Будова літальних апаратів
Літальний апарат (ЛА) — це пристрій чи машина для польотів в атмосфері та космічному просторі[1]. Класифікація літаючих об'єктів може будуватись за такими критеріями:
- за типом використовуваного двигуна;
- за призначенням ЛА;
- за будовою фюзеляжу та інших частин апарату;
- за способом керування;
- за вантажопідйомністю.
Найголовнішою є класифікація ЛА за принципом польоту. Таким чином ЛА класифікуються:
- Апарати, які рухаються в гравітаційному полі Землі (долають силу тяжіння).
- Апарати вільного польоту — апарати, на які не впливає гравітація (космічні зонди).
Види долання сили тяжіння
1. Аеростатичні ЛА — легші за повітря ЛА (долають силу тяжіння за законом Архімеда)
Аеростатичні ЛА поділяються:
- 1.1. Аеростати — повітряні кулі;
- 1.2. Дирижаблі — мають двигун і засоби керування для цілеспрямованого пересування в площині.
2. Аеродинамічні ЛА — апарати, політ яких забезпечується підйомною силою за рахунок руху апарата в повітрі.[2]
- До них належать:
- 2.1. Моторні ЛА, які в свою чергу поділяються на:
- 2.1.1. Апарати з нерегульованою висотою польоту: екранольот, екраноплан.
- 2.1.2. Апарати з регульованою висотою польоту: вертольоти, крилаті апарати з нерухомим крилом (літаки, крилаті ракети, мотодельтаплани, парамотори, паратрайки), крилаті апарати з рухомим крилом (автожир, махольот), гвинтокрил.
- 2.2. Безмоторні ЛА — апарати, які рухаються в атмосфері з поступовим зниженням під дією сили тяжіння та аеродинаміки: планери, дельтаплани, параплани, парашути, спускальні апарати космічних кораблів.
- 2.1. Моторні ЛА, які в свою чергу поділяються на:
3. Літаки з аеростатичним розвантаженням — ЛА з жорстким фюзеляжем, в якому розміщений балон з гелієм, який може збільшити підйомну силу до 80 %. До таких ЛА можна віднести радянський проект «Барс» для перевезення вантажів і пасажирів по просторах Сибіру).
4. Інерційні ЛА — які рухаються в полі тяжіння Землі по інерції за рахунок швидкості, заданої їм на активній ділянці траєкторії ракетним двигуном.
5. Ракетні ЛА — які рухаються переважно по вертикальній траєкторії і їхній рух відбувається за рахунок тяги ракетного двигуна. Це балістичні ракети(спочатку діє двигун, потім ракета рухається по прийнятій траєкторії), ракети носії космічних апаратів.
6. Апарати на повітряній подушці — відриваються від поверхні за рахунок сильного тиску повітря, який забезпечують компресори.
Мало розповсюджені ЛА і рідко використовувані
Аеростатичні ЛА
1 — аеростат Монгольф'є;
2 — аеростат Шарля;
3 — аеростат Бланшара;
4 — аеростат Жіффара;
5 — вільний аеростат Жіффара;
6 — аеростат Дюпюі де Лом;
7 — аеростат Генлейна;
8 — аеростат Ренара і Кребса.[3]
Існують такі основні види аеростатичнийх ЛА:
- прив'язані;
- вільно літаючі;
- аеростати з двигуном — дирижаблі.
За типом наповнення вони поділяються на:
- газові (шарльєри) — закрита куля з шовкової тканини змочена розчином каучуку і скипідару, наповнена легшим за повітря газом переважно воднем або гелієм. Вони були винайдені Жаком Олександром Сезарем Шарлем. Перший політ шарльєр здійснив 27 серпня 1783 року на Марсовому полі в Парижі.
- теплові (монгольф'єри) — тканинна оболонка, в якій знаходиться нагріте повітря. Назву отримав за прізвищем винахідників братів Монгольф'є — Жозеф-Мішеля і Жак-Етьєна. Перший політ здійснив в місті Анноне (Франція) 5 червня 1783 року.
- комбіновані.
Використовуються аеростати в найрізноманітніших галузях: для дослідження атмосфери, для встановлення відеоспостереження та розвідки, для метеорологічних досліджень. В Другій світовій війні їх застосовували для захисту важливих об'єктів від повітряних атак, з розрахунком на те що літаки противників будуть врізатись в троси, до яких прив'язані аеростати.
Повітряна куля — вільно літальний аеростат (некерована, рухається за вітром).
Дирижабль — аеростат з двигуном, за допомогою якого можна рухатись в потрібному напрямку не зважаючи на повітряні потоки.
Принцип польоту. Висота набирається завдяки рулям висоти. Випуск газу чи скидання баласту відбувається дуже рідко. Приземляється дирижабль теж завдяки рулям висоти, але не перпендикулярно до землі, а поступово як літак. Потім його тросами прив'язують до причалу. Також можливе причалювання до спеціальної щогли.
Існують три основні типи конструкції дирижаблів: м'який, напівжорсткий і жорсткий.
Напівжорсткий відрізняється від м'якого наявністю жорсткої основи внизу. Форму дирижаблі набуваюсь завдяки надлишкового тиску газу на стінки.
