Руководство пилота по аэронавтике » Глава 4. Аэродинамика полета » Силы, действующие на самолет

Силы, действующие на самолет

Forces Acting on the Aircraft

Сила тяги, сопротивления, подъемная сила, и вес самолета - силы, которые действуют на самолет в полете. Понимание того, как эти силы действуют и как ими управлять с помощью двигателя и органов управления полетом, важны для производства полета. В этой главе обсуждается аэродинамика полета - как конструкция, вес, коэффициенты загрузки самолета и сила тяжести влияют на самолет во время маневров в полете.

Четыре силы, действуют на самолет в горизонтальном, неускоренный полете: тяга, сопротивление, подъемная сила и вес. Они определяются следующим образом:

  • Тяга — сила, направленная по ходу движения самолета, произведенная силовой установкой / винтом. Она препятствует или преодолевает силу сопротивления воздуха. Как правило тяга направлена вдоль продольной оси. Однако, как будет объяснено ниже, это не всегда так.
  • Сопротивление — направленная против хода самолета сила, мешающая движению, вызванная разрывом потока воздуха крылом, винтом, фюзеляжем и другими выступающими частями. Сила сопротивления направлена против силы тяги и параллельно относительно набегающего потока воздуха.
  • Вес — сумма веса самого самолета, команды, топлива, и груза или багажа. Вес тянет самолет вниз из-за силы земного притяжения. Вес направлен против подъемной силы и действует вертикально вниз проходя через центр тяжести самолета (ЦТ).
  • Подъемная сила — направлена против веса, возникает в результате динамического эффекта воздействия воздуха на крыло, и действует перпендикулярно к траектории полета, проходя через центр подземной силы.

В условиях горизонтального не ускоренного полета сумма этих противостоящих сил всегда равна нулю. В соответствии с Третьим Законом Ньютона, который говорит о том, что для каждого действия или силы существует равная по величине но противоположная по направлению противодействующая сила, не может существовать никаких неуравновешенных сил в неускоренном прямолинейном полете. Это верно как для горизонтального полета так и для снижения или взлета самолета.

Это не означает, что все четыре силы равны. Это означает лишь то, что равны противодействующие силы, они уравновешивают воздействие друг друга. На рисунке 4-1 векторы силы тяги, сопротивления, подъемной силы и веса, кажутся равновеликими. Это объясняется тем (без учета того, что тяга и сопротивление, не равняются весу и подъемной силе), что сила тяги равняются силе сопротивления, а подъемная сила равна весу. Не смотря на то, что это объяснение верно, оно может вводить в заблуждение. Нужно понимать, что при горизонтальном прямолинейном неускоренном полете утверждение, противостоящие силы веса и подъемная равны. Они также больше по значению, чем противостоящие силы тяги и сопротивления, которые равны только друг другу. Поэтому, в прямолинейном полете:

  • Сумма всех сил поднимающих самолет (не только подъемная сила) равняется сумме всех сил, тянущих вниз (не только вес).
  • Сумма всех толкающих самолет вперед сил (не только тяга) равняется сумме всех сил, тянущих самолет назад (не, только сопротивление).

Рисунок 4-1. Взаимосвязь сил, действующих на самолет.

Такое усовершенствование предыдущего постулата «тяга равняется сопротивлению; подъемная равняется весу» объясняет, что часть тяги направлена вверх при взлете и действует, как будто подъемная сила, в то время как часть вектора веса будет направлена назад и действует, как будто это сила сопротивления. [Рисунок 4-2]

Рисунок 4-2. Векторы сил во время неускоренного подъема.

При снижении самолета часть вектора веса направлена вперед, и, поэтому, действует как тяга. Другими словами, при любом не горизонтальном полете четыре силы должны быть разложены на два составляющих компонента.

