Что удерживает самолет в воздухе
Как самолет поворачивает и тормозит в воздухе и при чем здесь крыло?
Опубликовано 07.05.2021 · Обновлено 13.11.2021
После того, как самолет отрывается от земли, он теряет все привычные нашему взгляду точки опоры и ему приходится полагаться только на свою скорость, за счет которой давление воздуха под крылом удается поддерживать выше, чем над ним. В таких условиях все привычные способы маневрирования оказываются бесполезными, да и степеней свободы у самолета гораздо больше, нежели прямо, влево, вправо и назад. Как ему удается осуществлять маневрирование в воздухе, при чем с высокой точностью, ну и самое интересное: как можно разогнаться в воздухе довольно ясно, для этого есть несколько реактивных или винтовых двигателей, а как затормозить, особенно если самолет идет на снижение и при чем здесь крыло? На самом деле это не такая простая задача, учитывая что во время снижения самолета его скорость постоянно возрастет за счет действия ускорения свободного падения. Об этом поговорим в данном материале, доступно и просто. Приятного чтения!
Подъемная сила
На самом деле всем известно, что самолет удерживается в воздухе благодаря крыльям. За счет специального профиля и большой площади, при увеличении скорости самолета поток воздуха «изгибается», встречая сопротивление наклоненного крыла, и давление воздуха под ним значительно возрастает, а над ним остается прежним, за счет чего самолет взмывает ввысь, курсируя по воздуху словно над водной гладью. Эта разница давлений и называется подъемной силой, которая зависит от угла атаки (непосредственный угол наклона плоскости крыла навстречу воздушному потоку) и скорости потока воздуха (или наоборот — всякое движение относительно, мы это помним).
Подытожим: подъемной силой можно манипулировать изменяя два параметра: скорость и угол атаки. Подъемная сила названа таковой потому, что она направлена вверх от земли в небо, но на самом деле отклоняя любую плоскость в воздушном потоке можно создать разницу давлений между сторонами этой плоскости, соответственно будет возникать некая сила, направленная от стороны с большим давлением в сторону меньшего, причем плоскость может располагаться в любом положении, главное чтобы она находилась в набегающим воздушном потоке.
Плоскости крыла
Самолет имеет много степеней свободы, и за самые важные отвечает крыло: набор высоты и снижение, повороты, торможение, повышение подъемной силы при снижении скорости перед посадкой. Ну с высотой все понятно — в зависимости от угла атаки (который регулирует «хвостовое оперение» — руль высоты, наклоняя самолет либо носом вверх, либо вниз) подъемная сила либо возрастает, либо наоборот падает, а если она принимает отрицательные значения, то есть давление над крылом становится выше чем под ним, самолет снижается. А как быть с поворотами и торможением?
Для этих целей служат другие управляющие плоскости, которые носят названия: элероны, спойлеры, интерцепторы, закрылки и предкрылки. Для того, чтобы самолет осуществил поворот в какую-либо сторону пилот отклоняет штурвал словно руль автомобиля, и на крыльях в соответствующие стороны отклоняются элероны.
Элероны: повороты вправо-влево
Элероны на каждом крыле работают одновременно в противоположных направлениях: если на правом элерон отклоняется вверх, то на левом элерон отклоняется вниз, на одинаковое количество градусов. В этом случае на правом элерон станет «препятствием» воздушному потоку над крылом, точнее над самым его краем, значит давление над элероном будет возрастать и появится сила, толкающая край крыла вниз. Поскольку на противоположной стороне в данный момент будет происходить тот же процесс только в обратном направлении, получится вращающий момент: законцовка одного крыла движется вниз, а другого вверх, и самолет наклоняется. Из-за профиля в момент возникновения крена самолет начинает поворачивать в сторону крыла, направленного вниз к земле.
Интерцепторы и спойлеры: торможение самолета
Довольно часто пилотам приходится выдерживать жесткий скоростной режим, например во время кружения в зоне посадки крупных аэропортов, когда авиадиспетчер директивно каждому воздушному судну в зоне его ответственности выдает указания: на какой высоте лететь и с какой скоростью.
Если во время горизонтального полета выдерживать скорость не сложно так как она напрямую зависит от заданной мощности силовых установок, то во время снижения скорость как правило возрастает, а если снизиться нужно быстро (такое бывает в зажатых зонах посадки крупных аэропортов) то вертикальная скорость так или иначе перейдет в горизонтальную, и возникает потребность в воздушном тормозе.
