Механика полета самолета имеет отношение к самолетам с фиксированным крылом ( планеры , самолеты ) и винтокрылым самолетам ( вертолеты ). Самолет ( самолет в США) определяется в документе ИКАО 9110 как «летательное средство тяжелее воздуха, приводимое в движение силовой установкой, получающее подъемную силу главным образом за счет аэродинамических реакций на поверхности, которые остаются неподвижными при данных условиях полета».
Обратите внимание, что это определение исключает как дирижабли (потому что они получают подъемную силу от плавучести, а не от воздушного потока над поверхностью), так и баллистические ракеты (потому что их подъемная сила обычно выводится напрямую и полностью из почти вертикальной тяги). Технически, можно сказать, что оба они испытывают «механику полета» в более общем смысле физических сил, действующих на тело, движущееся в воздухе ; но они действуют совершенно по-разному и обычно выходят за рамки этого термина.
Летательный аппарат тяжелее воздуха (самолет) может летать только при наличии ряда аэродинамических сил. Что касается самолета с фиксированным крылом, то фюзеляж самолета поддерживает крылья перед взлетом. В момент взлета происходит обратное, и крылья поддерживают самолет в полете.
В полете на самолет с двигателем можно рассматривать как находящийся под действием четырех сил: подъемной силы , веса , тяги и сопротивления . [1] Тяга — это сила, создаваемая двигателем (будь то реактивный двигатель , пропеллер или — в экзотических случаях, таких как X-15 — ракета ) и действующая в прямом направлении с целью преодоления сопротивления. [2] Подъемная сила действует перпендикулярно вектору, представляющему скорость самолета относительно атмосферы. Сопротивление действует параллельно вектору скорости самолета, но в противоположном направлении, поскольку сопротивление сопротивляется движению в воздухе. Вес действует через центр тяжести самолета , по направлению к центру Земли.
В прямолинейном и горизонтальном полете подъемная сила приблизительно равна весу и действует в противоположном направлении. Кроме того, если самолет не ускоряется, тяга равна и противоположна сопротивлению. [3]
В прямолинейном полете с набором высоты подъемная сила меньше веса. [4] На первый взгляд это кажется неверным, поскольку если самолет набирает высоту, то кажется, что подъемная сила должна превышать вес. Когда самолет набирает высоту с постоянной скоростью, именно его тяга позволяет ему набирать высоту и получать дополнительную потенциальную энергию. Подъемная сила действует перпендикулярно вектору, представляющему скорость самолета относительно атмосферы, поэтому подъемная сила не может изменить потенциальную энергию самолета или кинетическую энергию. Это можно увидеть, рассмотрев пилотажный самолет в прямолинейном вертикальном полете (тот, который поднимается прямо вверх или спускается прямо вниз). Вертикальный полет не требует подъемной силы. При полете прямо вверх самолет может достичь нулевой скорости полета, прежде чем упасть на землю; крыло не создает подъемной силы и, таким образом, не сваливается. В прямолинейном полете с набором высоты с постоянной скоростью воздуха тяга превышает сопротивление.
В прямолинейном нисходящем полете подъемная сила меньше веса. [5] Кроме того, если самолет не ускоряется, тяга меньше сопротивления. В поворотном полете подъемная сила превышает вес и создает коэффициент нагрузки больше единицы, определяемый углом крена самолета . [6]
Существует три основных способа, с помощью которых самолет может изменить свою ориентацию относительно проходящего воздуха. Тангаж (движение носа вверх или вниз, вращение вокруг поперечной оси), крен (вращение вокруг продольной оси, то есть оси, которая проходит по длине самолета) и рыскание (движение носа влево или вправо, вращение вокруг вертикальной оси). Поворот самолета (изменение курса) требует, чтобы самолет сначала совершил крен, чтобы достичь угла крена (чтобы создать центростремительную силу); когда желаемое изменение курса достигнуто, самолет должен снова быть развернут в противоположном направлении, чтобы уменьшить угол крена до нуля. Подъемная сила действует вертикально вверх через центр давления, который зависит от положения крыльев. Положение центра давления будет меняться с изменением угла атаки и положения закрылков самолета.
Рыскание вызывается подвижным рулем направления. Движение руля направления изменяет размер и ориентацию силы, создаваемой вертикальной поверхностью. Поскольку сила создается на расстоянии позади центра тяжести, эта боковая сила вызывает момент рыскания, а затем движение рыскания. На большом самолете может быть несколько независимых рулей направления на одном киле как для безопасности, так и для управления взаимосвязанными действиями рыскания и крена.
