АЭРОДИНАМИКА
(начальные сведения)

Продольная Ось - воображаемая линия, которая соединяет нос и хвост самолета. При вращении вокруг нее самолет опускает одно и поднимает другое крыло. Это называется “крен” (по английски - Bank или Roll). Пилот управляет креном с помощью элеронов (Ailerons). Элероны - это управляющие плоскости (подвижная часть крыла), которые расположены у самых законцовок крыльев. Они движутся одновременно в противоположных направлениях. Один вверх, другой вниз. Например, вы отклоняете ручку управления (джойстик) влево. При этом левый элерон поднимается вверх и уменьшает подъемную силу левого крыла. Правый элерон одновременно опускается вниз и увеличивает подъемную силу правого крыла. Возникает сила, которая заставляет самолет опустить левое и поднять правое крыло, или создать “левый крен”. Самолет делает разворот главным образом потому, что в результате возникновения крена, подъемная сила отклоняется от вертикали и образует горизонтальную составляющую силы, которая действует в сторону опущенного крыла. Крен измеряется в градусах относительно линии горизонта. Нулевой крен - самолет летит ровно, крылья параллельны горизонту. Крен 90 - самолет “смотрит” одним крылом в землю, другим в небо.

Вертикальная Ось - воображаемая вертикальная линия, которая проходит через центр самолета в плане. Вращение вокруг нее называется “рыскание” (Yaw). Самолет при этом поворачивет нос влево или вправо (как автомобиль на дороге). Управляет этим вращением руль направления (Rudder). Это подвижная часть вертикального хвостового оперения самолета (киля). Руль направления отклоняется влево и вправо. Однако при этом движении не происходит разворота самолета в полете. Руль направления служит, в основном, для балансировки сил, возникающих в развороте или как противовес силам, отклоняющим нос самолета влево-вправо (например - вращение винта). Это т.н. “руль наоборот”, он не отклоняет самолет от линии полета, а, напротив, помогает его стабилизировать. Пилот управляет рулем направления прилагая давление на педали, закрепленные на полу кабины. При выполнении фигур пилотажа рулем направления можно создавать мощные разбалансирующие силы, и добиваться энергичных реакций самолета.

Поперечная Ось - воображаемая линия, которая проходит перпендикулярно продольной оси и соединяет законцовки крыльев. При вращении вокруг нее самолет опускает и поднимает нос. Это движение (и образуемый с горизонтальной плоскостью угол) называется “тангаж” (Pitch). Пилот двигает ручку управления “на себя”, при этом отклоняется вверх подвижная часть стабилизатора - руль высоты (Elevator), а самолет опускает хвост и поднимает нос. Отклонение ручки “от себя” приводит к опусканию носа.

Подъемная Сила (Lift) это сила, которая заставляет самолет летать. Пилот контролирует подъемную силу изменяя скорость полета (airspeed) и угол атаки (Angle Of Attack - AOA) (угол между набегающим потоком воздуха и плоскостью крыльев). Увеличение скорости и угла атаки приводит к увеличению подъемной силы, создаваемой крыльями. С увеличением скорости необходимо уменьшать угол атаки (немного опустить нос самолета), чтобы сохранить постоянной высоту полета. Когда самолет замедляется нужно увеличить угол атаки (приподнять нос), чтобы произвести больше подъемной силы и остаться на заданной высоте. Запомните, что подъемная сила практически всегда эквивалентна силе гравитации (Весу) и уравновешивает ее. Вертикальная скорость самолета (скорость набора высоты или снижения - Rate of Climb/Rate of Descend) связана в основном с силой тяги (сила двигателей, толкающая самолет вперед - Thrust), а не с подъемной силой.