Роль воздушного тормоза в небе на крупных воздушных судах играют интерцепторы — отклоняемые только вверх плоскости, расположенные на верхней стороне крыла. Открываясь на заданный угол интерцепторы создают сопротивление воздушному потоку, и, как мы уже знаем, возникает зона повышения давления воздуха и вместе с ней сила, направленная вниз и в противоположном направлении. Поскольку площадь крыла намного больше площади интерцепторов вектор силы, направленный вниз, на высокой скорости не играет особой роли, зато тормозящий эффект проявляется неплохо.
Сразу после посадки как правило открываются на максимальный угол все панели интерцепторов и дополнительные панели, которые называют спойлерами. Знакомое жителям интернета название — спойлер, в авиации так и обозначает — воздушный тормоз. Его действие во время посадки самолета на взлетную полосу, когда скорость самолета небольшая, связано как раз с прижимной силой — крыло прижимается к земле препятствуя эффекту подскока (на профессиональном языке есть термин — «козление»).
Закрылки: значительное повышение несущей способности крыла
Взлетная скорость крупного гражданского самолета составляет более 225 км/ч, но стоит учитывать, что угол атаки на взлете высок и двигатели работают в самом мощном взлетном режиме, придавая воздушному судну постоянное ускорение. Стабильный полет выполняется на скоростях, близких к 300 — 350 км/ч. Посадка на такой высокой скорости является очень рискованной, так что авиаконструкторам пришлось идти на всякие хитрости.
Полностью выпущенные закрылки
Одной из хитростей стало изобретение закрылков — это самые масштабные плоскости, которые продолжают крыло под значительным углом, и сильно увеличивающие его площадь, а значит и подъемную силу. Поскольку закрылки продолжают крыло под значительным углом, они создают большое сопротивление воздушному потоку, так что двигателям приходится работать на более мощных режимах при их выпуске. Та сила, которая возникает от сопротивления воздушному потоку, направлена вверх, а значит увеличенная тяга двигателей приводит не к разгону самолета, а к увеличению подъемной силы.
Закрылки позволяют самолету уверенно держаться «на крыле» на меньших скоростях, но с увеличенной тягой двигателей. Таким образом, с полностью выпущенными закрылками, современный гражданский самолет может уменьшить скорость посадки с 300 до 180 км/ч.
Предкрылки: предотвращают «срыв потока»
Посмотрите на схему «оперения» самолета, предкрылки расположены на переднем крае крыла по всей длине.
Предкрылки отклоняются чуть вперед и вниз, таким образом изменяя геометрию крыла. Все дело в том, что во время взлета и посадки крыло находится на больших «углах атаки». Чтобы не произошел срыв потока, когда передний его край будет создавать слишком сильное сопротивление воздушному потоку, приводя к падению скорости, а вместе с ней и подъемной силы. Выпущенные предкрылки продлевают крыло и занижают его передний край, а на больших углах атаки предкрылок не будет оказывать сильное сопротивление воздушному потоку, позволяя ему «пробегать» над крылом.
Как и почему летают самолеты
Наверно, нет человека, который глядя, как летит самолёт, не задавался вопросом: «Как он это делает?»
Люди всегда мечтали летать. Первым воздухоплавателем попытавшимся взлететь с помощью крыльев, можно, наверное, считать Икара. Затем, на протяжении тысячелетий у него было множество последователей, но настоящий успех выпал на долю братьев Райт. Именно они считаются изобретателями самолёта.
Видя на земле огромные пассажирские лайнеры, двухэтажные Боинги, например, совершенно невозможно понять, как эта многотонная металлическая махина поднимается в воздух, настолько это кажется противоестественным. Мало того, даже люди, всю жизнь проработавшие в смежных с авиацией отраслях и, безусловно, знающие теорию воздухоплавания, иногда честно признаются, что не понимают, как летают самолёты. Но мы все же попробуем разобраться.
Полёт
Самолёт держится в воздухе благодаря действующей на него «подъёмной силе», которая возникает только в движении, которое обеспечивают двигатели, закреплённые на крыльях или фюзеляже.
Подъемная сила
Подъемная сила возникает, когда набегающий поток воздуха обтекает крыло. Благодаря особой форме сечения крыла, часть потока над крылом имеет большую скорость, чем поток под крылом. Это происходит потому, что верхняя поверхность крыла выпуклая, в отличие от плоской нижней. В итоге воздуху, обтекающему крыло сверху, приходится пройти больший путь, соответственно с большей скоростью. А чем больше скорость потока, тем меньше давление в нём, и наоборот. Чем меньше скорость — тем больше давление.
