Угол гроба (также известный как аэродинамический потолок [1] или угол Q ) — это область полета, в которой скорость сваливания быстрого, но дозвукового самолета с неподвижным крылом близка к критическому числу Маха при заданной полной массе и перегрузке. загрузка . На этом участке полета очень сложно удержать самолет в устойчивом полете. Поскольку скорость сваливания — это минимальная скорость, необходимая для поддержания горизонтального полета, любое снижение скорости приведет к сваливанию самолета и потере высоты. Поскольку критическое число Маха — это максимальная скорость, с которой воздух может перемещаться по крыльям без потери подъемной силы из-за отрыва потока и ударных волн, любое увеличение скорости приведет к тому, что самолет потеряет подъемную силу или сильно наклонится носом вниз и потеряет высота.
«Угол» относится к треугольной форме в верхней части диаграммы диапазона полета , где скорость сваливания и критическое число Маха находятся в пределах нескольких узлов друг от друга. «Гроб» означает возможную смерть в таких ларьках. Скорость, где они встречаются, и есть потолок самолета. Это отличается от того же термина, который используется для вертолетов, находящихся за пределами режима авторотации, как показано на диаграмме высоты-скорости .
Рассмотрение статики показывает, что когда самолет находится в прямолинейном горизонтальном полете с постоянной воздушной скоростью , подъемная сила на основном крыле плюс сила (в отрицательном смысле, если направлена вниз) на горизонтальный стабилизатор равна весу самолета и его тяга равна его сопротивлению . В большинстве случаев это равновесие может возникнуть в диапазоне скоростей полета. Минимальной такой скоростью является скорость сваливания, или V SO . Указанная воздушная скорость , при которой самолет сваливается, зависит от веса самолета, но незначительно зависит от высоты. На скоростях, близких к скорости сваливания, крылья самолета находятся под большим углом атаки .
На больших высотах плотность воздуха ниже, чем на уровне моря. Из-за постепенного уменьшения плотности воздуха по мере увеличения высоты самолета его истинная воздушная скорость постепенно превышает расчетную воздушную скорость. Например, указанную воздушную скорость, при которой самолет сваливается, можно считать постоянной, но истинная скорость, при которой он сваливается, увеличивается с высотой.
Воздух проводит звук с определенной скоростью, « скоростью звука ». Это замедляется по мере того, как воздух становится прохладнее. Поскольку температура атмосферы обычно снижается с высотой (до наступления тропопаузы ), скорость звука также уменьшается с высотой. ( Подробнее о зависимости температуры от высоты см. в Международной стандартной атмосфере .)
Заданная воздушная скорость, разделенная на скорость звука в этом воздухе, дает соотношение, известное как число Маха . Число Маха 1,0 указывает на скорость полета, равную скорости звука в этом воздухе. Поскольку скорость звука увеличивается с температурой воздуха, а температура воздуха обычно уменьшается с высотой, истинная скорость воздуха для данного числа Маха обычно уменьшается с высотой. [2]
Поскольку самолет движется в воздухе быстрее, поток воздуха над частями крыла достигнет скорости, приближающейся к 1,0 Маха. На таких скоростях в воздухе, проходящем над крыльями, образуются ударные волны , резко увеличивающие сопротивление из-за расхождения сопротивления , вызывая тряску Маха или резко изменяя центр давления , что приводит к моменту опускания носа, называемому « маховой подкладкой ». Число Маха самолета, при котором проявляются эти эффекты, известно как его критическое число Маха , или M CRIT . Истинная скорость полета, соответствующая критическому числу Маха, обычно уменьшается с высотой.
Диапазон полета представляет собой график различных кривых, представляющих пределы истинной воздушной скорости и высоты самолета. Обычно верхняя левая граница огибающей представляет собой кривую, показывающую скорость сваливания, которая увеличивается с увеличением высоты. Верхняя правая граница конверта представляет собой кривую, представляющую критическое число Маха в терминах истинной воздушной скорости, которое уменьшается с увеличением высоты. Эти кривые обычно пересекаются на некоторой высоте, превышающей максимально разрешенную высоту для самолета. Это пересечение является углом гроба или, более формально, углом Q. [3]
Приведенное выше объяснение основано на уровне, постоянной скорости, полете с заданной полной массой и коэффициентом перегрузки 1,0 G. Конкретные высоты и скорости угла гроба будут различаться в зависимости от веса, а коэффициент перегрузки увеличивается из-за маневров крена и тангажа. . Аналогично, конкретные высоты, на которых скорость сваливания соответствует критическому числу Маха, будут различаться в зависимости от фактической температуры атмосферы.
