Как летает самолёт: подъёмная сила, срыв и планирование

Четыре силы в равновесии

На любой самолёт действуют четыре силы. Подъёмная сила толкает его вверх, вес тянет вниз, тяга двигателя или винта тянет вперёд, а сопротивление — давление воздуха — удерживает назад. В установившемся горизонтальном полёте они уравновешиваются парами: подъёмная сила равна весу, а тяга равна сопротивлению. У небольшого самолёта массой 1100 кг вес W = m·g = 1100 × 9,81 ≈ 10 800 Н, поэтому крылья должны давать ровно столько же подъёмной силы. Если она больше, самолёт набирает высоту, если меньше — снижается. Светящиеся стрелки на картинке нарисованы в масштабе: смотрите, как они растут и уменьшаются при наборе высоты и пикировании.

Воздух, повёрнутый вниз

Крыло работает, поворачивая воздух. Его выпуклая верхняя сторона и слегка наклонённая передняя часть отправляют набегающий воздух вниз, и, по третьему закону Ньютона, воздух толкает крыло вверх. Линии тока на картинке изгибаются над профилем — поперечным сечением крыла — и сходят с него, направленные вниз. Пониженное давление над крылом и повышенное под ним описывают тот же толчок другими словами. Больше воздуха, повёрнутого круче, — больше подъёмная сила, и именно это считает следующая формула.

Формула подъёмной силы с числами

Инженеры записывают подъёмную силу так: L = ½·ρ·v²·S·C_L. Здесь ρ («ро») — плотность воздуха, у земли 1,225 кг/м³, v — скорость в м/с, S — площадь крыла, а C_L — коэффициент подъёмной силы, зависящий от формы крыла и угла. Возьмём лёгкий самолёт с S = 16 м² и C_L = 0,5. Для горизонтального полёта L должна равняться 10 800 Н, поэтому v² = 2 × 10 800 / (1,225 × 16 × 0,5) ≈ 2204, а v ≈ 47 м/с, около 169 км/ч. Скорость стоит в квадрате, поэтому при вдвое большей скорости подъёмная сила вчетверо больше.

Наклон крыла до срыва

Угол между крылом и набегающим воздухом называют углом атаки. Немного увеличьте его, и C_L вырастет. При C_L = 1,5 тому же самолёту хватает v ≈ 27 м/с, около 98 км/ч. Но C_L растёт почти линейно с углом лишь до 15–16 градусов у многих крыльев. За этим критическим углом воздух уже не может повторять изгиб. Он отрывается от поверхности и распадается на вихри, а подъёмная сила резко падает. Это и есть срыв. Часто первым срывается одно крыло, и самолёт роняет его и начинает падать. На картинке он кренится и проваливается.

Выход из срыва и ваш опыт

Чтобы выйти из срыва, воздух должен снова прижаться к крылу, а для этого угол атаки нужно уменьшить. Сначала опустить нос, хотя земля внизу. Затем выровнять крылья. Потом добавить мощность, чтобы тяга вернула скорость. И только когда крыло снова летит, нос плавно поднимают. Слишком ранний подъём возвращает срыв. Теперь спасите самолёт сами в тренажёре под картинкой. Он начинает со срыва и падает. Вы управляете тангажом и тягой. Это игра по законам физики, а не урок пилотирования: настоящие лётчики учатся этому с инструктором.

Полёт без двигателя

А если двигатель остановился? Самолёт не падает камнем. Он планирует: крыло по-прежнему создаёт подъёмную силу и сопротивление, и самолёт спускается по пологой линии. Аэродинамическое качество показывает, на сколько вперёд вы продвигаетесь на каждую единицу потерянной высоты. Качество 15:1 означает 15 км вперёд на 1 км потерянной высоты. Планер для этого и создан, его качество — от 40:1 до 60:1. Авиалайнер достигает примерно 15:1–20:1. С высоты 10 км лайнер с качеством 15:1 способен спланировать около 150 км совсем без двигателя.

Планёр из Гимли

23 июля 1983 года Boeing 767 компании Air Canada, рейс 143, остался без топлива на высоте около 12 500 м из-за путаницы между фунтами и килограммами. Оба двигателя остановились. Командир Роберт Пирсон, к тому же опытный пилот планеров, и второй пилот Морис Квинталь должны были найти полосу. Они спланировали лайнером к бывшей авиабазе в Гимли, в провинции Манитоба, и посадили его. Все 69 человек на борту остались живы, а самолёт стали называть «Гимлийским планёром». Этот случай показывает, что подъёмная сила и сопротивление работают, даже когда двигатели молчат.

Как летают самолёты