В 1838 году, когда ещё аэродинамики, как таковой, не существовало, швейцарский физик Даниил Бернулли описал это явление, сформулировав закон, названный по его имени. Бернулли, правда, описывал течение потоков жидкости, но с возникновением и развитием авиации, его открытие оказалось как нельзя более кстати. Давление под крылом превышает давление сверху и выталкивает крыло, а с ним и самолёт, вверх.
Другое слагаемое подъёмной силы — так называемый «угол атаки». Крыло располагается под острым углом к встречному потоку воздуха, благодаря чему давление под крылом выше, чем сверху.
С какой скоростью летают самолёты
Для возникновения подъёмной силы необходима определённая, и довольно высокая, скорость движения. Различают минимальную скорость, она необходима для отрыва от земли, максимальную, и крейсерскую, на которой самолёт летит большую часть маршрута, она составляет около 80% максимальной. Крейсерская скорость современных пассажирских лайнеров 850-950 км в час.
Ещё есть понятие путевой скорости, которая складывается из собственной скорости самолёта и скорости воздушных потоков, которые ему приходится преодолевать. Именно, исходя из неё, рассчитывают продолжительность рейса.
Скорость, необходимая для взлёта зависит от массы самолёта, и для современных пассажирских судов составляет от 180 до 280 км в час. Примерно на такой же скорости производится посадка.
Высота
Высота полёта тоже выбирается не произвольно, а определяется большим количеством факторов, соображениями экономии топлива и безопасности.
У поверхности земли воздух более плотный, соответственно, он оказывает большое сопротивление движению, вызывая повышенный расход топлива. С увеличением высоты воздух становится более разряжённым, и сопротивление уменьшается. Оптимальной высотой для полёта считается высота около 10 000 метров. Расход топлива при этом минимален.
Ещё одним существенным плюсом полётов на больших высотах является отсутствие здесь птиц, столкновения с которыми не раз приводили к катастрофам.
Подниматься выше 12 000-13 000 метров гражданские самолёты не могут, так как слишком сильное разряжение препятствует нормальной работе двигателей.
Управление самолётом
Управление самолётом осуществляется путём увеличения или уменьшения тяги двигателя. При этом изменяется скорость, соответственно подъёмная сила и высота полёта. Для боле тонкого управления процессами изменения высоты и поворотов служат средства механизации крыла и рули, находящиеся на хвостовом оперении.
Взлёт и посадка
Чтобы подъёмная сила стала достаточной, для отрыва самолёта от земли, он должен развить достаточную скорость. Для этого служат взлётно-посадочные полосы. Для тяжёлых пассажирских или транспортных самолётов нужны длинные ВПП, длиной 3-4 километра.
За состоянием полос тщательно следят аэродромные службы, поддерживая их в идеально чистом состоянии, так как инородные предметы, попадая в двигатель, могут привести к аварии, а снег и лёд на полосе представляют большую опасность при взлёте и посадке.
При разбеге самолёта наступает момент, после которого отменить взлёт уже нельзя, так как скорость становится настолько велика, что самолёт уже не сможет остановиться в пределах полосы. Это так и называется — «скорость принятия решения».
Посадка — очень ответственный момент полёта, лётчики постепенно сбрасывают скорость, вследствие чего уменьшается подъёмная сила и самолёт снижается. Перед самой землёй скорость уже такая низкая, что на крыльях выпускаются закрылки, которые несколько увеличивают подъёмную силу и позволяют мягко посадить самолёт.
Таким образом, как бы странно нам это не казалось, самолёты летают, причём в строгом соответствии с законами физики.
Почему самолет держится в воздухе? Аэродинамика «на пальцах»
Один мой очень хороший товарищ, авиационный инженер-эксплуатационник (тоже, кстати, неплохой), любит повторять, глядя на стремительно взлетающий самолет и полушутя-полусерьезно толкая меня вбок: «Слушай! Ну, я все понимаю: законы природы, физика, там, подъемная сила… Но ты мне все-таки скажи, как эта „дура“ держится в воздухе, да еще и летает. Ведь в ней же сорок тонн веса?!»
Шутки шутками, но определенный налет серьезности появляется в подобной ситуации не только у обремененного авиационными знаниями человека. Тем более, что вышеупомянутая сорокатонная «дура» — это, вобщем-то, средний по размерам самолет российских ВВС СУ-24. Ну, а если этот «посерьезневший» человек окажется свидетелем неторопливого, но о-о-очень уверенного взлета самого большого в мире транспортного самолета АН-225 «Мрия» («Мечта» по-украински, кто не знает). Комментировать больше ничего не буду. Добавлю лишь, что взлетный вес этой «птички» — 600 тонн.