Вес (Weight) противостоит подъемной силе. Эта сила действует вдоль мысленной линии, которая соединяет центр масс самолета и центр Земли. Вес изменяется в процессе полета с выработкой топлива (а также выпуском ракет и сбросом бомб, выбросом десанта). Но не только эти прямые причины вызывают уменьшение веса. При выполнении различных маневров самолет испытывает перегрузки (Load Factor или G-Force), и увеличивает вес, которому должна противостоять подъемная сила. Перегрузка это отношение веса, который в данный момент выдерживает конструкция самолета к нормальному весу самолета на стоянке. Измеряется в G (“Же”). Перегрузка 1G означает установившийся спокойный полет. Если самолет выполняет горизонтальный вираж с креном 60 градусов без снижения, его конструкция (и все пассажиры) испытывают перегрузку в 2 единицы (или 2G). На земле такой самолет мог весить две тонны, а в вираже-60, он “потянет” уже четыре! Чтобы сохранить баланс между весом и подъемной силой во время маневра и не потерять высоту пилот должен увеличить подъемную силу увеличив угол атаки или тягу двигателей (как правило, то и другое - координированно). Для этого нужно взять ручку “на себя” и добавить газ.

Тяга (Thrust) это сила, которая вырабатывается двигателями и толкает самолет сквозь воздушную среду. Тяге противостоит Лобовое Сопротивление (Drag). В установившемся полете они эквивалентны. Если пилот увеличивает тягу добавляя обороты двигателей и сохраняет постоянной высоту, тяга превосходит сопротивление воздуха. Самолет при этом ускоряется. Довольно быстро сопротивление увеличивается и вновь уравнивает тягу. Самолет стабилизируется на постоянной, но более высокой скорости. Тяга - важнейший фактор для определения скороподъемности самолета (как быстро он может набирать высоту). Вертикальная скорость набора высоты зависит не от величины подъемной силы, а от того, какой запас тяги имеет самолет больше чем необходимо для поддержания горизонтального полета.

Лобовое Сопротивление (Drag) состоит из двух компонентов. Вредное сопротивление (Parasite Drag) возникает в результате воздействия скоростного напора воздуха на элементы конструкции самолета. Шасси самолета, выступающие антенны, форма крыла, подвесные системы создают вредное сопротивление при движении сквозь воздух. Кроме того, в местах сочленения крыла и фюзеляжа, хвостового оперения, мотогондол возникают завихрения воздушного потока, которые также дают вредное сопротивление. Вредное сопротивление увеличивается как квадрат ускорения самолета (если вы увеличиваете скорость в два раза, вредное сопротивление возрастает в четыре раза). Очень скоростные самолеты несмотря на острые кромки крыльев и сверхобтекаемую форму испытывают существенный нагрев обшивки, когда превозмогают силу лобового сопротивления мощью своих двигателей (например, самый скоростной в мире высотный самолет-разведчик SR-71 “Черная Птица” защищен специальным теплоустойчивым покрытием). Второй компонент Drag называется индуктивным сопротивлением - это побочный продукт подъемной силы. Он возникает, когда воздух перетекает из области высокого давления перед крылом в разреженную среду позади крыла. Особенное воздействие индуктивного сопротивления ощутимо на малых скоростях полета, когда пилот вынужден увеличивать угол атаки, чтобы компенсировать вес самолета. При этом приходится добавлять газ (тягу), чтобы удержаться в воздухе. Видели, как самолет задирает нос при заходе на посадку? Тогда наверное и слышали как двигатели начинают гудеть сильнее. Индуктивное сопротивление, аналогично вредному сопротивлению находится в соотношении “один к двум” с ускорением самолета.

