Откуда берётся подъёмная сила и чем за неё приходится платить: атмосфера и её стандарт, Бернулли и неразрывность, угол атаки и срыв потока, поляры и аэродинамическое качество, индуктивное сопротивление и вихри, механизация крыла, сваливание и штопор, устойчивость и управляемость по всем трём осям.
Сафаров Александр Балагардашевич — дисциплина «Основы полёта» (видео 4.1–6.2). Материал у него выстроен от атмосферы к устойчивости, поэтому конспект идёт тем же порядком.
Y = Cy · (ρV² / 2) · S
Коэффициент Cy зависит от профиля и угла атаки, ρV²/2 — скоростной напор, S — площадь крыла. Отсюда сразу следуют три вещи: на большой высоте и в жару (малая ρ) нужна большая скорость; закрылки увеличивают Cy и позволяют лететь медленнее; при уменьшении скорости приходится увеличивать угол атаки — и однажды упереться в критический.
| Закрылки | крен 0° | крен 30° | крен 45° | крен 60° |
|---|---|---|---|---|
| UP (убраны) | 48 | 52 | 57 | 68 |
| 10° | 42 | 45 | 50 | 59 |
| FULL | 40 | 43 | 48 | 57 |
Таблица из раздела 5 РЛЭ, масса 2550 lb, обороты холостого хода, задняя центровка. Главный вывод: критический угол атаки не меняется, а скорость сваливания — меняется. С креном 60° она вырастает почти на 40 %. Сирена сигнализации срабатывает за 5–10 узлов до сваливания, а потеря высоты при выводе доходит до 230 футов.
Качество — это буквально сколько метров пролетишь на каждый метр потерянной высоты. С километра высоты без двигателя — около девяти-десяти километров по горизонту. Разница между 10 и 12 — это вклад вращающегося винта: он работает как тормоз, поэтому реальное качество всегда ниже «чистого» планера.
Угол атаки — не тангаж. Тангаж это угол между продольной осью и горизонтом, угол атаки — между хордой и набегающим потоком. Самолёт может идти с большим тангажом и малым углом атаки, и наоборот.
Индуктивное сопротивление растёт с уменьшением скорости, а не наоборот: на малых скоростях нужен большой угол атаки, вихри с концов крыла сильнее.
Устойчивость и управляемость — противоположные свойства. Чем устойчивее самолёт, тем больше усилий нужно, чтобы изменить режим. Учебная машина намеренно сделана очень устойчивой.
На курсе PPL все дисциплины взаимосвязаны; аэродинамика — одна из профильных. Лётчик должен понимать, как и почему летает самолёт, как не войти в критические режимы и не создавать себе аварийную ситуацию («как китайские комсомольцы — сначала трудности, потом преодоление»).
Подъёмная сила — следствие разности давления над и под поверхностью крыла. На самолёте действуют четыре силы (ОЗВС): Y — подъёмная, G — вес, P — тяга, X — сопротивление. В расчётах используют не сами силы целиком, а коэффициенты Cy, Cx — так строят поляры.
Аэродинамика — наука о закономерностях движения газов и их силовом взаимодействии с телами. Теоретическая (Жуковский), экспериментальная и прикладная. На курсе — упор на физическое понимание, не на математику.
Основные параметры среды, влияющие на силы в полёте: температура, давление, плотность. Они меняются с высотой и могут меняться на одной высоте (QNH, погода).
До какого-то момента считалось, что расчёта достаточно: посчитали силы, построили, полетели. Точку в этом поставил БИ-1 — первый советский ракетный истребитель, который испытывали в Кольцово.
На большой для того времени скорости самолёт затянуло в пикирование, и лётчик-испытатель Григорий Бахчиванджи не смог его вывести: рулей физически не хватило. Причина была в том, чего в расчётах не было вообще — смещении фокуса с ростом скорости. Момент от аэродинамических сил изменился так, что органы управления его больше не пересиливали.
Отсюда пошло правило, которое он повторяет весь курс: аэродинамика — наука опытная. Любая красивая формула проверяется продувкой и полётом, а «по расчёту должно работать» — не аргумент. И то же самое касается вашего борта: цифры берутся из РЛЭ конкретной машины, а не из общих соображений.
Состав (стандарт): ~78% N₂, ~21% O₂, ~1% прочее. Толщина атмосферы ~2000 km; гражданская авиация — в тропосфере.
На уровне моря: 1013 hPa (760 mmHg, 29,92 inHg), +15 °C (288 K), плотность 1,225 kg/m³. Линейное падение температуры −6,5 °C/km и давления 1 mmHg/11 m заложены в ISA.
На C172S приборы — в футах; давление — hPa или inHg (G1000 можно переключить метры, но футы остаются). QNH — приведённое давление на уровне моря; QFE — давление у земли.
Один и тот же самолёт с одним взлётным весом на +30 °C и на 0 °C ведёт себя по-разному: при более низкой температуре плотность выше → больше подъёмная сила и тяга двигателя, взлётная дистанция короче. (Про винт: тяга винта падает с ростом скорости полёта — отдельная тема.)
В тропосфере (~до 11–12 km): температура падает на 6,5 °C на 1000 m; давление — на 1 mmHg на 11 m (~27 ft на 1 hPa). На C172 обычно летают 1200–1800 ft; редко до ~3500 m — выше для IO-360 тяжело по мощности и температуре.
