Энциклопедия Кольера - полета теория и практика

совокупность прикладных знаний, позволяющих авиационным инженерам на занятий в области аэродинамики, проблем прочности, двигателестроения и динамики полета летательных аппаратов (т.е. теории) создать новый летательный аппарат или улучшить характеристики существующего. В данной статье иллюстрируется применение теории и практики полета к проблемам создания наиболее распространенного летательного аппарата, а именно самолета. Теоретические основы обсуждаемых проблем изложены в статьях Аэродинамика и Авиационная Силовая Установка. Дополнительная информация о современном состоянии проблемы содержится в статьях Аэрокосмических Летательных Аппаратов Конструирование;

Авиационные Бортовые Приборы;

Самолет;

Вертолет;

Самолет Преобразуемый.

ПРАКТИЧЕСКАЯ АЭРОДИНАМИКА

Достижения братьев Райт. Чтобы совершить полет, необходимо решить две проблемы боковой управляемости летательного аппарата и сваливания и штопора. Выдающимся достижением братьев Райт является их вклад в изучение этих проблем и создание первой эффективной системы аэродинамических органов управления полетом летательного аппарата, включающей носовой руль высоты для управления продольным движением, изгиб концов крыла для поперечного управления и хвостовой руль для путевого управления. На рис. 1 показаны аэродинамические органы управления, примененные на первых бипланах братьев Райт, и соответствующие аэродинамические органы управления современного самолета. В обоих случаях органы управления служат для создания моментов аэродинамических сил (каждый момент вызывает поворот летательного аппарата вокруг оси тангажа, крена или рыскания).

Рис. 1. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОРГАНЫ УПРАВЛЕНИЯ первого биплана (вверху) и современного самолета (внизу). Для управления самолетом (т.е. для создания моментов сил относительно трех осей самолета) биплан имеет следующие органы управления: руль высоты для создания момента тангажа относительно поперечной оси, руль направления для создания момента рыскания относительно вертикальной оси и изгиб концов крыла для создания момента крена относительно продольной оси. Органами управления на моноплане являются, соответственно, руль высоты, руль направления и элероны.Еще более важным достижением, чем концепция аэродинамического управления движением летательного аппарата относительно трех пространственных осей (которая, разумеется, была понятна и другим пионерам самолетостроения), стало выяснение братьями Райт роли взаимодействия между органами управления по крену и рысканию в начале и в конце маневра разворота и характера самого этого маневра. Если желательно изменить курс движения самолета в горизонтальной плоскости, то следует накренить самолет, повернув его вокруг продольной оси; при этом у подъемной силы крыла самой большой аэродинамической силы появится горизонтальная составляющая, которая будет создавать желаемое ускорение самолета в горизонтальной плоскости. Если изгибать крылья (или отклонять элероны) для создания движения по крену, то возникающий при этом момент рыскания будет уводить самолет в направлении, противоположном желаемому направлению поворота (рис. 2). Чтобы парировать этот эффект, необходимо отклонить руль направления и тем самым устранить т.н. "рыскание при отклонении элеронов". (Этот неблагоприятный момент рыскания является неотъемлемым свойством аэродинамики дозвукового крыла; он возникает при любом способе, используемом для создания движения крена.) Полученный в 1905 братьями Райт патент содержал формулировку этого принципиального эффекта и предложение по его компенсации посредством совместного одновременного управления изгибом концов крыла и рулем направления. Позже братья Райт отказались от этого способа и заменили его более универсальным устройством раздельного управления по крену и рысканию с помощью рычагов.

