Почему самолёт летает и не падает
- Подъёмная сила A320
- равна весу, до 78 т
- Критический угол атаки
- около 15–16°
- Скорость V2 у A320
- 145 уз ≈ 270 км/ч
- Воздух на высоте 11 км
- в 3,4 раза реже
Крыло отклоняет набегающий воздух вниз, а над ним и под ним возникает разница давлений. Это и есть подъёмная сила. На крейсерской скорости она равна весу самолёта: у Airbus A320 на взлёте это до 78 т — в зависимости от загрузки и топлива. Пока скорость и угол наклона крыла в норме, самолёт держится в воздухе. Двигатели нужны, чтобы преодолевать сопротивление и разгонять самолёт.
Четыре силы, которые держат самолёт
В горизонтальном полёте с постоянной скоростью силы попарно уравновешены.
- Подъёмная сила направлена вверх и создаётся в основном крылом.
- Вес направлен вниз: самолёт, пассажиры, багаж и топливо. Подъёмная сила должна быть не меньше веса.
- Тяга направлена вперёд. Её создают двигатели.
- Сопротивление направлено назад: воздух тормозит самолёт. Тяга должна его компенсировать.
- 1Подъёмная сила — создаёт крыло, держит самолёт в воздухе
- 2Вес — самолёт, люди, багаж и топливо тянут вниз
- 3Тяга — двигатели тянут вперёд — самолёт летит влево
- 4Сопротивление — воздух тормозит, тяга его компенсирует
В ровном полёте силы попарно равны: подъёмная сила — весу, тяга — сопротивлению.
Как крыло создаёт подъёмную силу
Крыло поставлено к потоку под небольшим углом и имеет скруглённую верхнюю поверхность. Воздух, обтекая его, отклоняется вниз. По закону Ньютона, если крыло гонит воздух вниз, то воздух давит на крыло вверх. Одновременно над крылом воздух течёт быстрее, и давление там ниже, чем под крылом. Это два описания одного и того же явления: отклонение потока и разность давлений неотделимы друг от друга.
Размер подъёмной силы описывает формула. Словами: подъёмная сила равна коэффициенту подъёмной силы (он зависит от формы крыла и угла атаки), умноженному на плотность воздуха, на площадь крыла и на половину квадрата скорости. Скорость стоит в квадрате: если лететь в два раза быстрее, подъёмная сила вырастет в четыре раза. Поэтому на взлёте самолёт разгоняется по полосе, пока крыло не наберёт достаточно подъёмной силы.
Попробуйте в симуляторе ниже: выберите режим «Крейсер», затем уменьшайте скорость. Подъёмная сила на табло начнёт падать, и в какой-то момент её станет меньше веса.
Симулятор: крыло в аэродинамической трубе
Двигайте угол атаки и скорость или выберите готовый режим — табло покажет, держит ли крыло самолёт и когда наступает сваливание.
Подъёмная сила равна весу — горизонтальный полёт. Именно так лайнер держится в воздухе часами.
Упрощённая модель A320: площадь крыла 122,6 м², подъёмная сила L = ½·ρ·V²·S·Cy, критический угол атаки 14–16° в зависимости от закрылков, плотность воздуха 1,225 кг/м³ у земли и 0,41 кг/м³ на 10 км. Картина потока — обтекание профиля Жуковского, срыв нарисован качественно. Тяга и сопротивление не учитываются.
Миф о «равном времени обтекания»
Часто объясняют так: верх крыла длиннее низа, частицы воздуха, разошедшиеся спереди, должны встретиться у задней кромки одновременно, поэтому верхним приходится бежать быстрее, и давление падает. Эта версия неверна, и это одна из самых распространённых ошибочных теорий.
Во-первых, у симметричного крыла верх и низ одной длины, но оно тоже создаёт подъёмную силу, если повернуть его под углом к потоку. Во-вторых, реальный воздух над крылом движется заметно быстрее, чем потребовало бы «равное время»: верхний поток приходит к задней кромке раньше нижнего. Никакого закона, который заставлял бы два соседних потока встретиться одновременно, нет.
Если переключать угол атаки в симуляторе выше, видно, что обтекание определяется именно наклоном крыла к потоку, а не «длиной дороги».