Вязкость — сопротивление смещению слоёв воздуха (внутреннее трение). Инертность — с какой скоростью меняется состояние от покоя к равномерному движению. Сжимаемость заметна от ~M 0,3–0,4 (~350–400 km/h); на C172 до ~160 kt IAS и TAS почти совпадают (малые приборные и аэродинамические погрешности).
Скорости: IAS — воздушная (относительно воздуха); ground speed — относительно земли; TAS — истинная (на PFD G1000 — «TAS» под указателем скорости). Число Маха M = V / a (a ≈ 1225 km/h при стандартных условиях).
По гипотезе сплошности Эйлера в воздухе нет пустот — параметры можно измерить в любой точке. При обтекании у поверхности образуется пограничный слой: скорость у обшивки = 0, дальше нарастает до скорости свободного потока. Толщина слоя растёт от передней к задней кромке.
Линия тока — траектория частицы; в каждой точке свои ρ, V, S. Ламинарный поток — параллельные струйки; турбулентный — хаотичное движение частиц (как при объявленной «повышенной турбулентности» в салоне).
Сжимаемость на 172-й можно не считать, но понимать, что это такое, стоит — и он объясняет это через собственный полёт на Ту-144 по маршруту Алма-Ата — Москва, единственному, где эта машина работала регулярно.
Вывод для нас простой: сжимаемость — это про скорость относительно звука, а не про «сильный напор». На наших скоростях воздух ведёт себя как несжимаемый, поэтому в уравнении подъёмной силы плотность берут постоянной по потоку.
Легче воздуха (аэростаты, дирижабли) — подъём за счёт разности плотностей (закон Архимеда). Тяжелее воздуха (самолёт) — подъём за счёт разности давлений при обтекании. Курс PPL — аэродинамика тяжелее воздуха; газодинамика и полёты на шарах — отдельная программа.
Конструкция: поперечные элементы — нервюра (крыло), шпангоут (фюзеляж); продольные — лонжерон (основная продольная нагрузка), стрингер (передаёт напряжение от обшивки к силовым элементам).
Закон сохранения расхода (неразрывность): ρ₁V₁S₁ = ρ₂V₂S₂ = const. Если площадь потока уменьшается — скорость растёт.
Закон Бернулли: P + ½ρV² = const (статическое + динамическое давление). Пример «ветер между домами»: в узком проходе скорость выше, давление ниже. На профиле крыла: путь над профилем длиннее → скорость выше → давление ниже сверху; снизу давление больше → результирующая подъёмная сила вверх.
Профиль крыла — несимметричный (на C172); у симметричных профилей задают установочный угол для создания подъёмной силы на малых скоростях. Законы аэродинамики близки к гидродинамике; в воде ρ не входит в формулировку (жидкость несжимаема). Преподаватель анонсирует аэродинамическое качество K (отношение Cy/Cx, поляры) — «чуть позже» в этом же курсе; демонстрация с двумя листами наглядно показывает закон сохранения энергии.
Y = Cy · ½ · ρ · V² · S. В данной точке полёта S (площадь крыла) и V (скорость) — заданы; из переменных среды главным образом меняется ρ — плотность воздуха.
Воздух сжимаем (в отличие от жидкости); при росте скорости меняется обтекание, смещается фокус — точка приложения результирующей аэродинамической силы. На транс- и сверхзвуке это даёт пикирующий момент. На Cessna 172 (VNE ~163 kt, ~320 km/h) сжимаемость пренебрежимо мала — тема для общего кругозора.
Вращающийся цилиндр в потоке (эффект Магнуса) создаёт разность давлений и боковую силу — та же идея, что у «крутящегося мяча»: сопротивление + разная скорость обтекания → крутящий момент. Эффект Коанда: поток «прилипает» к выпуклой поверхности (два листа бумаги, струя из крана и ложка) — можно удерживать поток ламинарным там, где иначе был бы отрыв. На поршневом C172 без ТВД «вираж на месте» как у Harrier невозможен.
Элементы планера: крыло, фюзеляж, горизонтальное и вертикальное оперение, шасси. Крыло даёт ≥ ~85 % подъёмной силы; фюзеляж — порядка ~15 % (не «ноль»). Горизонтальный стабилизатор тоже может давать подъём; вертикальное оперение — при крене. На C172 обтекатели шасси снижают сопротивление и дают небольшую подъёмную силу.
На крыле — распределённая подъёмная сила; результирующая через фокус (центр давления). Чем больше площадь и угол атаки — тем выше Y.
Угол атаки (α) — угол между направлением набегающего потока и хордой профиля (прямая от передней к задней кромке). При увеличении α подъёмная сила растёт, пока поток ламинарный; далее — срыв, турбулентность, падение подъёмной силы.
На левом полукрыле C172 — датчик срыва (stall warning): предупреждает о приближении к критическому углу атаки. У трапециевидного крыла хорда меняется по размаху; для расчётов используют среднюю аэродинамическую хорду (SAC).
За критическим углом атаки ламинарность прекращается, подъёмная сила падает — начинается сваливание. Увеличение α без достаточной скорости — прямой путь к stall.
α — между хордой и вектором набегающего потока (ветер, восходящий/нисходящий поток включены). Тангаж θ — между продольной осью X самолёта и горизонтальной осью земной СК, не между осью и «линией горизонта на глаз». В горизонтальном полёте θ и α могут не совпадать с траекторией.
