Системы координат, применяемые в авиации

Наиболее часто в авиации используются три  системы координат: земная, связанная и скоростная. Каждая из них нужна для решения определенных задач. Земная система координат используется для определения положения ЛА как точечного объекта относительно наземных ориентиров. Для ближних полетов, при расчете взлета и посадки можно ограничиться прямоугольной (Декартовой) системой. В дальних перелетах, когда необходимо учитывать то, что Земля - «шар», используют полярную СК. Оси координат обычно привязываются к базовым наземным ориентирам, используемым при прокладке маршрута полета (смотри рис)

Земная система координат

Связанная система координат используется для определения положения различных объек-тов (элементы конструкции, экипаж, пассажиры, грузы) внутри ЛА. Ось X обычно располагается вдоль строительной оси ЛА и направлена от носа к хвосту. Ось Yрасположена в плоскости симметрии и направлена вверх (смотри рис).

Связанная система координат

Скоростная система координат представляет сейчас для нас наибольший интерес. Эта система координат привязана к воздушной скорости ЛА (скорости ЛА относительно ВОЗДУХА) и используется для определения положения ЛА относительно воздушного потока и расчета аэродинамических сил. Ось X располагается вдоль воздушного потока. Ось Y находится в плоскости симметрии ЛА и расположена перпендикулярно потоку (смотри рис).

Скоростная система координат

Подъемная сила и сила аэродинамического сопротивления

Для УДОБСТВА выполнения аэродинамических расчетов полную аэродинамическую силу R можно разложить на три взаимно перпендикулярные составляющие в СКОРОСТНОЙ системе координат. Нетрудно заметить, что при исследованиях ЛА в аэродинамической трубе оси скоростной системы координат фактически «привязаны» к трубе (смотри рис). Составляющую полной аэродинамической силы вдоль оси X назвали силой аэродинамического сопротивления. Составляющую вдоль оси Y – подъемной силой.

Схема аэродинамической трубы 1 – воздушный поток. 2 – исследуемое тело. 3 – стенка трубы. 4 – вентилятор

R - Полная аэродинамическая сила. Y - Подъемная сила. X - Сила лобового сопротивления. Z - Боковая сила. Формулы подъемной силы и силы сопротивления очень похожи на формулу полной аэродинамической силы. Что неудивительно, так как и Y, и X являются составными частями R.

Cy - Коэффициент подъемной силы. Cx - Коэффициент сопротивления. ρ - Плотность воздуха. V - Скорость тела относительно воздуха (воздушная скорость). S - Эффективная площадь тела.

В природе не существует самостоятельно действующих подъемной силы и силы лобового сопротивления. Они являются составными частями полной аэродинамической силы. Говоря о подъемной силе, нельзя не отметить одно интересное обстоятельство: подъемная сила, хотя и называется «подъемной», но она не обязана быть «поднимающей», не обязана быть направлена «вверх». Для того чтобы проиллюстрировать это утверждение, давайте вспомним силы, действующие на безмоторный аппарат в прямолинейном планирующем полете. Разложение R на Y и X строится относительно воздушной скорости ЛА. На рисунке видно, что подъемная сила Y относительно земной поверхности направлена не только «вверх», но и немного «вперед» (вдоль проекции траектории полета на землю), а сила сопротивления X не только «назад», но и «вверх». Если же рассмотреть полет круглого парашюта, который фактически не летит, а опускается вертикально вниз, то в этом случае подъемная сила Y (составляющая R перпендикулярная воздушной скорости) равна нулю, а сила  сопротивления X совпадает с R (смотри рис). В технике применяют и антикрылья. То есть крылья, которые специально устанавливаются таким образом, чтобы создаваемая ими подъемная сила была направлена вниз. Так, например, гоночный автомобиль прижимается на большой скорости антикрылом к дороге для улучшения сцепления колес с трассой (смотри рис).

Разложение полной аэродинамической силы R на подъемную силу Y и силу сопровтивления X. У круглого парашюта подъемная сила равна нулю. У автомобиля на антикрыле подъемная сила направлена вниз.