Руководство пилота по аэронавтике » Глава 4. Аэродинамика полета » Сваливание

Сваливание

Stalls

Сваливание самолета происходит в результате быстрого уменьшения подъемной силы, вызванного отделением потока воздуха от поверхности крыла, вызванным превышением критического угла атаки. Сваливание может произойти при любом положении по тангажу или скорости полета. Сваливание — одна из самых недооцененных областей аэродинамики, потому что пилоты часто полагают, что крыло прекращает производить подъемную силу, когда происходит сваливание. При сваливании крыло не полностью прекращает производить подъемную силу. Скорее оно не может произвести соответствующую подъемную силу, чтобы поддержать горизонтальный полет.

С увеличением УА, увеличивается и CL, в некоторый момент CL достигает пика и затем начинает уменьшаться. Этот пик называют CL-max. Количество подъемной силы которое создает крыло после достижения CL-max или критического УА резко падает, но как сказано выше, оно не полностью прекращает производить подъемную силу.

У большинства прямокрылых самолетов крыло сконструировано таким образом, чтобы корневая часть крыла сваливалась в первую очередь. Корневая часть крыла первой достигает своего критического угла атаки, что заставляет процесс сваливания происходить наружу в направлении от основания к законцовке крыла. При такой конструкции увеличивается эффективность элерона который обеспечивает управляемость самолета. Для того, чтобы крыло начинало сваливаться от корня используют различные методы создания крыла. Один из них заключается в «куртке крыла», так чтобы оно имело бо́льший УА у его основания. Другой метод заключается в установке у основания крыла на 20-25% длины крыла специальных обтекателей, которые заранее приводят к срыву потока в этой части крыла.

Крыло никогда полностью не прекращает производить подъемную силу в условии сваливания. Если бы крыло не создавало бы подъемной силы, самолет бы просто рухнул на землю. Большинство учебных самолетов сконструировано так, чтобы при сваливания нос самолета уходил вниз, тем самым уменьшая угол атаки, что выводит крыло из сваливания. Тенденция к пикированию возникает благодаря тому, что центр подъемной силы расположен позади центра тяжести самолета. Диапазон расположения ЦТ очень важен, когда дело доходит до особенностей восстановления самолета при сливании. Если пилот допускает выход ЦТ за его диапазон, то у него могут возникнуть сложности с выводом самолета из сваливания. Самое критическое нарушение диапазона ЦТ может произойти при выходе точки ЦТ за переднюю границу диапазона. В этой ситуации пилот не может создать достаточную силу с помощью руля высоты, чтобы противодействовать перевесу кормовой части. Не имея способности уменьшить УА, самолет продолжает сваливание, вплоть до контакта с землей.

Для конкретного самолета скорость сваливания не является фиксированной для всех условий полета, но один и тот же самолет всегда сваливается при определенном УА, независимо от скорости полета, веса, загрузки или высоты. У каждого самолета есть особый угол атаки, при котором поток воздуха отделяется от верхней поверхности крыла, и происходит сваливание. Этот критический УА находится в диапазоне от 16° до 20° в зависимости от конструкции самолета. Но у каждого самолета есть только один определенный УА, при котором происходит сваливание.

Есть три ситуации, в которых может быть превышен критический УА: низкая скорость, высокая скорость и поворот.

Сваливание может произойти в горизонтальном неускоренном полете при недостаточной скорости полета. Когда скорость полета уменьшается, УА должен быть увеличен, чтобы сохранить подъемную силу, требуемую для поддержания высоты. Чем меньше становится скорость полета, тем больший УА необходим. В конечном счете будет достигнут такой УА, при котором крыло не способно производить достаточную подъемную силу и самолет будет снижаться. Если скорость полета и далее будет уменьшаться, то произойдет сваливание, так как УА превысил критический угол, и происходит срыв потока воздуха с крыла.

Сваливание происходит не только при низкой скорости полета. Крыло может достигнуть своего чрезмерного УА на любой скорости. Например, самолет находится в пикировании со скоростью полета 100 узлов и пилот резко на тянет на себя руль высоты. [Рисунок 4-32] Сила тяжести и центробежная сила предотвращает резкое изменение траектории полета, но изменение УА самолета происходит резко от довольно малых значений до очень больших. Так как траектория движения самолета совместно с набегающим потоком воздуха определяет направление относительного ветра, УА может быть внезапно увеличен и достигнуть критического значения при скорости, намного больше, чем обычная скорость сваливания.

