Как летают: Почему самолёт летает? | Наука и жизнь

. Есть много плохих объяснений более высокой скорости. Согласно наиболее распространенной теории — теории «равного времени прохождения» — частицы воздуха, которые разделяются на передней кромке крыла, должны одновременно соединяться на задней кромке.Поскольку верхний участок проходит дальше, чем нижний за заданный промежуток времени, он должен двигаться быстрее. Ошибка здесь в том, что нет физической причины, по которой два участка должны достигать задней кромки одновременно. И действительно, они этого не делают: эмпирический факт состоит в том, что воздух на вершине движется намного быстрее, чем могла бы объяснить теория равного времени прохождения.

Существует также пресловутая «демонстрация» принципа Бернулли, которая повторяется во многих популярных аккаунтах, видео на YouTube и даже в некоторых учебниках.Для этого нужно держать лист бумаги горизонтально у рта и дуть через изогнутый верх. Страница поднимается, якобы иллюстрируя эффект Бернулли. Противоположный результат должен произойти, когда вы продуваете нижнюю часть листа: скорость движущегося под ним воздуха должна тянуть страницу вниз. Вместо этого, как это ни парадоксально, страница поднимается.

Подъем изогнутой бумаги при приложении потока к одной стороне «происходит не потому, что воздух движется с разной скоростью с двух сторон», — говорит Хольгер Бабинский, профессор аэродинамики Кембриджского университета, в своей статье «. Как работают крылья? » Чтобы продемонстрировать это, подуйте прямой лист бумаги — например, который держат так, чтобы он свисал вертикально, — и убедитесь, что бумага не движется в ту или иную сторону, потому что «давление с обеих сторон бумаги — это такой же, несмотря на очевидную разницу в скорости.”

Второй недостаток теоремы Бернулли состоит в том, что она не говорит, как и почему более высокая скорость на вершине крыла приносит вместе с собой более низкое давление, а не более высокое. Было бы естественно думать, что когда кривизна крыла вытесняет воздух вверх, этот воздух сжимается, что приводит к увеличению давления наверху крыла. Такие «узкие места» обычно замедляют ход вещей в обычной жизни, а не ускоряют их. На шоссе, когда две или более полосы движения сливаются в одну, машины не едут быстрее; вместо этого наблюдается массовое замедление движения и, возможно, даже автомобильная пробка.Молекулы воздуха, обтекающие крыло, не ведут себя подобным образом, но в теореме Бернулли не сказано, почему бы и нет.

Третья проблема представляет собой наиболее решительный аргумент против того, чтобы рассматривать теорему Бернулли как полное описание подъемной силы: самолет с изогнутой верхней поверхностью способен летать в перевернутом состоянии. В перевернутом полете изогнутая поверхность крыла становится нижней поверхностью и, согласно теореме Бернулли, затем создает пониженное давление на ниже крыла . Это более низкое давление, добавленное к силе тяжести, должно иметь общий эффект оттягивания самолета вниз, а не удержания его вверх.Более того, летательные аппараты с симметричными аэродинамическими профилями, с равной кривизной сверху и снизу — или даже с плоскими верхней и нижней поверхностями — также могут летать в перевернутом положении, если аэродинамический профиль встречает встречный ветер под соответствующим углом атаки. Это означает, что одной теоремы Бернулли недостаточно для объяснения этих фактов.

Другая теория подъемной силы основана на третьем законе движения Ньютона, принципе действия и противодействия. Теория утверждает, что крыло удерживает самолет в воздухе, толкая воздух вниз.Воздух имеет массу, и из третьего закона Ньютона следует, что толчок крыла вниз приводит к равному и противоположному толчку назад вверх, то есть подъемной силе. Ньютоновское учение применимо к крыльям любой формы, изогнутым или плоским, симметричным или несимметричным. Он подходит для самолетов, летящих перевернутым или правым боком. Действующие силы также известны из обычного опыта — например, когда вы высовываете руку из движущейся машины и наклоняете ее вверх, воздух отклоняется вниз, и ваша рука поднимается. По этим причинам третий закон Ньютона является более универсальным и исчерпывающим объяснением подъемной силы, чем теорема Бернулли.

Но взятый сам по себе принцип действия и противодействия также не может объяснить более низкое давление наверху крыла, которое существует в этой области, независимо от того, имеет ли крыло изогнутый профиль. Только когда самолет приземляется и останавливается, область более низкого давления наверху крыла исчезает, возвращается к атмосферному давлению и становится одинаковым как сверху, так и снизу. Но пока самолет летит, эта область более низкого давления является неизбежным элементом аэродинамической подъемной силы, и это нужно объяснять.

Историческое понимание

Ни Бернулли, ни Ньютон сознательно не пытались объяснить, что удерживает самолет, конечно, потому что они жили задолго до реального развития механического полета. Их соответствующие законы и теории были просто переориентированы после того, как братья Райт взлетели в воздух, что сделало изучение аэродинамической подъемной силы серьезным и неотложным делом для ученых.

Большинство этих теоретических отчетов пришло из Европы. В начале 20 века несколько британских ученых разработали технические и математические объяснения подъемной силы, в которых воздух рассматривался как идеальная жидкость, а это означало, что он несжимаем и имел нулевую вязкость.Это были нереалистичные предположения, но, возможно, они были понятны ученым, столкнувшимся с новым явлением управляемого механического полета. Эти допущения также сделали лежащую в основе математику более простой и понятной, чем они могли бы быть в противном случае, но эта простота имела свою цену: сколь бы успешными ни были математические расчеты аэродинамических профилей, движущихся в идеальных газах, они оставались эмпирически несовершенными.

