На самом деле все очень просто.
Для того чтобы на крыле создалась Полная аэродинамическая сила (которую затем для удобства расчета на оси координат раскладывают на две силы: на подъемную и на силу лобового сопротивления), необходимо чтобы крыло находилось в скоростном потоке воздуха. Скоростной поток можно создать тремя путями:
- Махать крыльями
- Создать движение за счет тяги двигателей
- Падать с уже набранной высоты (называется планированием).
Птицы выбрали первый способ (они не смогли придумать двигатель).
Самолеты выбрали второй способ (они не смогли придумать как махать крыльями).
Но и те и другие с удовольствием пользуются третьим.
Теперь как создается Полная аэродинамическая сила? Тоже — очень просто.
На положительном угле под крылом создается динамическая нагрузка, которая приводит к повышению плотности воздуха, что в свою очередь приводит к увеличению статического атмосферного давления в пограничном слое под крылом.
На отрицательном угле над крылом создается снижение плотности воздуха за счет отработки эффекта эжекции, который в нашей стране принято называть законом Бернулли. Снижение плотности воздуха над крылом в свою очередь приводит к снижению статического атмосферного давления в пограничном слое над крылом.
Все происходит просто и непринужденно по той простой причине, что и снижение и увеличение статического (атмосферного) давления происходит совершенно незначительное, ну где то на 0,4% от номинала.
Чтобы было понятно, приведу маленький примет: Статическое атмосферное давление равно 10 330кгс/м². Под крылом оно увеличивается на +40кгс/м², а над крылом уменьшается на -40кгс/м². Таким образом, под крылом давление в пограничном слое становится 10 370кгс/м², а над крылом давление в пограничном слое становится 10 290кгс/м².
Затем из «нижнего» давления вычитают «верхнее».
Получается Полное Удельное Давление: Руд. = 10 370 — 10 290 = 80кгс/м².
Затем Полное Удельное Давление умножают на площадь крыла.
Получается Полная аэродинамическая Сила: F = Руд. * Sкр. = 80кгс/м² * 70м² = 5600кгс
Затем Полная аэродинамическая Сила помещается на ось координат (так как она помимо того что скалярная так еще и векторная)
и определяют: Подъемную силу: Fy = F* Cos(6°) = 5600кгс * 0.9945 = 5570кгс
и Силу лобового сопротивления: Fx = F* Tg(6°) = 5600кгс * 0.1045 = 585кгс
Вот и все.
Есть захват, командир воздушного судна произнес эту фразу совершенно спокойно и принялся переключать какие-то тумблеры.
Я же вздрогнул и оглянулся.
Захват самолета? шепотом спросил я у инструктора Максима Серегина. Тот улыбнулся и терпеливо, как последнему чайнику, (каковым я и являюсь), объяснил: имеется в виду захват приборами сигналов радиомаячков аэродрома.
Самолет приближался к взлетно-посадочной полосе. На 6 мониторах, которые изображали иллюминаторы, был виден даже подъемный кран столичного аэропорта «Шереметьево-1». За те минуты, что провел в этой кабине, я даже забыл, что нахожусь в тренажерном комплексе, имитирующем аэробус А-320. Это и немудрено тренажер имеет 6 степеней свободы. То есть может не только крениться в разные стороны, но даже «воспроизводить» ускорение и торможение с соответствующими перегрузками. Инструкторы уверяют: обучившись на этом тренажере, можно садиться в самолет и лететь, даже если никогда раньше не был в небе.
Роль командира выполняет Александр Коробов. Это опытнейший пилот с налетом 11 тысяч часов. Но сейчас он переучивается с Ту-154 на А-320, поэтому в какие-то моменты на его лице проскальзывает выражение впервые пришедшего в школу первоклассника.