Крылья, а не двигатели держат самолет в воздухе. В 1700 году в Швейцарии родился мальчик Дэниел Бернулли. Несколько позже он стал великим ученым и открыл закон, или “уравнение Бернулли”. Суть ег заключается в том, что любой поток жидкости или газа сохраняет постоянной свою энергию. Скорость потока увеличивается - его давление уменьшается, и наоборот. Давление находится в обратной зависимости от скорости потока. Крыло самолета, если посмотреть на его поперечное сечение имеет особую форму - “профиль”. Снизу оно почти прямое, а кверху выгибается дугой, как мост над речкой. Крыло при движении самолета встречается со скоростным напором воздуха и рассекает его передней кромкой как ножом на два потока. Один поток устремляется “по прямой” вдоль нижней поверхности крыла. Второй поток отправляется более длинной дорогой “через мост” по верхней, выгнутой поверхности. Чтобы успеть к месту встречи со своей второй половиной верхний поток увеличивает скорость (стремясь сохранить неизменной энергию). Давление верхней половины потока, согласно уравнению Бернулли, меньше чем давление потока под крылом. И эта разница тем существеннее, чем выше скорость. Область потока под крылом стремится вверх, чтобы уравнять разницу давлений. На его пути очень кстати оказывается воздухонепроницаемое крыло, которое присоединено к фюзеляжу, в котором установлено кресло, а в нем сидите вы. Вы можете доедать свой завтрак, курить или глазеть в иллюминатор на заоблачной высоте, потому что почти триста лет назад один толковый швейцарец математически обосновал этот факт. Несмотря на то, что ученые в области аэродинамики до сих пор спорят, уравнение Бернулли на сегодняшний день является фундаментальным объяснением “почему самолет летает”. Пилот изменяет величину подъемной силы, когда двигает ручку управления “на себя-от себя”. Руль высоты при этом ходит вверх-вниз, а самолет меняет тангаж (Pitch - угол, который образует нос самолета с линией горизонта) и угол атаки (AOA - угол между скоростным напором и плоскостью крыла). Необходимо понимать, что эти углы не равны между собой. Самолет может держать нос на 1-2 градуса над горизонтом (тангаж), но снижаться (“плашмя”). В таком положении угол атаки будет 8-10 градусов, потому что скоростной напор приходит к встрече с крылом снизу вдоль оси снижения самолета. Т.е. угол атаки измеряется между линией-осью движения самолета и плоскостью крыла. Су-27 может после взлета задрать нос на 60 градусов (тангаж-Pitch) и ускоряться на форсаже нисколько не проваливаясь. Скоростной напор при этом будет набегать на крыло строго спереди, а угол атаки (AOA) равен нулю. Поэтому угол атаки и тангаж показывают совершенно разные приборы в кабине самолета.

Сваливание (Stall) самолета происходит когда угол атаки достигает критического значения для данного профиля (формы поперечного сечения) крыла. Помните ту половину рассеченного надвое скоростного напора, что отправилась длинным путем через верхнюю выгнутую часть крыла? С увеличением угла атаки скорость этого потока растет, а давление уменьшается, уменьшается и доходит до столь малого значения, что поток уже не в силах удержаться на поверхности крыла, он отрывается от нее и беспорядочно завихряется. Очень похоже на завихрения водного потока вокруг преграды. Подъемная сила при этом мгновенно пропадает, и на самолет действует только сила тяжести вдоль вертикальной оси. Машина резко опускает нос и камнем проваливается вниз. Если есть высота, хотя бы в 3000 метров, то, добавив импульс педалью, вы окажетесь в красивой фигуре под названием “штопор”. (который бывает еще и плоским, и перевернутым, но об этом позднее). Если же высоты у вас нет, то вы допустили самую роковую ошибку летчика, и сейчас у вас (и ваших пассажиров) будет полный рот земли. Сваливание - это аэродинамический феномен. Никакой роли в этом процессе не играет двигатель.Легкие планеры, сверхзвуковые истребители, тяжелые транспортные самолеты и космический корабль “Буран” - все одинаково сваливаются при достижении критического угла атаки, независимо от мощи (или полного отсутсвия) силовых установок. Крыло каждого типа самолета имеет свой специфичный критический угол атаки и при его достижении обязательно сваливается. Большинство небольших самолетов частной авиации имеют это значение около 15 градусов АОА (Angle of Attack). Сваливание наступает быстро, но не неожиданно. Первые проявления турбулентности при начинающемся срыве потока попадают на хвостовое оперение и летчик чувствует вибрацию, которая переходит в тряску. Почти все самолеты, в том числе и в FS-6, имеют специальные датчики, которые определяют начало срыва. В кабине включается предупредительная звуковая сирена и вспыхивает табло “СРЫВ” (STALL). Кроме того, на приборной доске есть указатель AOA. Пилот при освоении нового типа самолета обязан наизусть знать летные ограничения данной машины, в т.ч. и критический угол атаки. Если срыв потока и сваливание самолета все же произошли, нужно не теряя самообладания правильно вывести машину из опасной ситуации. Есть только один способ это сделать - уменьшить угол атаки. Ни в коем случае не тяните ручку на себя при сваливании! Тогда вы точно будете размазаны по земле. Отдайте ручку от себя, хотя высота и так падает. Смотрите на указатель АОА и скорости. Добавьте тягу, чтобы потерять меньше высоты. Как только крыло вновь “подхватит” падающий самолет начинайте плавно, но энергично выводить. Это очень важно, именно плавно (но не медленно). Ваше крыло и рули взаимодействуют с подвижной воздушной средой, а она не терпит никаких рывков. Тем более вы сейчас падаете и крыло еще близко к критическому углу атаки. Рванете резко, и окажетесь в новом сваливании, выхода из которого уже точно не будет. О том как двигать рулями можно получить представление глядя на птиц. Птица не бъет истерически крыльями по воздуху. Ее движения иногда могут быть энергичными, но всегда плавными.