Рисунок 4-32. Силы, действующие на самолет при выходе из пикирования.

Скорость сваливания также будет выше при выполнении поворота с сохранением высоты чем при обычном горизонтальном неускоренном полете. [Рисунок 4-33] Центробежная сила добавляется к весу самолета и крыло, должно произвести соответствующую дополнительную подъемную силу, чтобы ее уравновесить. При повороте необходимость дополнительной подъемной силы возникает из-за действия руля высоты. Действие руля высоты приводит к увеличению УА крыла, что влечет увеличение подъемной силы. УА должен быть увеличен, когда угол крена увеличивается, чтобы противодействовать увеличивающемуся весу самолета вызванному центробежной силой. Если во время поворота УА становится чрезмерным, происходит сваливание самолета.

Рисунок 4-33. Увеличение скорости сваливания со степенью перегрузки самолета.

Рассмотрим, что происходит с самолетом при сваливании. Чтобы самолет был аэродинамически устойчивым, центр подъемной силы обычно располагается позади его центра тяжести. Хотя это делает самолет тяжелоносным, но перемещение масс воздуха вниз на горизонтальном стабилизаторе противодействует тяжелому носу. При сваливании, когда восходящая подъемная сила на крыле и нисходящая сила на хвосте перестают действовать, возникает неуравновешенное состояние у самолета. Тяжелый нос самолета резко уходит вниз, совершая вращательное движение вокруг ЦТ. Во время этого вращения угол атаки уменьшается и скорость полета увеличивается. Срыва потока больше не происходит, подъемная сила вновь создается крылом и самолет снова летит. За то время пока происходит этот процесс восстановления может быть потеряна значительная высота.

При обсуждении сваливания также необходимо рассмотреть форму крыла и ее изменение. Например, если на крыле происходит наростание льда снега или инея, то поток воздуха по крылу будет разрушен. Такие образования вызывают срыв потока при углах атаки меньше критического. Подъемная сила уменьшается, изменяя ожидаемую работу самолета. Если льду позволить накопиться на самолете во время полета [рисунок 4-34], вес самолета увеличится, в то время как способность создавать подъемную силу снизится. Наростание всего 0.8 миллиметра льда на верхней поверхности крыла увеличит сопротивление, и уменьшит подъемную силу самолета на 25%.

Рисунок 4-34. Образование льда в полете.

Пилоты могут столкнуться с обледенением в любой сезон, в любом месте страны, в высотах до 18,000 футов, а иногда и выше. Маленькие самолеты, включая пригородные самолеты, являются самыми уязвимыми, потому что они летают на малых высотах, где образование льда наиболее вероятно. На малых самолетах гораздо реже встречаются системы, распространенных на реактивных самолетах, которые предотвращают наращивание льда, нагревая передние кромки крыльев.

Обледенение может произойти в облаках любое время, когда температура падает ниже замерзания, и переохлажденные капли попадают на самолет и замерзают. (Переохлажденные капельки находятся в жидком состоянии даже при температуре ниже 32° F или 0° C).

An aircraft stall results from a rapid decrease in lift caused by the separation of airflow from the wing’s surface brought on by exceeding the critical AOA. A stall can occur at any pitch attitude or airspeed. Stalls are one of the most misunderstood areas of aerodynamics because pilots often believe an airfoil stops producing lift when it stalls. In a stall, the wing does not totally stop producing lift. Rather, it can not generate adequate lift to sustain level flight.

Since the CL increases with an increase in AOA, at some point the CL peaks and then begins to drop off. This peak is called the CL-MAX. The amount of lift the wing produces drops dramatically after exceeding the CL-MAX or critical AOA, but as stated above, it does not completely stop producing lift.

In most straight-wing aircraft, the wing is designed to stall the wing root first. The wing root reaches its critical AOA first making the stall progress outward toward the wingtip. By having the wing root stall first, aileron effectiveness is maintained at the wingtips, maintaining controllability of the aircraft. Various design methods are used to achieve the stalling of the wing root first. In one design, the wing is “twisted” to a higher AOA at the wing root. Installing stall strips on the first 20–25 percent of the wing’s leading edge is another method to introduce a stall prematurely.

