, чем снизу. Сверху струйкам приходится огибать выпуклую часть крыла, поэтому они сжаты и, следовательно, по закону неразрывности скорость течения воздуха здесь больше, чем вдали от крыла. Под крылом же, наоборот, скорость течения воздуха меньше, так как здесь происходит некоторое торможение воздушного потока (благодаря углу атаки).
Таким образом, скорость воздуха над крылом получается больше, чем под крылом (рис. 15, б).
По закону Бернулли, чем больше скорость потока, тем меньше в нем давление. Следовательно, над крылом образуется пониженное давление, а под крылом — повышенное; к этому добавляется трение воздуха в пограничном слое и в результате возникает сила Р, направленная в сторону меньшего давления, — полная аэродинамическая сила крыла. Конечно, воздух давит снизу вверх не в одной точке крыла, как изображено на нашем рисунке, а на всю площадь крыла. Но давление воздуха на все крыло, то есть полную аэродинамическую силу, можно изобразить одной стрелкой Р, как бы приложенной в центре давления (сокращенно: Ц. Д.).
Полную аэродинамическую силу Р мы можем заменить, как уже делали раньше, двумя силами Л и П, направленными по потоку и перпендикулярно к нему. Сила Л — лобовое сопротивление крыла, а сила П — его подъемная сила.
У хороших крыльев подъемная сила при самом выгодном угле атаки бывает примерно в 20 раз больше силы лобового сопротивления. Таким образом, главная доля полной аэродинамической силы крыла идет на поддержание самолета.
Интересно, что многие крылья развивают подъемную силу даже при нулевом угле атаки, то есть когда воздух набегает на крыло параллельно хорде профиля (рис. 15, в). На первый взгляд это кажется совершенно непонятным, так как при нулевом угле атаки давление под крылом повышено немного (по сравнению с давлением вдали от крыла). Зато над крылом благодаря увеличению скорости струек при обтекании верхней выпуклой часта давление воздуха значительно понижено. Выходит, что и в этом случае благодаря несимметричности профиля разность давлений под крылом и над крылом все-таки имеется.
С малым углом атаки самолет летает при самой большой скорости, какую он может развить при полной мощности силовой установки. Тогда даже малый угол атаки оказывается достаточным для создания подъемной силы, равной весу самолета.
С увеличением угла атаки подъемная сила растет.
К сожалению, это происходит только до угла в 15–16 градусов, так как при таком угле плавность обтекания уже сильно нарушается (рис. 15, г). Струйки воз-духа отрываются от верхней поверхности крыла, образуются вихри, лобовое сопротивление возрастает, а подъемная сила начинает падать. Угол атаки, при котором это происходит, называют критическим. При таком угле атаки самолет уже плохо управляется и неустойчив.
Чтобы улучшить обтекание крыла на больших углах атаки, русский ученый С. А. Чаплыгин (1869–1942), ученик и соратник Н. Е. Жуковского, предложил щелевые крылья. Идея их состоит в том, что крыло снабжают так называемым предкрылком и благодаря щели между ним и крылом (рис. 16) поток более плавно обтекает крыло даже на больших углах атаки.
Рис. 16. Механизированные крылья.
Объясняется это тем, что струйки воздуха, проходя через узкую щель, увеличивают свою скорость и увлекают за собой другие струйки, задерживая их отрыв от крыла. Поэтому плавное обтекание крыла сохраняется дольше и подъемная сила не перестает возрастать до угла атаки в 25 градусов, а иногда и больше.
Еще чаще применяют закрылки и так называемые щитки, расположенные у задней кромки крыла. При взлете и посадке летчик отклоняет закрылки или щитки вниз на угол 20–40 градусов и благодаря этому как бы увеличивает кривизну нижней поверхности крыла, что ведет к увеличению подъемной силы. При взлете это сокращает длину разбега, а при посадке уменьшает скорость самолета во время приземления.
Применение предкрылков, закрылков и щитков получило в наше время название механизации крыла.
Механизированные крылья широко распространены во всем мире.
КАК РАБОТАЕТ ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ
В полете самолет все время преодолевает сопротивление воздуха. Эту работу выполняет его силовая установка, состоящая либо из поршневого двигателя внутреннего сгорания и воздушного винта, либо из реактивного двигателя. Мы кратко расскажем только о воздушном винте.
С воздушным винтом каждый из нас знаком с детства.
В деревнях ребята часто устанавливают на воротах двухлопастную ветрянку, которая при ветре вращается так быстро, что лопасти ее сливаются в сплошной круг. Ветрянка и есть простейший винт. Если насадить такой винт на ось, сильно закрутить между ладонями и выпустить, то он с жужжанием полетит вверх.
Воздушный винт самолета насаживается на вал двигателя. При вращении винта лопасти набегают на воздух под некоторым углом атаки и отбрасывают его назад, благодаря чему, как бы отталкиваясь от воздуха, стремятся двигаться вперед. Таким образом, при вращении воздушный винт развивает аэродинамическую силу, направленную вдоль оси винта. Эта сила тянет самолет вперед и поэтому называется силой тяги.
Воздушный винт может иметь две, три или четыре лопасти. Профиль (сечение) лопасти подобен профилю крыла.
В работе по созданию силы тяги большую роль играют шаг воздушного винта и угол установки лопасти к плоскости вращения.
Шагом воздушного винта называют расстояние, которое винт должен был бы пройти за один свой полный оборот, если бы он ввинчивался в воздух, как болт в гайку. В действительности же при полете самолета воздушный винт из-за малой плотности воздуха продвигается на несколько меньшее расстояние.
Шаг воздушного винта получается тем больше, чем больше угол установки лопасти к плоскости вращения (рис. 17, а).
