Banner



Журнал Авиация и Спорт

 

 

27 Jan. 2016

Сила отторжения земли
Обучение на пилота и как летает самолет

Мы расскажем Вам, почему важно пройти обучение на пилота, знать что такое пилотирование самолета и как летает самолет.

Для курсанта, начинающего обучение на пилота самолета, это может стать не самым приятным сюрпризом. Давно пора возвращаться на землю, а самолет все еще летит.

В 20-е годы прошлого века авиаконструкторы столкнулись со странным явлением. Самолеты, построенные по всем законам классической аэродинамики, вдруг оказались непригодными для использования с существующей инфраструктурой. Казалось бы, все сто раз посчитано и просчитано, но вопреки цифрам и здравому смыслу самолет не может «вписаться» в длину посадочной полосы. Позднее для борьбы с этим явлением придумали интерцепторы (они же спойлеры), а сам эффект получил название «экрана».

Ученые авторы пособий по аэродинамике предлагают сложное определение экранного эффекта. Им, ученым, так по статусу положено. Реальные же пилоты объясняют все гораздо проще:
«Экран на посадке ощущаешь пятой точкой. Когда режим двигателям убрал, скорость минимальная, а самолет «почему-то» садиться не хочет».

Со стороны это выглядит так, будто самолет возомнил себя планером, или летчик решил поиграться в парашютиста: есть у них такая дисциплина, в которой кто дальше пролетит горизонтально над землей, тот самый крутой.

Разумеется, каждый пилот самолета, узнав что такое пилотирование самолета и как летает самолет  в летной школе, прекрасно знает, что в так называемой «зоне влияния земли» возможен экранный эффект (в английском языке используется гораздо более понятный термин ground effect). Но часто его ошибочно называют «воздушной подушкой». На самом деле эффект планирования на сверхмалой высоте имеет отношение к воздушной подушке только в одном случае. Если вы летаете на чем-то таком:

обучение на пилота, пилот самолета, пилотирование самолета
 
А вот почему это происходит в авиации, давайте разберем.

Обучение на пилота: теория прежде всего

Если бы стояла задача, объяснить экранный эффект в двух словах, это были бы слова wingtip vortices. Дословно – вихри на концах крыла. На современном этапе развития авиастроения они являются предметом главной головной боли конструкторов.

Именно концевые вихри индуцируют сопротивление, которое так и называется «индуктивное» и для борьбы с которым приходится тратить лишнее топливо. Именно они оставляют позади летящего самолета спутный след, в который может попасть другой самолет, что уже не раз становилось причиной авиакатастроф. Наконец, именно они создают экранный эффект, добавляя пилоту хлопот на приземлении.
Осталось понять, откуда они берутся.

Как летает самолет

Как обычно, все начинается с азов. Благодаря особой форме профиля набегающий поток воздуха обтекает крыло по-разному. Снизу быстрее, сверху – медленнее. Возникает разница давлений, в результате которой более плотный воздух снизу как бы «выдавливает» крыло вверх. Это самое примитивное объяснение возникновения подъемной силы.

Но крыло (к великому сожалению авиаконструкторов) не бесконечно, поэтому где-то обязательно возникает область, в которой плотный воздух снизу и разреженный сверху соприкоснутся. Несложно догадаться, что произойдет это там, где крыло кончается.

Теперь вспоминаем школьный курс физики и принцип сообщающихся сосудов. Если в одной части давление больше, а в другой меньше, молекулы газа будут вести себя так, чтобы давление уравновесилось. Иными словами, из области высокого давления воздух стремится убежать в область низкого. Как ему это сделать? Разумеется, через ту же законцовку крыла (на самом деле процесс происходит и в других частях крыла, но именно здесь он наиболее выраженный). Воздух из-под нижней плоскости крыла движется наверх, создавая на кончиках крыла направленные вверх завихрения.

научиться летать, как летает самолет

Но самолет-то в это время продолжает лететь вперед! В результате каждый такой поток закручивается в спираль. Это и есть концевой вихрь (он же вихревой жгут, он же спутный вихрь или спутный след).

научиться летать, как летает самолет

Иногда такие вихри можно наблюдать невооруженным глазом. Например, во время авиашоу, когда сверхзвуковые истребители выполняют фигуры высшего пилотажа, а погода достаточно влажная, за ними отчетливо видна спутная струя. Вот это оно и есть.

научиться летать, как летает самолет

Бороться можно, но сложно

В принципе, концевые вихри затухают буквально через несколько минут, но за большим тяжелым самолетом могут растянуться на километры. Пилот самолета, летящего следом, рискует попасть в такую сильную турбулентность, которая чревата полной потерей управляемости.

Пока аэропорты вкладывают миллионы денег в разработку систем, которые позволят рассеивать вихревой след, авиаконструкторы уже придумали способ минимизировать его образование. Для этого на современные пассажирские авиалайнеры ставят законцовки особой формы – винглеты или шаркелетты. Они изгибаются кверху, тем самым лишая воздух возможности свободно перетекать снизу вверх.

Аэропортам это нужно, чтобы минимизировать интервал между взлетами и посадками, а авиакомпаниям – чтобы сократить издержки. Чем слабее концевой вихрь, тем меньше индуктивное сопротивление, тем ниже расход топлива.

обучение на пилота, пилот самолета, пилотирование самолета

Недавно винглетами оснастили даже ремортизированного «старичка» Ан-2. Но помимо преимуществ у винглетов есть и недостатки: экономия топлива происходит в основном в крейсерском режиме полета на большой скорости на длинные расстояния. Так что малой авиации с ее частыми взлетами-посадками и короткими маршрутами технологическая революция в ближайшей перспективе вряд ли грозит. Придется научиться летать с тем, что есть.