The wing never completely stops producing lift in a stalled condition. If it did, the aircraft would fall to the Earth. Most training aircraft are designed for the nose of the aircraft to drop during a stall, reducing the AOA and “unstalling” the wing. The “nose-down” tendency is due to the CL being aft of the CG. The CG range is very important when it comes to stall recovery characteristics. If an aircraft is allowed to be operated outside of the CG, the pilot may have difficulty recovering from a stall. The most critical CG violation would occur when operating with a CG which exceeds the rear limit. In this situation, a pilot may not be able to generate sufficient force with the elevator to counteract the excess weight aft of the CG. Without the ability to decrease the AOA, the aircraft continues in a stalled condition until it contacts the ground.

The stalling speed of a particular aircraft is not a fixed value for all flight situations, but a given aircraft always stalls at the same AOA regardless of airspeed, weight, load factor, or density altitude. Each aircraft has a particular AOA where the airflow separates from the upper surface of the wing and the stall occurs. This critical AOA varies from 16° to 20° depending on the aircraft’s design. But each aircraft has only one specific AOA where the stall occurs.

There are three flight situations in which the critical AOA can be exceeded: low speed, high speed, and turning.

The aircraft can be stalled in straight-and-level flight by flying too slowly. As the airspeed decreases, the AOA must be increased to retain the lift required for maintaining altitude. The lower the airspeed becomes, the more the AOA must be increased. Eventually, an AOA is reached which results in the wing not producing enough lift to support the aircraft which starts settling. If the airspeed is reduced further, the aircraft stalls, since the AOA has exceeded the critical angle and the airflow over the wing is disrupted.

Low speed is not necessary to produce a stall. The wing can be brought into an excessive AOA at any speed. For example, an aircraft is in a dive with an airspeed of 100 knots when the pilot pulls back sharply on the elevator control. [Figure 4-32] Gravity and centrifugal force prevent an immediate alteration of the flightpath, but the aircraft’s AOA changes abruptly from quite low to very high. Since the flightpath of the aircraft in relation to the oncoming air determines the direction of the relative wind, the AOA is suddenly increased, and the aircraft would reach the stalling angle at a speed much greater than the normal stall speed.

Figure 4-32. Forces exerted when pulling out of a dive.

The stalling speed of an aircraft is also higher in a level turn than in straight-and-level flight. [Figure 4-33] Centrifugal force is added to the aircraft’s weight and the wing must produce sufficient additional lift to counterbalance the load imposed by the combination of centrifugal force and weight. In a turn, the necessary additional lift is acquired by applying back pressure to the elevator control. This increases the wing’s AOA, and results in increased lift. The AOA must increase as the bank angle increases to counteract the increasing load caused by centrifugal force. If at any time during a turn the AOA becomes excessive, the aircraft stalls.

Figure 4-33. Increase in stall speed and load factor.

At this point, the action of the aircraft during a stall should be examined. To balance the aircraft aerodynamically, the CL is normally located aft of the CG. Although this makes the aircraft inherently nose-heavy, downwash on the horizontal stabilizer counteracts this condition. At the point of stall, when the upward force of the wing’s lift and the downward tail force cease, an unbalanced condition exists. This allows the aircraft to pitch down abruptly, rotating about its CG. During this nose-down attitude, the AOA decreases and the airspeed again increases. The smooth flow of air over the wing begins again, lift returns, and the aircraft is again flying. Considerable altitude may be lost before this cycle is complete.

Airfoil shape and degradation of that shape must also be considered in a discussion of stalls. For example, if ice, snow, and frost are allowed to accumulate on the surface of an aircraft, the smooth airflow over the wing is disrupted. This causes the boundary layer to separate at an AOA lower than that of the critical angle. Lift is greatly reduced, altering expected aircraft performance. If ice is allowed to accumulate on the aircraft during flight [Figure 4-34], the weight of the aircraft is increased while the ability to generate lift is decreased. As little as 0.8 millimeter of ice on the upper wing surface increases drag and reduces aircraft lift by 25 percent.

Figure 4-34. Inflight ice formation.

Pilots can encounter icing in any season, anywhere in the country, at altitudes of up to 18,000 feet and sometimes higher. Small aircraft, including commuter planes, are most vulnerable because they fly at lower altitudes where ice is more prevalent. They also lack mechanisms common on jet aircraft that prevent ice buildup by heating the front edges of wings.

Icing can occur in clouds any time the temperature drops below freezing and super-cooled droplets build up on an aircraft and freeze. (Super-cooled droplets are still liquid even though the temperature is below 32 °Fahrenheit (F), or 0 °Celsius .


Система Orphus