Реверс, командует Коробов, и я тут же вспоминаю, что именно это слово погубило А-310 в Иркутске. Один из двигателей уже коснувшегося земли самолета на реверс (то есть на обратный ход) якобы не переключился и сбросил лайнер с полосы. Но в нашем случае все обошлось самолет затормозил и застыл напротив первого терминала.
В Центр подготовки авиаперсонала (ЦПАП) «Аэрофлота» мы приехали для того, чтобы узнать, почему падают самолеты. Этот центр один из крупнейших в стране. Его директор Геннадий Приходченко, опытнейший, уважаемый пилот, знает о летной подготовке и практике всё. Он рассказал мне, что хотя центр принадлежит «Аэрофлоту», в нем готовят пилотов и из других авиакомпаний тех, у кого собственных центров нет. Таких компаний около 60, и за обучение каждого пилота они платят от 300 до 600 долларов в час.
К нам приходят люди, которые уже отучились на летчиков в высших учебных заведениях, рассказывает Геннадий Приходченко, то есть у них есть базовая подготовка. Но на конкретный тип самолета они учатся с самого начала. После обучения у нас молодой человек получает сертификат, который дает ему право работать на конкретном месте, летать на конкретном типе самолета.
В какой-то момент я задаю главный вопрос. Самолеты падают, как следует из результатов расследований, из-за человеческого фактора. То есть из-за ошибок пилотов. Только за последнее время было три таких катастрофы в Адлере, где рухнул армянский А-320, в Иркутске и под Донецком.
Главным правилам гражданской авиации больше 20 лет
Если пилот сказал, например, «выпустить шасси», все идет готовиться дальше, объясняет Геннадий Приходченко, потому что в любой фразе первым словом должен идти объект. То есть фраза должна звучать: «шасси выпустить». Чуть отклонение летчик допустил, инструктор сразу: стоп! Иди готовься, пока не подготовишься как надо.
Этим рассказом Геннадий Приходченко словно объяснил, почему самолеты не падают. По его словам, все дело в технологии летной подготовки, в цепи которой в последние годы образовались серьезные бреши. Это даже министр транспорта Левитин признал. Да что тут признавать, если большинство катастроф последних лет произошло на совершенно исправных самолетах.
Начнем с того, что из учебных заведений к нам приходят неподготовленные люди, говорит он, у них налет всего по 80 часов. А по европейским нормам должно быть 250. Но и это не все. Эти часы они летают по кругу на каком-нибудь маленьком самолете. А нужно научиться управлять полетом, прогнозировать летную ситуацию. Это огромная работа. По нашей оценке, выпускаемые из училищ пилоты сейчас не соответствуют нужной сегодня квалификации.
Я спрашиваю, куда идут пилоты, у которых недостаточная подготовка и которых «Аэрофлот» не берет к себе. Геннадий Приходченко разводит руками.
За штурвалами самолетов, которые потерпели крушение, сидели опытные летчики, дополняет коллегу Виктор Саженин. Уж чего-чего, а часов налета у них хватало. Вопрос стоит шире: каковы стандарты выполнения полетов в авиакомпаниях, каковы требования к безопасности? Сейчас, когда нет единого контроля, у авиакомпаний, скажем так, есть возможность маневра в рамках правил. Вы, кстати, знаете, что наш главный документ наставления по производству полетов гражданской авиации был выпущен еще в 1985 году?
Я не знал этого. По словам моего собеседника, с тех пор во всем мире эти правила были скорректированы. Но не у нас. Российские правила дают некий люфт в стандартах авиабезопасности, который позволяет некоторым авиакомпаниям экономить на этом. На бумаге все выполняется, а как на самом деле знают только ее пилоты.
Сейчас выработать новые единые правила и стандарты просто некому авиацией управляют пять независимых структур. У семи нянек дитя без глаза. По мнению Геннадия Приходченко, помимо новых правил, гражданской авиации нужна единая управляющая структура.
