Почему и как летает самолет
(Изд. 2-е)

Какие силы заставляют тяжелую машину легко кувыркаться в воздухе? Как летчик управляет этими силами в криволинейном полете?

Конечно, это все те же аэродинамические силы. И в криволинейном полете опять-таки главную роль играет подъемная сила крыла.

Известно, что всякое тело по инерции стремится двигаться прямолинейно. Чтобы заставить его двигаться по кривой, нужна так называемая центростремительная сила. Вот пример.

Если привязать нитку к камню и вращать его, то нитка натянется и, удерживая камень, заставит его описывать круги. Движение камня по окружности будет происходить под действием силы вашей руки. Передаваясь через нитку, эта сила не позволяет камню удалиться от центра вращения. Если нитка оборвется, то действие этой силы прекратится и камень по инерции полетит прямолинейно. Сила, с которой ваша рука действует на камень и заставляет его вращаться вокруг некоторого центра, и называется центростремительной (она направлена от окружности к центру).

При движении велосипедиста по кривой линии центростремительной силой служит слагаемая силы веса, так как велосипедист наклоняет машину в сторону поворота. При движении самолета по криволинейной траектории роль центростремительной силы обычно выполняет слагаемая подъемной силы крыла (рис. 29, а). Когда летчик наклоняет самолет на некоторый угол в сторону желаемого разворота, то на такой же угол отклоняется от вертикали и подъемная сила (рис. 29, б).

Рис. 29. Вираж самолета: а) вираж по кругу; б) действие сил на вираже: вертикальная слагаемая подъемной силы П1 уравновешивает силу веса В, а горизонтальная слагаемая П2 играет роль центростремительной силы.

И если разложить ее на две слагаемые — по вертикали и горизонтали, то становится ясно, что слагаемая П1 поддерживает самолет в воздухе, а слагаемая П2, направленная к центру виража, служит центростремительной силой (ей всегда сопутствует центробежная сила Ц, направленная в противоположную сторону).

Чтобы подъемной силы крыла хватило и на то и на другое, летчик при вводе самолета в вираж увеличивает угол атаки (или скорость полета).

Накреняя самолет элеронами в сторону виража, летчик одновременно отклоняет в ту же сторону и руль направления (действующий подобно рулю лодки). Благодаря этому самолет разворачивается «охотнее».

На самолете можно делать виражи различных радиусов. Особенно важны виражи малых радиусов (например, при фигурных полетах или в воздушном бою, когда нужно быстро развернуться). Для уменьшения радиуса виража приходится увеличивать крен — ведь при этом растет центростремительная сила.

Радиус виража сильно зависит от скорости полета.

Вы знаете, что при быстром беге, быстрой езде на велосипеде, мотоцикле, автомобиле трудно сделать крутой поворот, для поворота приходится уменьшать скорость. Так и на самолете: если летчик желает уменьшить радиус виража, то он должен уменьшить скорость полета.

По этой причине тихоходный самолет может делать виражи малых радиусов, а истребитель — только больших радиусов. Например, самолет ПО-2 может сделать вираж с радиусом всего в 60 метров, тогда как истребитель делает вираж с радиусом самое меньшее 350–400 метров. Именно поэтому во время Великой Отечественной войны самолеты ПО-2 нередко спасались от нападения фашистских истребителей: в опасный момент советский летчик делал крутой вираж и самолет противника, не имея возможности так же круто развернуться, проскакивал мимо.

Очень интересен быстрый вираж с одновременным подъемом, который называют боевым разворотом (рис. 30, а).

Рис. 30. Фигурный полет самолета: а) боевой разворот, б) петля Нестерова.

Для боевого разворота летчик накреняет машину элеронами и одновременно сильно увеличивает угол атаки. Самолет с креном круто взмывает вверх, причем по мере подъема крен увеличивается, а радиус разворота уменьшается. Затем летчик выравнивает самолет и берет нужное направление полета.

Самая эффектная фигура — петля Нестерова (рис. 30, б). Первым в мире ее выполнил замечательный русский летчик П. Н. Нестеров в 1913 году. В прежние времена в цирках показывали очень интересный номер. Акробат на велосипеде или на тележке съезжал по крутому настилу, изгибавшемуся затем в виде вертикальной петли. Вершину петли акробат проезжал вниз головой. Этот номер именовался «мертвой петлей».

Подобием ее и является петля, выполняемая на самолете, — с той лишь разницей, что разгон самолета достигается тягой силовой установки.

Для выполнения петли летчик в горизонтальном полете энергично берет ручку рулевого управления на себя.

Поэтому угол атаки крыла сильно увеличивается, подъемная сила резко возрастает и становится больше силы веса, то есть появляется некоторый излишек подъемной силы. Под действием излишка подъемной силы траектория полета круто изгибается вверх. Самолет описывает первую половину петли при работе двигателя на полном газе. На вершине петли машина оказывается вверх колесами, а летчик — вниз головой. Всегда сопутствующая центростремительной силе центробежная сила как бы прижимает самолет к воздуху, находящемуся выше его, а летчика — к сидению. Когда самолет переходит за вершину петли, летчик уменьшает тягу винта до самой малой и ставит ручку управления в среднее положение, а за-тем выбирает ее на себя, чтобы перевести самолет из пикирования в нормальный полет.

Действие центростремительной и центробежной сил можно легко проверить на опыте с вращением камня, если последний заменить ведерком с водой. При вращении вокруг некоторого центра ведерко будет описывать «мертвую петлю» и вода из него не выльется. Центробежная сила будет отбрасывать ведерко от центра к окружности, прижимать воду к донышку, как прижимает и летчика к сидению.

Форма петли, выполняемой на самолете, получается не круглой, а несколько вытянутой вверх. Это объясняется тем, что при подъеме на вершину петли скорость падает, и радиус кривизны траектории уменьшается. Во второй половине петли (при пикировании) скорость снова нарастает, и радиус опять увеличивается.

Кроме петли Нестерова и боевого разворота, на самолете можно выполнять и другие фигуры — так называемую горку, переворот через крыло, двойной переворот, называемый «бочкой» и т. д.

Фигурный (высший) пилотаж играет большую роль в подготовке летчиков. Цель его — научить летчика маневрировать в полете и развивать в нем уверенность в своих силах, выносливость, самообладание, бесстрашие.

Эту цель и ставил себе основоположник высшего пилотажа П. Н. Нестеров. Советские летчики — его достойные последователи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вся история развития самолета — от его рождения до наших дней — это история борьбы за скорость полета. Дальнейшее развитие авиации, несомненно, будет также тесно связано с ростом скорости полета.

Полвека назад максимальная скорость полета была всего лишь около 100 километров в час, а в наше время она превышает 2000 километров в час. Как был достигнут этот замечательный успех авиации?

Сначала скорость росла благодаря непрерывному улучшению аэродинамических форм самолета и увеличению мощности его силовой установки. Однако к 40-м годам нашего века аэродинамические формы самолета были доведены уже до такого совершенства, что дальнейшее улучшение их могло дать лишь незначительный выигрыш в скорости. Увеличение мощности силовой установки также не сулило большой выгоды, так как с увеличением мощности возрастают вес и размеры поршневого двигателя, а это ведет к повышению веса самолета и его лобового сопротивления — в результате скорость увеличивается незначительно.

Мешали и другие причины, лежащие в самой природе полета с большими скоростями.