- 1Сверху быстрее — частица над крылом уже у задней кромки: здесь воздух быстрее, давление ниже
- 2Снизу медленнее — частица под крылом ещё на середине: воздух медленнее, давление выше — и она не «догоняет» верхнюю
Воздух над крылом не «догоняет» нижний, а обгоняет его: на верхней стороне он быстрее, давление ниже.
Угол атаки и сваливание
Угол атаки — это угол между хордой крыла (условной линией от передней кромки к задней) и набегающим потоком. Это не то же самое, что наклон носа самолёта к горизонту: при снижении нос может смотреть вниз, а угол атаки оставаться положительным. С ростом угла атаки подъёмная сила растёт, но только до предела.
Для типичного профиля NACA 2412 расчёт даёт максимум подъёмной силы при угле около 16,5°; у реального крыла лайнера критический угол зависит от механизации, поэтому правильно говорить «около 15–16°». Дальше поток отрывается от верхней поверхности и превращается в вихри: подъёмная сила резко падает, сопротивление растёт. Это и есть срыв потока, а самолёт при этом сваливается: теряет высоту и опускает нос.
Сдвиньте в симуляторе угол атаки выше 16° или нажмите «Сваливание»: над крылом появятся вихри, и подъёмная сила перестанет держать вес. Лётчик выводит самолёт из этого режима, уменьшая угол атаки: опускает нос, давая потоку снова прилипнуть к крылу, и добавляет тягу. Поэтому сваливание в современных лайнерах предотвращают автоматические системы и сигнализация, а не надежда на реакцию.
Зачем закрылки и предкрылки
На взлёте и посадке самолёту нужно лететь медленно, чтобы укоротить разбег и пробег. Но подъёмная сила зависит от квадрата скорости, и на малой скорости обычное крыло не держит самолёт. Для этого крыло «меняют на ходу»: выдвигают закрылки на задней кромке и предкрылки на передней. Они увеличивают площадь и кривизну крыла, а значит, и подъёмную силу при той же скорости. Именно их выдвижение пассажир видит в иллюминатор и слышит как гул.
Простой расчёт показывает, зачем это нужно. A320 массой 64 т на скорости 136 уз (около 250 км/ч) на уровне моря должен получить коэффициент подъёмной силы около 1,7. У гладкого профиля NACA 2412 максимум по расчёту — 1,58. Без закрылков на такой скорости сесть нельзя: придётся лететь быстрее.
Проверьте: в симуляторе выше нажмите «Сесть без закрылков». Самолёт снижается, а подсказка говорит, что нужен угол больше критического. Переключите закрылки на «Посадочные»: подъёмной силы снова хватает. Режим «Посадка» показывает ту же скорость со штатной механизацией.
Почему на 10 км летать выгодно
Плотность воздуха у земли в стандартной атмосфере — 1,225 кг/м³, на высоте 11 км — 0,364 кг/м³, то есть в 3,4 раза меньше. Разреженный воздух слабее тормозит самолёт: сопротивление падает, и тот же расход топлива даёт большую скорость. Но и подъёмная сила зависит от плотности, поэтому на высоте крылу нужна большая скорость. Для лайнера выигрыш в сопротивлении перевешивает.
Переключите в симуляторе высоту с «у земли» на «10 км» и посмотрите, как меняется подъёмная сила при той же скорости. Подробнее о высотах и эшелонах — в статье о том, на какой высоте летают самолёты и сколько могут пролететь.
Что будет, если откажут все двигатели
Самолёт не падает камнем: он превращается в планер. Крыло продолжает создавать подъёмную силу, пока самолёт снижается и летит вперёд, а скорость поддерживается за счёт потери высоты. Отношение пройденного пути к потерянной высоте называют аэродинамическим качеством; у современных лайнеров оно больше десяти, то есть с каждого километра высоты самолёт пролетает больше десяти километров вперёд.
Реальный пример: в 2001 году у Airbus A330 авиакомпании Air Transat над Атлантикой из-за утечки топлива остановились оба двигателя. Экипаж перевёл самолёт в планирование, пролетел примерно 120 км и посадил самолёт на Азорских островах. Отказ всех двигателей на рейсовом самолёте — крайне редкая ситуация, и экипажи отрабатывают её на тренажёрах.