Когда самолет замедляется до скорости ниже скорости сваливания, он не может создать достаточную подъемную силу, чтобы нейтрализовать силы, действующие на самолет (такие как вес и центростремительная сила). Это приведет к снижению высоты самолета. Падение высоты может привести к тому, что пилот увеличит угол атаки, потянув ручку назад, поскольку обычно увеличение угла атаки приводит к набору высоты. Однако при превышении крылом критического угла атаки увеличение угла атаки приведет к потере подъемной силы и дальнейшей потере скорости полета – крыло сваливается . Причина, по которой крыло сваливается при превышении критического угла атаки, заключается в том, что поток воздуха над верхней частью крыла разделяется .
Когда самолет превышает критическое число Маха (например, во время предотвращения сваливания или выхода из него), сопротивление увеличивается или происходит подворачивание Маха , что может привести к опрокидыванию самолета, потере управления и потере высоты. В любом случае, когда самолет падает, он может набрать скорость, а затем может произойти разрушение конструкции , обычно из-за чрезмерных перегрузок на этапе подъема.
По мере приближения самолета к углу гроба разница между скоростью сваливания и критическим числом Маха становится все меньше и меньше. Небольшие изменения могут привести к тому, что то или иное крыло окажется выше или ниже допустимых пределов. Например, при повороте внутреннее крыло имеет более низкую скорость полета, а внешнее крыло - более высокую. Самолет мог превысить оба предела одновременно. Или турбулентность может привести к внезапному изменению скорости полета до предельных значений. Некоторые самолеты, такие как Lockheed U-2 , обычно работают в «уголке гроба». В случае с У-2 самолет был оснащен автопилотом, правда, он был ненадежен. [4] Запас скорости U-2 на большой высоте между 1- g предупреждением о сваливании и махом может составлять всего 5 узлов. [5]
Самолеты, способные летать близко к критическому числу Маха, обычно имеют махметр — прибор, который показывает скорость в единицах числа Маха. В рамках сертификации самолетов в Соединенных Штатах Америки Федеральное управление гражданской авиации (FAA) сертифицирует максимальную эксплуатационную скорость в единицах числа Маха или MMO .
После серии крушений высокопроизводительных самолетов, летавших на больших высотах, причину которых невозможно было объяснить, поскольку самолеты практически полностью были разрушены, ФАУ опубликовало консультативный циркуляр, устанавливающий руководящие принципы для улучшения подготовки летных экипажей к выполнению полетов на больших высотах с высокими летно-техническими характеристиками. самолет. В циркуляре содержится подробное объяснение аэродинамических эффектов и операций возле угла гроба. [3]
Из-за влияния большего числа Маха при полете на большой высоте ожидаемые летные характеристики данной конфигурации могут существенно измениться. На это указывалось в отчете, описывающем влияние кристаллов льда на показания воздушной скорости трубки Пито на большой высоте:
«...угол атаки для начала бафтинга значительно меньше, чем угол атаки для сваливания на малых высотах. Высокоскоростной бизнес-джет», представленный на 24-м Международном конгрессе авиационных наук, включал в себя высокоскоростной бизнес-джет средней вместимости с крыльями большой стреловидности для проведения испытаний на низкой скорости. начальный угол наклона угла атаки произошел на 16,84 градуса. Напротив, в прямолинейном и горизонтальном полете на эшелоне 450 начальный угол угла наклона бафтинга составил 6,95 градуса. Другими словами, будьте осторожны с положением угла тангажа на больших высотах из-за ограниченного диапазона угла наклона угла атаки из-за Маха последствия." [6]
{{cite book}}: CS1 maint: date and year (link)