В Германии одним из ученых, который занялся проблемой подъемной силы, был никто иной, как Альберт Эйнштейн.В 1916 году Эйнштейн опубликовал в журнале Die Naturwissenschaften небольшую статью, озаглавленную «Элементарная теория водных волн и полета», в которой стремился объяснить, что объясняет несущую способность крыльев летательных аппаратов и парящих птиц. «Эти вопросы окружают много неясности, — писал Эйнштейн. «Действительно, должен признаться, что я никогда не встречал простого ответа на них даже в специальной литературе».

Эйнштейн затем приступил к объяснению, предполагающему несжимаемую жидкость без трения, то есть идеальную жидкость.Не упоминая Бернулли по имени, он дал отчет, который согласуется с принципом Бернулли, сказав, что давление жидкости больше там, где ее скорость меньше, и наоборот. Чтобы воспользоваться преимуществами этих перепадов давления, Эйнштейн предложил аэродинамический профиль с выступом наверху, так чтобы форма увеличивала скорость воздушного потока над выступом и, таким образом, уменьшала давление там.

Эйнштейн, вероятно, думал, что его анализ идеальной жидкости будет одинаково хорошо применим к реальным потокам жидкости.В 1917 году на основе своей теории Эйнштейн разработал аэродинамический профиль, который позже стал известен как крыло с кошачьей спиной из-за его сходства с горбатой спиной вытягивающейся кошки. Он передал дизайн самолетостроителю LVG (Luftverkehrsgesellschaft) в Берлине, который построил на его основе новый летательный аппарат. Летчик-испытатель сообщил, что аппарат качается в воздухе, как «беременная утка». Много позже, в 1954 году, сам Эйнштейн назвал свой экскурс в воздухоплавание «юношеским безумием». Человек, который дал нам радикально новые теории, проникшие как в самые маленькие, так и в самые большие компоненты Вселенной, тем не менее, не смог внести положительный вклад в понимание подъемной силы или разработать практическую конструкцию аэродинамического профиля.

К полной теории подъемной силы

Современные научные подходы к проектированию самолетов — это область моделирования вычислительной гидродинамики (CFD) и так называемых уравнений Навье-Стокса, которые полностью учитывают фактическую вязкость реального воздуха. Решения этих уравнений и результаты моделирования CFD дают прогнозы распределения давления, схемы воздушного потока и количественные результаты, которые являются основой современных современных конструкций самолетов.Тем не менее, сами по себе они не дают физического и качественного объяснения подъемной силы.

Однако в последние годы ведущий специалист по аэродинамике Дуг Маклин попытался выйти за рамки чисто математического формализма и разобраться с физическими причинно-следственными связями, которые определяют подъемную силу во всех ее реальных проявлениях. Маклин, который большую часть своей профессиональной карьеры проработал инженером в Boeing Commercial Airplanes, где он специализировался на разработке кода CFD, опубликовал свои новые идеи в тексте 2012 года Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics .

Учитывая, что в книге содержится более 500 страниц довольно плотного технического анализа, удивительно, что в нее включен раздел (7.3.3), озаглавленный «Основное объяснение подъемной силы аэродинамического профиля, доступное для нетехнической аудитории». Создание этих 16 страниц было нелегким делом для Маклина, мастера своего дела; действительно, это была «наверное самая сложная часть книги для написания», — говорит автор. «В нем было внесено больше изменений, чем я могу сосчитать. Я никогда не был полностью этим доволен ».

Сложное объяснение подъемной силы Маклином начинается с основного предположения всей обычной аэродинамики: воздух вокруг крыла действует как «сплошной материал, который деформируется, повторяя контуры аэродинамического профиля.Эта деформация существует в виде глубокого потока жидкости как над, так и под крылом. «Аэродинамический профиль влияет на давление на большой площади в так называемом поле давления », — пишет Маклин. «Когда создается подъемная сила, над аэродинамическим профилем всегда образуется диффузное облако низкого давления, а внизу обычно образуется диффузное облако высокого давления. Там, где эти облака касаются аэродинамического профиля, они образуют разность давлений, которая создает подъемную силу на аэродинамический профиль ».

Крыло толкает воздух вниз, в результате чего воздушный поток поворачивается вниз. Воздух над крылом ускоряется в соответствии с принципом Бернулли. Кроме того, есть область высокого давления под крылом и область низкого давления вверху. Это означает, что в объяснении подъемной силы Маклином есть четыре необходимых компонента: поворот воздушного потока вниз, увеличение скорости воздушного потока, зона низкого давления и зона высокого давления.

Но именно взаимосвязь между этими четырьмя элементами является наиболее новым и отличительным аспектом описания Маклина. «Они поддерживают друг друга во взаимных причинно-следственных отношениях, и ни одно не существовало бы без других», — пишет он. «Разница давлений оказывает подъемную силу на аэродинамический профиль, в то время как поворот потока вниз и изменения скорости потока поддерживают разницу давлений». Именно эта взаимосвязь составляет пятый элемент объяснения Маклина: взаимность между четырьмя другими.Это как если бы эти четыре компонента коллективно создают себя и поддерживают себя посредством одновременных актов взаимного творения и причинности.

Похоже, в этой синергии есть намек на волшебство. Процесс, который описывает Маклин, похоже на то, как четыре активных агента подтягиваются друг к другу, чтобы коллективно держаться в воздухе. Или, как он признает, это случай «круговой причинно-следственной связи». Каким образом возможно, чтобы каждый элемент взаимодействия поддерживал и усиливал все остальные? И что вызывает это взаимное, взаимное, динамическое взаимодействие? Ответ Маклина: второй закон движения Ньютона.