Жорсткий дирижабль має незмінну форму завдяки металевому (рідше — дерев'яному) каркасу, який обтягують тканиною. Газ знаходиться в мішках (балонах) з газонепроникної тканини. Також були спроби зробити безкаркасний жорсткий дирижабль, але тільки одна з них була вдалою.
За формою дирижаблі поділяються на:
- сигароподібних зі зменшеним лобовим опором (таких більшість).
- еліпсоїдні — у вигляді еліпсоїда (із зменшеним опором бічному вітрі);
- дискові — у вигляді диска;
- лінзоподібні — у вигляді двоопуклою лінзи;
- тороїдальні — у вигляді тора (бублика), призначені для використання як повітряний кран;
- V-подібні;
- «вертикальні дирижаблі», що нагадують формою літальні хмарочоси — призначені для польотів над містами, де вулиці створюють умови для сильного вітру, що дме вздовж будинків, що призводить до турбулентних течій повітря.
Переваги використання дирижаблів:
- Висока вантажопідйомність і дальність перельотів без посадки.
- Досяжна вища надійність і безпека порівняно з літаками і вертольотами.
- Дешеві перевезення, особливо негабаритних і масивних вантажів.
- Розміри внутрішніх приміщень можуть бути значними.
- Тривале знаходження у повітрі.
- Дирижаблю не потрібна злітно-посадкова смуга (проте потрібна причальна щогла) — ба більше, він може узагалі не приземлятися, а просто «зависати» над землею (що, втім, можливо Недоліки дирижаблів:
- Відносно мала швидкість порівняно із літаками і вертольотами, низька маневреність — у першу чергу через високий аеродинамічний опір при польоті.
- Складність приземлення.
- Значні розміри потрібних ангарів/елінгів, складність зберігання і обслуговування на землі.
Екранольот і екраноплан
Екранольот і екраноплан — це повітряні судна, які для польоту використовують екранний ефект. Цей ефект являє собою різке збільшення вантажопідйомності при польоті на низькій висоті (1–1,5 м) — так звана динамічна повітряна подушка.
Позитивні якості екранопланів і екранольотів:
- Висока живучість;
- Досить висока швидкість;
- У екранопланів висока економічність і вища вантажопідйомність порівняно з літаками, оскільки підйомна сила доповнює сила екранного ефекту;
- екраноплани за швидкісними, бойовим і вантажопідйомним характеристиками перевершують судна на повітряній подушці та судна на підводних крилах;
- Екраноплан помітний на радарах оскільки перебуває висоті кількох метрів, швидкохідний, несприйнятливий до протикорабельних мін, що важливо у військовій справі;
- Для екранопланів не важливий тип поверхні, що створює ефект екрана — вони можуть переміщатися над кригою, сніжною рівниною, над бездоріжжям і т. д. — як наслідок, вони можуть переміщатися по «прямих» маршрутах, їм не потрібна наземна інфраструктура: мости, дороги і т. д.;
- Сучасні екранольоти набагато безпечніші від звичайних літаків: у разі виявлення несправності у польоті амфібія може сісти на воду навіть при сильному штормі. Причому це не вимагає здійснення яких-небудь передпосадкових маневрів і може бути здійснено просто скиданням газу (наприклад у випадку несправності двигунів). Також і сама несправність двигуна часто не настільки небезпечна для великих екранопланів з огляду на те, що вони мають декілька двигунів, розділених на стартову і маршову групу, і несправність двигуна маршової групи може бути компенсована запуском одного з двигунів стартової групи.
- Екранольоти належать до безаеродромної авіації — для зльоту і посадки їм потрібна не спеціально підготовлена злітна смуга, а лише достатня за розмірами акваторія або рівна ділянка суші.
Недоліки екранольотів та екранопланів:
- одним з серйозних перешкод регулярної експлуатації екранопланів є те, що місце їх передбачуваних польотів (уздовж річок) дуже точно збігається із зонами максимальної концентрації птахів;
- управління екранопланом відрізняється від управління літаком і вимагає специфічних навичок;
- екраноплан «прив'язаний» до поверхні і не може летіти над нерівною поверхнею, цього недоліку позбавлений екранольоти;
- хоч політ «на екрані» і пов'язаний з меншими енергетичними затратами, ніж у літака, однак процедура старту вимагає більшої тяговоозброєності, порівняно з транспортним літаком, і відповідно застосування додаткових стартових двигунів, — не задіяних на маршовому режимі (для великих екранопланів), або особливих стартових режимів для основних двигунів, що веде до додаткової витрати палива.
Гелікоптери
Гелікоптер — літальний апарат, важчий за повітря. Підйом і переміщення в повітрі забезпечується гвинтом, що обертається в горизонтальній площині. Переміщення забезпечується нахилом у відповідному напрямку тримального гвинта. Оскільки гвинт, що обертається, створює значний обертальний момент, цей момент необхідно компенсувати.
Переважно використовується дві схеми компенсування обертального моменту — схема, де два горизонтальні співвісні гвинти однакового розміру, які обертаються у протилежних напрямках, та схема, де обертальний момент великого горизонтального тримального гвинта компенсується меншим вертикально розміщеним гвинтом.