Да, впечатления на этой почве могут быть очень глубокими. Но, как бы то ни было, эмоции здесь совершенно ни при чем. Физика. Одна голая физика. Именно подчиняясь законам физики, поднимаются в воздух все летательные аппараты, начиная с легких спортивных самолетов и заканчивая тяжелыми транспортниками и, казалось бы, уж совсем бесформенными вертолетами, непонятно как удерживающимися в воздухе. И происходит все это за счет подъемной силы да еще силы тяги двигателя.
Словосочетание «подъемная сила» знакомо практически любому человеку, но удивительно то, что далеко не каждый может сказать, откуда же она все-таки берется, эта самая сила. А между тем объяснить ее происхождение можно просто, буквально «на пальцах», не влезая в математические дебри.
Как известно, главная несущая поверхность самолета — это крыло. Оно практически всегда имеет определенный профиль, у которого нижняя часть плоская, а верхняя выпуклая (по определенному закону). Воздушный поток, проходя под нижней частью профиля, почти не меняет своей структуры и формы. Зато, проходя над верхней частью, он сужается, ведь для него верхняя поверхность профиля — это как вогнутая стенка в трубе, по которой этот самый поток как бы протекает.
Теперь, чтобы через эту «продавленную» трубу прогнать за определенное время тот же обьем воздуха, его нужно двигать быстрее, что и происходит на самом деле. Осталось вспомнить закон Бернулли из любимого школьного курса физики, который гласит, что чем выше скорость потока, тем ниже его давление. Таким образом, давление над профилем (а значит и над всем крылом) ниже давления под ним.
Возникает сила, которая старается «выдавить» крыло, а значит и весь летательный аппарат вверх. Это и есть та самая вышеупомянутая подъемная сила. Как только она становится больше веса — ура! Мы в воздухе! Мы летим! И, кстати, чем выше наша скорость, тем больше подъемная сила. Если же в дальнейшем подъ
емная сила и вес сравняются по величине, то самолет перейдет в горизонтальный полет. А хорошую скорость нам придаст мощный авиационный двигатель или, точнее, сила тяги, которую он создает.
Используя этот принцип можно, теоретически, заставить взлететь (и успешно летать) предмет любой массы и формы. Главное — точно все рассчитать с точки зрения аэродинамики и других авиационных наук и правильно изготовить этот самый предмет. Упоминая о форме, я имею ввиду, главным образом, вертолет. Аппарат, совсем не похожий внешне на самолет, в воздухе держится по той же причине. Ведь каждая лопасть его главного, говоря авиационным языком, несущего (очень характерное слово, выше уже встречалось) винта — это то же крыло с аэродинамическим профилем.
Двигаясь в воздушном потоке при вращении винта, лопасть создает подъемную силу, которая, кстати, не только поднимает вертолет, но и двигает его вперед. Для этого ось вращения винта немного наклоняется (создается «перекос» винта), и появляется горизонтальная составляющая подъемной силы, исполняющая роль силы тяги самолетного двигателя. Винт как бы тянет одновременно вверх и вперед. В результате получаем уверенный и очень надежный полет такого, вобщем-то, «странного» аппарата, как вертолет. И, между прочим, достаточно красивый полет. Я неоднократно наблюдал с земли пилотаж боевого вертолета МИ-24 — зрелище просто завораживающее.
Кстати, хочу заметить, что винты самолетов с винтовыми двигателями (турбо или поршневыми) сродни вертолетным и используют тот же принцип (догадались какой?). Только подъемная сила здесь полностью «переквалифицировалась» в силу тяги. Говоря по-вертолетному, «перекос» винта — 90 градусов.
Да, авиация — это очень красиво. Слова восхищения применимы в разговоре о полете любого достаточно совершенного летательного аппарата. Будь то внешне неторопливый гигант «Мрия», трудяга-штурмовик СУ-25 или юркий спортивный пилотажник. Вся эта красота является результатом подчас многолетней кропотливой работы ученых и авиационных инженеров, аэродинамиков, двигателистов, прочнистов
И авиационная наука на самом деле столь же сложна, сколь и интересна. Но в основе ее лежит, вобщем-то, простой физический принцип образования подъемной силы, суть которого, при желании, можно очень легко обьяснить, и который, тем не менее, помогает осуществить вековое стремление человечества к полету…
Научно-технические мифы, часть 1. Почему летают самолеты?