Второй закон Ньютона гласит, что ускорение тела или пакета жидкости пропорционально приложенной к нему силе. «Второй закон Ньютона гласит, что когда перепад давления накладывает результирующую силу на жидкую посылку, это должно вызывать изменение скорости или направления (или обоих) движения посылки», — объясняет Маклин. Но, в свою очередь, разница давлений зависит от ускорения посылки и существует из-за него.

Разве мы не получаем здесь что-то даром? Маклин говорит «нет»: если бы крыло было в состоянии покоя, никакой части этого кластера взаимно усиливающей активности не существовало бы.Но тот факт, что крыло движется по воздуху, и каждая часть влияет на все остальные, создает эти взаимозависимые элементы и поддерживает их на протяжении всего полета.

Включение взаимности подъема

Вскоре после публикации Understanding Aerodynamics Маклин понял, что он не полностью учел все элементы аэродинамической подъемной силы, потому что он не объяснил убедительно, что вызывает изменение давления на крыло по сравнению с окружающим.Так, в ноябре 2018 года Маклин опубликовал в The Physics Teacher статью из двух частей, в которой он предложил «исчерпывающее физическое объяснение» аэродинамической подъемной силы.

Хотя статья в значительной степени повторяет предыдущую аргументацию Маклина, она также пытается добавить лучшее объяснение того, что вызывает неоднородность поля давления, и принять ту физическую форму, которую оно имеет. В частности, его новый аргумент вводит взаимное взаимодействие на уровне поля потока, так что неоднородное поле давления является результатом приложенной силы, направленной вниз силы, оказываемой аэродинамическим профилем на воздух.

Вопрос о том, насколько успешно раздел 7.3.3 Маклина и его последующая статья дает полное и правильное описание подъемной силы, открыт для интерпретации и споров. Есть причины, по которым трудно дать ясный, простой и удовлетворительный отчет об аэродинамической подъемной силе. Во-первых, потоки жидкости более сложны и трудны для понимания, чем движения твердых объектов, особенно потоки жидкости, которые разделяются на передней кромке крыла и подвергаются различным физическим силам сверху и снизу.Некоторые споры, касающиеся подъемной силы, касаются не самих фактов, а, скорее, того, как эти факты следует интерпретировать, что может включать вопросы, которые невозможно решить экспериментальным путем.

Тем не менее, на данный момент есть только несколько нерешенных вопросов, требующих объяснения. Как вы помните, подъемная сила — это результат разницы давлений между верхней и нижней частями аэродинамического профиля. У нас уже есть приемлемое объяснение того, что происходит в нижней части аэродинамического профиля: встречный воздух толкает крыло как по вертикали (создавая подъемную силу), так и по горизонтали (создавая сопротивление).Толчок вверх существует в виде более высокого давления под крылом, и это более высокое давление является результатом простого ньютоновского действия и противодействия.

Однако в верхней части крыла дела обстоят совсем иначе. Здесь существует область более низкого давления, которая также является частью аэродинамической подъемной силы. Но если ни принцип Бернулли, ни третий закон Ньютона не объясняют этого, что делает? Из линий тока мы знаем, что воздух над крылом плотно прилегает к кривизне крыла, направленной вниз.Но почему частицы воздуха, движущиеся по верхней поверхности крыла, должны следовать его кривизне вниз? Почему они не могут отделиться от него и улететь прямо назад?

Марк Дрела, профессор гидродинамики Массачусетского технологического института и автор книги Flight Vehicle Aerodynamics , предлагает ответ: «Если бы посылки на мгновение улетели по касательной к верхней поверхности профиля, внизу буквально образовался бы вакуум. их », — объясняет он. «Этот вакуум затем засасывает посылки, пока они в основном не заполнят вакуум, т.е.е., пока они снова не переместятся по касательной к профилю. Это физический механизм, который заставляет частицы перемещаться по форме аэродинамического профиля. Остается небольшой частичный вакуум, чтобы посылки оставались на изогнутой траектории ».

Это оттягивание или оттягивание этих пакетов воздуха от соседних участков выше — это то, что создает область более низкого давления наверху крыла. Но это действие сопровождается еще одним эффектом: более высокой скоростью воздушного потока над крылом. «Пониженное давление на подъемное крыло также« тянет горизонтально »к воздушным пакетам, когда они приближаются сверху по потоку, поэтому они имеют более высокую скорость к тому времени, когда они поднимаются над крылом», — говорит Дрела.«Таким образом, повышенная скорость над подъемным крылом может рассматриваться как побочный эффект пониженного там давления».

Но, как всегда, когда дело доходит до объяснения лифта на нетехническом уровне, у другого эксперта будет другой ответ. Кембриджский аэродинамик Бабинский говорит: «Мне неприятно не соглашаться с моим уважаемым коллегой Марком Дрелой, но если объяснением было создание вакуума, то трудно объяснить, почему иногда поток все же отделяется от поверхности. Но во всем остальном он прав.Проблема в том, что нет простого и быстрого объяснения ».

Сам Дрела признает, что его объяснение в некотором смысле неудовлетворительно. «Одна очевидная проблема заключается в том, что нет объяснения, которое было бы общепринятым», — говорит он. Так, где это оставляет нас? Фактически, именно там, где мы начали: с Джона Д. Андерсона, который заявил: «На этот вопрос нет однозначного ответа».