Схема з вертикально розміщеним рульовим гвинтом називається класичною, оскільки, ЛА такого типу з'явився першим. Якщо рульовий гвинт виконаний в вигляді пропелера, вбудованого в хвостове оперення, то його називають фен естроном.
Іншим варіантом компенсації обертального моменту є два тримальних гвинти, що обертаються в протилежні сторони (співвісна схема). Перевагою цієї схеми є можливість злітати у доволі тісному просторі, а недоліком — можливість зіткнення гвинтів при різкому маневрі.
Класифікація вертольотів
| За кількістю та розташуванням гвинтів |
|
| За вантажопідйомністю |
|
| За призначенням |
|
Принцип польоту
Керування вертольотом по крену і тангажу здійснюється за допомогою циклічної зміни кута установки лопатей, що називається циклічним кроком за допомогою автомату перекосу.
Керування по рисканню здійснюється по різному в залежності від аеродинамічної схеми вертольота і може бути реалізоване за допомогою рульового гвинта (у вертольотів класичної схеми), різниці загального кроку (у двогвинтових вертольотів), за допомогою реактивного сопла (у вертольотів зі струменевою схемою).
Керування вертольотом можливе і при зупинці двигуна. Повітряний потік, що виникає при русі вертольота підтримує обертання гвинта. Це явище називається авторотацією. При великій висоті у пілота достатньо часу, щоб здійснити більш-менш м'яку посадку. Використання цього явища входить в програму підготовки пілотів.
Вертольоти володіють якостями, які надають їм ряд переваг над іншими ЛА. Як злітно-посадкові майданчики вони можуть використати дахи будинків, галявини в лісі, пляжі — їм не потрібні спеціальні злітні смуги. Можуть перевозити вантажі на підвісі, що дозволяє їм виконувати різні специфічні завдання.
Автожир
Автожир — літальний апарат важчий за повітря, який утримується в повітрі завдяки гвинту, що розміщений над фюзеляжем і вільно обертається від дії зустрічного повітряного потоку (явище авторотації).
У той же час автожир має ще й тягнучі-штовхаючі гвинти (пропелери), як і у звичайного літака часів поршневої авіації. Цей маршовий гвинт задає автожиру горизонтальну швидкість.
Більшість автожирів не можуть злітати вертикально, але їм потрібно набагато коротший розбіг для зльоту (10–50 м), ніж літаку. Майже всі автожири здатні до посадки без пробігу або з пробігом всього кілька метрів, до того ж ці апарати здатні висіти при сильному зустрічному вітрі. Таким чином, за маневреністю вони перебувають між літаками і вертольотами, трохи поступаючись вертольотам і абсолютно перевершуючи літаки.
Автожири, в деякому відношенні, перевершують літаки і вертольоти з безпеки польоту. Літаку небезпечна втрата швидкості, оскільки він звалюється при цьому в штопор. Автожир при втраті швидкості починає знижуватися. При відмові мотора автожир не падає, замість цього він знижується (планує), використовуючи ефект авторотації (тримальний гвинт вертольота при відмові двигуна також переводиться в режим авторотації, але на це витрачається кілька секунд, важливих при вимушеній посадці). Пілот може в повній мірі керувати напрямком зниження, використовуючи всі системи управління автожирів.
При посадці автожира не потрібна посадкова смуга, що теж важливо для безпеки польоту, особливо при вимушеній посадці в незнайомому місці.
Швидкість автожира така ж як і швидкість легкого вертольота і трохи поступається легкому літаку. Собівартість льотної години автожира в кілька разів менше, ніж у вертольота, завдяки відсутності складної трансмісії. Типові автожири літають зі швидкістю до 180 км/год (рекорд 207,7 км/год), а витрата палива складає 15 л на 100 км при швидкості 120 км/год. Таким чином, за швидкістю і економічності автожир нагадує автомобіль тільки не застряє в пробках.
Ще однією їх перевагою є широкий огляд і набагато менша, ніж у вертольотах, вібрація, що робить їх дуже зручними для аерофотозйомок, відеозйомок і спостереження.
Автожир також має істотну перевагу перед іншими типами легких літальних апаратів: на ньому можна літати навіть у сильний (до 20 м/с) вітер.
Більшість автожирів одно- і двомісні. Існують і тримісні моделі — російський автожир «Мисливець-3», що випускається науково-виробничим центром Аеро-Астра-Автожир і автожир А-002, що серійно випускається ІАПО «Іркут». При швидкості вітру понад 8 м/с злітає з місця, в штиль потрібен розбіг до 15 м.
Наймасовішими в останні роки стали автожири німецької компанії Autogyro Gmbh. Починаючи з 2003 року випуск цих апаратів швидко збільшувався і зараз становить понад 300 машин на рік.
Деякі автожири здатні до стрибкового зльоту. При цьому лопаті тримального гвинта ставляться горизонтально, гвинт розкручується, а потім лопаті повертаються. Зліт відбувається по вертикалі. Здійснення такої схеми вимагає значного ускладнення конструкції втулки ротора, тому автожири з стрибкові злетом мало поширені.
Багато автожирів оснащені попереднім розкручуванням ротора. У цьому випадку ротор розкручується до початку розбігу автожира (через передачу від маршового двигуна або від окремого привода). Попереднє розкручування значно скорочує довжину злітного розбігу автожира.