Рис. 17. Возникновение силы тяги воздушного винта и угол атаки лопасти: а) при работе винта на месте и б) в полете.
Таким образом, винт с большим углом установки лопастей быстрее «шагает», чем винт с малым углом установки (подобно тому как болт с крупной резьбой быстрее ввинчивается в гайку, чем болт с мелкой резьбой). Следовательно, винт с большим шагом нужен для большой скорости полета, а с малым шагом — для малой скорости.
Работа лопастей воздушного винта подобна работе крыла. Но движение винта сложнее. В отличие от крыла лопасти винта в полете не только движутся вперед, но еще и вращаются при этом. Эти движения складываются, и поэтому лопасти винта движутся в полете по некоторой винтовой линии (рис. 17, б). Посмотрим, как возникает сила тяги воздушного винта.
Для этого выделим на каждой лопасти маленький элемент, ограниченный двумя сечениями (рис. 17, а). Его можно считать за маленькое крыло, которое в полете движется по винтовой линии, набегая на воздух под некоторым углом атаки. Следовательно, элемент лопасти, подобно крылу самолета, создаст аэродинамическую силу Р. Эту силу мы можем разложить на две силы — параллельно оси винта и перпендикулярно к ней. Сила, направленная вперед, и будет силой тяги элемента лопасти, вторая же, маленькая сила, направленная против вращения винта, будет тормозящей силой.
Элементарные силы тяги обеих лопастей в сумме дадут силу тяги Т всего винта, как бы приложенную к его оси. Тормозящие силы преодолевает двигатель.
Сила тяги винта очень сильно зависит от скорости полета. С увеличением скорости она уменьшается. Почему это происходит и какое имеет значение для полета?
Когда самолет стоит на земле и силовая установка работает, то лопасти винта имеют только одну скорость — окружную (рис. 17, а). Значит, воздух набегает на лопасть по направлению стрелки В, показанной в плоскости вращения винта. Угол между этой стрелкой и хордой профиля лопасти будет, очевидно, углом атаки. Как видим, при неподвижном воздухе он равен углу установки лопасти к плоскости вращения. Иначе получается в полете, когда, кроме вращательного движения, винт движется еще и вперед (вместе с самолетом).
В полете эти движения складываются, и в результате лопасть движется по винтовой линии (рис. 17, б). Поэтому воздух набегает на лопасть по направлению стрелки В1, и угол между ней и хордой профиля будет углом атаки. Вы видите, что угол атаки стал меньше угла установки. И чем больше будет скорость полета, тем меньше станут углы атаки лопастей, а поэтому тем меньше станет и сила тяги (при неизменном числе оборотов винта).
Этот недостаток в особенности присущ простому винту, у которого угол установки лопастей, а тем самым и шаг винта, нельзя изменять в полете (простой винт имеет и другие недостатки). Гораздо более совершенен винт изменяемого шага (рис. 18).
Рис. 18. Трехлопастный воздушный винт изменяемого шага на пассажирском самолете.
Такой винт благодаря особому устройству втулки без участия летчика изменяет свой шаг. Когда летчик уменьшает скорость полета, шаг винта тотчас же уменьшается, когда же летчик увеличивает скорость, винт увеличивает шаг.
В современной авиации применяются почти исключительно винты изменяемого шага.
САМОЛЕТ ЛЕТИТ ГОРИЗОНТАЛЬНО, ПРЯМОЛИНЕЙНО И РАВНОМЕРНО
Высоко в небе летит пассажирский самолет (рис. 19).
Рис. 19. Пассажирский 27-местный самолет ИЛ-12 конструкции С. В. Ильюшина в горизонтальном полете.
Большие крылья легко несут воздушный корабль, а мощный гул винтов свидетельствует о напряженной работе двигателей. Самолет летит горизонтально, прямолинейно и равномерно…
Под действием каких сил происходит такой полет?
Из первого закона механики, открытого великим английским ученым Исааком Ньютоном (1643–1727), следует, что прямолинейное равномерное движение происходит без действия каких-либо сил — по инерции[12]. На первый взгляд это кажется совершенно непонятным, так как из жизни мы знаем, что без силы тяги невозможно осуществить прямолинейное равномерное движение. Но дело в том, что сила тяги нужна только для того, чтобы все время преодолевать тормозящую силу, от которой мы не можем избавиться. Если бы ее не было, то тело, раз получив движение, двигалось бы вечно — по инерции.
Приведем простой пример.
По реке движется моторная лодка с постоянной скоростью. Сила тяги гребного винта, преодолевая силу сопротивления воды и силу сопротивления воздуха, должна быть равна их сумме, иначе равномерного движения не получится: если сила тяги будет больше тормозящих сил, движение будет ускоренным, если сила тяги станет меньше их, движение замедлится. Таким образом, для прямолинейного равномерного движения лодки необходимо, чтобы действующие на нее силы взаимно уравновешивались, то есть чтобы сумма их равнялась нулю. А ведь это и означает, что такое движение происходит без каких-либо сил — по инерции.
Следовательно, и для прямолинейного полета с постоянной скоростью (установившегося полета) тоже необходимо, чтобы действующие на самолет силы взаимно уравновешивались. Это справедливо как для горизонтального полета, так и для подъема и спуска.
Вот самолет летит горизонтально и прямолинейно (рис. 20) с постоянной скоростью при некотором угле атаки α.
Рис. 20. Силы, действующие на самолет в установившемся горизонтальном полете. Подъемная сила П равна силе веса В, а сила тяги винта Т равна силе лобового сопротивления Л; Ц. Т. — центр тяжести.
На самолет действуют три главные силы: сила веса В сила тяги Т и полная аэродинамическая сила Р всего самолета, которую удобнее представить в виде ее слагаемых — подъемной силы П и силы лобового сопротивления Л.