Набор высоты происходит когда двигатель производит больше тяги, чем нужно для горизонтального полета с определенным весом и углом атаки. Во время установившегося набора высоты (без ускорения) подъемная сила даже несколько меньше чем вес. Это происходит потому, что нос самолета приподнят и вектор подъемной силы (перпендикулярный плоскости крыльев) несколько отклонен назад. Т.о. вертикальная составляющая этой силы уменьшается. Недостающую часть силы дает именно тяга двигателя. Посмотрите, как уходит свечой в небо перехватчик, опираясь толко на огненный столб из сопла двигателя. На небольшом поршневом самолете это не так заметно визуально, но суть явления та же. Раз тяга, это сила которая определяет вертикальную скорость, значит именно рычаг управления двигателем, а не ручка управления (джойстик) является главным органом управления “вверх-вниз” в самолете. Набор высоты обычно начинается с подъема носа самолета ручкой управления. Но если не добавить режим двигателя после этого, то индуктивное сопротивление быстро сведет на нет ваши усилия. Самолет наберет некоторую высоту и стабилизируется на ней, но уже с меньшей скоростью полета и увеличенным углом атаки (так и до срыва недалеко). Поэтому техника набора высоты всегда такая: поднять ручкой нос на нужную величину, следить за увеличением угла атаки, добавить режим двигателя, чтобы угол атаки вернулся к изначальному значению. Осознайте, что вы не водитель. Вы контролируете две мощнейших силы природы и противопоставляете им две столь же мощные рукотворные силы. Они сходятся в одной точке где-то рядом с вашим креслом. Используйте пятую Силу - свой разум, чтобы четыре предыдущих всегда работали на вас.

Снижение самолета предшествует приземлению. Хорошее снижение - залог красивой посадки. Многие PC-пилоты думают, что для того, чтобы снижаться нужно отдать от себя ручку управления и опустить вниз нос самолета, правильно? - Неправильно. Запомните, что если вы будете держать постоянным угол тангажа (положение носа относительно горизонта), набором высоты, горизонтальным полетом и снижением командует сила тяги (рычаг управления двигателем). Больше тяги - набор высоты, меньше - снижение. Конечно, все четыре органа управления участвуют в контроле сил (газ, елероны, руль высоты и руль направления), но каждая из них имеет свою “зону ответственности”. Действуйте ими координированно и слитно. На летной практике мы будем пробовать начать снижение, остановить его и перейти в набор высоты действуя режимом двигателя.

Горизонтальный полет может показаться простым заданием. На самом деле - это один из сложнейших в освоении маневров. На языке начинающих пилотов это называется “собирать стрелки в кучу”. Пилот хочет контролировать машину и укрощает ее почти все время, вступая в борьбу с заложенной в конструкцию самолета устойчивостью. Устойчивость бывает трех типов: положительная, нейтральная и отрицательная. Большинство самолетов обладают положительной устойчивостью, но есть и исключения. Положительная устойчивость подразумевает стремление самолета сохранить положение, которое было у него до появления управляющего импульса или силы. При нейтральной устойчивости самолет остается в том состоянии, в которое его привело внешнее воздействие. Отрицательная устойчивость характеризует агрессивное противодействие внешним силам с адекватной энергией и увеличением амплитуды (“раскачивание самолета”). Устойчивость может меняться в полете от одного типа к другому вследствие отказов жизненно важных систем, боевых повреждений, обледенения и прочих катаклизмов. Для того, чтобы понять технику пилотирования в горизонтальном полете, представьте себе канатоходца без страховки под куполом цирка. Разница в том, что он контролирует две силы, а вы - четыре. Движения ручкой управления, газом и педалями должны быть такими же как у канатоходца - балансирующими. Вы должны давать очень мягкие, небольшие управляющие импульсы всем силам, которые в вашем распоряжении, для того чтобы не позволить самолету болтаться по всему небу. Задача непростая поэтому стоит воспользоваться одной известной формулой: “Разделяй и властвуй”. Поделим большую задачу на две задачи поменьше:

Выдерживание постоянной высоты и скорости. Эта часть требует, чтобы две пары противодействующих сил (подъемная сила и вес, тяга и лобовое сопротивление) были сбалансированы.