На C172S установочный угол крыла ≈ +2,5° — компенсация пикирующего момента высокоплана. После набора высоты пилот чаще ориентируется по θ; на ВПП и при минимальных скоростях критичен α. При резком газе — тенденция «клюнуть носом».
Связанная СК (с самолётом): X — вперёд по продольной оси; Y — вверх из ЦТ; Z — вправо. Земная — привязана к поверхности. «Скоростная» (по лектору лучше «привязанная к линии набегания»): ось вдоль вектора скорости относительно воздуха, но ориентация относительно земли. Не путать связанную СК с «ось X вдоль скорости».
Пример: восходящий поток ~3 m/s меняет эффективный α. Крен — вращение вокруг X; тангаж — вокруг Z; рыскание — вокруг Y (земной вертикали).
Масса — скалярная величина (произведение плотности на объём); на Земле и на Луне одинакова. Вес — сила: G = m · g (на Земле g ≈ 9,81 m/s², на Луне ~1,64). Лётчику важнее вес — одно практическое значение для расчёта центровки и перегрузок.
Вертикальные перегрузки C172 (нормальная категория, закрылки убраны): +3,8 g и −1,52 g; с полностью выпущенными закрылками — только +3,0 g. На занятии отрицательная звучала как −1,8 — в РЛЭ раздела 2 стоит −1,52 — подробнее в дисциплине «Руководство по лётной эксплуатации» (POH).
Рекомендация: начинать читать POH заранее. Раздел 3 — действия при аварийных ситуациях; раздел 4 — запуск. Преподаватель советует часть POH и АСП проходить на аэродроме, сидя в кабине: распределение внимания, моторика, знакомство с самолётом.
График Cy(α): до критического угла — ламинарное обтекание и рост подъёмной силы; за ним — область срыва, турбулентность, падение Cy и резкий рост Cx. Задача конструктора и пилота — держать крыло в зоне эффективного обтекания.
Cx растёт с α — сначала умеренно, после срыва — круто. Полная аэродинамическая сила — векторная сумма Y и X. Лобовое сопротивление раскладывают на профильное, индуктивное и волновое (на C172 — в основном первые два).
Подъёмная сила из разности давлений: снизу выше, сверху ниже. Воздух «перетекает» по законцовкам — вихревые «жгуты», зона пониженного давления в центре → индуктивное сопротивление Xi. Растёт с Cy (больший α). На кромке иногда видна конденсация — граница зон давления (меняются P, V, T).
Индуктивное сопротивление есть и у стабилизатора. Winglets и вертикальные гребни (Ту-104, Ту-124; на поздних C172 — winglet вниз) демпфируют перетекание. Удлинение λ = размах²/S: у лёгкомоторных ~6–10, у мотопланеров ~20. V-образный строй птиц — та же идея снижения потерь.
При отклонении элеронов вниз на одном полукрыле растёт давление снизу → больше «тормозной» эффект → самолёт скользит в сторону большего сопротивления (как машина с спущенным колесом). В крене результирующая Y наклонена — появляется снос. Компенсация: штурвал + противоположная педаль + триммер.
Дифференциальные элероны (+20° вверх / −15° вниз) частично гасят нежелательный крен, но полностью скольжение не убирают.
Полное сопротивление: профильное, индуктивное, волновое (на C172 пренебрежимо), интерференционное (стык крыла и фюзеляжа, непараллельные поверхности), трения (пограничный слой).
Интерференция и штопор. На стыке крыла с фюзеляжем потоки складываются, и результирующая у высокоплана направлена вниз, а у низкоплана — вверх. Практический вывод он формулирует прямо: низкоплан в плоский штопор попадает легко, а высокоплану «надо ещё ножкой помочь». Это одна из причин, почему учебная машина — высокоплан. Объяснение через «перепад плотностей воздуха» он называет неверным: дело в направлении результирующей, а не в плотности.
Спутный след тяжёлых и средних ВС опасен для лёгкой авиации. Классы по МАВ (ИКАО): 4-й — до 10 т (самолёт до 5700 кг, вертолёт до 300 кг, сверхлёгкий до 495 кг, ультралёгкий до 115 кг); 3-й — до 35 т; 2-й — до 75 т; 1-й — свыше 75 т.
K = Y / X (или Cy / Cx) при данном α — насколько «выгодно» крыло несёт нагрузку. У C172 в крейсере K ≈ 10–12 (с флюгерным винтом — до ~12). Практический смысл: при планировании без двигателя на 1 м потери высоты самолёт пролетит ~10 м горизонтально (упрощённо, прямолинейный полёт).
При аварийном развороте на 90° теряется 80–120 м высоты — зависит от ветра. На поляре K: касательная из начала координат к кривой Cy(Cx) даёт наивыгоднейший угол атаки; перпендикуляр к оси Cx — угол минимального сопротивления. В РЛЭ Як-18/52 поляры нарисованы; в POH C172 — в таблицах.
Поляра всего самолёта (Cy vs Cx с учётом фюзеляжа, хвоста, винта) отличается от поляры одного профиля. Работа двигателя «сдвигает» кривую: на взлёте и номинале — разные K. Обдувка винтом добавляет часть подъёмной силы уже на стоянке (пример — Ан-72 с двигателями над крылом).
Запас по скорости — маневр; по высоте — время на решение; по топливу — дальность и запас на второй круг. При отказе двигателя на C172 с винтом изменяемого шага — флюгерировать винт, чтобы снизить Cx винта.