Сила веса всегда приложена в центре тяжести самолета[13]. Другие силы обычно приложены хотя и близко от центра тяжести, но в других точках. Однако ради простоты будем пока считать, что они приложены тоже в центре тяжести.
Сила веса всегда направлена вертикально вниз, то есть отвесно. Подъемная сила всегда перпендикулярна к воздушному потоку, значит, в горизонтальном полете она направлена вертикально вверх. Сила тяги направлена, конечно, вперед — по движению, а сила лобового сопротивления — назад, против движения.
При установившемся прямолинейном полете силы должны взаимно уравновешиваться.
Так как подъемная сила направлена вертикально вверх, а сила веса — вертикально вниз, то, очевидно, подъемная сила и должна уравновесить силу веса. Сила тяги должна уравновесить тормозящую силу, то есть силу лобового сопротивления.
Таким образом, в горизонтальном установившемся полете подъемная сила равна весу самолета, а сила тяги равна лобовой силе.
Ну, а если нужно изменить скорость горизонтального полета? Казалось бы, что для этого достаточно изменить тягу винта, как это делает водитель моторной лодки. Но здесь дело не так просто. Если летчик изменит только тягу винта, то изменится и подъемная сила крыла (поскольку она зависит от скорости полета), равновесие ее с силой веса нарушится, и поэтому траектория полета искривится вверх или вниз. Следовательно, одновременно с изменением тяги винта летчик должен сделать еще что-то.
Подъемная сила крыла зависит также от угла атаки, с увеличением его она растет, с уменьшением — падает. Так как летчик может изменять угол атаки (рулем высоты), то тем самым он может изменять и величину подъемной силы.
Таким образом, для изменения скорости полета в распоряжении летчика имеются рычаги управления силовой установкой и рулем высоты.
Теперь предположим, что в горизонтальном полете двигатель работает на полной мощности, и самолет летит с максимальной скоростью. При такой скорости достаточно очень малого угла атаки, чтобы подъемная сила была равна весу самолета (рис. 21, а).
Рис. 21. Горизонтальный полет с разными скоростями: а) максимальная скорость при очень малом угле атаки, б) некоторая средняя скорость, в) минимальная скорость при критическом угле атаки.
Но вот летчик решил немного уменьшить скорость полета. Для этого он уменьшает обороты двигателя и одновременно увеличивает угол атаки (рис. 21, б). В результате уменьшения скорости подъемная сила должна уменьшиться, а в результате увеличения угла атаки она должна увеличиться. Вот и получается, что в итоге она остается неизменной, равной весу самолета.
И чем меньшую скорость хочет получить летчик, тем больше он увеличивает угол атаки (рис. 21, б), соответственно изменяя тягу винта. Положение, изображенное на рис. 21, б, примерно соответствует полету с минимальной (наименьшей) возможной скоростью. Она получается при критическом угле атаки. Со скоростью, меньшей минимальной, самолет летать не может.
Все скорости, с которыми самолет может лететь горизонтально, составляют, как говорят, диапазон скоростей самолета. Например, минимальная скорость самолета ЯК-18 равна 100 километрам в час, а максимальная — 257 километрам в час, следовательно, этот самолет может лететь с любой скоростью в диапазоне от 100 до 257 километров в час.
Чем больше диапазон скоростей горизонтального полета, тем лучше самолет.
РАВНОВЕСИЕ САМОЛЕТА
Для устойчивого равновесия самолета в полете большую роль играет положение его центра тяжести. Центр тяжести самолета во всех случаях лежит позади передней кромки крыла (рис. 22, а).
Рис. 22. Продольное равновесие самолета достигается рулем высоты: а) момент подъемной силы руля высоты и стабилизатора уравновешивает момент подъемной силы крыла; б) равновесие весов; в) оси вращения самолета.
Расстояние от передней кромки до центра тяжести (расстояние Ц) называют центровкой самолета. Конструктор самолета указывает допустимые изменения центровки, то есть возможные перемещения центра тяжести по длине самолета. Позволительны лишь небольшие перемещения. Однако даже самое правильное положение центра тяжести еще не обеспечивает самолету равновесия в полете. Необходимо также, чтобы моменты всех сил относительно центра тяжести взаимно уравновешивались.
Но что такое момент силы?
Как известно, вращающее действие силы зависит не только от ее величины, но и от ее «плеча», то есть расстояния от линии действия силы до оси вращения (например, завернуть гайку тем легче, чем длиннее ключ).
Произведение величины силы на длину ее плеча и называется в механике моментом силы. Чем больше будет момент силы, тем больше будет и ее вращающее действие.
Теперь сделаем маленький опыт, чтобы познакомиться с равновесием моментов сил.
Если вы положите на одну чашку простейших весов (рис. 22, б) грузик р, а на другую груз Р, в пять раз больший, то эта чашка, естественно, перетянет. Но можно уравновесить наши весы и при неравных грузах, передвинув нитку, на которой вращается коромысло, ближе к чашке с большим грузом. Уравновесив весы, вы убедитесь, что плечо А в пять раз длиннее плеча а.
Таким образом, если две неравные силы стремятся вращать тело в противоположные стороны, то они будут уравновешивать друг друга в том случае, если произведение одной силы на ее плечо равно произведению другой силы на ее плечо, то есть если моменты сил равны.
Из нашего опыта следует также, что маленькая сила, действуя на достаточно большое плечо, может даже преодолеть большую силу. Это легко проверить, если передвинуть ось вращения еще ближе к чашке с большим грузом, — тогда маленький грузик, момент которого теперь преобладает, перетянет.
Все сказанное справедливо и для самолета в полете.