- 1Высота ~10 км — двигатели остановились на крейсерской высоте
- 2Планирование — путь без двигателей: самолёт снижается и летит вперёд
- 3Дальность — качество лайнера больше 10: на километр высоты — больше 10 км пути
- 4Аэродром — экипаж выбирает ближайшую полосу в пределах досягаемости
Без двигателей лайнер не падает, а планирует: с каждого километра высоты — больше десяти километров вперёд. Высота на схеме растянута — в настоящем масштабе траектория почти плоская.
Как самолёт поворачивает
Самолёт поворачивает не рулём, как лодка, а креном. На задней кромке каждого крыла есть элероны. Когда лётчик отклоняет штурвал, один элерон идёт вверх, другой вниз: у одного крыла подъёмная сила уменьшается, у другого растёт, и самолёт наклоняется. Подъёмная сила наклоняется вместе с крылом, и её горизонтальная составляющая тянет самолёт в сторону поворота.
Поэтому в повороте пассажир видит в иллюминатор наклонённый горизонт, а подъёмная сила должна немного вырасти, чтобы самолёт не терял высоту: лётчик слегка берёт штурвал на себя. Подробнее об органах управления — в статье о том, как устроен самолёт.
Вопросы и ответы
Почему самолёт летает и не падает?
Крыло отклоняет набегающий воздух вниз, а над ним и под ним возникает разница давлений. Это и есть подъёмная сила. На крейсерской скорости она равна весу самолёта: у Airbus A320 на взлёте это до 78 т — в зависимости от загрузки и топлива. Пока скорость и угол наклона крыла в норме, самолёт держится в воздухе. Двигатели нужны, чтобы преодолевать сопротивление и разгонять самолёт.
Почему самолёт летает, а крыльями не машет?
Подъёмную силу создаёт обтекание неподвижного крыла: самолёт движется вперёд, крыло отклоняет воздух вниз, и сверху на него действует меньшее давление, чем снизу. Двигатели создают тягу, разгоняющую самолёт, а не машут крыльями.
Почему самолёт не падает, он же очень тяжёлый?
Пока самолёт летит достаточно быстро и угол атаки в норме, подъёмная сила крыла равна весу. У A320 это до 78 т. Если скорость слишком мала или угол слишком велик, подъёмной силы не хватает, поэтому лётчики и автоматика следят за этими параметрами.
Как самолёт держится в воздухе простыми словами?
Крыло наклонено к потоку и отбрасывает воздух вниз, а воздух в ответ приподнимает крыло. Чем быстрее самолёт летит, тем сильнее этот эффект: подъёмная сила растёт пропорционально квадрату скорости.
Что будет, если откажут все двигатели?
Самолёт перейдёт в планирование: аэродинамическое качество лайнера больше десяти, поэтому с каждого километра высоты он пролетает больше десяти километров. В 2001 году A330 Air Transat без обоих двигателей пролетел так около 120 км и благополучно сел на Азорских островах.
Почему самолёты летают на керосине, а не на бензине?
Авиационный керосин менее летуч и воспламеняется труднее: у топлив Jet A и Jet A-1 температура вспышки выше 38 °C, у бензина она намного ниже. Это безопаснее при заправке и в случае аварии. Реактивным двигателям не нужен детонационно стойкий бензин, им подходит керосин.
Правда ли, что воздух сверху крыла «догоняет» нижний?
Нет. Версия о «равном времени обтекания» ошибочна. Воздух над крылом действительно движется быстрее, но не потому, что ему нужно успеть к задней кромке одновременно с нижним потоком.
Почему самолёт летает на высоте 10 000 м?
Там воздух в три с лишним раза реже, чем у земли, и сопротивление меньше. Лайнер расходует меньше топлива на километр пути. Подробнее — в статье о том, на какой высоте летают самолёты.
Как самолёт поворачивает в воздухе?
Лётчик создаёт крен: элероны на крыльях отклоняются в разные стороны, одно крыло поднимается, другое опускается. Наклонённая подъёмная сила тянет самолёт в сторону поворота.
Может ли самолёт лететь вверх ногами?
Подъёмная сила зависит от угла атаки, а не от того, какой стороной вверх обращено крыло. Поэтому перевёрнутый полёт возможен, но для этого нужен положительный угол атаки и специальная конструкция. Пилотажные самолёты рассчитаны на это, пассажирские лайнеры для такого полёта не предназначены.