Единственный рецепт четкая технология и жесткий контроль за ее соблюдением, продолжает Геннадий Приходченко. В нашей компании после каждого полета снимаются «черные ящики» и анализируются. Это очень жесткий контроль. Есть еще система сообщений. Когда летчик сам сообщает о чем-то, что вызвало его беспокойство. Вот недавно один сообщил: «Мне кажется, я слишком грубо сел». Расшифровали самописцы все нормально.
Я бы точно угробил самолет
Теперь давай ты, старший инструктор центра Вячеслав Селютин кивает на штурвал. Мы только что взлетели, я занял место второго пилота и даже успел спросить, где у самолета педаль сцепления. Выяснилось, что нигде и что работает он как машина с автоматической коробкой: включаешь двигатель, отпускаешь педаль тормоза и на взлет.
Передо мной командно-пилотажный индикатор. Абсолютное сходство с компьютерной игрой. Экран разделен на две части вверху небо, внизу земля. Посредине крест. Если он на небе значит идешь вверх. На земле наоборот. Но кроме этого на приборе еще куча цифр и шкал. Высота, угол атаки, скорость за этим постоянно надо следить. Я не успевал. Позже я узнал, что на старых самолетах на каждый параметр свой прибор и следить намного труднее.
Вячеслав Иванович на месте командира постоянно что-то переключает. По сценарию нам нужно было описать круг на высоте 500 метров и вернуться в аэропорт. Я двинул штурвал влево, но ничего не произошло. Только спустя несколько секунд он начал крениться мне показалось, что мы вот-вот перевернемся. Штурвал в моих руках ожил оказалось, командир четкими движениями исправляет мои дилетантские огрехи. Если бы не он, я бы точно угробил самолет, и комиссия справедливо списала бы аварию на человеческий фактор. Мы совершили крутой разворот, вскоре на приборе показалась полоса и две красные полоски, пересекающиеся в крест. Это данные радиомаяков. Задача пилота совместить крест курса самолета с этим крестом. Тогда самолет попадет в самое начало посадочной полосы и все должно пройти без сучка и задоринки.
Умный в гору не пойдет. Умный гору облетит.
Вы учите летчиков пилотировать на критических режимах? Например, на таких, которые свалили ТУ-154 в плоский штопор?
Вообще, учить гражданских летчиков тому, как выходить из штопора, незачем, говорит Геннадий Приходченко. Нужно учить тому, как не доводить до этого. У всех самолетов есть меры защиты против этого. Но выводу из штопора учат еще в летном училище. Самолеты сегодня настолько защищены от фактора штопора, что даже если летчик все-таки вывел самолет, то он автоматически отдает руль управления высотой от себя и выводит двигатели на максимальный режим. К сожалению, Ту-154 отличается от всех остальных самолетов тем, что действительно он не выходит из штопора.
Что же случилось там на высоте? У пилотов из Центра подготовки есть своя версия конечно, повторюсь, только версия, поскольку записей «черного ящика» они не слышали. Итак, командир Иван Корогодин, взлетев над грозой, увидел, что впереди шапки облаков. Он попытался подняться над ними, но запаса мощности не хватило.
Что было бы, если бы он перестал взбираться вверх и прошел через облака? допытываюсь я.
Скорее всего, самолет бы немного тряхнуло. Мы в этих шапках облаков лазали бессчетное количество раз. А лезть выше безумие. Понимаешь, в кабине пилота обязательно лежит таблица, где четко расписано: при каком весе и температуре за бортом на какую высоту можно подниматься, говорит Виктор Саженин. Это вопрос нескольких секунд понять, можно ли продолжать набирать высоту.
Что касается экономии топлива, то, по словам Геннадия Приходченко, стремление сэкономить топливо для летчика нормально. Если это не идет вразрез с вопросами безопасности.