Раньше мы для простоты считали, что все главные силы приложены в центре тяжести самолета, то есть моменты их относительно центра тяжести равны нулю (поскольку плечо каждой силы равно нулю). В действительности же дело обстоит иначе. В центре тяжести приложена только сила веса, а точки приложения других сил обычно не совпадают с центром тяжести. Следовательно, самолет всегда находится под действием нескольких моментов сил, стремящихся поворачивать (вращать) самолет вокруг центра тяжести. И для того, чтобы самолет сохранял равновесие, летчику приходится уравновешивать моменты сил.
Итак, уравновесить самолет в полете — это значит уравновесить моменты сил относительно его центра тяжести.
Какие же моменты действуют на самолет в полете и как летчик приводит их к равновесию?
Самолет в воздухе может вращаться вокруг многих воображаемых осей, проходящих через центр тяжести. Главными из них являются три взаимно перпендикулярные оси: поперечная, продольная и ось поворотов (рис. 22, в). Поэтому моменты сил удобнее рассматривать относительно этих осей.
Моменты сил, стремящиеся вращать самолет вокруг поперечной оси (поднимать или опускать его нос), называют продольными. Уравновесив их, летчик создаст продольное равновесие самолета.
Моменты сил, стремящиеся вращать самолет вокруг продольной оси (кренить его на то или другое крыло), называют накреняющими. Если их уравновесить, будет достигнуто поперечное равновесие.
Моменты сил, стремящиеся вращать самолет вокруг оси поворотов (вправо или влево), называют заворачивающими. Уравновесив их, летчик получает путевое равновесие самолета.
Особого внимания от летчика требует продольное равновесие. При нарушении его изменяется угол атаки крыла и, следовательно, его подъемная сила, а это ведет к искривлению траектории полета в вертикальной плоскости.
На самолет действуют два главных продольных момента: момент подъемной силы крыла П·а и момент подъемной силы горизонтального оперения n·А (рис. 22, а). Они стремятся вращать самолет вокруг поперечной оси в противоположных направлениях. Летчик уравновешивает их рулем высоты. Отклоняя руль немного вверх или вниз, он изменяет угол атаки горизонтального оперения и величину его подъемной силы. Следовательно, летчик может так подобрать величину момента подъемной силы горизонтального оперения, чтобы он был равен моменту подъемной силы крыла, то есть чтобы самолет сохранял продольное равновесие.
Поперечное равновесие достигается при помощи элеронов (рис. 23, а).
Рис. 23. Поперечное равновесие самолета достигается при помощи элеронов, а путевое — при помощи руля направления.
Опущенный элерон увеличивает подъемную силу полукрыла, а поднятый уменьшает. При этом создается накреняющий момент, который может уравновесить накреняющий момент противоположного направления, например, накреняющий момент винта (воздушный винт, вращаясь в одну сторону, стремится накренить самолет в противоположную сторону, подобно тому, как, прыгая с лодки на берег, мы отталкиваем лодку в противоположную сторону). Таким образом, достигается поперечное равновесие.
Путевое равновесие летчик получает с помощью руля направления (рис. 23, б). При отклонении руля на него действует аэродинамическая сила и создается заворачивающий момент, который может уравновесить какой-либо заворачивающий момент противоположного направления, например, момент от действия струи винта на вертикальное оперение (вращающийся винт отбрасывает вращающуюся же струю воздуха, которая действует на вертикальное оперение с той или другой его стороны в зависимости от направления вращения винта).
А как рули и элероны служат для управления самолетом?
Взглянем опять на рис. 22, а и представим себе, что летчик отклонил руль высоты немного больше или меньше, чем он был отклонен при равновесии. Этим летчик изменит момент горизонтального оперения. Продольное равновесие будет нарушено, и самолет начнет поворачиваться вокруг поперечной оси (рис. 24), опуская или поднимая нос, уменьшая или увеличивая угол атаки.
Рис. 24. Действие руля высоты для продольного управления самолетом: а) при отклонении руля вниз угол атаки крыла уменьшается, б) при отклонении руля вверх угол атаки увеличивается.
Когда летчик передвигает ручку рулевого управления от себя, руль высоты отклоняется вниз, на него начинает действовать аэродинамическая сила снизу вверх (рис. 24, а), а поэтому самолет уменьшает угол атаки крыла. Если же летчик берет ручку на себя, то руль отклоняется вверх, аэродинамическая сила действует на него сверху вниз, и под ее влиянием угол атаки увеличивается (рис. 24, б). При этих изменениях угла атаки траектория полета останется прямолинейной, если летчик, изменяя угол атаки, будет соответственно изменять и тягу силовой установки. В противном случае траектория полета искривится вниз или вверх.
С помощью элеронов летчик может не только сохранять поперечное равновесие, но и накренять самолет (если понадобится), а с помощью руля направления — не только сохранять путевое равновесие, но и поворачивать самолет вправо и влево.
Когда летчик отклоняет ручку рулевого управления вправо, правый элерон поднимается, а левый опускается (рис. 23, а), подъемная сила правого полукрыла становится меньше, а левого — больше, а поэтому самолет кренится вправо. При движении ручки влево происходит обратное — и самолет кренится влево.
Если же летчик, перемещая ручку вправо, одновременно нажимает правую педаль (рис. 23, б), то самолет делает разворот вправо. Аналогично делается и левый разворот.
По выражению летчиков, самолет в полете «ходит за ручкой». Однако такой послушной машина бывает только, если она устойчива. Теперь строятся устойчивые и хорошо управляемые самолеты. Расчет устойчивости и управляемости входит в так называемый аэродинамический расчет самолета.