Как летают самолеты и самолеты

Как работают самолеты

Самолеты летают, когда движение воздуха поперек их крыльев создает восходящую силу на крылья (и, следовательно, на остальную часть самолета), превышающую силу тяжести, тянущую самолет к земле.Физика, лежащая в основе этого явления, была впервые описана Даниэлем Бернулли, швейцарским математиком и ученым 18 века, изучавшим движение жидкостей. Бернулли обнаружил, что давление движущейся жидкости обратно пропорционально скорости жидкости. Другими словами, давление жидкости уменьшается с увеличением скорости жидкости, и наоборот.

Принцип Бернулли

Самолеты летают, когда движение воздуха поперек их крыльев создает восходящую силу на крылья (и, следовательно, на остальную часть самолета), которая превышает силу тяжести, тянущую самолет к Земля.

Физика этого явления была впервые описана Даниэлем Бернулли, швейцарским математиком и ученым 18 века, изучавшим движение жидкостей. Бернулли обнаружил, что Давление движущейся жидкости обратно пропорционально скорости жидкости. Другими словами, давление жидкости уменьшается с увеличением скорости жидкости, и наоборот.

Тот же принцип применяется к движущемуся воздуху. Чем быстрее воздух движется через пространство, тем ниже давление воздуха; чем медленнее он движется, тем выше давление.Крылья самолета предназначены для Преимущество этого факта и создание подъемной силы, необходимой для преодоления веса самолета и отрыва самолета от земли. Нижняя сторона крыльев более или менее плоская, а вершина изогнутая. Кроме того, крылья наклонены. немного вниз спереди назад, поэтому воздух, движущийся вокруг крыла, проходит более длинный путь через верх, чем под ним. Воздух, идущий над крылом, движется быстрее, чем воздух, идущий под ним, и давление воздуха над крылом таким образом, он ниже, чем под крылом, где собираются вместе более медленно движущиеся молекулы воздуха.Перепад давления создает подъемную силу, и чем быстрее крыло движется по воздуху, тем больше становится подъемная сила, в конечном итоге преодолевая силу. силы тяжести на самолет.

Фазы полета

Выталкивание и выруливание

Этот первый этап полета, после того как все двери были закрыты, включает перемещение самолета от взлетно-посадочной полосы терминала и вдоль рулежных дорожек к взлетно-посадочной полосе. Моторизованный автомобиль под названием иногда буксир используется, чтобы отодвинуть самолет от ворот.В некоторых аэропортах определенным самолетам разрешено использовать обратную тягу. Это означает, что после запуска двигателя на воротах реверсоры тяги используются для буквально заднего хода самолета. подальше от ворот. Затем самолет движется своим ходом по рулежным дорожкам. Поскольку самолеты предназначены в первую очередь для полетов и не являются наземными транспортными средствами, их руление осуществляется на очень низких скоростях. Отталкивание происходит только тогда, когда пилот разрешение на это от службы управления воздушным движением, которая контролирует все движения самолетов во время руления.

Взлет и набор высоты

Когда готов к взлету и получает разрешение от службы управления воздушным движением продолжить движение, пилот или первый помощник воздушного судна отпускает тормоза и перемещает дроссельную заслонку, чтобы увеличить мощность двигателя для ускорения. вниз по взлетно-посадочной полосе. После выравнивания на взлетно-посадочной полосе управление самолетом обычно осуществляется с помощью ножных педалей, которые манипулируют носовым колесом до тех пор, пока скорость не станет достаточной, чтобы ветер, несущийся рулем направления на хвосте самолета, заставлял рулевое колесо носа ненужное.

По мере того, как самолет набирает скорость, воздух все быстрее и быстрее проходит над его крыльями, и создается подъемная сила. Приборы на борту самолета показывают эту скорость, которая равна не только скорости самолета. относительно земли, но также и скорость любого ветра, который может дуть в сторону самолета (самолет обычно взлетает навстречу ветру). Когда воздушная скорость достигает определенной заданной точки, известной как скорость вращения, пилот манипулирует панели на хвостовой части самолета для поворота носовой части самолета вверх.Это создает еще более сильную подъемную силу, и самолет отрывается от земли.

Скорость вращения, сокращенно VR, является одним из трех важных параметров воздушной скорости, рассчитываемых перед каждым полетом. Остальные — V1 — скорость, выше которой безопасная остановка на взлетно-посадочной полосе невозможна; и V2 — минимальная скорость, необходимая для удержания самолета в полете в случае отказа двигателя после того, как самолет превысит скорость V1. Некоторые из факторов, влияющих на VR и V2, — это вес самолета, температура воздуха и высота аэропорта.В Чем тяжелее самолет, тем больше подъемная сила и, следовательно, требуется скорость, чтобы оторвать его от земли. Самолету также нужно лететь быстрее, чтобы лететь в жаркий день, чем в прохладный. Горячий воздух менее плотный, чем холодный, и меньшая плотность создает меньшую подъемную силу для такая же скорость. Точно так же, чем выше высота, тем менее плотный воздух. Самолету требуется больше скорости, чтобы оторваться от земли в таком месте, как Денвер, чем в таком месте, как Нью-Йорк, при всех прочих факторах, таких как вес, равны. Некоторые из этих факторов также важны при расчете V1, хотя ключевым фактором является длина используемой взлетно-посадочной полосы.

