«В воздухе везде опора», но… если есть скорость

Можно увидеть в воздухе неподвижно зависший вертолет или воздушный шар, но вы никогда не увидите остановившийся в небе самолет. Для безопасного полета ему нужна скорость, причем она находится для любого самолета между двумя критическими значениями, которые определяют с помощью расчетов и продувки модели самолета в аэродинамической трубе, но все равно при испытаниях нового самолета эти значения уточняются, как и много других параметров полета, важных при создании летательного аппарата.
В настоящее время некоторые самодеятельные конструкторы строят самолет по чертежам из интернета, не имея элементарных знаний о расчете прочности, основах конструирования и технологии изготовления летательных аппаратов. Потом они пытаются поднять свои творения в воздух, не имея понятия, что такое аэродинамика, и неожиданное «неправильное» поведение самолета оборачивается для них иногда плачевно.
Цель данной публикации ­ — предостеречь молодых авиаконструкторов-любителей от легкомысленного отношения к постройке личного самолета и пробудить интерес к истории самолетостроения, так как в ней «опыт — сын ошибок трудных».
Недавно пришлось услышать, что, дескать, какой замечательный человек был Нестеров — сам построил самолет и на нем совершил первую в мире мертвую петлю! К тому же он первым таранил вражеский самолет! Таран и петля — это верно, но самолет Петра Николаевича Нестерова не летал. Да, он построил самолет. Это была машина без киля и руля направления. Управление в горизонтальной плоскости должны были выполнять отклоняющиеся в разные стороны половины стабилизатора. Имелось в этом самолете и еще кое-что новое. Но, будучи артиллеристом и хорошо представляя баллистику полета снаряда, Нестеров понимал: самолет не снаряд и его движение в воздухе изучает аэродинамика. Поэтому начинающий изобретатель после обсуждения конструкции своего самолета со специалистами, включая самого Николая Егоровича Жуковского, понял, что его машина требует значительных доработок. Проект не состоялся — времени для переделок не было. Эта история дает пример серьезного отношения к постройке самолета. Добавим, что Петр Николаевич после окончания летной школы отправился к новому месту службы. Там на «Ньюпоре-IV» он в 1913 году совершил мертвую петлю, доказав на практике свое утверждение, что «в воздухе везде опора». В 1914 году Нестеров на «Моране» впервые в мире сбил самолет противника тараном.
Но вернемся к критическим скоростям. Первая из них соответствует моменту сваливания самолета на крыло с последующим входом в штопор. Сваливание на крыло — это предштопорное состояние, о котором летчика самолет иногда предупреждает тряской. Есть прямая зависимость: чем медленней летит самолет, тем меньше подъемная сила. При критической скорости, фактически равной нулю, он превращается в падающее и вращающееся за счет крыльев тело.
Причину штопора открыли не сразу. Были жертвы. Первым преднамеренно ввел самолет в штопор и вывел его из вращения 24 сентября 1916 года наш со­отечественник Константин Константинович Арцеулов. В его воспоминаниях читаем:
«Самолет легко поднимается, я набрал около двух тысяч метров высоты. Сделал вираж, такой круг, чтобы еще раз вспомнить все свои приемы, которые, как я предполагал, выведут самолет из штопора. Потом сбавил газ… задрал самолет (увеличил угол атаки до критического. — С. Е.), выключил мотор — самолет закачался (вот он, момент критической скорости. — С. