Почему и как летает 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.