Большинство больших реактивных самолетов отлетают от земли со скоростью около 160 миль в час и первоначально набирают высоту под углом более 15 градусов. Угол наклона крыльев самолета к обтекаемому воздуху чрезвычайно важен. для поддержания лифта. Если так называемый угол атаки слишком велик, поток воздуха вокруг крыльев нарушается, и самолет теряет подъемную силу.

Чтобы сделать самолет более аэродинамически эффективным, колеса, по которым он катится, когда он находится на земле, убираются в полость в брюхе самолета после того, как он находится в воздухе.Там имеет меньшее лобовое сопротивление (сопротивление ветру), и самолет может летать быстрее, когда его шасси убрано.

Круиз

Как только самолет находится в воздухе, он продолжает набирать высоту, пока не достигнет крейсерской высоты, которая определяется пилотом и должна быть одобрена авиадиспетчерской службой. На данный момент мощность снижается от настройки, необходимой для набора высоты, и самолет поддерживает постоянную горизонтальную высоту. Чтобы лететь ровно, вес самолета и подъемная сила, создаваемая крыльями, точно равны.

Стандартной высоты для крейсерского полета не существует. Как правило, это около 35000 футов, но она может значительно варьироваться в зависимости от продолжительности полета, погодных условий, турбулентности воздуха и местоположения. других самолетов в небе. Крейсерские скорости имеют постоянное число Махов, около 82 процентов скорости звука. Это означает, что скорость земли составляет около 550 миль в час, хотя она также может значительно варьироваться в зависимости от встречного и попутного ветра. и другие факторы.

Во время полета пилоты обычно следуют по обозначенным воздушным трассам или трассам в небе, которые отмечены на полетных картах и ​​определяются их отношением к радионавигационным маякам, чьи сигналы подбираются самолетом. Некоторые самолеты также имеют на борту инерциальные навигационные системы, помогающие пилотам ориентироваться. Эти компьютерные системы вычисляют положение самолета от точки отправления, внимательно отслеживая его курс. скорость и другие факторы после того, как он покинет ворота.Некоторые самолеты также могут использовать сигналы группировки спутников для определения своего местоположения. Это известно как Глобальная система позиционирования. Коммерческие самолеты все чаще используй это. GPS позволяет самолету с разрешения службы управления воздушным движением безопасно работать вне заданных воздушных трасс. Эта возможность делает операции более эффективными и увеличивает пропускную способность авиационной системы.

Пилоты управляют и направляют самолет в полете, манипулируя панелями на крыльях и хвосте самолета.Эти управляющие поверхности описаны более подробно далее в этой главе.

Спуск и посадка

На этом этапе полета пилот постепенно возвращает самолет к земле, уменьшая мощность и скорость двигателя, а значит, и силу подъемной силы. Так называемый финальный подход начинается в нескольких милях от аэропорта. К этому моменту служба управления воздушным движением установила последовательность для посадки самолетов, тщательно отделив их от всех других самолетов, направляющихся в тот же аэропорт или вылетающих из него.Шасси опускается, замедляется самолет дальше. Кроме того, панели на задней кромке крыльев самолета, известные как закрылки, используются для увеличения лобового сопротивления и, таким образом, уменьшения скорости и высоты. Используются другие панели, известные как рули высоты, и руль направления (так как они на протяжении всего полета) для управления самолетом и удержания его на курсоре (курс) и глиссаде (глиссаде) непрерывные радиосигналы, по которым летный экипаж будет следовать до конца взлетно-посадочной полосы.

Самолеты авиакомпании обычно движутся со скоростью около 120 миль в час относительно земли, когда они приземляются.Затем летный экипаж быстро замедляет самолет с помощью нескольких действий: обратно на дроссели, подняв еще один набор панелей на верхней части крыльев, называемых спойлерами, которые нарушают воздушный поток и увеличивают сопротивление ветру, реверсируя тягу двигателей и, конечно же, применяя тормоза.

Такси и парковка

Заключительный этап полета — это обратная сторона первого этапа. Самолет на малой скорости своим ходом выезжает на рулежную дорожку, а оттуда — к выходу на посадку.Поскольку большинство ворот оснащены подвижные трапы или крытые пандусы, самолеты обычно припарковываются самостоятельно.

Основные части самолета

Фюзеляж

Это основной корпус самолета, за исключением его хвостового оперения, крыльев и двигателей. Термин происходит от французского слова fusele, что означает конический, потому что фюзеляж имеет форму длинной цилиндр с коническими концами. Он состоит из склепанных между собой алюминиевых секций, а внутри находятся три основные секции: кабина, кабина (которая часто подразделяется на две или три секции с различным расположением сидений. и разные классы обслуживания) и грузовой отсек.

Кабина

Кабина является самой передней частью фюзеляжа и содержит все инструменты, необходимые для управления самолетом. Кабина экипажа, которую иногда называют кабиной пилота, имеет сиденья для пилота и второй пилот; бортинженер, на некоторых самолетах; и места для одного или двух наблюдателей, которые могут быть от самой авиакомпании или от FAA. Кабина закрыта для пассажиров во время полета и бортпроводников во время взлета и посадки.

Кабина

Кабина — это часть фюзеляжа позади (и ниже в случае двухпалубного Боинга 747) кабины, где авиакомпания перевозит пассажиров, груз или и то, и другое, в случае комбинации перевозчик.В типичной пассажирской кабине есть камбуз для приготовления пищи; туалеты; одно или несколько сидений, туалетов и верхних полок для хранения багажа, верхней одежды и других вещей, переносимых в самолет пассажирами; и несколько дверей наружу, большинство из которых используются только для аварийной эвакуации. Количество выходов определяется количеством посадочных мест. Маленькие самолеты перевозят около 60 пассажиров, более крупные, такие как Boeing 747, могут перевозить более 400 пассажиров.