Сопротивление трения — не абстракция, и он приводит случай из своей практики: Ан-12, пришедший из Болгарии со «своей» покраской. Покрытие было гладкое, глянцевое — и по его наблюдению машина оказалась экономичнее примерно на три процента при том же режиме.
На 172-й трение — заметная часть полного сопротивления, потому что скорости небольшие и волнового сопротивления нет. Поэтому грязь, наледь, следы насекомых на передней кромке и облупившаяся краска — это не косметика, а прямая потеря качества и расхода. Предполётный осмотр передней кромки сюда же: чистая кромка нужна не для красоты.
Интерференционное сопротивление — на стыке крыла и фюзеляжа, между несоприкасающимися элементами (пример — верхнее крыло И-15 «Чайка»). Винт однодвигательного самолёта создаёт реактивный момент; в полёте частично компенсирует руль направления и статический триммер на нём (отгиб задней кромки).
На C172 — «мускулолёт»: триммеры и сервокомпенсатор на руле высоты, противовесы («лопухи»), роговые компенсаторы — всего до 4 элементов, уменьшающих усилия на рулях. Триммеры фиксируют положение, не заменяют управление.
На Garmin G1000: меню WIND — три варианта отображения вектора ветра на эшелоне; по известному ветру и параметрам полёта можно оценить эффективный α (связь с критическим углом атаки из лекции).
Положительная V-образность (диэдр) — выше устойчивость, ниже управляемость; обратная — наоборот. Компромисс конструктора.
Профиль — сечение ⊥ размаху; хорда — передняя ↔ задняя кромка; относительная толщина и кривизна (средняя линия профиля). В POH (разделы 2, 4–5) уже заложены таблицы бокового ветра и посадки — в полёте не пересчитывают. Типы: симметричный, несимметричный, плоско-выпуклый, S-образный, ромбовидный, треугольный; «нейтральные» профили — для дозвука; простые — для планёров с большим λ.
Сужение — хорда в корне / на конце; стреловидность — угол ЛЕ к перпендикуляру к оси симметрии; крутка (twist) — разный установочный угол по размаху (пример Ту-144). Планформы: прямое, трапециевидное, эллиптическое, стреловидное, треугольное; изменяемая стреловидность — смена ЦТ, перелив балласта между режимами. SAC (MAC) — средняя аэродинамическая хорда для центровки (% от SAC в европейской традиции).
Отъёмная часть крыла (с ~10-го нервюра) — трапециевидная с умеренной стреловидностью по задней кромке (не по передней). Два эффекта:
Высокоплан устойчив, но плохо управляем — конструкторы всеми способами улучшают отклик. На PA-28 — ещё более выраженная трапециевидность; у C172 эволюция модификаций крыла и КО (172 → 172S) также улучшила управляемость.
Фокус — точка, где момент от аэродинамических сил почти не меняется при изменении α. Центр давления смещается вдоль хорды. Симметричный профиль при α=0 не даёт подъёма — только носовое/лобовое сопротивление. При росте скорости к транс-/сверхзвуку фокус и ЦД смещаются назад → пикирующий момент (на C172 не актуально).
При ρ, V, S как константах в учебном сравнении: Y ∝ Cy. Классический ASI: полное давление надувает мембрану, статическое сдавливает; стрелка от деформации мембраны, шкала линейна по динамическому давлению.
Органы управления меняют направление полёта; механизация (закрылки, предкрылки, интерцепторы) улучшает взлётно-посадочные характеристики: короче разбег/пробег и ниже скорости — больше времени на решение на финале (на МиГ-31 посадочная ~380 km/h, на C172 — принципиально иные цифры).
Отклоняемый щиток — простой, но риск отрыва потока на верхней поверхности; иногда ставят турбулизаторы (генераторы вихрей). Однощелевой — поток с нижней поверхности через щель поднимает пограничный слой. Двухщелевой — ещё эффективнее (Boeing 767, Il-76: до +44 % площади крыла на посадке). На C172 — Fowler (выдвижной однощелевой): выпуск увеличивает и площадь, и эффективный α.
Он объясняет это через классы точности приборов: всего их одиннадцать, бытовая техника обходится первыми тремя, в авиации применяют не ниже пятого, а в ракетной технике доходят до девятого-одиннадцатого. Логика такая: прибор настолько точен, что на 172-й разницей между приборной и истинной скоростью можно пренебречь и пилотировать по тому, что видно.
Класс точности говорит о погрешности самого прибора, а расхождение приборной и истинной скорости — это про плотность воздуха: указатель измеряет скоростной напор, а он зависит от плотности. У земли и в стандартных условиях плотность близка к расчётной, поэтому числа почти совпадают. С набором высоты и с ростом температуры истинная становится больше приборной — и на эшелонах разница уже принципиальна. Практический вывод тот же, что у него: пилотируем по приборной (она честно показывает, далеко ли до сваливания), а считаем навигацию по истинной.
Исторически: ручной (0/10/20/30/40°), электромеханический с указателем 0–40°, современный — следящая система: ручка 10/20/30/40°, pin-позиционер подтверждает фактический выпуск. На разных модификациях C172 — разные системы; смотреть раздел 2 POH конкретного борта.
