В аэронавтике коэффициент нагрузки — это отношение подъемной силы самолета к его весу [ 1] [2] : § 5.22 , и он представляет собой глобальную меру напряжения ( «нагрузки»), которому подвергается конструкция самолета:
где
Поскольку коэффициент нагрузки является отношением двух сил, он безразмерен. Однако его единицей традиционно называют g из-за связи между коэффициентом нагрузки и кажущимся ускорением силы тяжести, ощущаемым на борту самолета. Коэффициент нагрузки, равный единице, или 1 g, представляет условия прямого и горизонтального полета, где подъемная сила равна весу. Коэффициенты нагрузки, большие или меньшие единицы (или даже отрицательные), являются результатом маневров или порывов ветра. [3]
Тот факт, что коэффициент нагрузки обычно выражается в единицах g , не означает, что он размерно такой же, как ускорение свободного падения , также обозначаемое как g . Коэффициент нагрузки является строго безразмерным.
Использование единиц g относится к тому факту, что наблюдатель на борту самолета будет испытывать кажущееся ускорение силы тяжести (т. е. относительно своей системы отсчета), равное коэффициенту нагрузки, умноженному на ускорение силы тяжести. Например, наблюдатель на борту самолета, выполняющий поворот с коэффициентом нагрузки 2 (т. е. поворот 2 g), будет видеть, как предметы падают на пол с ускорением, вдвое превышающим нормальное ускорение силы тяжести.
В общем, всякий раз, когда используется термин фактор нагрузки , формально правильно выражать его только с помощью чисел, например, «максимальный фактор нагрузки 4». Если термин фактор нагрузки опущен, то вместо него используется g , например, «pulling a 3 g turn». [2] : § 14.3
Коэффициент нагрузки больше 1 приведет к увеличению скорости сваливания на коэффициент, равный квадратному корню коэффициента нагрузки. Например, если коэффициент нагрузки равен 2, скорость сваливания увеличится в соотношении , или примерно на 140%. [ необходима цитата ]
Коэффициент перегрузки, и в частности его знак, зависит не только от сил, действующих на самолет, но и от ориентации его вертикальной оси.
Во время прямого и горизонтального полета коэффициент нагрузки равен +1, если самолет летит "правильным образом вверх", [2] : 90 , тогда как он становится −1, если самолет летит "вверх ногами" (перевернутым). В обоих случаях вектор подъемной силы одинаков (как это видно наблюдателю на земле), но в последнем случае вертикальная ось самолета направлена вниз, что делает знак вектора подъемной силы отрицательным.
В поворотном полете коэффициент нагрузки обычно больше +1. Например, при повороте с углом крена 60° коэффициент нагрузки равен +2. Опять же, если тот же поворот выполняется с перевернутым самолетом, коэффициент нагрузки становится равным −2. В общем , при сбалансированном повороте, в котором угол крена равен θ , коэффициент нагрузки n связан с косинусом θ как [1] [2] : 407
Другой способ достижения коэффициента перегрузки, значительно превышающего +1, — это потянуть на себя управление рулем высоты в нижней точке пикирования, тогда как сильное нажатие ручки вперед во время прямого и горизонтального полета, скорее всего, приведет к возникновению отрицательного коэффициента перегрузки, заставив подъемную силу действовать в направлении, противоположном нормальному, то есть вниз.
В определении коэффициента нагрузки подъемная сила — это не просто сила, создаваемая крылом самолета , а векторная сумма подъемной силы, создаваемой крылом, фюзеляжем и хвостовым оперением , [2] : 395 или, другими словами, это перпендикулярная воздушному потоку составляющая суммы всех аэродинамических сил, действующих на самолет.
Подъемная сила в коэффициенте нагрузки также подразумевает наличие знака, который является положительным, если вектор подъемной силы указывает в том же направлении, что и вертикальная ось самолета, или близок к нему, или отрицательным, если он указывает в противоположном направлении или близок к нему. [4]
Следует избегать чрезмерных коэффициентов перегрузки из-за возможности превышения прочности конструкции самолета.
Гражданские авиационные власти устанавливают пределы коэффициента загрузки, в пределах которых различные категории воздушных судов должны работать без повреждений. Например, Федеральные авиационные правила США предписывают следующие пределы (для наиболее ограничительного случая):
Однако многие типы самолетов, в частности, пилотажные самолеты, спроектированы так, что они могут выдерживать перегрузки, значительно превышающие минимально требуемые. Например, семейство самолетов Sukhoi Su-26 имеет пределы перегрузки от −10 до +12. [9]
Максимальные коэффициенты перегрузки, как положительные, так и отрицательные, применимые к воздушному судну, обычно указываются в руководстве по летной эксплуатации воздушного судна .
Когда коэффициент нагрузки равен +1, все пассажиры самолета чувствуют, что их вес нормальный. Когда коэффициент нагрузки больше +1, все пассажиры чувствуют себя тяжелее обычного. Например, при маневре 2 g все пассажиры чувствуют, что их вес вдвое больше обычного. Когда коэффициент нагрузки равен нулю или очень мал, все пассажиры чувствуют себя невесомыми. [2] : 398 Когда коэффициент нагрузки отрицательный, все пассажиры чувствуют, что они перевернуты.
Люди имеют ограниченную способность выдерживать перегрузку, значительно превышающую 1, как положительную, так и отрицательную. Беспилотные летательные аппараты могут быть спроектированы для гораздо больших перегрузок, как положительных, так и отрицательных, чем обычные самолеты, что позволяет использовать эти аппараты в маневрах, которые были бы невыполнимы для пилота-человека.