КАК САМОЛЕТ ВЗЛЕТАЕТ И НАБИРАЕТ ВЫСОТУ
Очень интересно наблюдать взлет самолета, когда тяжелая машина превращается в легкокрылую птицу. Самой меньшей скоростью, с которой возможен полет самолета, является, как нам уже известно, минимальная скорость горизонтального полета. Но при такой скорости самолет еще недостаточно устойчив и плохо управляется. Поэтому отрыв самолета от земли летчик производит на несколько большей скорости. После отрыва летчик продолжает разгон самолета, как говорят, «выдерживает» машину над землей до тех пор, пока скорость не станет достаточной для безопасного подъема.
Таким образом, взлет самолета можно разделить на три этапа: разбег, выдерживание над землей для увеличения скорости и подъем (рис. 25, а).
Рис. 25. Взлет самолета: а) этапы взлета, б) силы, действующие на самолет при взлете.
Эти три этапа составляют так называемую взлетную дистанцию.
Посмотрим, как летчик производит разбег, какие силы действуют на самолет при разбеге и как создается ускорение движения[14]. Ради простоты будем опять считать, что все главные силы приложены в центре тяжести самолета, то есть моменты их равны нулю (поскольку теперь нас интересуют силы, а не их моменты).
Вот самолет стоит на старте, готовый к полету, и двигатель работает на малом газе (рис. 25, б). Тяга винта пока еще недостаточна для преодоления силы трения колес о землю. Но летчик дал полный газ, тяга винта увеличилась до максимальной и самолет начал разбег. Избыточная тяга создает ускорение, и скорость растет. Чтобы скорость нарастала быстрее, летчик немного отклоняет руль высоты вниз, поэтому хвост самолета поднимается и угол атаки крыла уменьшается (рис. 25, б). С ростом скорости возрастает подъемная силы крыла, и вскоре самолет уже едва касается колесами земли. Наконец, подъемная сила становится равной весу самолета, затем немного больше ее, и машина отрывается от земли (рис. 25, б). Разбег закончен — самолет взлетел.
Некоторое время машина летит низко, набирая скорость. Затем летчик отклоняет ручку рулевого управления на себя и переводит самолет на режим подъема (рис. 25, а).
При подъеме на самолет действуют те же силы, что и при горизонтальном полете, но взаимодействие их несколько иное (рис. 26).
Рис. 26. Действие сил при установившемся подъеме: подъемная сила крыла равна только одной слагаемой силе веса В1, а сила тяги Т равна сумме сил лобового сопротивления Л и слагаемой веса В2.
Подъемная сила крыла всегда перпендикулярна к направлению полета. Поэтому во время подъема она направлена уже не вертикально и, следовательно, не может полностью уравновесить силу веса. Если разложить силу веса на две слагаемые силы, как показано на рис. 26, то становится видно, что подъемная сила крыла может уравновесить только одну из них — В1. Другую же слагаемую силы веса — В2 — вместе с лобовым сопротивлением должна уравновесить, очевидно, сила тяги винта.
Когда самолет набирает высоту, то подъемная сила крыла меньше веса самолета. Почему же в таком случае самолет набирает высоту? Дело в том, что тяга винта здесь не только преодолевает лобовое сопротивление, но и берет на себя часть веса самолета, как это показано на рисунке. Иными словами, при подъеме самолета сила тяги частично выполняет роль подъемной силы.
И если самолет мог бы подниматься вертикально вверх, то неподвижное крыло стало бы совершенно бесполезным — машину поднимала бы вверх исключительно тяга винта. Самолет превратился бы в вертолет.
При подъеме самолет набирает ежесекундно некоторую высоту, которая называется вертикальной скоростью подъема. Например, вертикальная скорость самолета ЯК-18 в начале подъема равна 4 метрам в секунду. Но затем она уменьшается.
Почему это происходит и к чему ведет?
По мере подъема на высоту плотность воздуха становится все меньше и меньше, поэтому в цилиндры двигателя попадает меньше кислорода, нужного для сгорания топлива, и в результате мощность силовой установки падает. Следовательно, уменьшается избыточная мощность, необходимая для подъема. И вот, наконец, на какой-то высоте никакой избыточной мощности уже нет, и самолет не может продолжать подъем. Высоту, на которой это происходит, называют «потолком» самолета.
САМОЛЕТ ПЛАНИРУЕТ
Перед посадкой летчик выключает двигатель или убавляет его обороты до самых малых. Самолет начинает плавно снижаться по наклонной траектории. Такой спуск самолета называют планированием.
Чтобы легче понять поведение самолета при планировании, вообразите, что в горизонтальном полете неожиданно остановился двигатель, и тяга винта внезапно исчезла. Под действием лобового сопротивления скорость полета начинает падать, а вместе с ней быстро уменьшается и подъемная сила крыла. Но если летчик рулем высоты наклонит машину вниз, то в направлении полета тотчас же начнет действовать некоторая доля веса самолета, которая как бы заменит исчезнувшую тягу (подобно тому как при движении автомашины под уклон доля се веса заменяет тягу мотора). Самолет полетит наклонно к земле, оставаясь вполне управляемым и устойчивым.
Это наглядно иллюстрирует рис. 27, на котором показаны силы, действующие на самолет при установившемся планировании с очень малым углом атаки, равным примерно трем-четырем градусам (напомним, что угол атаки — это угол между хордой профиля крыла и направлением полета).
Рис. 27. Действие сил при установившемся планировании самолета: подъемная сила П равна слагаемой силы веса B1, другая слагаемая силы веса В2 равна силе лобового сопротивления Л.