В современном мире многие люди интересуются наукой и техникой и пытаются хотя бы в общих чертах понять, как работают вещи, которые их окружают. Благодаря этому стремлению к просвещению существует научно-просветительская литература и сайты, подобные Гиктаймсу. А поскольку читать и воспринимать ряды формул большинству людей затруднительно, то излагаемые в подобных изданиях теории неизбежно подвергаются значительному упрощению в попытке донести до читателя «суть» идеи с помощью простого и понятного объяснения которое легко воспринять и запомнить. К сожалению, некоторые из подобных «простых объяснений» являются в корне неверными, но при этом оказываются настолько «очевидными», что не подвергаясь особому сомнению начинают кочевать из одного издания в другое и нередко становятся доминирующей точкой зрения, несмотря на свою ошибочность.
В качестве одного из примеров попробуйте ответить на простой вопрос: «откуда возникает подъемная сила в крыле самолета»?
Если в Вашем объяснении фигурируют «разная длина верхней и нижней поверхности крыла», «разная скорость потока воздуха на верхней и нижней кромках крыла» и «закон Бернулли», то я вынужден Вам сообщить, что Вы скорее всего стали жертвой популярнейшего мифа, который преподают порою даже в школьной программе.
Давайте для начала напомним, о чем идет речь
Существует история (я правда не знаю насколько она правдива), что одним из первых людей предложивших, подобную теорию был не кто иной, как сам Альберт Эйнштейн. Согласно этой истории в 1916 году он написал соответствующую статью и на её основе предложил свою версию «идеального крыла», которое, по его мнению, максимизировало разницу скоростей над крылом и под ним, и в профиль выглядело примерно вот так:
В аэродинамической трубе продули полноценную модель крыла с этим профилем, но увы — её аэродинамические качества оказались на редкость плохими. В отличие — парадоксально! — от многих крыльев с идеально симметричным профилем, в которых путь воздуха над крылом и под ним должен был быть принципиально одинаков. В рассуждениях Эйнштейна явно что-то было неправильно. И вероятно наиболее явным проявлением этой неправильности было то что некоторые пилоты в качестве акробатического трюка стали летать на своих самолетах вверх ногами. У первых самолетов, которые пробовали перевернуться в полете, возникали проблемы с топливом и маслом, которое не текло туда, куда нужно, и вытекало там, где не нужно, но после того, как в 30-х годах прошлого века энтузиастами аэробатики были созданы топливные и масляные системы, способные работать длительное время в перевернутом положении, полет «вверх ногами» стал обычным зрелищем на авиашоу. В 1933, к примеру, один американец и вовсе совершил полет вверх ногами из Сан-Диего в Лос-Анджелес. Каким-то волшебным образом перевернутое крыло по-прежнему генерировало подъемную силу, направленную вверх.
Посмотрите на эту картинку — на ней изображен самолет, аналогичный тому, на котором был установлен рекорд полета в перевернутом положении. Обратите внимание на обычный профиль крыла (Boeing-106B airfoil) который, согласно приведенным выше рассуждениям, должен создавать подъемную силу от нижней поверхности к верхней.
Проще говоря, воздух «не знает», что ему нужно двигаться с какой-то определенной скоростью вокруг крыла, чтобы выполнить какое-то условие, которое нам кажется очевидным. И хотя скорость потока над крылом действительно выше, чем под ним, это является не причиной образования подъемной силы а следствием того, что над крылом существует область пониженного давления, а под крылом — область повышенного. Попадая из области нормального давления в разреженную область, воздух разгоняется перепадом давлений, а попадая в область с повышенным давлением — тормозится. Важный частный пример столь «не-бернуллевского» поведения наглядно демонстрируют экранопланы: при приближении крыла к земле его подъемная сила возрастает (область повышенного давления поджимается землей), тогда как в рамках «бернуллевских» рассуждений крыло на пару с землей формируют нечто вроде сужающегося тоннеля что в рамках наивных рассуждений должно было бы разгонять воздух и притягивать за счет этого крыло к земле подобно тому, как это делается в схожих по смыслу рассуждениях о «взаимном притяжении проходящих на параллельных курсах пароходах». Причем в случае экраноплана ситуация во многом даже хуже, поскольку одна из «стенок» этого тоннеля движется с высокой скоростью навстречу крылу, дополнительно «разгоняя» тем самым воздух и способствуя еще большему снижению подъемной силы. Однако реальная практика «экранного эффекта» демонстрирует прямо противоположную тенденцию, наглядно демонстрируя опасность логики рассуждений о подъемной силе построенных на наивных попытках угадать поле скоростей потока воздуха вокруг крыла.