Грузовой отсек

Это область фюзеляжа под пассажирской палубой, где перевозятся груз и багаж.В основном это нижняя половина цилиндра фюзеляжа. Он находится под давлением вместе с остальной частью фюзеляж, имеет системы обогрева для мест, предназначенных для перевозки живых животных. В самолетах также есть системы вентиляции, которые нагнетают воздух в эти зоны. Доступ в грузовые отсеки осуществляется через двери в салоне самолета. Доступа из каюты нет.

Крылья

Крылья — это аэродинамический профиль, который создает подъемную силу, необходимую для удержания самолета от земли.Как и фюзеляж, к которому они прикреплены, они сделаны из панелей из алюминиевого сплава, склепанных заклепками. вместе. Точка крепления — это центр тяжести или точка равновесия летательного аппарата.

Большинство реактивных самолетов имеют стреловидные крылья, то есть крылья наклонены назад к задней части самолета. Стреловидные крылья создают меньшую подъемную силу, чем перпендикулярные крылья, но они более эффективны на высоких скорости, потому что они создают меньшее сопротивление.

Крылья в основном полые внутри, с большими отсеками для топлива.На большинстве самолетов, эксплуатируемых сегодня, крылья также поддерживают двигатели, которые прикреплены к пилонам, подвешенным под крыльями.

спроектированы и изготовлены с особым вниманием к форме, контуру, длине, ширине и глубине, и они оснащены множеством различных типов поверхностей управления, которые описаны ниже.

Оперение

Хвостовое оперение — это хвостовое оперение самолета, состоящее из больших килей, которые проходят как вертикально, так и горизонтально из задней части фюзеляжа.Их основная цель — помочь стабилизировать самолет, очень похожий на киль лодки. Кроме того, в них также встроены поверхности управления, которые помогают пилотам управлять самолетом.

Панели управления

Поверхности управления, прикрепленные к крыльям и хвосту самолета, изменяют равновесие прямого и горизонтального полета при движении вверх и вниз или влево и вправо. Они управляются из элементов управления в кабина. В некоторых самолетах гидравлические линии соединяют органы управления кабиной с этими различными внешними панелями.В других случаях связь электронная.

Руль — это большая панель, прикрепленная к задней кромке вертикального стабилизатора самолета в задней части самолета. Он используется для управления рысканием, то есть движением носа влево или вправо. Руль направления используется в основном во время взлета и посадки, чтобы удерживать нос самолета на средней линии взлетно-посадочной полосы. Он управляется ножными педалями в кабине. Реактивные самолеты также имеют автоматические демпферы рыскания, которые работают постоянно, для комфортной езды.

Руль высоты — это панели, прикрепленные к задней кромке двух горизонтальных стабилизаторов самолета, а также часть хвостового оперения или оперения. Лифты контролируют тангаж самолета, то есть движение носа вверх или вниз. Они используются во время полета и управляются путем вытягивания или нажатия на штурвал управления или контроллер боковой ручки в кабине.

Элероны — это панели, встроенные в заднюю кромку крыльев. Как и лифты, они используются во время полета для управления самолетом и управляются поворотом штурвала или боковой ручки управления. контроллер в кабине слева или справа.Эти рулевые движения отклоняют элероны вверх или вниз, что, в свою очередь, влияет на относительную подъемную силу крыльев. Отклоненный вниз элерон увеличивает подъемную силу крыла, к которому он прикреплен, в то время как элерон отклоняется вверх, уменьшает подъемную силу своего крыла. Таким образом, если пилот отклонит вниз элерон на левом крыле самолета и отклонит вверх элерон на правом крыле, самолет будет катиться или крениться вправо. Спойлеры — это панели, встроенные в верхние поверхности крыльев, и в основном используются во время посадки, чтобы нарушить подъемную силу крыльев и, таким образом, удерживать самолет в твердой посадке на земле после приземления.Их также можно использовать во время полета. чтобы ускорить спуск.

Другими основными рулевыми поверхностями являются закрылки и предкрылки, которые в первую очередь предназначены для увеличения подъемной силы крыльев на малых скоростях, используемых во время взлета и посадки. Закрылки устанавливаются на задняя кромка крыльев, ламели по передней кромке. В выдвинутом состоянии они увеличивают подъемную силу, поскольку увеличивают площадь крыльев и подчеркивают изгиб крыльев. Закрылки также обычно открываются во время конечного этапа захода на посадку. для увеличения подъемной силы, что обеспечивает управляемость и устойчивость на низких скоростях.Настройки закрылков и предкрылков контролируются пилотами, хотя иногда предусмотрены системы автоматического выдвижения / втягивания для защиты полета и целостности конструкции.

Шасси шасси

Шасси — это шасси, которое поддерживает самолет, когда он находится на земле, и состоит из колес, шин, тормозов, амортизаторов, осей и других опорных конструкций. Практически все У реактивного самолета есть носовое колесо с двумя шинами, а также два или более узлов основного шасси с 16 шинами.Шасси обычно поднимается и опускается гидравлически и полностью помещается в нижней части фюзеляжа в убранном состоянии. Самолет шины заполнены азотом, а не воздухом, потому что азот не расширяется и не сжимается так сильно, как воздух при резких перепадах температуры, что снижает вероятность разрыва шины.