Так как тяги винта нет, то сейчас действуют только две главные силы: полная аэродинамическая сила Р и сила веса В. Но первую удобнее будет опять заменить ее слагаемыми — подъемной силой П, которая перпендикулярна к направлению полета, и лобовой силой Л, направленной против полета. Силу веса тоже можно разложить на две слагаемые: по линии действия подъемной силы и в направлении полета. Теперь видно, что подъемная сила крыла может уравновесить лишь одну слагаемую веса — В1. Другая же слагаемая веса — В2, направленная вперед и играющая роль тяги, уравновешивает силу лобового сопротивления.
Если на планировании летчик передвинет ручку рулевого управления немного от себя, то самолет перейдет в более крутое планирование. Поэтому сила веса, играющая роль тяги, станет больше лобовой силы и сообщит самолету ускорение (ведь и автомашина, когда уклон становится круче, катится все быстрее).
Крутое планирование самолета называют пикированием.
При пикировании скорость самолета может стать очень большой. При отвесном пикировании она может превысить скорость горизонтального полета примерно в два раза. Пикирование применяется при фигурных полетах, в воздушном бою и при бомбометании.
Планируя над аэродромом, летчик делает глазомерный расчет на посадку. Чтобы осуществить этот расчет, он выполняет два-три разворота в одну и ту же сторону (по кругу). С высоты 100–150 метров планирует по прямой к намеченной точке посадки.
Когда до земли остается 6-10 метров, летчик понемногу начинает выравнивать самолет, уменьшает угол планирования (рис. 28).
Рис. 28. Посадка самолета и ее этапы.
При этом слагаемая сила веса, играющая роль тяги, уменьшается, и скорость полета падает.
На высоте около 1 метра над землей летчик заканчивает выравнивание, и траектория полета переходит из наклонной в горизонтальную.
Однако горизонтальный полет возможен, как известно, только в том случае, если подъемная сила равна весу самолета. Между тем из-за отсутствия тяги скорость продолжает падать, поэтому должна уменьшаться и подъемная сила. Поскольку летчик должен приземлить самолет с наименьшей скоростью, то он как можно дольше не дает машине коснуться земли — выдерживает ее над землей, стремясь «погасить» скорость. Для этого летчик постепенно увеличивает угол атаки, чтобы подъемная сила еще некоторое время оставалась равной весу самолета.
Но вот угол атаки доведен почти до критического, самолет принял положение, которое он имеет при стоянке на земле. Скорость уже близка к минимальной скорости горизонтального полета, подъемная сила начинает падать, становится меньше веса — и самолет мягко касается земли. По инерции он бежит по земле, но в результате торможения скоро останавливается. Полет окончен.
Посадка, как и взлет, обычно производится против ветра. Встречный ветер уменьшает скорость самолета относительно земли во время приземления и длину пробега. То и другое облегчает выполнение посадки.
ВИРАЖИ И ФИГУРЫ В ПОЛЕТЕ
Почему самолет может делать виражи[15] и фигуры?
Какие силы заставляют тяжелую машину легко кувыркаться в воздухе? Как летчик управляет этими силами в криволинейном полете?
Конечно, это все те же аэродинамические силы. И в криволинейном полете опять-таки главную роль играет подъемная сила крыла.
Известно, что всякое тело по инерции стремится двигаться прямолинейно. Чтобы заставить его двигаться по кривой, нужна так называемая центростремительная сила. Вот пример.
Если привязать нитку к камню и вращать его, то нитка натянется и, удерживая камень, заставит его описывать круги. Движение камня по окружности будет происходить под действием силы вашей руки. Передаваясь через нитку, эта сила не позволяет камню удалиться от центра вращения. Если нитка оборвется, то действие этой силы прекратится и камень по инерции полетит прямолинейно. Сила, с которой ваша рука действует на камень и заставляет его вращаться вокруг некоторого центра, и называется центростремительной (она направлена от окружности к центру).
При движении велосипедиста по кривой линии центростремительной силой служит слагаемая силы веса, так как велосипедист наклоняет машину в сторону поворота. При движении самолета по криволинейной траектории роль центростремительной силы обычно выполняет слагаемая подъемной силы крыла (рис. 29, а). Когда летчик наклоняет самолет на некоторый угол в сторону желаемого разворота, то на такой же угол отклоняется от вертикали и подъемная сила (рис. 29, б).
Рис. 29. Вираж самолета: а) вираж по кругу; б) действие сил на вираже: вертикальная слагаемая подъемной силы П1 уравновешивает силу веса В, а горизонтальная слагаемая П2 играет роль центростремительной силы.
И если разложить ее на две слагаемые — по вертикали и горизонтали, то становится ясно, что слагаемая П1 поддерживает самолет в воздухе, а слагаемая П2, направленная к центру виража, служит центростремительной силой (ей всегда сопутствует центробежная сила Ц, направленная в противоположную сторону).
Чтобы подъемной силы крыла хватило и на то и на другое, летчик при вводе самолета в вираж увеличивает угол атаки (или скорость полета).
Накреняя самолет элеронами в сторону виража, летчик одновременно отклоняет в ту же сторону и руль направления (действующий подобно рулю лодки). Благодаря этому самолет разворачивается «охотнее».
На самолете можно делать виражи различных радиусов. Особенно важны виражи малых радиусов (например, при фигурных полетах или в воздушном бою, когда нужно быстро развернуться). Для уменьшения радиуса виража приходится увеличивать крен — ведь при этом растет центростремительная сила.
Радиус виража сильно зависит от скорости полета.
Вы знаете, что при быстром беге, быстрой езде на велосипеде, мотоцикле, автомобиле трудно сделать крутой поворот, для поворота приходится уменьшать скорость. Так и на самолете: если летчик желает уменьшить радиус виража, то он должен уменьшить скорость полета.