Я в свое время летал на Ил-62 из Японии, вспоминает Геннадий Михайлович, иногда вылетали с максимальным полетным весом. Естественно, чем выше забираешься, тем меньше уходит топлива. У нас есть инженерно-штурманский расчет, я слежу за топливом, подсчитываю свой полетный вес, слежу за температурой. Тут подошло время занять следующий эшелон, а я-то знаю, что иду на пределе. Если при этом температура неожиданно повышается либо выясняется, что топливо не совсем четко учитывается, у пилота ощущение, словно он на острие шила. Пассажиры, конечно, ничего не ощущают, но летчики да. Бывают такие моменты: залез и чувствуешь, что нельзя дальше идти. Тут же запрашиваешь снижение. 300 метров вниз и все встало на свои места.
Ну так что надо было делать экипажу Ту-154, когда он узнал о грозовом фронте?
Надо было обходить грозу, однозначно. Мы в Северной Атлантике и по 800 километров обходили. А на Ту-154 надо было обойти километров 100. С точки зрения экономии топлива это ничто.
После посадки
Вернувшись из летного центра, я позвонил знакомому летчику, чтобы поделиться впечатлениями. Разговора не получилось: судя по всему, узкий круг специалистов уже ознакомился с записями последних минут жизни экипажа Ту-154. Они производят гнетущее впечатление, и не только в силу специфики момента. Мат, бессилие и потеря контроля над ситуацией вот что, судя по всему, потрясло в этой расшифровке специалистов. Оговорюсь: у меня нет в руках тому документального подтверждения. Но бесспорно то, что «человеческий фактор» нашей с вами пассажирской безопасности должен начинаться с того, что пора возродить в России министерство воздушного транспорта, передав ему полномочия пяти разрозненных «нянек». Не может горстка людей отвечать за то, чтобы тысячи летающих в нашем небе самолетов были технически пригодны, а их экипажи абсолютно профессиональны. Пора возрождать и отечественный авиапром пока есть еще что реанимировать. Пора переписать старые инструкции. Пора привести в порядок аэропорты. Для себя мы, пассажиры, уже поняли: хватит летать, под собою не чуя земли.
В конце прошлой недели «ИНТЕРФАКС» сообщил, что авиакомпания «Пулково», возможно, будет внесена в «черный» список Евросоюза. Оказывается, претензии к авиакомпании возникли сразу после катастрофы под Донецком 22 августа. Претензии европейских чиновников в основном касаются поддержания летной годности воздушных судов «Пулкова». Примечательно, что подобное недовольство Евросоюза вызывают воздушные суда и экипажи еще нескольких российских авиакомпаний, кандидатов в «черный» список, но их названия пока не просочились в прессу.
Вы, наверное, не раз задавали себе вопрос: почему самолеты не машут крыльями? Для ответа на него, как ни странно, нужно вспомнить историю. С самых древних времен, с момента появления человека на земле, он видел, как летают птицы, насекомые, летучие мыши. Их полет происходит преимущественно за счет взмахов крыльев. А что же человек? Почему и ему не попробовать? Пробовали, и не раз.
Первые попытки человека научиться летать
В Средние века одним из первых, кого заинтересовали вопросы полета людей, был Леонардо да Винчи. Он считал, что люди смогут летать при помощи больших искусственных крыльев.
Им было придумано и описано летательное устройство, которое, по его мнению, при помощи мускульной силы позволило бы человеку подняться в воздух и парить как птица. Для этого он внимательно изучал строение крыла птицы и механизм птичьего полета. В результате Леонардо да Винчи был предложен рисунок конструкции такого аппарата, названного впоследствии орнитоптером, однако, до реального воплощения этой идеи в жизнь, дело не дошло.
На Руси также интересовались вопросами полета человека при помощи искусственного крыла. Известен факт полета «холопа Никиты» при Иване Грозном. По словам очевидцев, он прыгнул с колокольни на искусственных крыльях и совершил полет. Но этот полет был, скорее планирующим, потому что первоначальная скорость набрана за счет прыжка с высоты колокольни.