Обсуждение вышеописанных понятий часто опускаются в авиационных текстах/справочниках/руководствах. Причина не в том, что они несущественны, а в том, что основные положения касающиеся аэродинамических сил, действующих на самолет в полете, могут быть освещены поверхностно, не вдаваясь в технические детали аэродинамики. Фактически, если рассматривать только горизонтальный полет, набор высоты и снижение при неускоренном движении самолета, то действительно, подъемная сила, создаваемая крылом или ротором, является основной поднимающей силой, а вес самолета - основная сила тянущая самолет вниз.

При помощи аэродинамических сил таких как тяга, сопротивление окружающей среды, подъемной силы и веса самолета пилоты могут производить управляемые и безопасные полеты. Далее следует более детальное рассмотрение этих сил.

Thrust, drag, lift, and weight are forces that act upon all aircraft in flight. Understanding how these forces work and knowing how to control them with the use of power and flight controls are essential to flight. This chapter discusses the aerodynamics of flight—how design, weight, load factors, and gravity affect an aircraft during flight maneuvers.

The four forces acting on an aircraft in straight-and-level, unaccelerated flight are thrust, drag, lift, and weight. They are defined as follows:

  • Thrust — the forward force produced by the powerplant / propeller or rotor. It opposes or overcomes the force of drag. As a general rule, it acts parallel to the longitudinal axis. However, this is not always the case, as explained later.
  • Drag — a rearward, retarding force caused by disruption of airflow by the wing, rotor, fuselage, and other protruding objects. Drag opposes thrust, and acts rearward parallel to the relative wind.
  • Weight — the combined load of the aircraft itself, the crew, the fuel, and the cargo or baggage. Weight pulls the aircraft downward because of the force of gravity. It opposes lift, and acts vertically downward through the aircraft’s center of gravity (CG).
  • Lift — opposes the downward force of weight, is produced by the dynamic effect of the air acting on the airfoil, and acts perpendicular to the flightpath through the center of lift.

In steady flight, the sum of these opposing forces is always zero. There can be no unbalanced forces in steady, straight flight based upon Newton’s Third Law, which states that for every action or force there is an equal, but opposite, reaction or force. This is true whether flying level or when climbing or descending.

It does not mean the four forces are equal. It means the opposing forces are equal to, and thereby cancel, the effects of each other. In Figure 4-1 the force vectors of thrust, drag, lift, and weight appear to be equal in value. The usual explanation states (without stipulating that thrust and drag do not equal weight and lift) that thrust equals drag and lift equals weight. Although basically true, this statement can be misleading. It should be understood that in straight, level, unaccelerated flight, it is true that the opposing lift/weight forces are equal. They are also greater than the opposing forces of thrust/drag that are equal only to each other. Therefore, in steady flight:

  • The sum of all upward forces (not just lift) equals the sum of all downward forces (not just weight).
  • The sum of all forward forces (not just thrust) equals the sum of all backward forces (not just drag).

Figure 4-1. Relationship of forces acting on an airplane.

This refinement of the old “thrust equals drag; lift equals weight” formula explains that a portion of thrust is directed upward in climbs and acts as if it were lift while a portion of weight is directed backward and acts as if it were drag. [Figure 4-2]

Figure 4-2. Force vectors during a stabilized climb.

In glides, a portion of the weight vector is directed forward, and, therefore, acts as thrust. In other words, any time the flightpath of the aircraft is not horizontal, lift, weight, thrust, and drag vectors must each be broken down into two components.

Discussions of the preceding concepts are frequently omitted in aeronautical texts/handbooks/manuals. The reason is not that they are inconsequential, but because the main ideas with respect to the aerodynamic forces acting upon an airplane in flight can be presented in their most essential elements without being involved in the technicalities of the aerodynamicist. In point of fact, considering only level flight, and normal climbs and glides in a steady state, it is still true that lift provided by the wing or rotor is the primary upward force, and weight is the primary downward force.

By using the aerodynamic forces of thrust, drag, lift, and weight, pilots can fly a controlled, safe flight. A more detailed discussion of these forces follows.


Система Orphus