Ручной — рычаг с пятью фиксированными положениями 0/10/20/30/40°, он сравнивает его с ручником в автомобиле: тянете до щелчка. Ставился до третьей модификации крыла, на машинах с двигателем Continental O-300. Электромеханический — с указателем, причём шкалы разные: 0–35°, на части машин 0–38°, на части 0–40°, поэтому «сорок» на одном борту и на другом — не одно и то же. Следящая система — ручка выставляет положение, а пин-позиционер подтверждает фактический выпуск: команда и результат разведены, и это как раз то, что проверяется предполётно.
Из-за разных шкал и разных систем цифры выпуска и максимальные скорости привязаны к конкретной модификации. Ориентир для 172S: 110 узлов на 10° и 85 от 10° до full. На занятии второе число звучало как 90 — в РЛЭ раздела 2 стоит 85.
Положения: takeoff (до 10°) и full (посадка). Максимальные скорости выпуска: на 10° — не более 110 kt; от 10° до full — не более 85 kt (РЛЭ, раздел 2). На занятии второе число звучало как 90 узлов — в РЛЭ стоит 85, держите в голове меньшее.
Разница между типами закрылков — не в «эффективности» вообще, а в том, что происходит за отклонённой поверхностью.
При выпуске хорда относительно потока «задирается» → α растёт при той же скорости → Cy выше (до ~2 при full 40°). Критический угол смещается: без закрылков αcrit ≈ 13,5° → с full 40° ≈ 12,5°. Закрылки дают больше Y, но и больше сопротивления — в крейсере убирают.
Предкрылки (slats) отводят срыв на большие α, улучшают обтекание носовой части профиля. На некоторых типах (Socata и др.) — автоматические предкрылки по скорости/α: при выпуске предкрылка «высасывает» поток вперёд, α на профиле падает, поляра Cy(α) смещается — растёт Cy max и отодвигается срыв. C172 RG — отдельные конфигурации GR/RG в POH.
Ограничения и процедуры — POH §2 (ограничения), §3 (особые случаи), §4 (нормальные процедуры). Поляры разных планформ (треугольное, трапециевидное, эллиптическое крыло) дают разный Cy/Cx при одинаковой подъёмной силе.
Предкрылок бывает не только управляемым. На Ан-2 и на машинах SOCATA он работает сам, без гидравлики и электрики — и логика у него чисто аэродинамическая.
Он говорит про это прямо: автоматический предкрылок расслабляет. Пилот привыкает, что «машина вытащит», перестаёт следить за углом атаки и скоростью — а на другом типе, где предкрылка нет, привычка остаётся. Поэтому сваливание учат чувствовать, а не полагаться на механизацию.
Спойлеры / интерцепторы на верхней поверхности крыла — «ломают» подъёмную силу, прижимают к ВПП, укорачивают пробег. На C172 их нет — только тормоза колёс. На крупных самолётах — в связке с реверсом тяги и парашютом.
Для большинства C172 максимальный крен — 60° (раздел 2 POH). Модификации 172F / 172FR (выпуск для Франции) — только 40° из-за бортового оборудования; после снятия военного оборудования ограничение в РЛЭ остаётся — на экзамене и в полёте отвечаете по документам вашего борта.
Выпуск закрылков на C172 — правым червячным редуктором и тросовой проводкой; левый следует с небольшим запаздыванием. При прямолинейном полёте без бокового ветра левый крен при выпуске — признак неисправности системы, а не «нормальной» асимметрии.
Крен при выпуске flaps → немедленно убрать закрылки. Иначе не хватит органов управления. После посадки — с убранными закрылками; повторный выпуск до посадки не выполняют.
Максимальная скорость выпуска на takeoff (10°) — 110 KIAS (на посадочном заходе обычно ~90 kt, 3×3, затем выпуск). На земле при запуске: короткая проба газа, выпуск flaps до 15° и проверка синхронности левого и правого (на многоместных — запись в бортжурнал/СПУ). Пять чек-листов C172 читают с листа; на G1000 — checklists на MFD.
На малой высоте над поверхностью (порядка ½ размаха и меньше) вихри с законцовок не успевают полноценно сформироваться — индуктивное сопротивление падает, самолёт «подушивает» (эффект экрана / воздушной подушки). На финале самолёт может «зависнуть» выше рассчитанной траектории — не уменьшать мощность преждевременно.
Про сам эффект обычно говорят «подушка держит», но управлять на выравнивании приходится не подушкой, а последствиями. Он описывает это так: у земли вихри за крылом не могут развернуться, скос потока уменьшается — и самолёт ведёт себя, как будто у крыла выросло удлинение: индуктивное сопротивление падает, качество растёт, машина не хочет садиться.
Сваливание — резкое падение подъёмной силы из‑за срыва потока с крыла при критическом угле атаки. Y = Cy·ρ·V²/2·S; при турбулентном срыве эффективная площадь обтекания ↓ → Y ↓ → нос уходит вниз (пикирующий момент планера).
Ламинарный поток — без завихрений; турбулентный — частицы движутся перпендикулярно линиям тока, подъёмная сила не создаётся. На C172 установочный угол крыла 2,5° — частично компенсирует пикирующий момент.
Vs — скорость, ниже которой органы управления не пересиливают внешние силы; «управляет природа». Выше Vs — пилот борется с силами (боковой ветер на взлёте/посадке: штурвал на ветер, правая ножка от реактивного момента винта).
При крене 30° и flaps UP — Vs ~52 kt (минимальная эволюционная). Потеря высоты при выходе из сваливания: до ~230 ft (~70 m).