Впоследствии подобные попытки полета, с прикрепленными к человеку крыльями, неоднократно предпринимались отдельными смельчаками, но все они тоже были планирующими, с возвышенностей, без первоначального набора высоты маховыми движениями.
Летательный аппарат да Винчи
А как летают птицы?
Первые эксперименты по созданию летательных аппаратов с машущими крыльями (махолетов) относятся к началу двадцатого века. Однако, все эти эксперименты оканчивались неудачей. В лучшем случае махолеты могли оторваться от земли и пролететь несколько метров. Настоящего полета не получалось.
Долго не могли понять, чего же не хватает? Оказалось, что создание подъемной силы, необходимой для полета, путем простого взмаха крыла вверх и вниз, в принципе невозможно. Потому что в верхних и нижних точках зависания крыла при простом взмахе, воздух остается неподвижным относительно крыла и подъемная сила отсутствует.
А как же летают птицы? Детальная расшифровка высокоскоростных видеосъемок взмаха крыла птиц, показала, что оно движется по сложной траектории вверх и вниз, а также вперед и назад, описывая фигуру восьмерки. Когда крыло птицы идет вверх оно немного разворачивается в высоту по направлению к потоку, таким образом, снижая сопротивление. Когда же крыло доходит до верхней точки, оно поворачивается всей плоскостью поперек потока.
Птица, как бы опирается о воздух. При этом большое значение имеет частота взмаха крыльев.
Некоторые птицы взлетают, начиная разбег. Особо это заметно по тяжелым водоплавающим птицам: лебедям, пеликанам, фламинго и др. Также с разбега стартуют фрегаты. Часто такой полет начинается против ветра. Другие птицы начинают свой полет, сидя на какой-либо высоте: дереве, здании, на краю отвесной скалы. Такие птицы, как бы ныряют вниз, расправляя крылья.
Разобравшись с принципами полета птиц, можно переходить к вопросу о возможности создания махолетов. Известные варианты конструкции махолетов подразделяются:
- однокрылые;
- двукрылые.
Однокрылые аппараты используют для создания подъемной силы одну пару крыльев, осуществляющих симметричный взмах обоих крыльев. Двукрылые — предполагают асимметричный взмах. Одна пара крыльев делает взмах вверх, а расположенная за ними последовательно, другая — делает взмах вниз.
Самыми сложными при изготовлении махолетов являются крылья. Они должны иметь большую площадь, поворотный механизм для разворота крыла и двигатель, обеспечивающий необходимую частоту взмаха крыла на различных участках полета. В качестве двигателей махолетов используются:
- мускульная сила;
- велосипедная тяга;
- комбинированная ручная и ножная тяга;
- двигатели внутреннего сгорания.
Проведенные расчеты показали, что для полноценного полета мускульной силы человека недостаточно. Он может поддерживать усилия только небольшой промежуток времени. В свою очередь, устанавливаемые на махолеты двигатели, должны развивать большую мощность и иметь малую массу.
Перечисленные выше требования к созданию махолетов, делают их чрезвычайно сложными по конструкции и дорогими при изготовлении. Все предпринимаемые попытки их создания, которые продолжаются и до сих пор, потерпели неудачу. В лучшем случае удавалось создать небольшую летающую модель. О полноценном летательном аппарате с пилотом и грузом, речь пока не идет.
Поэтому человеку пришлось пойти другим путем. Однако начало этого пути тоже было связано с изучением полета птиц. Этим вопросом занимались такие ученые, как Луи Пьер Муйяр (Франция), Лилиенталь (Германия) и другие. В России эти исследования проводил Николай Егорович Жуковский. Будучи начинающим ученым, он всесторонне изучил динамику полета птиц и в 1891 году сделал научный доклад «О парении птиц». В нем были математически сформулированы физические основы движений парящих птиц. Эта работа стала одной из первых работ, положившей начало формулированию законов динамики полета.