Класифікація автожирів
| В залежності від розташування маршового гвинта |
|
Переваги схеми з тягнучим гвинтом: краще охолодження двигуна за рахунок обдування гвинтом, і дещо більша безпека при аварії з ударом носовою частиною (в схемі з штовхаючим гвинтом за такої аварії двигун, розташований за кабіною, може завалитися вперед і травмувати пілота).
У той же час, у схемі зі штовхаючим гвинтом кращий огляд з кабіни. У обох схем є й інші властиві їм переваги і недоліки.
Махольот
Махольот — літальний апарат важчий за повітря, рушієм якого є махаюче крило. Таким чином літають птахи, комахи та кажани, адже людина здавна прагнула імітувати їх політ.
Але до нинішнього часу махольоти в основному будуються таких же розмірів, як птахи і комахи, створення більш великих махольотів стикається зі значними труднощами. Ці труднощі викликані насамперед надзвичайною складністю крила як механізму. Тим не менше робилося багато спроб побудувати махольот, яким могла б керувати людина, і деякі такі махольоти були здатні літати (правда, тільки на невеликі дистанції).
Інтерес до махольотів пов'язаний з тим, що теоретично вони могли б мати вертикальний зліт і посадку, подібно до вертольотів, а в горизонтальному польоті наближатися по ефективності до літаків. Однак сучасні методи розрахунку свідчать, що такі крила навіть менш ефективні, ніж вертолітний тримальний гвинт. Це пов'язано з тим, що вертолітна лопать описує повне коло, не здійснюючи зворотно-поступальних рухів. Махаюче крило на початку і в кінці циклу помаху неминуче повинно зупинитися. У цей момент його швидкість відносно повітря, а, отже, і підйомна сила рівна нулю. Крім того, махають крила значно конструктивно складніше вертолітної лопаті, що робить його набагато важчим.
Цікаво, що застосування простої конструкторської формули до махольоту пророкує неможливість побудови машини важче 50 кг. Природно, дані беруться з авіаційної статистики, відносно сучасних конструкційних матеріалів.
В наш час доктор інженерних наук з аерокосмічного інституту університету Торонто Тодд Реікхарт винайшов '''орнітоптер''' — апарат, який летить за рахунок руху крилами.
Унікальність апарату в тому, що у нього немає ні мотора, ні пропелера, а тільки крила, завдяки яким апарат рухається у повітрі. І це зовсім не утопія. Канадський вчений не просто винайшов і сконструював оригінальний літак Snowbird, але ще й встиг його випробувати. Сконструйований літальний апарат з вуглеволокна, піноматеріалу і коркового дерева. При розмаху крил 32 м і вазі 42 кг, орнітоптер долає відстань приблизно в 230 м, рухаючись зі швидкістю 25 км/год. Звичайно, без допомоги тягача Snowbird злетіти не зможе. Однак, як показали випробування, вже в повітрі літак летів добре. Сам автор винаходу Реікхарт крутив педалі, приводячи в рух крила літака.
Гвинтокрил
Гвинтокрил — це ЛА в якому поєднані риси вертольота та літака. Завдяки тримальному гвинту він може здійснювати вертикальний зліт та посадку, а сам політ здійснюється завдяки наявності крила і двигунів з тягнучими гвинтами, які дозволяють розвинути досить високу швидкість горизонтального польоту. При цьому гвинт працює в режимі авторотації.
Конвертоплан
'''Конвертоплан''' — (від англ. tiltrotor aircraft) — окремий тип повітряного судна, літальний апарат з фіксованим крилом, що може виконувати вертикальний зліт-посадку і можливість фізично повертати двигуни (за звичай — пропелери) на 90° для створення вертикальної підіймальної сили або горизонтальної тягової.
Особливість конвертоплана — це те, що його гвинти повертаються, на відміну від гвинтокрила, які зафіксовано на кінцівках крила.
Літак
Літак — літальний апарат важчий за повітря для польотів в атмосфері за допомогою двигуна і нерухомих крил (крила). Літак здатний переміщатися з високою швидкістю, використовуючи підйомну силу крила.
Літак складається з п'яти обов'язкових елементів:
- Крило
- Силова установка
- Шасі
- Хвостове оперення
- Фюзеляж
Класифікація літаків
| За призначенням | Військові |
|
| Цивільні |
| |
| За злітною масою |
| |
| За типом і числом двигунів | За типом двигунів |
|
| За числом двигунів: |
| |
| За швидкістю польоту |
| |
| За інтенсивністю турбулентності в сліді (залежить від максимальної злітної маси) |
| |
| За компонувальною схемою. Класифікація за даною ознакою є найбільш багатоваріантною. Пропонується частина основних варіантів |
За числом крил |
|
| За розташуванням крила (для монопланів |
| |
| За розташуванням хвостового оперення: |
| |
| За типом і розмірами фюзеляжу |
| |
| За типом посадочних органів |
| |
| За типом зльоту і посадки |
| |
| За надійністю |
| |
| За дальністю польотів |
|
Моноплан (від грец. μόνος — один; лат. planum — площина) — літак, що має одну тримальну поверхню (одне крило), на відміну від біплана чи триплана.
