Реализация аэродинамического принципа полета

Аэродинамический принцип создания подъемной силы (отбрасывание вниз части воздуха) можно технически реализовать либо за счет движения всего аппарата, снабженного неподвижной несущей поверхностью (крыло), либо за счет движения отдельных несущих частей аппарата (несущий винт, вентилятор и т. д.) относительно воздушной среды. И в том и в другом случае образование подъемной силы основано на законе механики о количестве движения (второй закон Ньютона, по имени английского математика, механика, астронома и физика И. Ньютона):

m (V ₂ – V ₁) = Pt,

где

m	–	масса тела (в данном случае это масса отбрасываемого воздуха), кг;
V 2 – V 1	–	изменение скорости тела (в данном случае вертикальная скорость отбрасываемого несущей поверхностью воздуха), м/с;
P	–	сила, приложенная к воздуху и направленная вниз, Н;
t	–	время действия силы, с.

Следовательно, Р = m (V ₂ – V ₁) / t.
В соответствии с третьим законом Ньютона подъемная сила Y будет приложена к несущей поверхности и направлена вверх (против силы P, приложенной к воздуху и направленной вниз):

.

В дальнейшем при обозначении сил, имеющих аэродинамическую природу, будем применять индекс а (Y_а, X_а).
Подробно механизм возникновения аэродинамической подъемной силы будет рассмотрен в разделе 5.2. Здесь еще раз подчеркнем, что движущаяся в воздухе несущая поверхность, создающая подъемную силу Y_а, совершает работу по преодолению действующей на нее силы лобового сопротивления X_а. Поэтому для создания подъемной силы необходимо затрачивать энергию.
Очевидно, что энергетические затраты ЛА, использующего аэродинамический принцип полета, будут тем меньше, чем меньше будет сила лобового сопротивления X_а, возникающая при создании необходимой для полета подъемной силы Y_а, т. е. чем больше будет значение аэродинамического качества ЛА, определяемого отношением подъемной силы к силе лобового сопротивления:

K_а = Y_а / X_а.

Далее будет показано, что аэродинамическое качество является свойством ЛА, определяемым в основном его геометрическими параметрами.
Среди ЛА, реализующих аэродинамический принцип полета, наибольшее распространение получили планеры (франц. planeur, от planer – парить), самолеты и вертолеты.

Рис. 4.4. К объяснению планирующего полета

Планер не имеет силовой установки, поэтому его полет (рис. 4.4) в спокойной атмосфере возможен только с постоянным снижением под некоторым углом Q к горизонту со скоростью планирования V, которая может быть представлена векторной суммой скорости снижения V_y и горизонтальной скорости полета V_x. Движение планера вперед происходит под действием составляющей G sinQ силы тяжести , которая уравновешивает силу лобового сопротивления , возникающую вместе с подъемной силой крыла , уравновешивающей составляющую G cosQ силы тяжести. Таким образом, при полете планера на создание подъемной силы и преодоление силы лобового сопротивления с потерей высоты расходуется потенциальная энергия, которой обладал планер, доставленный на высоту начала планирования с помощью наземной лебедки или самолета-буксировщика. Увеличить запас энергии для полета планер может, набирая высоту за счет энергии «термиков» – восходящих потоков теплого воздуха.
Рассматривая схему сил, действующих на планер при планировании (см. рис. 4.4), запишем:

Y_a = G cosQ; X_a = G sinQ.

Отсюда tgQ = X_a / Y_a = 1 / K_a, т. е. планер, имеющий большее аэродинамическое качество, будет планировать по более пологой траектории и дальность полета его при прочих равных условиях будет больше, следовательно, он более эффективно использует начальный запас энергии. Для современных планеров аэродинамическое качество

K_a = 40 ¸ 50.

Самолет совершает полет в атмосфере за счет силы тяги, создаваемой силовой установкой, и подъемной силы, создаваемой неподвижным относительно других частей самолета крылом.

Двигатель самолета создает силу тяги воздушным винтом или реакцией струи выхлопных газов, расходуя при этом химическую энергию топлива, находящегося в топливных баках, на совершение работы против сил аэродинамического сопротивления или сопротивления трения при разбеге самолета по ВПП на взлете.

При полете самолета со скоростью V (рис. 4.5) возникает подъемная сила , противостоящая гравитационной силе (силе тяжести) ; вместе с тем возникает и сила, оказывающая сопротивление движению самолета _a, которая преодолевается силой тяги двигателя .
Таким образом, для совершения горизонтального полета самолета необходимо выполнить условия:

Рис. 4.5. Силы, действующие на самолет в горизонтальном полете

G = Y_a; P = X_a.

Отсюда сила тяги двигателя, потребная для совершения горизонтального полета,

Р _потр = G X_a / Y_a= G / K_a = mg / K_a.

Очевидно, что энергетические затраты ЛА, реализующего аэродинамический принцип полета, на преодоление силы земного тяготения существенно меньше затрат ЛА, реализующего ракетодинамический принцип полета (где

Р _потр = mg). У современных дозвуковых самолетов аэродинамическое качество K_a =15 ¸18, у сверхзвуковых самолетов K_a = 8 ¸12.
Однако самолет (в традиционной конфигурации) не способен совершать вертикальный взлет и посадку, поскольку неподвижное крыло создает подъемную силу только при поступательном движении самолета.
Вертолет, устаревшее название – геликоптер (от греч. helix (helikos) – спираль, винт и pteron – крыло), совершает полет за счет подъемной силы и силы тяги, создаваемых одним или несколькими несущими винтами, способными создавать подъемную силу без поступательного движения ЛА.
Несущий винт 1 вертолета (рис. 4.6,а) состоит из нескольких лопастей, которые представляют собой крылья, приводимые во вращение двигателем. За счет вращения лопастей возникает аэродинамическая подъемная сила (сила тяги винта) , которая в режиме висения уравновешивает силу тяжести ( = – ).

Рис. 4.6. К объяснению принципа полета вертолета

На рис. 4.6,б показана схема сил, действующих на вертолет в горизонтальном полете. Несущий винт 1 при помощи специального устройства наклонен относительно фюзеляжа вертолета 2 вперед. Составляющая силы тяги винта уравновешивает силу тяжести (Y_a = G), т. е. является подъемной силой вертолета; проекция силы на горизонтальную ось обеспечивает поступательное движение вертолета, уравновешивая возникающую при этом силу лобового сопротивления (P_a= X_a), т. е. является силой тяги вертолета в горизонтальном полете.
Аэродинамическое качество современных вертолетов K_a = 4 ¸ 5.
Практика показывает, что энергетические затраты на полет вертолета существенно больше, чем энергетические затраты на полет самолета при одинаковых взлетных массах и скорости полета.
Однако вертолет обладает существенным свойством, которого не имеют самолеты традиционных схем, – он способен совершать вертикальный взлет, посадку и находиться в режиме висения.