Продолжив свои исследования в области теории полета, Жуковский вместе со своим учеником Чаплыгиным математически описали профиль крыла, необходимый для создания подъемной силы.
Такой профиль получил название профиля Жуковского. В разрезе крыло профиля Жуковского напоминает вытянутую каплю, округлую спереди и сужающуюся к концу. При такой форме крыла, набегающий поток воздуха в нижней его части создает зону повышенного давления, а в верхней – пониженного. Формируемая при этом сила, толкает крыло вверх, из зоны повышенного давления в зону пониженного давления.
Так, впервые была математически описана и объяснена природа подъемной силы. Однако, для создания подъемной силы обязательным условием служит набегающий воздушный поток. А как создать набегающий поток воздуха при его неподвижном состоянии? Ответ — заставить само крыло двигаться. Значит, надо было придумать конструкцию, которая могла бы придавать крылу скорость. Необходим был тягловый мотор. Крыло должно было крепиться к нему. Для управления получившейся конструкцией понадобился пилот. Таким образом, прорисовываются очертания самолета.
Работы Жуковского показали, для того, чтобы летать, необязательно махать крыльями, такая конструкция громоздка и сложна в изготовлении, гораздо проще и экономичнее прямое крыло с аэродинамическими характеристиками.
Эта концепция и была принята в начале прошлого века для дальнейшего развития авиации во всем мире. Вот поэтому самолеты летают, а крыльями не машут. Для их конструкции предпочтительнее стационарное крыло аэродинамического профиля. Дальнейшие исследования профилей крыла показали, что для создания подъемной силы для различных скоростей и режимов полета, необходим свой профиль. Наиболее распространенные формы профиля крыла:
1 – выпукло-вогнутый; 2 – плосковыпуклый; 3 – двояковыпуклый несимметричный; 4 – ромбовидный; 5 – двуклиновой; 6 – одноклиновой
Для дозвуковых скоростей оптимальный профиль крыла каплеобразный или линзообразный. Для сверхзвуковых скоростей крыло желательно треугольного профиля.
И все-таки они машут крыльями
Однако однозначно сказать, что самолет совсем не машет крыльями, было бы, не совсем верно. Самолеты машут крыльями, но это происходит не для того, чтобы создать подъемную силу. Она, как мы выяснили, создается аэродинамическим профилем крыла и набегающим потоком воздуха. Причины этих движений в другом.
Если смотреть на крыло летящего самолета из иллюминатора, то видно, что оно как бы дышит. Качается, изгибается вверх и вниз. Не понимая, что происходит можно подумать, что у самолета с крылом что-то неладно.
На самом деле, не происходит ничего страшного, так крыло работает. Оно приспосабливается к набегающему воздушному потоку, его завихрениям, нагрузкам от работы двигателя. Все это создает всевозможные изгибающие и скручивающие нагрузки. При проектировании крыла все эти нагрузки учитываются. Конструкция крыла и материалы, из которых оно изготовлено, выбираются таким образом, чтобы они многократно и безопасно выдерживали все режимы полета самолета.
Колебания крыла под действием внешних и внутренних сил возникают на всех без исключения самолетах.
Однако, в зависимости от самой конструкции крыла, его размеров, жесткости, амплитуда этих колебаний сильно отличается. У некоторых самолетов такие колебания могут зафиксировать только чуткие приборы, у других они хорошо видны визуально и могут достигать нескольких метров.
Надеюсь, мы получили ответ на вопрос, почему самолеты летают, а крыльями не машут. В первую очередь это связано со сложностью конструкции летательных аппаратов с машущими крыльями. Природа создала механизм полета, который трудно скопировать. Современные материалы позволяют изготавливать такие аппараты только в виде летающих моделей небольших размеров. Может быть в будущем, когда будут созданы материалы на новых физических принципах, человек вернется к своей давней мечте.
https://youtube.com/watch?v=_y-0FPbQbLg%3Ffeature%3Doembed