Двигатели

Точное количество двигателей на самолете определяется требованиями к мощности и характеристикам самолета. Большинство реактивных самолетов имеют два, три или четыре двигателя, в зависимости от размера самолета.Некоторые имеют двигатели, прикрепленные к задней части фюзеляжа. У многих они установлены на пилонах, свисающих под крыльями. Некоторые из них имеют комбинацию того и другого, с двигателем под каждым крылом и одним на верхней части фюзеляжа в задней части самолета.

Мощность, производимая двигателями, контролируется пилотами прямо или косвенно через компьютеризированные средства управления. Все большие авиалайнеры рассчитаны на безопасные полеты с меньшим числом двигателей. Другими словами, оставшийся двигатель или двигатели обладают достаточной мощностью, чтобы поддерживать самолет в воздухе.

Реактивный двигатель

Как упоминалось выше, для движения самолета по воздуху и создания достаточной подъемной силы для полета требуется какая-то движущая сила. Самыми ранними формами силовой установки были простые бензиновые двигатели. что получились пропеллеры. Большинство современных авиалайнеров оснащено реактивными двигателями, которые мощнее, проще и надежнее с механической точки зрения, чем поршневые. Реактивные двигатели впервые поступили на коммерческую службу в конце 1950-х годов и находились в широкое распространение к середине 1960-х гг.

Реактивный двигатель забирает воздух спереди, сжимает его на все меньшие и меньшие пространства, протягивая его через ряд лопастей компрессора. Затем топливо добавляется в горячий сжатый воздух и воспламеняется. смесь в камере сгорания. Это вызывает взрыв чрезвычайно горячих газов в задней части двигателя и создает силу, известную как тяга, которая толкает двигатель (и, следовательно, самолет) вперед. Это тот же принцип, что и толкает воздушный шар вперед, когда его надувают воздухом и отпускают.Воздух, выходящий как из воздушного шара, так и из реактивного двигателя, создает перепад давления между передней и задней частью замкнутого пространства, что приводит к движению вперед. Важно отметить, что когда горячие газы вырываются из задней части струи, они вращают колесо, известное как турбина. Турбина соединена центральным валом с лопатками компрессора в передней части двигателя и, таким образом, обеспечивает вращение компрессора, пока двигатель работает. на.

Как и во всех двигателях внутреннего сгорания, мощность увеличивается за счет добавления большего количества топлива в камеру сгорания.Самые мощные на сегодняшний день реактивные двигатели могут создавать тягу более 90 000 фунтов. Выразил другое Кстати, каждый из этих гигантских двигателей может поднять 90 000 фунтов прямо от земли. Поскольку самолет использует свои крылья для вертикального подъема, а двигатели — только для горизонтального движения, эти большие двигатели могут поднимать с земли огромное количество груза. наземный и силовой самолет на больших скоростях.

Типы форсунок

Есть три основных типа реактивных двигателей.Турбореактивные двигатели — это двигатели, которые используют только выхлопную тягу для продвижения самолета вперед, как только что было описано.

Турбореактивные двухконтурные или вентиляторные двигатели — это улучшенная версия турбореактивного двигателя. С более крупным вентилятором спереди ТРДД втягивает больше воздуха. Он также отводит часть поступающего воздуха вокруг камеры сгорания. и позже смешивает его с горячими выхлопными газами, выходящими наружу. Это снижает температуру и скорость выхлопа, увеличивает тягу на более низких оборотах и ​​делает двигатель тише.

Третий тип — турбовинтовые, или воздушно-реактивные. Он использует реактивный двигатель для вращения пропеллера. Тяга создается как винтом, так и выхлопными газами самой струи. Турбовинтовые двигатели используются на небольшие самолеты малой дальности, такие как те, которые часто используются пригородными и региональными авиалиниями. Они эффективны в этих типах операций, но менее эффективны на высоких скоростях и на больших высотах, которыми управляют большие коммерческие самолеты.

История | Дерегулирование | Состав | Экономика | Как они летают | Безопасность | Аэропорты | УВД | Окружающая среда | Глоссарий

Как летают самолеты?

В 1903 году Орвилл и Уилбур Райт пилотировали первый самолет в Китти Хок, Северная Каролина.Их самолет выглядел совсем иначе, чем те, на которых вы летите сегодня. Он был сделан из дерева и ткани, и в кабине не было сидений — пилот, который был единственным человеком в самолете, должен был лечь на крыло, полностью на открытом воздухе! К счастью, этот самолет не летел очень высоко и далеко. Сегодня большинство самолетов делают из металла, и пассажиры безопасно сидят внутри закрытого салона. Самолеты обычно летают в небе на высоте около семи миль, а самые большие из них могут долететь до половины земного шара! Но, несмотря на различия между первым самолетом и современными, они оба используют одну и ту же науку, чтобы летать.Вот как они работают.

Полет основан на двух принципах аэродинамики или изучении того, как воздух движется вокруг объектов: тяги и подъемной силы.

Толчок — это когда объект с силой толкает вперед. Самолеты используют свои реактивные двигатели для достижения тяги: двигатели всасывают воздух, сжимают его, смешивают с газом и воспламеняют смесь в виде всплеска энергии, который выстреливает из задней части двигателя, который толкает самолет вперед. Реактивные двигатели создают такую ​​тягу, что самолеты могут летать с невероятно высокой скоростью до 600 миль в час (миль в час)! Это намного быстрее, чем автомобили, которые едут по шоссе со скоростью от 55 до 75 миль в час.