Моноплани поділяють на наступні види:
- Низькоплани (крило розміщене під фюзеляжем)
- Середньоплани (крило проходить через фюзеляж)
- Високоплани (крило розміщене над фюзеляжем)
- Парасоль (від фр. parasol — парасолька) — крило розташовується над фюзеляжем.
- Кільцеплан
Біплан — літальний апарат, що має дві тримальні площини, розміщені одна над одною. Така конструкція дозволяє отримати велику площу крил і підіймальну силу при меншому розмірі крила, що дуже важливо при недостатній міцності. Недоліком є підвищений аеродинамічний опір. Біплани були дуже популярними на зорі авіації, але поступово зійшли нанівець протягом 30-х рр.
Варіант біплана з площинами розташованими не одна над одною називають біплан-тандем. Така схема не поширена.
Один з найвідоміших біпланів в СРСР — знаменитий «кукурузник» Ан-2.
Варіанти:
- Біплан та півтораплан;
- Вільнонесучий біплан;
- Стійковий біплан;
- Підкосний біплан;
- Багатостійковий підкосний біплан.
Триплан — різновид літака, конструкція якого характеризується наявністю трьох крил — трьох поверхонь для створення підйомної сили. Як правило, крила розташовані одне над одним, при цьому такий літак називають поперечним трипланом. Найбільшого поширення такі триплани набули в роки Першої світової війни.
Прагнення використовувати багато площин було характерною рисою зародження авіації — про аеродинаміку ще було практично нічого не відомо і творці перших літаків, практично завжди ентузіасти без серйозної освіти, намагалися використовувати більше площин. Однак через підвищений лобовий опір літаки такої схеми швидко поступилися біпланам і монопланам.
Хвостове оперення
Оперення літального апарату — це аеродинамічні поверхні, що забезпечують стійкість, керованість і балансування літака в польоті. Воно складається з горизонтального і вертикального оперення.
Основні вимоги до оперення:
- забезпечення високої ефективності при мінімальному лобовому опорі і найменшою масі конструкції,
- якнайменше затінення оперення іншими частинами літака — крилом, фюзеляжем, гондолами двигунів, а також однієї частини оперення іншою,
- відсутність вібрацій і коливань,
- пізніший, ніж на крилі, розвиток хвильової кризи.
Горизонтальне оперення (ГО)' забезпечує поздовжню стійкість, керованість і балансування. Воно складається з нерухомої поверхні — стабілізатора і шарнірно підвішеного до нього керма висоти.
Вертикальне оперення (ВО) забезпечує літаку шляхову стійкість, керованість і балансування щодо вертикальної осі. Воно складається з нерухомої поверхні — кіля і шарнірно підвішеного до нього керма напряму.
Види хвостового оперення
Форми поверхонь оперення визначаються тими ж параметрами, що і форми крила — подовженням, звуженням, кутом стріловидності, аеродинамічним профілем і його відносною товщиною. Розрізняють трапецієподібне, овальне, стрілоподібне і трикутне оперення. Схема оперення визначається числом його поверхонь і їх взаємним розташуванням. Найбільш поширені наступні схеми:
- коробчасте оперення;
- схема з центральним розташуванням вертикального оперення в площині симетрії літака; горизонтальне оперення в цьому випадку може розташовуватися як на фюзеляжі, так і на кілі на будь-якому віддаленні від осі літака. Схему з розташуванням ГО на кінці кіля прийнято називати Т-подібним оперенням,
 Fuselage mounted |
 Хрестоподібне оперення |
 Т-подібне оперення |
 Стабілізатор в польоті |
- схема з рознесеним вертикальним оперенням, і обидві його поверхні можуть кріпитися з боків фюзеляжу або на кінцях ГО; при двобалковій схемі фюзеляжу поверхні ВО встановлюються на кінцях фюзеляжних балок; на літаках типу «качка», «бесхвостка», «літаюче крило» розведення в встановлюється на кінцях крила або в середній його частині;
- V-подібне оперення, що складається з двох похилих поверхонь, що виконують функції і горизонтального, і вертикального оперення. Через малу ефективність та складність управління, таке оперення широкого застосування не отримало.
Необхідна ефективність оперення забезпечується правильним вибором форм і розташування його поверхонь, а також чисельних значень їх параметрів. Щоб уникнути затінення, органи оперення не повинні потрапляти завихрені потоки, які зриваються з крила, гондол і інших агрегатів літака.
Крило літака
Крило — поверхня для створення підйомної сили.
Зазвичай крило літака складається з центропланової частини, консолей (лівої і правої) і механізації крила. Також крило можна розділити на дві частини, ліве і праве напівкрило. Часто зустрічається термін «крила», але він помилковий стосовно моноплану.
Принцип дії
При обтіканні крила потоком повітря, відбувається збурення, що призводять до відхилення повітряної маси потоку вниз. Згідно закону збереження імпульсу, це призводить до виникнення підйомної сили, спрямованої в протилежну сторону, тобто вгору.