Рис. 2. ПРАВЫЙ ПОВОРОТ (вид сверху и сзади) осуществляется при отклонении правого элерона вверх и левого элерона вниз. Это вызывает рыскание самолета влево и, чтобы стабилизировать поворот, необходимо отклонить руль направления вправо. При осуществлении поворота необходимо также отклонить руль высоты, чтобы увеличить подъемную силу для компенсации центробежной силы. 1 прямолинейный полет; 2 отклонение элеронов для осуществления правого поворота; 3 вызванный отклонением элеронов момент рыскания разворачивает нос самолета влево руль направления отклоняют вправо; 4 элероны и руль направления переводят в нейтральное положение, самолет продолжает разворачиваться, руль высоты отклонен для увеличения подъемной силы так, чтобы ее вертикальная составляющая уравновешивала вес самолета; 5 для прекращения разворота без дополнительного рыскания элероны и руль направления отклоняют в обратную (по сравнению с предыдущими отклонениями) сторону.Осознание взаимосвязи движений по крену и рысканию явилось началом развития механики полета. Важно то, что эта взаимосвязь была выявлена братьями Райт в натурных летных испытаниях. В противоположность этому подходу, другие пионеры авиации придерживались той точки зрения, что самолет должен быть устойчивым сам по себе, и считали, что он, подобно лодке на воде, будет легко управляться рулем направления, а органы управления по крену если и нужны, то только для поддержания "поперечного равновесия". В Европе это мнение превалировало почти до начала Первой мировой войны, что привело к созданию органов управления, которые имели неудовлетворительные летные характеристики.

Скорость сваливания. Аэродинамическую силу, действующую на жесткое крыло, обычно разделяют на подъемную силу и лобовое сопротивление (сопротивление воздуха движению самолета), которые пропорциональны плотности воздуха и квадрату скорости полета при фиксированном угле атаки. При постоянной скорости полета подъемная сила и лобовое сопротивление плавно увеличиваются с возрастанием угла атаки до некоторого значения, называемого углом атаки начала сваливания (срыва) или критическим углом атаки (рис. 3). При этом угле атаки происходит перестройка структуры течения над верхней поверхностью крыла, в результате чего плавное течение нарушается и возникает вихревое течение; при дальнейшем возрастании угла атаки подъемная сила перестает увеличиваться, и резко возрастает лобовое сопротивление. Если самолет замедляет движение, то для сохранения подъемной силы, компенсирующей его вес, необходимо увеличивать угол атаки. Таким образом, при некоторой достаточно малой скорости полета, называемой скоростью сваливания, угол атаки достигает критического значения, и самолет становится неуправляемым. Скорость сваливания при выполнении разворота или в полете с маневрированием оказывается несколько больше, чем в прямолинейном установившемся полете, так как для выполнения маневра требуется, чтобы подъемная сила превышала вес самолета.

Рис. 3. ПОДЪЕМНАЯ СИЛА КРЫЛА возрастает при увеличении угла атаки. При критическом угле атаки лобовое сопротивление резко возрастает, а подъемная сила перестает увеличиваться. По оси ординат отложены значения подъемной силы L (левая шкала) и лобового сопротивления D (правая шкала), отнесенные к величине (r /2)V 2A, где r плотность воздуха, V скорость полета и A площадь крыла.Со сваливанием братья Райт впервые столкнулись в 1905, и эта проблема была воспринята ими с большой тревогой. Они разработали технику пилотирования, позволяющую вывести самолет из режима сваливания, для чего нужно было быстро уменьшить угол атаки, опуская нос самолета вниз с помощью руля высоты. Эта методика вполне очевидна, но на многих самолетах сваливание развивалось очень быстро и асимметрично, особенно при полете с разворотом, когда самолет накреняется и "входит в штопор", как показано на рис. 4. В режиме штопора самолет движется с опущенным вниз носом, но угол атаки все равно остается большим вследствие того, что самолет быстро падает вниз. В этих условиях казалось неестественным требовать опустить нос еще ниже, в частности потому, что самолет и так быстро теряет высоту. Тем не менее оказалось, что это действие необходимо для восстановления управляемости. Братья Райт, по-видимому, никогда не попадали в режим развитого штопора, научившись предвидеть сваливание и, развив в себе "чувство контакта с самолетом", немедленно предпринимали действия, предотвращающие сваливание. Другие первые авиаторы оказались не столь удачливыми, и многие из них погибли в авариях, вызванных сваливанием и штопором, пока в 1911-1912 в Европе тоже не были разработаны методы пилотирования, позволявшие вывести самолет из штопора. Инциденты, связанные со сваливанием и штопором, по-прежнему остаются серьезной проблемой безопасности полета. В особенности это касается эксплуатации легких небольших самолетов, хотя при наличии большого плеча для силы, создаваемой вертикальным хвостовым оперением, и строительной крутки крыла (рис. 5) современные самолеты обладают лучшей управляемостью при сваливании, чем самолеты начала 20 в.