Как это ни странно, значительно более приближенное к истине объяснение дает другая неверная теория подъемной силы, отвергнутая еще в XIX веке. Сэр Исаак Ньютон предполагал, что взаимодействие объекта с набегающим воздушным потоком можно моделировать, предположив, что набегающий поток состоит из крошечных частиц, ударяющихся об объект и отскакивающих от него. При наклонном расположении объекта относительно набегающего потока частицы будут преимущественно отражаться объектом вниз и в силу закона сохранения импульса при каждом отклонении частицы потока вниз объект будет получать импульс движения вверх. Идеальным крылом в подобной модели был бы плоский воздушный змей, наклоненный к набегающему потоку:
Подъемная сила в этой модели возникает за счет того, что крыло направляет часть воздушного потока вниз, это перенаправление требует приложения определенной силы к потоку воздуха, а подъемная сила является соответствующей силой противодействия со стороны воздушного потока на крыло. И хотя исходная «ударная» модель вообще говоря неверна, в подобной обобщенной формулировке это объяснение действительно верно. Любое крыло работает за счет того, что отклоняет часть набегающего потока воздуха вниз и это, в частности, объясняет, почему подъемная сила крыла пропорциональна плотности потока воздуха и квадрату его скорости. Это дает нам первое приближение к правильному ответу: крыло создает подъемную силу потому что линии тока воздуха после прохождения крыла в среднем оказываются направлены вниз. И чем сильнее мы отклоняем поток вниз (например увеличивая угол атаки) — тем подъемная сила оказывается больше.
Немного неожиданный результат, правда? Однако он пока никак не приближает нас к пониманию того, почему воздух после прохождения крыла оказывается движущимся вниз. То, что Ньютоновская ударная модель неверна, было показано экспериментально опытами, которые продемонстрировали что реальное сопротивление потока ниже, чем предсказывает Ньютоновская модель, а генерируемая подъемная сила — выше. Причиной этих расхождений является то, что в модели Ньютона частички воздуха никак не взаимодействуют друг с другом, тогда как реальные линии тока не могут пересекать друг друга, так как это показано на рисунке выше. «Отскакивающие» под крылом вниз условные «частички воздуха» сталкиваются с другими и начинают «отталкивать» их от крыла еще до того, как они с ним столкнутся, а частички воздушного тока, оказавшиеся над крылом, «выпихивают» частички воздуха, расположенные ниже, в пустое пространство, остающееся за крылом:
Говоря другими словами, взаимодействие «отскочившего» и «набегающего» потоков создает под крылом область высокого давления (красную), а «тень», пробиваемая крылом в потоке, образует область низкого давления (синюю). Первая область отклоняет поток под крылом вниз еще до того, как этот поток соприкоснется с его поверхностью, а вторая заставляет поток над крылом изгибаться вниз, хотя он с крылом не соприкасался вообще. Совокупное давление этих областей по контуру крыла, собственно, и образует в итоге подъемную силу. При этом интересный момент состоит в том, что неизбежно возникающая перед крылом область высокого давления у правильно спроектированного крыла соприкасается с его поверхностью лишь по небольшому участку в передней кромке крыла, тогда как область высокого давления под крылом и область низкого давления над ним соприкасаются с крылом на значительно большой площади. В результате подъемная сила крыла формируемая двумя областями вокруг верхней и нижней поверхностей крыла может быть намного больше, чем сила сопротивления воздуха, которую обеспечивает воздействие области высокого давления, расположенной перед передней кромкой крыла.
Поскольку наличие областей разного давления изгибает линии тока воздуха, то часто удобно определять эти области именно по этому изгибу. К примеру, если линии тока над крылом «загибаются вниз», то в этой области существует градиент давления направленный сверху вниз. И если на достаточно большом удалении над крылом давление является атмосферным, то по мере приближения к крылу сверху вниз давление должно падать и непосредственно над крылом оно окажется ниже атмосферного. Рассмотрев аналогичное «искривление вниз», но уже под крылом, мы получаем, что если начать с достаточно низкой точки под крылом, то, приближаясь к крылу снизу вверх, мы придем в область давления, которое будет выше атмосферного. Аналогичным образом «расталкивание» линий тока перед передней кромкой крыла соответствует существованию перед этой кромкой области повышенного давления. В рамках подобной логики можно сказать, что крыло создает подъемную силу, изгибая линии тока воздуха вокруг крыла. Поскольку линии тока воздуха как бы «прилипают» к поверхности крыла (эффект Коанда) и друг к другу, то, изменяя профиль крыла, мы заставляем воздух двигаться вокруг него по искривленной траектории и формировать в силу этого нужный нам градиент давлений. К примеру, для обеспечения полета вверх ногами достаточно создать нужный угол атаки, направив нос самолета в сторону от земли:
Снова немного неожиданно, правда? Тем не менее это объяснение уже ближе к истине, чем исходная версия «воздух ускоряется над крылом, потому что над крылом ему нужно пройти большее расстояние, чем под ним». Кроме того, в его терминах легче всего понять явление, которое называется «срывом потока» или «сваливанием самолета». В нормальной ситуации увеличивая угол атаки крыла мы увеличиваем тем самым искривление воздушного потока и соответственно подъемную силу. Ценою за это является увеличение аэродинамического сопротивления, поскольку область низкого давления постепенно смещается из положения «над крылом» в положение «слегка за крылом» и соответственно начинает притормаживать самолет. Однако после некоторого предела ситуация неожиданно резко изменяется. Синяя линия на графике — коэффициент подъемной силы, красная — коэффициент сопротивления, горизонтальная ось соответствует углу атаки.