Использование только рыскания не является эффективным способом выполнения горизонтального поворота самолета и приведет к некоторому боковому скольжению. Необходимо создать точное сочетание крена и подъемной силы, чтобы вызвать требуемые центростремительные силы без бокового скольжения.
Тангаж управляется задней частью горизонтального стабилизатора хвостового оперения , которая шарнирно закреплена для создания подъемника . Перемещая управление рулем высоты назад, пилот перемещает руль высоты вверх (положение отрицательной кривизны), и направленная вниз сила на горизонтальном хвосте увеличивается. Угол атаки крыльев увеличивается, поэтому нос задирается вверх, а подъемная сила обычно увеличивается. В сверхлегких самолетах и дельтапланах действие тангажа обратное — система управления тангажем намного проще, поэтому, когда пилот перемещает управление рулем высоты назад , он создает тангаж носом вниз, и угол атаки крыла уменьшается.
Система фиксированной хвостовой поверхности и подвижных рулей высоты является стандартной для дозвуковых самолетов. Летательные аппараты, способные летать на сверхзвуковой скорости, часто имеют стабилизатор , цельноповоротную хвостовую поверхность. В этом случае тангаж изменяется за счет перемещения всей горизонтальной поверхности хвоста. Это, казалось бы, простое нововведение было одной из ключевых технологий, сделавших сверхзвуковой полет возможным. В ранних попытках, когда пилоты превышали критическое число Маха , странное явление делало их управляющие поверхности бесполезными, а их самолет неуправляемым. Было установлено, что по мере того, как самолет приближается к скорости звука, воздух, приближающийся к самолету, сжимается, и ударные волны начинают формироваться на всех передних кромках и вокруг линий шарниров руля высоты. Эти ударные волны вызывали движения руля высоты, не вызывая изменения давления на стабилизаторе перед рулем высоты. Проблема была решена путем замены стабилизатора и шарнирного руля высоты на цельноповоротный стабилизатор — вся горизонтальная поверхность хвоста становилась цельной управляющей поверхностью. Кроме того, при сверхзвуковом полете изменение кривизны крыла оказывает меньшее влияние на подъемную силу, а стабилизатор создает меньшее сопротивление [ необходима ссылка ] .
Самолеты, которым необходимо управление на экстремальных углах атаки, иногда оснащаются конфигурацией «утка» , в которой движение тангажа создается с помощью передней носовой части (примерно на уровне кабины). Такая система обеспечивает немедленное увеличение авторитета тангажа и, следовательно, лучшую реакцию на управление тангажем. Эта система распространена в самолетах с дельта-крылом (дельтапланах), которые используют стабилизированную носовую часть типа «утка». Недостатком конфигурации «утка» по сравнению с хвостовым оперением является то, что крыло не может использовать такое же расширение закрылков для увеличения подъемной силы крыла на малых скоростях из-за характеристик сваливания. Комбинированный трехповерхностный самолет использует как «утку», так и хвостовое оперение (в дополнение к основному крылу) для достижения преимуществ обеих конфигураций.
Еще одной конструкцией хвостового оперения является V-образное хвостовое оперение , названное так потому, что вместо стандартного перевернутого Т-образного хвостового оперения здесь имеются два киля, расположенных под углом друг к другу в форме буквы V. Управляющие поверхности в этом случае действуют как рули направления и высоты, перемещаясь в соответствующем направлении по мере необходимости.
Крен контролируется подвижными секциями на задней кромке крыльев, называемыми элеронами . Элероны движутся в противофазе друг другу — один идет вверх, а другой вниз. Разница в изгибе крыла вызывает разницу в подъемной силе и, таким образом, креновое движение. Помимо элеронов, иногда встречаются также интерцепторы — небольшие шарнирные пластины на верхней поверхности крыла, изначально использовавшиеся для создания сопротивления, чтобы замедлить самолет и уменьшить подъемную силу при снижении. На современных самолетах, которые имеют преимущество автоматизации, они могут использоваться в сочетании с элеронами для обеспечения управления креном.
Самые ранние самолеты с двигателем, построенные братьями Райт, не имели элеронов. Все крыло было деформировано с помощью проводов. Деформация крыла эффективна, поскольку в геометрии крыла нет разрывов, но с ростом скорости непреднамеренная деформация стала проблемой, поэтому были разработаны элероны.