Силы, действующие на летательные аппараты при прямолинейном полёте.

Нормальная сила служит для изменения направления полёта и для сохранения заданного направления.

В самом деле, для сохранения направления движения тела необходимо, чтобы сумма проекций всех приложенных к телу сил на плоскость, перпендикулярную к вектору скорости , равнялась нулю. Поэтому, обязательным условием прямолинейного полёта летательного аппарата является наличие нормальной силы , уравновешивающей нормальную к траектории составляющую силы тяжести .

.

Для изменения направления движения тела на него должна действовать сила, направленная перпендикулярно к вектору скорости тела (фиг.3):

Фиг.3

Схема движения летательного аппарата под действием центростремительной силы .

O – центр масс;

С – мгновенный центр кривизны траектории;

OC – радиус кривизны;

β – угол скольжения.

Следовательно, чтобы летательный аппарат мог изменять направление полёта, необходимо иметь возможность управлять величиной и направлением нормальной силы .

Рассмотрим возможные способы создания такой силы.

Аэродинамическая нормальная сила.

Аэродинамические силы, действующие на летательный аппарат, задают обычно проекциями вектора полной аэродинамической силы на скоростные оси координат.

Аэродинамическая сила , нормальная к траектории полёта, представляет собой геометрическую сумму подъёмной силы и боковой силы :

Эта сила создаётся крыльями, оперением и корпусом летательного аппарата вследствие несимметричного обтекания их потоком воздуха. Обычно основную роль в образовании аэродинамической нормальной силы играют крылья.

Фиг.4

Силы, действующие на летательный аппарат при горизонтальном манёвре без скольжения (вид сзади),

γ_с – угол крена в скоростной системе координат.

Нормальная сила, которую создают крылья при наличии угла атаки α, лежит в их плоскости симметрии. Если крылья летательного аппарата расположены в одной плоскости, а для криволинейного полёта требуется создавать нормальные силы в разных направлениях, то летательный аппарат должен поворачиваться относительно своей продольной оси.

Таким способом самолёт совершает, например, манёвр в горизонтальной плоскости, называемый правильным виражом (фиг.4). В случае правильного виража равно нулю. Так как подъёмная сила лежит в плоскости симметрии самолёта, то при его повороте относительно продольной оси на угол крена γ, подъёмная сила наклоняется примерно на угол γ_{с ≈} γ. Горизонтальная составляющая подъёмной силы является центростремительной силой, искривляющей траекторию в горизонтальной плоскости. Чтобы вертикальная составляющая уравновешивала вес G, необходимо увеличить подъёмную силу по сравнению с горизонтальным полётом. Тогда полёт будет происходить в горизонтальной плоскости. Если же окажется меньше веса G, то самолёт в криволинейном полёте будет терять высоту.

Чтобы сообщить летательному аппарату нужный для выполнения манёвра угол крена, необходимо некоторое время. Поэтому, угловая скорость вращения летательного аппарата относительно продольной оси является одним из критериев управляемости. Чем больше угловая скорость крена, тем быстрее летательный аппарат может создать необходимую нормальную силу в нужном направлении.

Манёвр со скольжением не требует накренения летательного аппарата. Например, при горизонтальном манёвре центростремительной силой является боковая сила (фиг.3), а вес G уравновешивается подъемной силой .

Боковая сила возникает, как и подъёмная сила , вследствие несимметричного обтекания летательного аппарата потоком воздуха. При этом угол скольжения β играет такую же роль, как и угол атаки α.

У летательных аппаратов с горизонтальными крыльями боковая сила возникает, главным образом, от воздействия потока на фюзеляж и вертикальное оперение, крылья же не участвуют в образовании боковой силы. Вследствие сравнительно малой величины боковой силы для таких летательных аппаратов характерен большой радиус кривизны траектории манёвра, выполняемого со скольжением без крена. Поэтому, манёвр летательного аппарата с горизонтальными крыльями выполняется обычно с помощью крена.

Чтобы летательный аппарат мог совершать манёвр без крена, необходима достаточно большая боковая сила. С целью увеличения этой силы, на летательный аппарат ставят дополнительные крылья (фиг.5).

Фиг.5

Расположение крыльев относительно корпуса летательного аппарата

а) горизонтальное;

б) H – образное;

в) Y – образное;

г) X – образное.

Такой летательный аппарат может совершать криволинейный полёт без предварительного накренения, так как определённым сочетанием углов α и β, можно создать нормальную силу в любом направлении.

Если две пары крыльев расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, то величина нормальной силы практически не зависит от того, в какой плоскости летательный аппарат получает угол атаки. Это относится также и к любому большему числу пар крыльев, расположенных равномерно вокруг продольной оси летательного аппарата. Такие схемы расположения крыльев называются аэродинамически осесимметричными (фиг.6).

Фиг.6