Подъемная сила — это сила, которая поднимает самолет вверх и удерживает его в воздухе. Чтобы создать подъемную силу, самолеты полагаются на свои крылья, которые имеют особую форму, называемую аэродинамическим профилем. Верхняя часть крыла выпирает, образуя гладкую неровность. Когда крыло движется по воздуху, входящие частицы воздуха поднимаются над ним или под ним. Благодаря неровности воздух в верхней части крыла движется быстрее, чем в нижней части крыла. Эти скорости частиц создают более низкое давление воздуха над крылом и более высокое давление под ним — эта концепция называется принципом Бернулли.Высокое давление воздуха толкает крыло вверх, создавая подъемную силу.

Тяга и подъемная сила всегда борются с двумя другими принципами аэродинамики: сопротивлением и гравитацией.

По теме: Почему большие самолеты означают тесноту

Перетаскивание — это когда движущийся объект блокирует поток воздуха, замедляя движение объекта. Вы можете почувствовать сопротивление, если просунете руку в окно движущегося автомобиля — ваши руки отталкиваются назад, когда мимо проносится воздух. Самолеты должны обладать достаточной тягой, чтобы преодолевать создаваемое им сопротивление, поэтому они спроектированы таким образом, чтобы воздушный поток вокруг тела был как можно более плавным (это называется аэродинамическим).

Гравитация — это сила, притягивающая все объекты к земле. Подъемная сила может преодолевать гравитацию, если она достаточно сильна — инженеры, строящие самолеты, выполняют ряд уравнений, чтобы найти идеальный размер крыла и скорость полета для создания нужной подъемной силы в зависимости от веса самолета.

Эти боевые силы означают, что самолеты должны летать на высоких скоростях, чтобы оставаться в воздухе, что тоже хорошо. Когда в последний раз вы хотели, чтобы полет продлился немного дольше?

Как летают самолеты: Тяга и сопротивление — Как работают самолеты

Бросьте камень в океан, и он погрузится в пучину.Бросьте камень в сторону горы, и он тоже упадет. Конечно, стальные корабли могут плавать, и даже очень тяжелые самолеты могут летать, но чтобы достичь полета, вы должны использовать четыре основных аэродинамических силы: подъемную силу, вес, тягу и сопротивление. Вы можете представить их как четыре руки, удерживающие самолет в воздухе, каждая из которых толкает с разных направлений.

Сначала рассмотрим тягу и сопротивление. Тяга , вызванная винтом или реактивным двигателем, — это аэродинамическая сила, которая толкает или тянет самолет вперед в пространстве.Противодействующая аэродинамическая сила равна сопротивлению, или трению, которое сопротивляется движению объекта, движущегося в жидкости (или неподвижного в движущейся жидкости, как это происходит, когда вы запускаете воздушный змей).

Если вы высунете руку из окна машины во время движения, вы испытаете очень простую демонстрацию перетаскивания на работе. Величина сопротивления, создаваемого вашей рукой, зависит от нескольких факторов, таких как размер вашей руки, скорость автомобиля и плотность воздуха. Если бы вы замедлились, вы бы заметили, что сопротивление вашей руке уменьшится.

Еще один пример уменьшения сопротивления мы видим, когда наблюдаем за горнолыжниками на Олимпийских играх. Всякий раз, когда у них появляется возможность, они прижимаются к земле. Делая себя «меньше», они уменьшают создаваемое ими сопротивление, что позволяет им быстрее спускаться с холма.

Пассажирский самолет всегда убирает шасси после взлета по той же причине: для уменьшения лобового сопротивления. Как и горнолыжник, пилот хочет сделать самолет как можно меньше. Величина сопротивления, создаваемого шасси реактивного самолета, настолько велика, что на крейсерской скорости шасси могло бы сорваться прямо с самолета.

Для выполнения полета тяга должна быть равна или больше сопротивления. Если по какой-либо причине величина сопротивления становится больше силы тяги, самолет замедляется. Если тяга увеличится так, что она больше сопротивления, самолет разгонится.

На следующей странице мы обсудим вес и подъемную силу.

Как летают самолеты? | Живая наука

У современных производителей самолетов не так уж много Орвилла и Уилбура. В современных реактивных самолетах используются те же принципы аэродинамики, которые братья Райт использовали в 1903 году, чтобы поднять в воздух свой Flyer .

Но как именно летают самолеты?

Для полета требуются две вещи: тяга и подъемная сила. Тяга — это поступательное движение, обеспечиваемое воздушным винтом или реактивным двигателем. (Между прочим, винт использует те же принципы, которые описаны ниже, для создания подъемной силы, но он использует эту подъемную силу для перемещения самолета вперед, а не вверх.)

Подъемная сила

Подъемная сила намного сложнее, чем тяга. На самом деле это очень спорно и часто плохо объясняется, а во многих учебниках категорически неверно. Я знаю, потому что некоторые читатели сообщили мне, что первоначальная версия этой истории была неточной.Я попытался исправить это после исследования противоречивых мнений «экспертов» по ​​этому поводу.

Крыло самолета имеет особую форму, называемую аэродинамическим профилем, которая выступает больше сверху, чем снизу. Эта форма помогает в полете, но не является ключевым моментом. Если бы это было все, то как могли бы некоторые самолеты летать вверх ногами?

Когда воздух встречает крыло, оно разделяется на два потока, верхний и нижний. Вы часто будете слышать, что два потока снова встречаются сзади, как показано здесь, потому что воздух, проходящий сверху, должен двигаться дальше, чем воздух, идущий снизу, поэтому он вынужден двигаться быстрее.Но на самом деле посылки с воздухом не объединяются каким-либо единообразным образом.