Горизонтальный полет

Каждый вид движения самолета определяется величиной и направлением скорости. Движение самолета с постоянной по величине и направлению скоро­стью называется установившимся,

Из механики известно, что для прямолинейного движения необходимо равновесие сил в направлении, перпендикулярном к траектории движения, а для постоянства скорости - равновесие сил по траектории движения. Следова­тельно, для установившегося движения самолета равнодействующая внешних сил, действующих на него, должна быть равна нулю.

Установившимся горизонтальным полетом называется равномерное дви­жение самолета по прямолинейной горизонтальной траектории. Схема сил, действующих на самолет в горизонтальном полете, показана на рис.1.8.

Рис.1.8. Схема сил, действующих на самолет в горизонтальном полете.

На горизонтально летящий самолет действуют следующие силы: G - масса самолета, Р - тяга двигателя, Y - подъемная сила и Х- лобовое сопротивление.

Для нашего анализа можно считать, что все силы, действующие на само­лет, приложены в одной точке - центре тяжести.

Тогда уравнения движения центра тяжести самолета можно записать в ви­де простой системы:

Y = G (3.1)

Х = Р. (3.2)

Уравнение (3.1) дает условие прямолинейности движения самолета, а уравнение (3.2) - постоянства скорости.

В аэродинамике интересуются минимальной скоростью, с которой можно выполнять полет на заданной высоте. Такая скорость называется по­требной скоростью горизонтального полета (V_rn). Из формулы подъемной силы Y выражение (З.1) можно записать так:

Y = G = с_yS ρV_rn ²/ 2 (3/3)

Решая это равенство относительно (V_rn), получим:

(3.4)

Из выражения (3.4) видно, что потребная скорость горизонтального полета зависит от угла атаки, высоты полета самолета и величины G/S, которую назы­вают удельной нагрузкой на крыло.

Как видно из последней формулы, V_rn уменьшается при увеличении угла атаки и достигает минимума при α = α_кр. Однако полеты выполняются не на критических углах атаки, а на так называемых допустимых углах атаки, кото­рые чуть меньше критических.

Разделив (3.1) на уравнение (3.2), получим

P/G = X/Y = 1/K (3.5)

Если обозначить тягу двигателя, необходимую для горизонтального полета (потребную тягу), как Р_rn, то она будет равна

Р_{rn =} = G/K (3.6)

В отличие от потребной тяги максимально возможная тяга двигателя на­зывается располагаемой тягой и обозначается Р_расп.

Из выражения (3.6) видно, что тяга двигателя должна быть меньше массы самолета в К раз, где К - аэродинамическое качество самолета.

Понятие о потолках воздушных судов

Подъем самолета является одним из видов движения для набора высоты. Подъемом называется прямолинейное движение самолета вверх с постоянной скоростью. Угол между траекторией движения самолета и горизонтальной плоскостью называется углам подъема и обозначается θ.

На рис. 3.2 показана схема сил, действующих на самолет при подъеме.

Рис.3.2. Схема сил, действующих на самолет при подъеме

Как и в первом случае (при горизонтальном полете), разложим все силы, действующие на самолет, по двум осям, одна из которых совпадает с продоль­ной осью самолета, а другая - перпендикулярна ей. По законам механики при прямолинейном движении с постоянной скоростью должно быть равенство сил, действующих как по одной, так и по другой оси.

Следовательно, уравнения движения для центра тяжести самолета можно записать в следующем виде:

Y = G cos θ, (3.7)

P = X + G sin θ. (3/8)

Уравнения (3.7) и (3.8) представляют простейшую систему уравнений движения самолета при подъеме.

Для случая подъема самолета, как и при горизонтальном полете принято, что угол между вектором силы тяги и вектором скорости равен нулю.

Из анализа уравнений (3.7) и (3.8) видно, что подъемная сила при подъеме меньше подъемной силы горизонтального полета, а тяга двигателей должна быть больше лобового сопротивления на величину G sin θ. Эту величину обо­значают Р и называют избытком тяги. Следовательно,

Р = G sin θ. (3/9)

Из рис.3.2 видно, что θ = V_y/V, где V_{y _}вертикальная скорость подъема самолета. Подставив значение sin θ в выражение (3.9), определим V_y:

V_y = VР/G. (3.10)

Так как с увеличением высоты избыток тяги уменьшается, то уменьша­ется и вертикальная скорость. Чем больше вертикальная скорость, тем меньше времени требуется самолету для набора заданной высоты. Именно вертикаль­ная скорость, а не угол подъема представляют наибольший интерес.

На практике под скороподъемностью понимают время, которое затрачивает экипаж самолета для набора заданной высоты. Для современных самолетов граж­данской авиации вертикальная скорость составляет десятки метров в секунду.

С подъемом на высоту избыток тяги постепенно уменьшается и на определенной высоте становится равным нулю, а следова­тельно, и на этой же высоте вертикальная скорость полета станет равной нулю.

Высота полета, на которой V_y = 0, называется теоретическим (или стати­ческим) потолком самолета.

На высоте теоретического потолка из-за отсутствия избытка тяги полет практически невозможен, так как нельзя устранить любые нарушения режима полета. Поэтому, кроме теоретического потолка, введено понятие практиче­ского потолка самолета. На этом потолке самолет имеет необходимый для безопасного полета избыток тяги. Считают, что практический потолок самоле­та - это такая высота, на которой максимальная вертикальная скорость подъема равна для реактивных самолетов 5 м/с, а для поршневых самолетов - 0,5 м/с. Для современных самолетов разница в высоте между теоретическим и практи­ческим потолком не превышает 200-500 м.