На G1000: stall horn + датчик на передней кромке (аудио в гарнитуру). На L-29/L-39 — вибрация ручки от вихревого генератора у стабилизатора. Turn rate indicator (фиолетовая стрелка на PFD) — скорость вращения ~до 5°/min при определении направления штопора.
Лёд на передней кромке винта (1/3 у комля), крыла → ↑ пикирующий момент, клевок (неуправляемое пикирование, затенение руля высоты). Высокоплан особенно уязвим.
Признаки: ↑ пикирующий момент (поздно); раньше — белые полоски на чёрном винте (со стороны пилота) или на чёрной ленте подкоса. METAR: температура, влажность, icing.
При обледенении на посадке: не выпускать закрылки (если были UP — посадка без flaps, выше посадочная скорость). Go-around: с FULL → 20° → takeoff → UP, скорость ≥ 70 kt (Vflaps full 85 kt; на 60 kt убирать flaps нельзя).
На 172-й полёт в известных условиях обледенения запрещён, поэтому весь вопрос — вовремя увидеть. Он перечисляет всё, что для этого придумано.
Закрылки оставить убранными: при обледенении оперения изменение потока за крылом от выпуска закрылков может лишить руль высоты эффективности. Заход — на 65–75 KIAS в зависимости от количества льда, посадка «на ровном самолёте», от ухода на второй круг лучше воздержаться — скороподъёмности может не хватить. При слое 0,25 дюйма и больше на передних кромках заметно растут потребная мощность, скорость сваливания и длина пробега.
Снижение оборотов винта на ~1 м/с (по закону) ≈ +1 °C на лопастях — «подогреть» винт. На горизонтальном полёте: сначала снизить обороты, затем резко дать взлётный режим — динамическими силами сбросить лёд. Альтернатива — снижение (~6,5° на км), но оборотами прогреть винт эффективнее: лёд на винте появляется раньше, чем на передней кромке крыла.
Замёрзшая статика (отверстие на обшивке за дверью): на C172S — аварийная статика в кабине (чёрная/красная ручка). На ранних модификациях без неё: снижение до PMV, снижение скорости (слабый эффект — поток от винта на фюзеляже), набор высоты (избыточное давление в статике может «выталкивать» лёд при лёгком обледенении). ППД с обогревом может частично помочь, но статика — отдельная проблема.
Порог оцепенения — время от возмущения до правильного решения: норма 3–4 с, максимум 7 с (оценка «3»). В аварийной ситуации секунды решают исход.
Штопор — неуправляемое движение по спирали малого радиуса на закритических углах атаки. Плоский: угол тангажа до ~20° (как «кленовое семечко»), α до ~60°. Крутой: тангаж >50°, α ~25–30°.
Потеря высоты за оборот: плоский ~80 m, крутой ~100–150 m. На 300 m — максимум 4–5 оборотов до земли. Направление вращения: по компасу, шарику, turn coordinator; из кабины в ~95 % случаев кажется обратным (смотрите приборы, не «на глаз»).
В плоский штопор нужны две «звезды»: за критический α и скорость ≤ Vs. Только одно — колебания или самовосстановление (классическая схема), но не полный штопор.
Разная Y на полукрыльях (винт, реактивный момент, асимметрия) → разное X → вращение вокруг оси Y. Затенение руля высоты и руля направления турбулентным потоком — штурвал «не слушается».
Вывод (плоский штопор):
Минимальная эволюционная Vs — при фигурах пилотажа. Что можно на 172-й, зависит от категории, в которой вы сегодня летите, а её задаёт загрузка:
| Нормальная категория | Многоцелевая (utility) |
|---|---|
| До 2550 lb. Акробатические фигуры, включая штопор, запрещены. Перегрузки +3,8 / −1,52 g, с full — +3,0 g | До 2200 lb, багажник пуст, задние кресла свободны. Разрешены перечисленные в РЛЭ фигуры, в том числе штопор: боевые развороты и восьмёрки — вход 105 kt, виражи — 95 kt, штопор и сваливание — на медленном уменьшении скорости. Перегрузки +4,4 / −1,76 g |
Отдельная строка того же раздела, которую легко пропустить: резко двигать органами управления выше 98 узлов запрещено — это и есть смысл скорости манёврирования на практике. Расчётные перегрузки составляют 150 % от эксплуатационных, но это запас конструктора, а не разрешение. Высота для тренировки сваливания — ≥ 4000 ft.
Порядок действий он требует не запоминать списком, а понимать — иначе в штопоре руки сделают наоборот.
Вывод из сваливания — это возврат угла атаки на рабочие значения, когда вращения ещё нет. Предотвращение штопора — это не дать сваливанию перейти во вращение, то есть работа ногами по кренам и скольжению в момент срыва. Первое — про штурвал, второе — про координацию.
Формулировка почти документная: преднамеренный штопор с выпущенными закрылками не выполняется — нагрузки в вращении повреждают сами закрылки и конструкцию крыла. Если сорвались с выпущенной механизацией непреднамеренно — сначала выводите, уборка закрылков не первый пункт.
Передняя центровка — больше пикирующий момент, ↓ α; труднее войти в плоский штопор, сложнее выход. Задняя — ↑ тангаж, легче выйти при росте скорости. Full power — струя на стабилизатор, меньше турбулентности на хвосте, оживает руль.
VNE — структурный предел; превышение → усталость, деформация, нарушение геометрии рулей. Посадочная — минимальная безопасная на финале без перегруза. VS — ниже неё органы управления не дают достаточной силы «переспорить» самолёт после срыва (руль высоты не побеждает сумму давлений). Пример C172: отрыв ~50–55 kt, при ~48 kt авторитет РВ уже мал.