Одним з популярних пояснень принципу дії крила є ударна модель Ньютона: частки повітря, стикаючись з нижньою поверхнею крила, що стоїть під кутом до потоку, пружно відскакують вниз («скіс потоку»), штовхаючи крило вгору. Дана модель враховує закон збереження імпульсу, але повністю ігнорує обтікання верхньої поверхні крила, внаслідок чого вона дає занижену величину підйомної сили.
В іншої популярної моделі виникнення підйомної сили приписується різниці тиску на верхній і нижній сторонах профілю, що виникає згідно із законом Бернуллі. Зазвичай розглядається крило з плоско-опуклим профілем: нижня поверхня плоска, верхня — випукла. Набігаючий потік розділяється крилом на дві частини — верхню і нижню, — при цьому верхня частина змушена проходити більш довгий шлях, ніж нижня, внаслідок опуклості крила. Виходячи з умови нерозривності потоку, робиться висновок, що швидкість потоку зверху крила повинна бути більшою, ніж знизу, що викликає різницю тисків і підйомну силу. Проте, дана модель суперечить закону збереження імпульсу, так як потік після крила вважається необуреним і невідхиленими. Крім того, ця модель не пояснює виникнення підйомної сили на двояко-опуклих симетричних або на увігнуто-опуклих профілях, коли потоки зверху і знизу проходять однакову довжину.
Механізація крила
1 — закінцівка крила 2 — кінцевий елерон 3 — кореневий елерон 4 — обтічники механізму приводу закрилків 5 — предкрилок 6 — предкрилок 7 — кореневий трьохщільовий закрилок 8 — зовнішній трьохщільовий закрилок 9 — інтерцептори 10 — інтерцептори/спойлер
Вінглети (закінцівки крила) — невеликі додаткові елементи на кінцях крил літака у вигляді крилець або плоских шайб. Вінглети слугують для збільшення ефективного розмаху крила, знижуючи індуктивний опір, що створюється зриваючись з кінця стрілоподібного крила вихором і, як наслідок, збільшення підйомної сили на кінці крила. Також вінглети дозволяють збільшити подовження крила, майже не змінюючи при цьому його розмаху. Застосування вінглетів крила дозволяє поліпшити паливну економічність у літаків, або дальність польоту у планерів. В даний час одні й ті ж типи літаків можуть мати різні варіанти вінглетів.
Через різницю тисків частина повітря перетікає через край крила з області високого тиску знизу в область зниженого тиску зверху, утворюючи при цьому кінцевий вихор. На утворння вихору витрачається енергія руху, що призводить до появи сили індуктивного опору. Кінцевий вихор також призводить до перерозподілу підйомної сили за розмахом крила, зменшуючи його ефективну площу і подовження, і знижуючи аеродинамічну якість. Установка вінглетов допомагає домогтися більш оптимальної форми розподілу підйомної сили.
Елерони — аеродинамічні органи управління, симетрично розташовані на задній кромці консолей крила у літаків нормальної схеми і літаків схеми «качка». Елерони призначені, в першу чергу, для управління кутом крену літака, при цьому елерони відхиляються диференційно, тобто в протилежні сторони: для крену літака вправо правий елерон повертається вгору, а лівий — вниз, і навпаки. Принцип дії елеронів полягає в тому, що у крила з піднятим вгору елероном підйомна сила зменшується, а у крила з опущеним елероном підйомна сила збільшується; створюється момент сили, що спричиняє до обертання літака навколо осі крену.
Елевони — гібрид елеронів і керма висоти. Елевони виконують роль: елеронів при управлінні кутом крену літака, і керма висоти при управлінні кутом тангажу. Елевони застосовуються на літаках без горизонтального хвостового оперення, що мають зазвичай схему типу «бесхвостка» або «літаюче крило». Для управління кутом крену літака елевони відхиляються диференційно (для крену літака вправо правий елевон повертається вгору, а лівий — вниз, і навпаки). Синфазне відхилення елевонів дозволяє керувати кутом тангажу (для збільшення тангажа літака в горизонтальному польоті обидва елевона піднімаються вгору).
Передкрилки — поверхні, що відхиляються, встановлені на передній кромці крила. При відхиленні утворюють щілину, таку ж як і щілини закрилків. Як правило, передкрилки автоматично відхиляються одночасно з закрилками, але можуть і управлятися незалежно. У цілому, ефект передкрилки полягає у збільшенні допустимого кута атаки, тобто зрив потоку з верхньої поверхні крила відбувається при більшому куті атаки. Крім простих, існують так звані адаптивні передкрилки. Адаптивні передкрилки автоматично відхиляються для забезпечення оптимальних аеродинамічних характеристик крила протягом усього польоту.
Закрилки — поверхні, що відхиляються, симетрично розташовані на задній кромці крила. Закрилки в прибраному стані є продовженням поверхні крила, тоді як у випущеному можуть відходити від нього з утворенням щілин. Використовуються для поліпшення тримкості крила під час зльоту, набору висоти, зниження і посадки, а також при польоті на малих швидкостях.