По этой причине тихоходный самолет может делать виражи малых радиусов, а истребитель — только больших радиусов. Например, самолет ПО-2 может сделать вираж с радиусом всего в 60 метров, тогда как истребитель делает вираж с радиусом самое меньшее 350–400 метров. Именно поэтому во время Великой Отечественной войны самолеты ПО-2 нередко спасались от нападения фашистских истребителей: в опасный момент советский летчик делал крутой вираж и самолет противника, не имея возможности так же круто развернуться, проскакивал мимо.
Очень интересен быстрый вираж с одновременным подъемом, который называют боевым разворотом (рис. 30, а).
Рис. 30. Фигурный полет самолета: а) боевой разворот, б) петля Нестерова.
Для боевого разворота летчик накреняет машину элеронами и одновременно сильно увеличивает угол атаки. Самолет с креном круто взмывает вверх, причем по мере подъема крен увеличивается, а радиус разворота уменьшается. Затем летчик выравнивает самолет и берет нужное направление полета.
Самая эффектная фигура — петля Нестерова (рис. 30, б). Первым в мире ее выполнил замечательный русский летчик П. Н. Нестеров в 1913 году. В прежние времена в цирках показывали очень интересный номер. Акробат на велосипеде или на тележке съезжал по крутому настилу, изгибавшемуся затем в виде вертикальной петли. Вершину петли акробат проезжал вниз головой. Этот номер именовался «мертвой петлей».
Подобием ее и является петля, выполняемая на самолете, — с той лишь разницей, что разгон самолета достигается тягой силовой установки.
Для выполнения петли летчик в горизонтальном полете энергично берет ручку рулевого управления на себя.
Поэтому угол атаки крыла сильно увеличивается, подъемная сила резко возрастает и становится больше силы веса, то есть появляется некоторый излишек подъемной силы. Под действием излишка подъемной силы траектория полета круто изгибается вверх. Самолет описывает первую половину петли при работе двигателя на полном газе. На вершине петли машина оказывается вверх колесами, а летчик — вниз головой. Всегда сопутствующая центростремительной силе центробежная сила как бы прижимает самолет к воздуху, находящемуся выше его, а летчика — к сидению. Когда самолет переходит за вершину петли, летчик уменьшает тягу винта до самой малой и ставит ручку управления в среднее положение, а за-тем выбирает ее на себя, чтобы перевести самолет из пикирования в нормальный полет.
Действие центростремительной и центробежной сил можно легко проверить на опыте с вращением камня, если последний заменить ведерком с водой. При вращении вокруг некоторого центра ведерко будет описывать «мертвую петлю» и вода из него не выльется. Центробежная сила будет отбрасывать ведерко от центра к окружности, прижимать воду к донышку, как прижимает и летчика к сидению.
Форма петли, выполняемой на самолете, получается не круглой, а несколько вытянутой вверх. Это объясняется тем, что при подъеме на вершину петли скорость падает, и радиус кривизны траектории уменьшается. Во второй половине петли (при пикировании) скорость снова нарастает, и радиус опять увеличивается.
Кроме петли Нестерова и боевого разворота, на самолете можно выполнять и другие фигуры — так называемую горку, переворот через крыло, двойной переворот, называемый «бочкой» и т. д.
Фигурный (высший) пилотаж играет большую роль в подготовке летчиков. Цель его — научить летчика маневрировать в полете и развивать в нем уверенность в своих силах, выносливость, самообладание, бесстрашие.
Эту цель и ставил себе основоположник высшего пилотажа П. Н. Нестеров. Советские летчики — его достойные последователи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вся история развития самолета — от его рождения до наших дней — это история борьбы за скорость полета. Дальнейшее развитие авиации, несомненно, будет также тесно связано с ростом скорости полета.
Полвека назад максимальная скорость полета была всего лишь около 100 километров в час, а в наше время она превышает 2000 километров в час. Как был достигнут этот замечательный успех авиации?
Сначала скорость росла благодаря непрерывному улучшению аэродинамических форм самолета и увеличению мощности его силовой установки. Однако к 40-м годам нашего века аэродинамические формы самолета были доведены уже до такого совершенства, что дальнейшее улучшение их могло дать лишь незначительный выигрыш в скорости. Увеличение мощности силовой установки также не сулило большой выгоды, так как с увеличением мощности возрастают вес и размеры поршневого двигателя, а это ведет к повышению веса самолета и его лобового сопротивления — в результате скорость увеличивается незначительно.
Мешали и другие причины, лежащие в самой природе полета с большими скоростями.
Воздух, как и всякий газ, легко подвергается сжатию. Сжимаемость воздуха мы часто наблюдаем в быту. Например, волейбольный мяч приобретает значительную твердость, когда в него накачивают много воздуха. Еще большую твердость приобретает автокамера, в которую воздух накачивают под большим давлением. Следовательно, сжатие воздуха получается тем больше, чем больше давление.
При сравнительно небольших скоростях полета (до 400–500 километров в час) давление воздуха перед самолетом хотя и повышается, но незначительно. Поэтому и сжатие воздуха тоже невелико. Но при больших скоростях, близких к скорости звука и тем более превышающих ее, давление и сжатие воздуха сильно возрастают[16].
Появляется дополнительное, так называемое волновое сопротивление, которое в несколько раз увеличивает лобовое сопротивление самолета. Для преодоления большого лобового сопротивления обычная силовая установка оказывается малопригодной.
Дело осложняется еще тем, что с увеличением скорости полета тяга воздушного винта неуклонно падает. Мало того, при очень больших скоростях полета лопасти винта тоже испытывают волновое сопротивление, поэтому полезная работа винта уменьшается.
Новый период в борьбе за скорость полета начался с появлением авиационных реактивных двигателей.