После αcrit — турбулентный срыв, падение Y, асимметрия по полукрыльям → крен; при малой скорости — плоский штопор. Выход (по лекции): определить направление вращения по компасу (ощущение часто обманчиво); РН в сторону вращения; штурвал от себя (убрать избыточный α); дать разогнаться; при необходимости противоположный ввод — сверять с POH spin recovery. Цель — скорость выше VS, когда элероны и рули снова управляют.
Элероны C172: вверх 20°, вниз 15° — дифференциальное отклонение из-за роста индуктивного сопротивления на «нижнем» полукрыле. Горизонтальное оперение — симметричный профиль, маленькие моменты для стабилизации, не «вторая подъёмная поверхность».
Козёл — это повторное отделение от полосы после касания. Цепочка, которую он разбирает, начинается задолго до касания.
Планирование (по глиссаде на заданной скорости) → выравнивание (перевод в почти горизонтальный полёт у земли) → выдерживание (гасим скорость ростом угла, полоса «уходит») → парашютирование (последние сантиметры, машина садится сама). Козёл — это всегда сбой на выравнивании или выдерживании.
Устойчивость — способность без пилота вернуться к заданному режиму после возмущения. Управляемость — усилия и отклик на рули. Манёвренность — как быстро менять высоту, скорость, направление. Компромисс: ↑ устойчивость → ↓ управляемость (V-образность, высокоплан vs низкоплан).
C172 — «скучноватая» управляемость (запаздывание), но предсказуемая. Tecnam P2002 — «живчик», ниже план, быстрее отклик. Оси: крен — X, рыскание — Y, тангаж — Z.
Триммер — снять усилия на руле; при AP — малый trim, при больших переходах по высоте сервопривод отклоняет сам руль высоты.
Высокоплан по своей геометрии клюёт носом: тяга приложена ниже крыла, и это видно даже на стоянке — дайте РУД, и самолёт присядет на переднюю ногу. Что-то должно этот пикирующий момент гасить постоянно, а не «по требованию лётчика». Гасит его само крыло, поставленное под углом 2,5° к продольной оси.
Вопрос, который он задаёт группе: горизонтальное оперение ведь тоже создаёт момент — зачем крутить крыло? Ответ в двух причинах. Первая: у оперения симметричный профиль, он по замыслу нейтральный — при нулевом угле не создаёт силы вообще. Вторая: у него слишком большое плечо до центра тяжести, и момент от постоянно отклонённого стабилизатора вышел бы чрезмерным — самолёт стало бы задирать. Поэтому у оперения роль стабилизирующая: оно парирует отклонения, а не держит режим.
Центровку он отсчитывает от первого силового шпангоута, и для 172-й даёт два числа: 36 дюймов — передняя граница, 43,7 дюйма — задняя. Между ними всё летает нормально; за границами начинается то, что видно уже на разбеге.
| Что не так | Что происходит на разбеге |
|---|---|
| Вышли за переднюю границу (груз впереди) | Передняя нога поднимается позже или не поднимается вовсе: на 40–50 узлах должна пойти вверх, к 55–60 должен быть отрыв — а самолёт продолжает катиться. Руля высоты не хватает, чтобы создать кабрирующий момент. |
| Вышли за заднюю границу (груз в багажнике) | Самолёт сам поднимает нос, раньше времени и без вашего участия. Угол атаки растёт, сопротивление растёт, скорость перестаёт расти — и полосы просто не хватит. |
Из багажного отсека. На 172-й он позади кресел и с большим плечом, поэтому «ну ещё сумку» меняет картину сильнее, чем кажется. Отсюда правило, которое он повторяет: считать центровку до полёта, а не оценивать на глаз — эффект вы увидите не в кабине, а на длине разбега.
Фокус — точка, относительно которой момент аэродинамических сил не меняется при изменении угла атаки (образ «весов»: коромысло качается, центр неподвижен). Центр давления — точка приложения полной аэродинамической силы на хорде; он смещается с α. Не путать: фокус крыла впереди, фокус самолёта (с учётом фюзеляжа и стабилизатора) — сзади центра тяжести на классической схеме.
Продольная балансировка — равновесие сил и моментов вокруг оси Y (тангаж): нет вращательного движения. При отклонении от прямолинейного полёта меняются α, Y, X, скорость; самолёт классической схемы стремится восстановить режим.
Устойчивость — способность после возмущения вернуться к заданному режиму без (или с минимальным) вмешательства пилота. Три вида: продольная, поперечная, путевая.
Классическая схема (хвост за крылом) — продольно устойчива. «Утка» — неустойчива, нужно постоянное управление. Бесхвостка — устойчива, но медленнее восстанавливается. Летающее крыло — близко к нейтральной продольной устойчивости.
Два проявления продольной статической устойчивости:
Если фокус совпадёт с ЦТ — нейтральная устойчивость (угол не восстанавливается). На C172 за предельно задней центровкой не взлетите. При скоростях C172 смещение фокуса на доли миллиметра — пренебрежимо; на 850–950 km/h у больших самолётов пилот перебалансирует.
Устойчивость восстанавливает положение, но не маршрут: после возмущения высота может измениться (900 → 1000 m) — пилот возвращает заданную высоту и триммирует заново. Методики триммирования у инструкторов разные: нейтральный штурвал, лёгкий кабрирующий (штурвал упирается в пальцы — запас при потере сознания) или пикирующий момент.