Дело в том, что «прилипаемость» потока к обтекаемой поверхности ограничена, и если мы попытаемся слишком сильно искривить поток воздуха, то он начнет «отрываться» от поверхности крыла. Образующаяся за крылом область низкого давления начинает «засасывать» не поток воздуха, идущий с ведущей кромки крыла, а воздух из области оставшейся за крылом, и подъемная сила генерируемая верхней частью крыла полностью или частично (в зависимости от того, где произошел отрыв) исчезнет, а лобовое сопротивление увеличится.
Для обычного самолета сваливание — это крайне неприятная ситуация. Подъемная сила крыла уменьшается с уменьшением скорости самолета или уменьшением плотности воздуха, а кроме того поворот самолета требует большей подъемной силы, чем просто горизонтальный полет. В нормальном полете все эти факторы компенсируют именно выбором угла атаки. Чем медленнее летит самолет, чем менее плотный воздух (самолет забрался на большую высоту или садится в жаркую погоду) и чем круче поворот, тем больше приходится делать этот угол. И если неосторожный пилот переходит определенную черту, то подъемная сила упирается в «потолок» и становится недостаточной для удержания самолета в воздухе. Добавляет проблем и увеличившееся сопротивление воздуха, которое ведет к потере скорости и дальнейшему снижению подъемной силы. А в результате самолет начинает падать — «сваливается». Попутно могут возникнуть проблемы с управлением из-за того, что подъемная сила перераспределяется по крылу и начинает пытаться «повернуть» самолет или управляющие поверхности оказываются в области сорванного потока и перестают генерировать достаточное управляющее усилие. А в крутом повороте, к примеру, поток может сорвать лишь с одного крыла, в результате чего самолет начнет не просто терять высоту, но и вращаться — войдет в штопор. Сочетание этих факторов остается одной из нередких причин авиакатастроф. С другой стороны, некоторые современные боевые самолеты специально проектируются таким специальным образом, чтобы сохранять управляемость в подобных закритических режимах атаки. Это позволяет подобным истребителям при необходимости резко тормозить в воздухе. Иногда это используется для торможения в прямолинейном полете, но чаще востребовано в виражах, поскольку чем меньше скорость, тем меньше при прочих равных радиус поворота самолета. И да-да, Вы угадали — именно это та самая «сверхманевренность», которой заслуженно гордятся специалисты проектировавшие аэродинамику отечественных истребителей 4 и 5 поколений.
Однако мы пока так и не ответили на основной вопрос: откуда, собственно, возникают области повышенного и пониженного давления вокруг крыла в набегающем потоке воздуха? Ведь оба явления («прилипание потока к крылу» и «над крылом воздух движется быстрее»), которыми можно объяснить полет, являются следствием определенного распределения давлений вокруг крыла, а не его причиной. Но почему формируется именно такая картина давлений, а не какая-то другая?
К сожалению, ответ на этот вопрос уже неизбежно требует привлечения математики. Давайте представим себе, что наше крыло является бесконечно длинным и одинаковым по всей длине, так что движение воздуха вокруг него можно моделировать в двумерном срезе. И давайте предположим, для начала, что в роли нашего крыла выступает… бесконечно длинный цилиндр в потоке идеальной жидкости. В силу бесконечности цилиндра такую задачу можно свести к рассмотрению обтекания круга в плоскости потоком идеальной жидкости. Для столь тривиального и идеализированного случая существует точное аналитическое решение, предсказывающее, что при неподвижном цилиндре общее воздействие жидкости на цилиндр будет нулевым.