Летная школа: еще немного теории

Все описанное выше относилось к полету на высоте. Теперь представим, что самолет с тянущимся по обе стороны шлейфом концевых вихрей идет на посадку.
Картинки ниже даже не требуют особых пояснений.

обучение на пилота, пилот самолета, пилотирование самолета

В первом варианте (на высоте) вихревые потоки проворачиваются по такой траектории, которая создает дополнительное давление вниз. То есть подъемная сила крыла становится меньше. Но когда самолет приближается к земле (или воде), концевой вихрь разбивается о препятствие. Таким образом, подъемная сила крыла становится больше, хотя другие условия (скорость, угол атаки и т.д.) не изменились.
Но и это еще не все.

На высоте концевые вихри создают дополнительное давление на верхнюю плоскость крыла. Иными словами, возрастает вертикальная скорость, направленная вниз. Из-за этого воздух, который обтекает крыло сверху, тоже меняет свое направление. Возникает так называемый скос потока.

Около земли концевые вихри «разбиваются» о поверхность. Давление на верхнюю плоскость крыла ослабевает, соответственно скос потока становится меньше:

обучение на пилота, пилот самолета, пилотирование самолета

Пилотирование самолета: куда косит поток

Говоря про меньший скос потока, мы подразумеваем, что воздух обтекает верхнюю плоскость крыла ровнее. Направление его движения становится более пологим, ближе к горизонтали. А как известно, подъемная сила, всегда перпендикулярна набегающему потоку. Чем горизонтальнее поток, тем явственнее вектор подъемной силы направлен вверх – в противовес силе тяжести.

На высоте скос потока выражен сильнее, поэтому вектор подъемной силы отклоняется назад. Но самолету надо лететь вперед! Решить это противоречие можно увеличив тягу двигателей, заплатив взамен повышенным сопротивлением. Проще говоря, чем ровнее (горизонтальнее) набегающий поток, тем меньше он сопротивляется разрезающему его крылу. Чтобы представить себе, как это все работает, можно внимательно рассмотреть рисунок выше, а можно просто запомнить:

Чем меньше скос потока -> тем меньше сопротивления -> тем больше подъемной силы.

А чем больше подъемная сила и меньше сопротивления, тем дальше самолет планирует, не желая опускаться на бренную землю.

Ни высоко, ни низко, ни далеко, ни близко

Аэродинамика – наука точная, и абстрактные понятия здесь не совсем уместны. Действительно, что значит «экранный эффект проявляется недалеко от земли»? Насколько недалеко?

Очевидно, что если первоисточником экрана являются концевые вихри, то все зависит от габаритов самолета. Чем он больше и тяжелее, тем больше в диаметре срывающиеся с его законцовок вихри. Поэтому большой самолет почувствует эффект влияния земли на большей высоте.

научиться летать, как летает самолет
 
Но тогда почему самый популярный самолет чтобы пройти обучение на пилота - Cessna 172 и, скажем, Piper Warrior, которые находятся примерно в одной весовой категории, планируют по-разному? При одинаковой скорости и погодных условиях, Цесна приземлится заметно ближе.

Ответ – в расположении крыльев. Пайпер – так называемый низкоплан. Его крылья расположены в нижней части фюзеляжа. То есть они гораздо ближе к земле. А раз так, то и эффект влияния земли ощущается сильнее.

Принято считать, что он возникает, когда расстояние до земли равно размаху крыла или меньше. Но сильнее всего экранный эффект проявляется на высоте, равной 20% от размаха. В этот момент крыло индуцирует всего 60% от своего обычного сопротивления. Впрочем, без примеров все равно неубедительно.

Допустим, мы собрались научиться летать самолете Цессна 172. Размах ее крыла составляет 11 метров. 20% - это примерно 2 метра. Иными словами, когда Цессна (точнее, ее крыло) окажется на высоте 2 метра с небольшим, преодолеть оставшееся до земли расстояние может быть не совсем просто.

У Пайпера практически тот же размах (10,5 м), но в отличие от Цессны, его крылья находятся на высоте буквально метр от земли. Следовательно экранный эффект летчик почувствует примерно на той же высоте (2 метра), но его крылья в этот момент будут чуть ли не в двое ниже, чем у коллеги из Цессны. Соответственно, скос потока будет меньше, а сопротивление составит всего 40% от обычного. Понятно, что не меняя скорости такой самолет пролетит гораздо дальше.

Делать-то что?

Может сложиться впечатление, что экранное влияние земли – это сплошные проблемы. Но иногда он все же бывает полезен. Во время Второй мировой войны американские бомбардировщики B-29 летали на сверхдальние расстояния с авиабазы на Марианских островах в Японию. Отказы двигателей в то время считались обычным делом, и очень часто экипажи были вынуждены возвращаться с одним двигателем. Это вызывало кучу проблем – необходимость маневрировать резко сужала возможности, увеличивала расход топлива, и пилотам часто приходилось бросать пилотирование самолета катапультироваться в бескрайние воды Тихого океана. Тогда  пилоты приспособились летать на малой высоте, используя экранирующий эффект воды, чтобы разгрузить двигатели.

В малой авиации экранный эффект может пригодиться при посадках на грунтовые полосы, особенно в пору осенне-весенней распутицы. Понимая, как летает самолет и что с ним происходит, можно по примеру планеристов сознательно увеличивать дистанцию горизонтального полета, выбирая для посадки кусочек посуше.

С другой стороны, если в момент посадки вы обнаружили себя летящим там, где по всем расчетам уже должны были кататься, возможно, стоит уйти на второй круг и построить заход с учетом экранного эффекта.