Существуют различные типы авиационных реактивных двигателей, но сила тяги возникает у них в общем одинаково. В камере сгорания двигателя (где сгорает жидкое горючее) давление нагретых газов повышено и они с большой силой выбрасываются наружу через отверстие — сопло. При этом с такой же силой газы давят и на стенку камеры сгорания двигателя, противоположную соплу. Это противодавление (реакция истечения газов) и является реактивной силой тяги, которая заставляет двигаться самолет в сторону, противоположную истечению газов из сопла.
Заметим, что воздушный винт по сути дела работает тоже на реактивном принципе — его лопасти, отбрасывая воздух назад, стремятся двигаться вперед. Однако здесь для получения реактивной тяги поршневой двигатель предварительно преобразует энергию топлива в энергию вращения винта. В реактивных же двигателях продукты сгорания горючего, выбрасываемые из сопла, непосредственно создают реактивную тягу. Поэтому реактивные двигатели, в отличие от винто-поршневых, называются двигателями прямой реакции.
Отличительной особенностью реактивных двигателей является то, что тяга их с увеличением скорости не падает, а даже немного увеличивается. Поэтому при больших скоростях полета реактивный двигатель оказывается гораздо выгоднее обычной силовой установки. Вот почему реактивному двигателю оказалось под силу преодолевать лобовое сопротивление самолета при больших скоростях.
Реактивным самолетам конструкторы придают несколько иные аэродинамические формы, чем винтовым, так как при больших скоростях приходится учитывать влияние сжимаемости воздуха на полет самолета.
Например, применяют стреловидные крылья, которые при больших скоростях полета аэродинамически выгодны.
С появлением реактивных самолетов скорость полета сразу возросла и продолжает расти сейчас[17].
В нашем военном воздушном флоте уже полностью наступила, как предсказывал К. Э. Циолковский, «эра аэропланов реактивных». На последних воздушных парадах в Москве участвовала почти исключительно реактивная авиация — от истребителей (рис. 31) до тяжелых бомбардировщиков.
Рис. 31. Советские реактивные истребители в полете.
В гражданском воздушном флоте, вероятно, еще некоторое время сохранят свое значение обычные винтовые самолеты. Они удобны на товаро-пассажирских воздушных линиях небольшой протяженности, а также во многих других областях применения самолета в народном хозяйстве, например, для борьбы с вредителями полей, для подкормки посевов, для охраны лесов от пожаров, для аэрофотосъемки, для исследовательской работы в разного рода экспедициях и т. д.
Но на воздушных линиях большой протяженности, а также на воздушных трассах, связывающих нашу страну с другими странами, теперь уже широко применяются реактивные многоместные самолеты-экспрессы ТУ-104 (рис. 32) конструкции А. Н. Туполева.
Рис. 32. Реактивный пассажирский самолет ТУ-104.
В последние годы А. Н. Туполевым и другими советскими конструкторами созданы еще более мощные воздушные корабли, снабженные турбовинтовыми двигателями (рис. 33).
Рис. 33. Турбовинтовой пассажирский самолет ТУ-114.
В таких двигателях почти вся мощность идет на вращение воздушного винта и лишь небольшая ее часть — на создание непосредственной реактивной тяги. Турбовинтовые двигатели экономичны и имеют ряд других достоинств.
Наши ученые и инженеры упорно работают также над созданием атомного авиационного двигателя. Теперь уже нет сомнения в том, что появление атомных самолетов — не за горами.
Примечания
1
«Аэродромической» значит воздухобежной (от греческих слов «аэр» — воздух и «дром» — бег). Теперь это слово не употребляется. Мы употребляем лишь слово аэродром.
(обратно)2
От латинского слова «авис» — птица,
(обратно)3
От греческих слов «аэр» — воздух и «динамис» — сила.
(обратно)4
Дюралюминий (дуралюминий) — легкий и прочный сплав алюминия, меди и марганца.
(обратно)5
Подробнее об атмосфере см. научно-популярные брошюры Гостехиздата: Беляков, Атмосфера, и Честнов, Ионосфера.
(обратно)6
От греческих слов «барос» — тяжесть и «метрон» — мера.
(обратно)7
Скорость принято изображать стрелкой, длина которой показывает в масштабе величину скорости.
(обратно)8
Кинетическая энергия — это энергия движения тела, например, энергия текучей воды, воздуха, падающего груза, раскручивающейся пружины и т. д. Потенциальная энергия — это энергия положения тела, например, энергия запруженной реки, сжатого газа, закрученной пружины и т. д. Кинетическая энергия тела может переходить в потенциальную и наоборот, но сумма их остается неизменной.
(обратно)9
Силы, как и скорости, принято изображать стрелками. Если силы равны, то и стрелки равны. Если одна сила больше другой, то и стрелки берутся соответственно одна больше другой. С помощью стрелки можно показать точку приложения силы, ее величину и направление действия.
(обратно)10
Симметрия — одинаковое расположение геометрических форм относительно линии или плоскости, называемых осью или плоскостью симметрии.
(обратно)11
Такая замена называется разложением одной силы на две по правилу параллелограмма.
(обратно)12
Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или прямолинейного равномерного движения до тех пор, пока какая-нибудь сила не выведет его из этого состояния (первый закон Ньютона, называемый законом инерции).
(обратно)13
Центром тяжести тела называется воображаемая точка, в которой как бы приложена сила веса тела.
(обратно)14
Ускорение — прирост скорости за 1 секунду.
(обратно)15
Вираж — французское слово, означает поворот.
(обратно)16
Скорость распространения звука у поверхности земли равна приблизительно 1200 километрам в час.
(обратно)17
О реактивных самолетах см. популярную брошюру Гостехиздата: Л. К Баев и И. А. Меркулов, Самолет-ракета, издание третье, переработанное.
(обратно)
Комментарии к книге «Почему и как летает самолет», Алексей Александрович Жабров
Всего 0 комментариев