А теперь давайте рассмотрим некое хитрое преобразование плоскости на себя, которое математики называют конформным отображением. Оказывается можно подобрать такое преобразование, которое с одной стороны сохраняет уравнения движения потока жидкости, а с другой трансформирует круг в фигуру, имеющую похожий на крыло профиль. Тогда трансформированные тем же самым преобразованием линии тока жидкости для цилиндра становятся решением для тока жидкости вокруг нашего импровизированного крыла.
Наш исходный круг в потоке идеальной жидкости имеет две точки, в которых линии тока соприкасаются с поверхностью круга, и следовательно те же две точки будут существовать и на поверхности профиля после применения к цилиндру преобразования. И в зависимости от поворота потока относительно исходного цилиндра («угла атаки») они будут располагаться в разных местах поверхности сформированного «крыла». И почти всегда это будет означать, что часть линий тока жидкости вокруг профиля должна будет огибать заднюю, острую кромку крыла, как показано на картинке выше.
Это потенциально возможно для идеальной жидкости. Но не для реальной.
Наличие в реальной жидкости или газе даже небольшого трения (вязкости) приводит к тому, что поток подобный изображенному на картинке немедленно нарушается — верхний поток будет сдвигать точку где линия тока соприкасается с поверхностью крыла до тех, пор пока она не окажется строго на задней кромке крыла (постулат Жуковского-Чаплыгина, он же аэродинамическое условие Кутты). И если преобразовать «крыло» обратно в «цилиндр», то сдвинувшиеся линии тока окажутся примерно такими:
Но если вязкость жидкости (или газа) очень мала, то получившееся подобным путем решение должно подходить и для цилиндра. И оказывается, что такое решение действительно можно найти, если предположить, что цилиндр вращается. То есть физические ограничения, связанные с перетоком жидкости вокруг задней кромки крыла приводят, к тому, что движение жидкости из всех возможных решений будет стремиться прийти к одному конкретному решению, в котором часть потока жидкости вращается вокруг эквивалентного цилиндра, отрываясь от него в строго определенной точке. А поскольку вращающийся цилиндр в потоке жидкости создает подъемную силу, то ее создает и соответствующее крыло. Компонент движения потока соответствующий этой «скорости вращения цилиндра» называется циркуляцией потока вокруг крыла, а теорема Жуковского говорит о том, что аналогичную характеристику можно обобщить для произвольного крыла, и позволяет количественно рассчитывать подъемную силу крыла на ее основе. В рамках этой теории подъемная сила крыла обеспечивается за счет циркуляции воздуха вокруг крыла, которая порождается и поддерживается у движущегося крыла указанными выше силами трения, исключающими переток воздуха вокруг его острой задней кромки.
Удивительный результат, не правда ли?
Описанная теория конечно сильно идеализирована (бесконечно длинное однородное крыло, идеальный однородный несжимаемый поток газа / жидкости без трения вокруг крыла), но дает довольно точное приближение для реальных крыльев и обычного воздуха. Только не воспринимайте в ее рамках циркуляцию как свидетельство того, что воздух действительно вращается вокруг крыла. Циркуляция — это просто число, показывающее, насколько должен отличаться по скорости поток на верхней и нижней кромках крыла, чтобы решение движений потока жидкости обеспечило отрыв линий тока строго на задней кромке крыла. Не стоит также воспринимать «принцип острой задней кромки крыла» как необходимое условие для возникновения подъемной силы: последовательность рассуждений вместо этого звучит как «если у крыла острая задняя кромка, то подъемная сила формируется так-то».
Попробуем подытожить. Взаимодействие воздуха с крылом формирует вокруг крыла области высокого и низкого давления, которые искривляют воздушный поток так, что он огибает крыло. Острая задняя кромка крыла приводит к тому, что в идеальном потоке из всех потенциальных решений уравнений движения реализуется только одно конкретное, исключающее переток воздуха вокруг острой задней кромки. Это решение зависит от угла атаки и у обычного крыла имеет область пониженного давления над крылом и область повышенного давления — под ним. Соответствующая разница давлений формирует подъемную силу крыла, заставляет воздух двигаться быстрее над верхней кромкой крыла и замедляет воздух под нижней. Количественно подъемную силу удобно описывать численно через эту разницу скоростей над крылом и под ним в виде характеристики, которая называется «циркуляцией» потока. При этом в соответствии с третьим законом Ньютона действующая на крыло подъемная сила означает, что крыло отклоняет вниз часть набегающего воздушного потока — для того, чтобы самолет мог лететь, часть окружающего его воздуха должна непрерывно двигаться вниз. Опираясь на этот движущийся вниз поток воздуха самолет и «летит».
Простое же объяснение с «воздухом, которому нужно пройти более длинный путь над крылом, чем под ним» — неверно.