Урок: Четирите сили и подемната сила

Всеки полет – от първия полет-урок до маршрутния полет – е непрекъсната игра на четири сили. Пилотът не „кара“ самолета нагоре и надолу: той управлява ъгъла на атака и мощността, а всичко останало е следствие. В този урок ще видиш как.

1. Четирите сили

Четирите сили, действащи на самолет в полет: подемна сила, тегло, тяга и съпротивление — **Фиг. 1.** В праволинеен хоризонтален полет с постоянна скорост: L = W и T = D. Силите са в равновесие – самолетът не ускорява и не се „задържа“ във въздуха с усилие. Източник: FAA, Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge (FAA-H-8083-25C), фиг. 3-1, стр. 74 · обществено достояние

Кратко за всяка сила:

Подемна сила (L) – създава се от крилото, перпендикулярно на насрещния поток.
Тегло (W) – винаги насочено към центъра на Земята, приложено в центъра на тежестта (ЦТ).
Тяга (T) – от витлото, по оста на двигателя.
Съпротивление (D) – противоположно на посоката на движение, успоредно на насрещния поток.

Честа грешка: „при набор подемната сила е по-голяма от теглото“. Всъщност при установен набор с постоянна скорост подемната сила е дори малко по-малка от теглото – част от теглото се поема от тягата, насочена нагоре по траекторията. Самолетът се качва с излишък от тяга (мощност), а не с излишък от подемна сила.

2. Формулата на подемната сила

L = C_L · ½ · ρ · V² · S

Символ	Какво е	Кой го управлява
C_L	Коефициент на подемна сила – зависи от профила, ъгъла на атака и задкрилките	Пилотът – с лоста (ъгъл на атака) и задкрилките
ρ	Плътност на въздуха	Денят – височина, температура, влажност
V	Истинска въздушна скорост (TAS)	Пилотът – с мощност и наклон на траекторията
S	Площ на крилото	Конструкторът

Изразът ½ρV² е динамичното налягане (напор) – точно това, което мери указателят на скоростта. Затова приборната скорост (IAS) е толкова важна: тя казва колко „въздух“ работи върху крилото, независимо от височината.

Скоростта е на квадрат. Ако удвоиш скоростта, подемната сила (и съпротивлението) нарастват четири пъти. Ако скоростта падне с 30%, при същия ъгъл на атака остава само ~49% от подемната сила – затова при забавяне трябва да вдигаш носа (да увеличаваш C_L), за да останеш на същата височина.

3. Ъгъл на атака и срив

Ъгълът на атака (α) е ъгълът между хордата на профила и насрещния поток – не ъгълът спрямо хоризонта. При снижение с вдигнат нос α може да е малък; при набор с нос по хоризонта – голям.

Графика на коефициента на подемна сила спрямо ъгъла на атака за нормален профил и профил с пуснати задкрилки — **Фиг. 2.** C_L расте почти линейно с α до критичния ъгъл, след което потокът се откъсва от горната повърхност и подемната сила пада – това е **сривът** (синята линия – нормален профил, пунктирът – с пуснати задкрилки). Източник: FAA, Airplane Flying Handbook (FAA-H-8083-3C), фиг. 12-2, стр. 233 · обществено достояние

Сривът е въпрос на ъгъл, не на скорост. Крилото се срива винаги при един и същ критичен ъгъл на атака – при всяка скорост, всеки крен и всяко положение. „Скоростта на срив“ от РЛЕ важи само за 1G и дадено тегло. В завой, при рязко дърпане на лоста или при по-голяма маса тя е по-висока.

4. Симулатор: поиграй си с крилото

Свръхлек самолет: 450 kg, крило 12 m²

Промени скоростта, ъгъла на атака и височината и виж дали подемната сила „държи“ теглото.

Истинска скорост (TAS):

Ъгъл на атака α:

Плътностна височина:

Подемна сила / тегло

C_L

Плътност ρ

V срив (TAS) при тази плътност

Опростен модел за обучение – реалните стойности са в РЛЕ на конкретното ВС.

5. Съпротивление и най-добро планиране

Съпротивлението има два основни вида, които се държат точно наобратно:

Паразитно (профилно, от формата, триене) – расте с V². Колкото по-бързо, толкова повече.
Индуктивно – „цената“ на подемната сила, свързана с вихрите на върховете на крилата. Расте при ниска скорост и голям ъгъл на атака (∝ 1/V²).

Сборът им има минимум при една скорост – скоростта на най-добро планиране (V_bg). При нея отношението L/D (аеродинамично качество) е максимално. При качество 10:1 от 1000 m височина можеш да планираш около 10 km в безветрие.

Практика при отказ на двигателя: първото действие е да установиш скоростта на най-добро планиране от РЛЕ. По-бавно не значи „по-далеч“ – значи повече индуктивно съпротивление и по-близо до срива. По-бързо – повече паразитно съпротивление. И в двата случая губиш разстояние.

6. Силите в завой, набор и снижение

В завой подемната сила се накланя заедно с крилата. Само вертикалната ѝ съставна държи теглото, а хоризонталната завърта самолета. За да не губиш височина, общата подемна сила трябва да нарасне – с фактор n = 1 / cos(крен). При 60° крен това е 2G – и сривната скорост се увеличава с ~41%.

Подробно за това – в урока „Аеродинамика на срива в завой“, а за изчисленията – в „Авиационна тригонометрия“.

Интерактивен тест

Въпрос 1: Кои са четирите сили и как са свързани в праволинеен хоризонтален полет с постоянна скорост?

Отговор: Подемна сила, тегло, тяга и съпротивление. При равновесие L = W и T = D.

Въпрос 2: Скоростта нараства от 100 на 200 km/h при същия ъгъл на атака. Какво става с подемната сила?

Отговор: Става 4 пъти по-голяма, защото L ∝ V². За да останеш хоризонтално, трябва да намалиш ъгъла на атака (да свалиш носа).

Въпрос 3: Какво е ъгъл на атака?

Отговор: Ъгълът между хордата на профила и насрещния поток (относителния вятър). Не е ъгълът между носа и хоризонта.

Въпрос 4: Вярно или грешно: „Самолетът се срива, когато скоростта падне под V_s.“

Отговор: Грешно като общо правило. Сривът настъпва при превишаване на критичния ъгъл на атака – при всяка скорост. V_s от РЛЕ е вярна само за 1G, определена маса и конфигурация.

Въпрос 5: Кое съпротивление расте при намаляване на скоростта?

Отговор: Индуктивното – при ниска скорост крилото работи с голям ъгъл на атака и вихрите на върховете са по-силни. Паразитното съпротивление, обратно, расте с увеличаване на скоростта.

Въпрос 6: В горещ ден на високо летище (висока плътностна височина) какво става с истинската скорост на откъсване и разбега?

Отговор: Приборната скорост на откъсване е същата, но истинската скорост (TAS) е по-голяма, защото въздухът е по-рядък. Двигателят дава и по-малко мощност – разбегът е по-дълъг, а наборът – по-бавен.

Въпрос 7: Двигателят спира на 600 m. Кое е първото ти действие по отношение на скоростта и защо?

Отговор: Установяваш скоростта на най-добро планиране от РЛЕ. При нея аеродинамичното качество L/D е максимално и прелиташ най-голямо разстояние. По-бавно или по-бързо – губиш разстояние.

Урокът е изнесен от раздел „Аеродинамика“ на интерактивния учебник по програмата за NPPL. Числата в симулатора са опростен учебен модел.