Флаперони — елерони, які можуть виконувати також функцію закрилків при їх синфазному відхиленні вниз. Широко застосовуються в надлегких літаках і радіокерованих авіамоделях при польотах на малих швидкостях, а також на зльоті та посадці. Іноді застосовуються на більш важких літаках (наприклад, Су-27). Основна перевага флаперонів — це простота реалізації на базі вже присутніх елеронів
Інтерцептори (спойлери) — пластини, розташовані на поверхні крила літака, які висуваються чи відхиляються назовні для того щоб зірвати потік повітря. Це збільшує аеродинамічний опір і зменшує підйомну силу. Тому інтерцептори також називають органами безпосереднього управління підйомної силою. Не слід плутати інтерцептори з повітряними гальмами. Інтерцептори також активно використовуються для гасіння підйомної сили після приземлення або при перерваному зльоті і для збільшення опору. Необхідно відзначити, що вони не стільки гасять швидкість безпосередньо, скільки знижують підйомну силу крила, що призводить до збільшення навантаження на колеса і поліпшення зчеплення коліс з поверхнею. Завдяки цьому, після випуску внутрішніх інтерцепторов можна переходити до гальмування за допомогою коліс.
Форми крила
Однією з найважливіших проблем при конструюванні літаків є вибір оптимальної форми крила, його параметрів — геометричних, аеродинамічних, міцнісних і і т. д. Пряме крило Основною перевагою крила є його високий коефіцієнт підйомної сили навіть при малих кутах атаки. Це дозволяє істотно збільшити питоме навантаження на крило, а значить зменшити габарити і масу, не побоюючись значного збільшення швидкості зльоту і посадки. Даний тип крила застосовується в дозвукових і навколозвукових літаках з реактивними двигунами. Недоліком, які зумовлюють непридатність такого крила при звукових швидкостях польоту, є різке збільшення коефіцієнта лобового опору при перевищенні критичного значення числа Маха. Прямі крила можуть бути прямокутними, еліптичними, параболічними, обернено параболічними.
Стріловидне крило
Даний вид крила отримав широке розповсюдження завдяки різним модифікаціям і конструкторським рішенням.
Трикутне крило
Трикутне крило жорсткіше і легше від прямого і стрілоподібного, найчастіше використовується при швидкості понад M =2 Рисунок Різновиди трикутних крил
Надкритичне крило
Цікавий приклад модифікації стрілоподібного крила. Використання сплющених профілів з вигнутою задньою частиною дозволяє рівномірно розподілити тиск уздовж хорди профілю і тим самим призводить до зміщення центру тиску назад, а також збільшує критичне число Маха на 10—15 %
Фюзеляж
Фюзеля́ж — корпус літального апарату. Зв'язує між собою крила, оперення та (іноді) шасі. Фюзеляж літака призначений для розміщення екіпажу, устаткування та корисного навантаження. У фюзеляжі може розміщуватися паливо, шасі, двигуни. Так як фюзеляж є основою конструкції літака, він об'єднує в силовому відношенні в єдине ціле всі його частини. До фюзеляжу, при збереженні якнайменшої маси, ставиться ряд основних вимог.
- мінімальний лобовий опір;
- раціональне використання внутрішніх об'ємів;
- забезпечення необхідного обзору з кабіни пілотів та екіпажу;
- простота завантаження та розвантаження;
- надійна герметизація та теплозвукоізоляція, необхідна вентиляція, опалення та освітлення кабін.
- Дозвуковий
- Високошвидкісна / надзвуковий
- Дозвуковий великої ємності
- високою маневреністю надзвуковий
- Літаючий човен
- Гіперзвуковий
Схеми літаків за розташуванням хвостового оперення
Нормальна аеродинамічна схема (класична) Найбільш масова аеродинамічна схема, при якій літальний апарат (ЛА) має горизонтальне оперення (стабілізатор), розташоване після крила. Нормальна аеродинамічна схема має найбільш просте вирішення питань поздовжньої керованості і стійкості на різних режимах польоту. При нормальній аеродинамічній схемі ЛА може оснащуватися прямим або стрілоподібним крилом, крилом змінної стріловидності, комбінацією крил (біплан, триплан), плоским або хрестоподібним крилом (крилаті ракети). Хвостове оперення може бути класичним, Т-подібним, з суцільноповоротним кілями та / або горизонтальними рулями, з одним або декількома кілями, хрестоподібним.
До представників даної схеми можна віднести практично всю пасажирську, спортивну, і транспортну авіацію.
Безхвостка
Аеродинамічна схема, згідно з якою у літака відсутні окремі площини вертикального управління, а використовуються тільки площини, встановлені на задній кромці крила. Ці площини називаються елевонами і комбінують функції елеронів і керма висоти.
Схема отримала певне поширення з появою надзвукової авіації та трикутних і дельтавидних крил малого подовження. До представників даної схеми можна віднести французькі винищувачі і бомбардувальники Дассо «Міраж» — III / V, IV, 2000, а також обидва надзвукові пасажирські літаки — Ту-144 і Конкорд.
Перевагою такої схеми є менша вага планера і менший опір, однак, менше плече органів вертикального управління призводить до меншої ефективності управління по осі тангажу. Впровадження електродистанційних систем управління дозволяє нівелювати цей недолік.
Безхвостка без вертикального оперення і при довжині фюзеляжу рівний хорді крила стає літаючим крилом.
Літаюче крило
Різновид схеми «безхвостка» зі зменшеним фюзеляжем, роль якого грає крило, що несе всі агрегати, екіпаж і корисне навантаження.