Поперечное вращение — вокруг оси X (крен). Поперечная балансировка: сумма кренящих моментов = 0.
Силы, стремящиеся создать крен в прямолинейном полёте:
Компенсация: элероны + обязательно руль направления (иначе скольжение и разная индуктивная составляющая X на полукрыльях). Одновременно — штурвал от пикирующего момента. На C172 — статический триммер (металлическая пластина) на правом элероне; аналогичный треугольник на руле направления.
Диаметр винта C172 — 1,93 м; зона обдува фюзеляжа (~80 см от центра) — скорость потока ниже, чем на крыле.
При крене возникает скольжение; центр давления смещается по оси Z — появляется восстанавливающий кренящий момент (эффект поперечного V крыла). При прямом обдуве Y слева ≈ Y справа; при боковом ветре — разные α и Y на полукрыльях, суммарный центр давления смещается, самолёт стремится выровнять крен.
Компенсация бокового ветра: поправка курса + элерон + педаль + штурвал (крен, тангаж, разворот одновременно). Крыло, на которое «дует», получает больший α и большую Y. Степень восстановления зависит от площади крыла (с выпущенными закрылками — осторожнее).
Путевая балансировка — компенсация реактивного момента и асимметрии струи винта, чтобы в прямолинейном горизонтальном полёте штурвал и педали были нейтральны (или оттриммированы), а руль направления одинаково эффективен влево и вправо.
На поршневом самолёте с тянущим винтом струя добавляет силы помимо индуктивного сопротивления; на однодвигательном реактивном (МиГ-15/17/21) — в основном только индуктивное сопротивление при крене. Cessna 337 Skymaster — тандем: тянущий винт спереди, толкающий сзади.
Триммер руля направления компенсирует путевую разбалансировку на учебных скоростях C172; при росте оборотов усиливается и реактивный момент, и закрутка струи.
Путевая (направленная) устойчивость — способность восстанавливать положение после возмущения вокруг оси Y (рыскание). Все вращения — относительно центра тяжести (не оси гироскопа).
Боковой порыв сбоку → нос поворачивается по направлению силы → возникают восстанавливающие моменты от фюзеляжа и руля направления → затухающие колебания, самолёт возвращается на курс. Если возмущение постоянно — колебания продолжаются, но с затуханием.
Факторы ↑ путевой устойчивости:
Устойчивость и управляемость — обратны: ↑ устойчивость → нужны большие усилия на рули для преодоления восстанавливающих сил.
При косом обдуве: разная Y на полукрыльях → крен; силы на фюзеляже и КО → рыскание; меняется угол скольжения β. Самолёт восстанавливает крен (смещение центра давления), но линия заданного пути уже потеряна — нужно вернуть курс по ориентиру, VOR/DME, GPS или визуально.
Устойчивость восстанавливает положение, не маршрут A→B: после возмущения можете оказаться правее/левее — пилот возвращает заданный курс и высоту.
Устойчивость — природа/конструкция возвращает режим (Y=G, P=X, без ускорений). Управляемость — пилот отклоняет рули и меняет режим намеренно.
Любое действие (штурвал, педаль) меняет комплекс сил: крен, скольжение, рыскание, иногда тангаж. Думать «на три хода вперёд»; на посадке — плавно, без рывков у Vs (48 kt flaps UP при нулевом крене; с закрылками 10° — 42 kt, с full — 40 kt; 52 kt — это уже крен 30° с убранными закрылками).
Штурвал влево → левый элерон вниз, правый вверх → ↑Y слева → левый крен. На опущенном элероне ↑ индуктивное сопротивление → самолёт «тащит» в сторону поднятого крыла (как гусеница трактора — больше сопротивление, поворот туда).
Правило координации:
Нога в сторону крена, который создаёте. Разворот всегда с креном; ногой «подрезаем» лишний крен и скольжение.
Педаль → руль направления → асимметричное давление на КО → разворот вокруг ЦТ. Сила управления должна превысить силу устойчивости.
Побочные эффекты одной педали:
Передняя стойка в полёте — нейтральная (газомасляный амортизатор разжат). При рулении: зеркало штока передней стойки ≥ 12 см — иначе амортизатор может пробиться и работать как пружина.
Скольжение ускоряет срыв потока → ↑X → ↑ потребная тяга. Приборы: шарик (turn coordinator), указатель скольжения; на Garmin — прямоугольник под ADI или на HSI (~2–6°).
Координированный разворот (вид сверху): точка входа = точка выхода. Некоординированный — «размазанная» траектория, точки не совпадают. Шарик боится ноги: скольжение вправо → педаль влево. Разворот «восьмёркой» без скольжения — координированный элемент простого пилотажа.
Лётчик должен смотреть «на три хода вперёд» и проверять связанные параметры (как у Станиславского: «верю / не верю»). Пример: выросла температура масла (max ~245 °F) — должны измениться давление масла и CHT. Если при снижении мощности (RUD) только одна стрелка «скачет», а остальные в норме — вероятно ложное срабатывание датчика, а не отказ двигателя.
Поспешное выключение двигателя и «аварийная посадка» по одному параметру без перекрёстной проверки может закончиться реальным инцидентом на земле, когда техники найдут исправную систему.
Выжимки со всех занятий темы, собранные подряд — удобно пробегать глазами перед экзаменом.