Выдерживание курса. Эта проблема решается путем перекрестного контроля двух приборов (указателя курсовой системы - heading indicator и указателя поворота - turn coordinator).Нужно удерживать крылья от кренов и вносить своевременные небольшие поправки в курс.

Поворот самолета на новый курс получается благодаря тому, что вы создаете крен ручкой управления, а отнюдь не вследствие отклонения руля направления педалями. Но, как и любой маневр самолета, эта эволюция требует полного контроля всех действующих на машину сил. Например, вам нужно выполнить левый разворот. Вы отклоняете ручку влево. Элерон левого крыла поднимается вверх, а его близнец на правом крыле одновременно отклоняется вниз. Таким образом подъемная сила правого крыла становится больше, а левого меньше - самолет кренится влево. Вектор подъемной силы получается отклоненным от вертикали в сторону крена. Горизонтальная составляющая подъемной силы стремится утащить самолет влево. Т.к. самолет не висит неподвижно, а имеет достаточно большую горизонтальную скорость, он не движется боком как вертолет в сторону возникшей силы, а описывает окружность. Получается разворот или вираж. Кроме того, отклоненные в разные стороны элероны вызывают к жизни еще одну силу, уже нам знакомую - лобовое сопротивление. Она больше действует на правое крыло, т.к. у него получается больший угол атаки. Что происходит с автомобилем, у которого правое колесо спустило и тормозит? - Стремление уйти вправо. Самолет в данном случае пытается повернуть нос в сторону, противоположную повороту (“из круга”). Для противодействия возникшей силе вы должны приложить адекватное давление на левую педаль, отклоняя влево руль направления. Это движение должно быть небольшим и соразмерным с возникшей силой (на приборной доске есть указатель поворота, который показывает качество выполнения маневра, позднее мы познакомимся с ним). Если “передавить” левую педаль, самолет начнет скольжение (движение боком) в центр круга. Это еще не все. Т.к. вы отклонили подъемную силу от вертикали, вес начинает пересиливать ее, и самолет теряет высоту. Вам нужно увеличить подъемную силу для удержания высоты в развороте. Чтобы это сделать, необходимо большее значение угла атаки, а значит нужно брать ручку “на себя”. И чем глубже ваш разворот (больше крен), тем больше вам нужно производить подъемной силы, а значит больше брать ручку на себя. Но угол атаки при этом начнет стремительно приближаться к критическому. Помните про срыв? Мы не собираемся в штопор, на нужно всего-лишь выполнить разворот на заданной высоте. Нужно вернуть угол атаки в дозволенные пределы, а значит добавить тягу рычагом управления двигателем. Крен также будет стремиться вернуться к горизонту и его нужно контролировать еще по одному прибору - авиагоризонту. В этой борьбе сил начнет расти перегрузка, ее нельзя допустить дальше чем разрешает РЛЭ (руководство по летной эксплуатации данного типа самолета), значит нужно поглядывать на акселерометр (прибор для измерения перегрузки), иначе самолет может разрушиться - в симуляторе это очень красиво смотрится именно на Цессне. В развороте процесс управления силами особенно скоротечен. Нужно почуствовать власть над всеми четырьмя монстрами и держать их в равновесии. Нельзя здесь дать четкий совет, на сколько конкретно нужно отклонить ручку, и до какого режима увеличивать обороты. Вы должны слиться с самолетом и стать его мозгом. Идеальное выполнение координированного разворота должно быть таким, что стакан воды наполненный до краев не сдвинется с места и не расплещется. Вот собственно и все, что вам нужно обязательно понимать из обширной науки под названием Аэродинамика, для того, чтобы летать на частном самолете, или быть профессионалом в Microsoft Flight Simulator.