К плану подготовки
Урок 220 августа · ~1,5 часа

Почему самолёт летит

Вчера ты разобрала, из чего состоит Cessna. Сегодня — почему она вообще держится в воздухе. В центре урока одна формула и три следствия из неё, которые будут с тобой в каждом полёте: от длины разбега в жаркий день до причины, по которой самолёты сваливаются.

Блок 1Воздух: среда, от которой зависит всё

Самолёт держится не «на моторе», а на воздухе — и от свойств этого воздуха зависят подъёмная сила, тяга двигателя и длина разбега. Три главных параметра среды: температура, давление и плотность. Все три меняются с высотой и с погодой, поэтому один и тот же самолёт в разные дни ведёт себя по-разному.

Чтобы приборы, таблицы РЛЭ и расчёты во всём мире говорили на одном языке, придумали международную стандартную атмосферу — эталонные условия, от которых отсчитываются все поправки.

1013,25
гПа на уровне моря — оно же 760 мм рт. ст. и 29,92 inHg
+15 °C
Стандартная температура на уровне моря
1,225
Плотность воздуха на уровне моря, кг/м³
−6,5 °C
На каждый километр высоты
11 м
Подъём на столько снижает давление на 1 мм рт. ст.
11 км
Тропопауза — выше температура перестаёт падать

Вся гражданская авиация летает в тропосфере — нижнем слое атмосферы. Твоя Cessna обычно ходит на 1200–1800 футах и редко забирается выше ~3500 метров: там её двигателю уже тяжело по мощности.

Почему жара — враг взлёта

Один и тот же самолёт с одним и тем же взлётным весом на 0 °C и на +30 °C ведёт себя по-разному. В холодном воздухе плотность выше — значит, при той же скорости крыло даёт больше подъёмной силы, а двигатель — больше тяги, и взлётная дистанция короче. В жару всё наоборот: воздух разрежен, и чтобы крыло «набрало» ту же силу, нужна большая скорость — а её ещё надо успеть набрать на полосе.

Худшее сочетание

Жаркий день плюс высокогорный аэродром — двойной удар по плотности: она падает и от температуры, и от высоты. Разбег длиннее, набор высоты вялее. Это не абстракция, а прямая причина, по которой перед взлётом считают дистанции по таблицам РЛЭ, а не «на глаз».

Блок 2Откуда берётся подъёмная сила

В полёте на самолёт действуют четыре силы: Y — подъёмная, G — вес, P — тяга, X — сопротивление. Подъёмная сила — это разность давлений над и под крылом: снизу воздух давит сильнее, сверху слабее, результирующая толкает крыло вверх. Осталось понять, откуда берётся эта разность.

Два закона, из которых всё следует

Первый — закон неразрывности: расход воздуха в струе постоянен (ρVS = const), поэтому там, где поток сужается, он ускоряется. Второй — закон Бернулли: сумма статического и динамического давления постоянна (P + ½ρV² = const), то есть где скорость потока выше, там давление ниже. Пример преподавателя — ветер между домами: в узком проходе дует заметно сильнее, потому что поток разгоняется, и давление там падает.

Теперь крыло. Его сечение — профиль — у Cessna несимметричное: верхняя поверхность выпуклее. Путь над профилем длиннее, поток там идёт быстрее → давление сверху ниже; снизу давление больше — и результирующая сила направлена вверх. Классическая демонстрация — два листа бумаги: подуй между ними, и они не разойдутся, а слипнутся, потому что давление в разогнанном потоке упало.

Несёт самолёт не только крыло, хотя оно главное: крыло даёт не меньше ~85 % подъёмной силы, фюзеляж — порядка ~15 %, а не ноль. На Cessna даже обтекатели шасси добавляют чуть-чуть подъёмной силы, заодно снижая сопротивление.

Как летает самолёт? НеКурс «УГОЛ АТАКИ» — теория полёта без формул
KD Aero · 20 мин · на русском
Практикующий пилот объясняет физику полёта через угол атаки — ровно тот стержень, на котором построен этот урок. Посмотри до того, как читать дальше про формулу.
Открыть на YouTube

Блок 3Одна формула, которая объясняет всё

Уравнение подъёмной силы

Y = Cy · (ρV² / 2) · S

Подъёмная сила равна коэффициенту Cy, умноженному на скоростной напор и на площадь крыла S.

Посмотри, чем из этого ты управляешь. Площадь S задана конструктором. Плотность ρ диктует атмосфера — ты её только учитываешь. Остаются два рычага: скорость V (газ и тангаж) и Cy — его ты меняешь углом атаки и закрылками. Вся практическая аэродинамика лёгкого самолёта — это жонглирование этими двумя рычагами так, чтобы Y оставалась равной весу.

Три следствия, которые будут с тобой всегда

Третье следствие — самое важное в этом уроке, и ему посвящён весь следующий блок.

Блок 4Угол атаки и срыв потока

Угол атаки — это угол между хордой профиля и направлением набегающего потока. Пока ты увеличиваешь угол атаки, поток остаётся ламинарным, Cy растёт, и подъёмная сила растёт вместе с ним. Но у этого роста есть предел — критический угол атаки. За ним начинается срыв потока: обтекание становится турбулентным, Cy обваливается, сопротивление резко растёт.

График зависимости Cy от угла атаки называется полярой: почти прямой участок роста, максимум на критическом угле — и обвал за ним. Задача пилота всю лётную жизнь одна и та же: держать крыло на рабочем участке этой кривой.

