2.18. Основні види руху літального апарату. Горизонтальний політ літака

Наука, що вивчає рух літального апарата, називається динамікою польоту. Рух літального апарата може бути сталим або несталим. При сталому русі відсутні прискорення (за винятком прискорення сили тяжіння). Основними видами руху, які розглядаються в динаміці польоту, є горизонтальний політ, набір висоти, зниження, зліт, посадка, віраж та ін.

Горизонтальний політ (ГП) це прямолінійний політ у вертикальній площині на постійній висоті. У горизонтальному польоті на літак діють сила ваги G, прикладена в центрі тяжіння, піднімальна сила Y і сила лобового опору Х прикладені в центрі тиску, сила тяги Р, направлена по осі двигуна. Для зручності будемо вважати, що всі сили прикладені в центрі тяжіння (рис. 2.68). Цю умову будемо поширювати також на інши режими польоту, що будемо розглядати.

Рис. 2.68. Горизонтальний політ.

Умовою польоту літака на постійній висоті (Н = const) є рівність ваги і піднімальної сили G = Y = с_у∙ S∙ .

Умовою рівномірності руху (V = const) є рівність сил тяги і лобового опору

Р = Х = с_х∙ S∙ .

Якщо не забезпечується рівність Y і G, то при Y > G літак буде підніматися, а при Y < G знижуватися, тобто відбудеться скривлення траєкторії у вертикальній площині. Якщо Р > Х, то швидкість літака буде збільшуватися, а при Р < Х зменшуватися.

З рівняння с_у∙ S∙ = G можна отримати формулу для визначення швидкості горизонтального польоту V_гп, потрібної для його виконання: V_гп = .

З формули видно, що потрібна швидкість горизонтального польоту V_гп залежить від ваги G, щільності повітря ρ, площі крила S і коефіцієнта піднімальної сили с_у. Оскільки кожному значенню кута атаки α відповідає єдине значення коефіцієнта с_у, то це значить, що кожному значенню α відповідає певне значення V_гп.

Використовуючи формулу V_гп = , можна знайти теоретично мінімальну швидкість польоту на заданій висоті, тобто найменшу швидкість, яка дозволяє здійснювати ГП:

V_min = .

Мінімальна швидкість польоту може бути отримана при польоті на критичному куті атаки α = α_кр, якому відповідає максимальний коефіцієнт піднімальної сили с_у = с_{у max}. Проте виконувати політ на теоретично мінімальній швидкості не рекомендується, оскільки на критичних кутах атаки політ нестійкий, тому що незначне збільшення кута атаки понад критичний приводить до зменшення значення с_у, а значить, до падіння піднімальної сили Y. Практично мінімальна швидкість польоту трохи більше, ніж теоретична (V_{min ін.} ≈ 1,3V_min), а політ повинен виконуватися на кутах атаки α < α_кр.

З рівняння Р = Х = с_х∙ S∙ можна знайти силу тяги P_гп, потрібну для виконання ГП:

P_гп = с_x∙ S∙ .

Оскільки V²_гп = 2G/(с_у∙ S∙ ρ) то, підставляючи в попередню формулу цей вираз, отримаємо

Р_гп = G (с_х / с_у) = G / К.

Як випливає з формули, потрібна тяга P_гп залежить від значення G (зі збільшенням G потрібна більша тяга при тому ж куті атаки) і аеродинамічної якості літака К.

Мінімальною потрібною тяга буде при польоті на найвигіднішому куті атаки, тобто з максимальною якістю: Р_{гп min} = G / K_mах.

При розрахунках льотних даних літака зручно користуватися графічними залежностями тяги від швидкості і висоти польоту. Вони отримали назву кривих М.Є. Жуковського. При побудові кривої потрібної тяги використовують рівняння сталого горизонтального польоту.

Льотні дані літаків розраховують при одночасному зіставленні кривих потрібних Р_потр і розташовуваних Р_розт тяг. Ці криві являють собою залежності тяги (потужності) двигуна на максимальному режимі його роботи від швидкості і висоти польоту літака (рис. 2.69 і рис. 2.70).

Рис. 2.69. Криві М.Є. Жуковського для тяги.

По кривих потрібних і розташовуваних тяг розглянемо характерні швидкості горизонтального польоту. Крайня ліва точка кривій Р_потр відповідає мінімальної (теоретичної) швидкості польоту V_min (α = α_кр). Точка перетинання кривих Р_потр і Р_розт відповідає максимальній швидкості польоту V_max, тобто найбільшої швидкості, що досягається літаком у ГП при Р = Р_mах. Різниця між V_max і V_min називається діапазоном швидкостей. Швидкість, що відповідає Р_{потр. міn.}, називається найвигіднішою швидкістю горизонтального польоту V_нв (α = α_нв). Для літака Ту – 154 максимальна швидкість ГП при польотній масі 77,5 т на висоті 10 км становить 960 км/год, а крейсерська швидкість польоту - 850 – 920 км/год.

Зі збільшенням висоти польоту мінімальна швидкість збільшується, а максимальна, як правило, зменшується.

Для розрахунку льотних даних літаків з поршневими і турбогвинтовими двигунами зручніше користуватися методом порівняння потрібних і розташовуваних потужностей (рис. 2.70). Потужність, яка потрібна для виконання ГП,

N_гп = P_гп∙ V_гп=(G∙ V_гп/ K).

Рис. 2.70. Криві М.Є. Жуковського для потужності.

Швидкість польоту, при якій потрібна потужність найменша називається економічною швидкістю V_ек. Це швидкість найбільшої тривалості горизонтального польоту.