Переваги та недоліки: Перевагою «літаючих крил» є відсутність фюзеляжу і великих площин управління, що знижує масу планера і дає можливість істотно збільшити масу корисного навантаження та/або запас палива. Для військового застосування дуже важливо, що форми такого літака дуже легко оптимізувати для зниження ЕПР та радіолокаційної помітності літака.
Недоліки схеми є продовженням її достоїнств — невелике видалення площин управління від центру мас, обумовлює їх низьку ефективність, що робить літак дуже нестійким в польоті.
Неможливість вирішити цю проблему до впровадження електродистанційних систем управління, призвела до того, що літаки такої схеми не отримали поширення.
Качка (аеродинамічна схема)
«Качка» — аеродинамічна схема, при якій у літального апарату органи поздовжнього управління розташовані перед крилом. Названа так, тому що перші літаки, зроблені за цією схемою — райтовський «Флайер» і «14-біс» Сантос-Дюмона — нагадали очевидцям качку.
Схема отримала найбільше розповсюдження із створенням надзвукових бойових літаків. Головною перевагою схеми є те, що заднє розміщення крила краще відповідає аеродинаміці високих, особливо надзвукових швидкостей, при якій центр аеродинамічного тиску зміщується назад. Також з'являється можливість зменшити вагу планера, оскільки відпадає необхідність винесення рулів ще далі назад. Для винищувачів схема «качка» хороша ще тим, що дозволяє збільшити критичні кути атаки і тим самим підвищити маневреність.
Втім, слід відрізняти схему «качка» від схеми «бесхвостка з ПГО», у якої переднє оперення використовується не для управління по тангажу, а для поліпшення злітно-посадочних характеристик або балансування на надзвукових швидкостях (Ту-144 і XB-70).
Двобалочна схема
Двобалочний літак (двохосьовий) — літак з хвостовим оперенням, встановленим на двох балках, які, зазвичай, йдуть паралельно від крила. Причинами вибору такої конструкції може бути:
- Потреба у завантаженні із задніх дверей;
- Створення літака зі штовхаючим пропелером або реактивний літак з двигуном у хвостовій частині;
- Поліпшення огляду і можливість стрільби із задньої півсфери;
- Двомісний літак, побудований з двох копій існуючих моделей;
- Поліпшення аеродинамічної схеми для дводвигунових літаків;
- Збільшення жорсткості конструкції і внутрішнього простору;
- Забезпечення місця для підвіски зовнішнього вантажу.
Схема тандем
Тандем – це літак, який зазвичай складається з двох повнорозмірних крил, обидва з яких мають свої профілі та виконують роль тримальної поверхні. Іноді літаки цієї конфігурації можуть виглядати як варіація на біплан, але насправді вони дуже різні. Переднє крило часто технічно «качка», оснащене рулями висоти, але обидва забезпечують підйом. У разі QAC Quickie заднє крило служить горизонтальним стабілізатором, а управління по тангажу походить від переднього крила. Практичний ефект від застосування схеми «тандем» полягає у підвищенні стійкості літака.
Схема «повздовжній триплан»
Тримальний корпус (тримальний фюзеляж) — аеродинамічна схема, при якій підйомна сила формується на корпусі літального апарату. На відміну від літаючого крила, яке являє собою крило без фюзеляжу як такого, являє собою фюзеляж без типових для крила плоских форм і зменшення товщини по краям.
Деякі літаки з крилом також задіюють фюзеляж для створення підйомної сили (так звана інтегральна аеродинамічна компоновка). Наприклад, у літака Шорт SC.7 Скайван 30 % загальної підйомної сили створюється за рахунок фюзеляжу — майже стільки ж, скільки створює кожна консоль крила (по 35 %). Винищувач МіГ-29 близько 40 % своєї підйомної сили створює за рахунок фюзеляжу. Винищувач F-15 Eagle (виробництво США) також має інтегральну компоновку. Завдяки цьому, влітку 1983 року ізраїльський F-15 зміг приземлитися з повністю відірваним півкрилом, хоча, згідно моделями, які розглядалися інженерами з Макдонелл Дуглас, це було неможливо.
Фюзеляж-човен
Такий фюзеляж присутній на гідропланах, він пристосований для посадки на воду пузом. Нижня частина фюзеляжу є човном.
Двофюзеляжна схема
Використовувались переважно для дальніх винищувачів. Два пілоти могли по черзі керувати машиною. Таким чином у лютому 1947 року американський North American P-82B здійснив безпосадочний переліт з Гонолулу в Нью-Йорк (близько 5000 миль), що тривав 14 годин 32 хвилини.
Джерела
- Гл. ред. Г. П. Свищёв (1994). Авіація:Енциклопедія. Большая Российская энциклопедия. с. 309. ISBN 5-85270-086-X.
- Донской Государственный технический университет, Кафедра «Авиастроение», Ю. Б. Рубцов, Б. Н. Слюсарь, «Введение в авиационную технику и технологию», Конспект лекций, 2004[недоступне посилання з лютого 2019]
- Зображення з Енциклопедиченого словника Брокгауза і Ефрона, 1890—1907 рр.