Главный факт урока

Критический угол атаки не зависит ни от скорости, ни от массы, ни от высоты. По конспекту для крыла Cessna без закрылков это ≈ 13,5°. Меняется только скорость, на которой ты до него доходишь: тяжёлый самолёт, крен, жара — и рабочая скорость подбирается к срыву ближе. Поэтому вывод из сваливания всегда начинается с уменьшения угла атаки — штурвал от себя, — а не с добавления газа.

Как это выглядит в кабине

  1. Скорость падает — например, ты тянешь высоту без добавления мощности.
  2. Чтобы подъёмная сила по-прежнему держала вес, ты (или триммер) увеличиваешь угол атаки.
  3. Угол атаки подбирается к критическому — на левом полукрыле срабатывает датчик срыва: сирена звучит за 5–10 узлов до сваливания.
  4. Если продолжить тянуть — срыв, падение подъёмной силы, нос уходит вниз.

Датчик срыва стоит на передней кромке левого полукрыла и предупреждает о приближении к критическому углу. Услышала сирену — не «ещё чуть-чуть», а немедленно уменьшить угол атаки. Подробно про сваливание, его скорости и вывод — завтра, в уроке 3.

Блок 5Угол атаки — не тангаж

Самая частая путаница у начинающих: куда смотрит нос и как воздух встречает крыло — разные вещи. Тангаж — угол между продольной осью самолёта и горизонтом. Угол атаки — между хордой и набегающим потоком, а поток не обязан идти горизонтально: ветер, восходящие и нисходящие потоки меняют его направление.

Тангаж θУгол атаки α
Между чем и чемпродольная ось ↔ горизонтхорда крыла ↔ набегающий поток
Что показываеткуда смотрит носкак воздух встречает крыло
Кто меняеттолько пилот штурваломпилот — и сама атмосфера (восходящий поток ~3 м/с уже заметно меняет α)
Чем грозит пределу тангажа предела по физике нетза критическим α — срыв и сваливание

Самолёт может идти с большим тангажом и малым углом атаки — и наоборот. После набора высоты пилот чаще ориентируется по тангажу, но на взлёте и на минимальных скоростях критичен именно угол атаки.

Зачем крыло Cessna «задрано» на 2,5°

Крыло 172S поставлено к продольной оси под установочным углом ≈ +2,5° — это компенсация пикирующего момента высокоплана. Побочный эффект, который ты почувствуешь: при резкой даче газа самолёт стремится «клюнуть носом».

Блок 6Масса, вес и перегрузки

Масса — скалярная величина, она одинакова на Земле и на Луне. Вес — сила: G = m · g. Лётчику важен именно вес — от него считаются центровка, дистанции и перегрузки. В горизонтальном полёте подъёмная сила равна весу; в манёврах она становится больше веса — и появляется перегрузка.

+3,8 g
Максимальная положительная, нормальная категория, закрылки убраны
−1,52 g
Максимальная отрицательная (РЛЭ, раздел 2)
+3,0 g
Максимум с полностью выпущенными закрылками — и только положительная

Обрати внимание на третью цифру: с выпущенными закрылками допустимая перегрузка меньше — резкие манёвры в посадочной конфигурации ограничены жёстче, чем в чистой. Все эти пределы — из раздела 2 РЛЭ, того самого, про который был вчерашний урок.

Дополнительно: кругозор вокруг формулы

Приборная и истинная скорость

IAS — приборная воздушная скорость, TAS — истинная, ground speed — скорость относительно земли. Указатель скорости измеряет скоростной напор, поэтому его показания зависят от плотности воздуха. На скоростях Cessna (до ~160 узлов) и её высотах IAS и TAS почти совпадают — пилотируешь по приборной. Сжимаемость воздуха становится заметной только от чисел Маха ~0,3–0,4 (примерно 350–400 км/ч) — на 172-й её можно не учитывать.

Пограничный слой

У самой обшивки скорость потока равна нулю и нарастает по мере удаления от поверхности — этот тонкий слой называется пограничным слоем. Его толщина растёт от передней кромки к задней, и именно его поведение решает, останется обтекание ламинарным или сорвётся.

Легче и тяжелее воздуха

Аэростаты и дирижабли держатся за счёт разности плотностей — закон Архимеда. Самолёт — аппарат тяжелее воздуха: он держится за счёт разности давлений при обтекании. Курс PPL — целиком про второй способ.

Магнус и Коанда

Два эффекта из той же физики. Эффект Магнуса: вращающийся в потоке цилиндр создаёт разность давлений и боковую силу — поэтому закрученный мяч летит по дуге. Эффект Коанда: поток «прилипает» к выпуклой поверхности — подставь ложку под струю из крана, и струя обогнёт её, притянув ложку к себе.

Почему аэродинамика — опытная наука

Преподаватель повторяет весь курс: любая красивая формула проверяется продувкой и полётом. Точку в споре «достаточно ли расчёта» поставил БИ-1 — первый советский ракетный истребитель: на большой скорости его затянуло в пикирование из-за смещения фокуса, которого в расчётах не было вообще, и лётчик-испытатель Григорий Бахчиванджи не смог вывести машину. Для тебя вывод практический: цифры берутся из РЛЭ конкретного борта, а не из общих соображений.

Аэродинамика для всех — Часть 1
Maksi Pilot · 26 мин · на русском
Спокойный, обстоятельный разбор основ — хорошо закрепляет блоки 1–2, если хочется услышать то же самое другими словами.
Открыть на YouTube
Аэродинамика для всех — Часть 2: Закон Бернулли, Угол атаки
Maksi Pilot · 26 мин · на русском
Продолжение — Бернулли и угол атаки, темы блоков 3–4 этого урока.
Открыть на YouTube

ПроверкаПонимание, не память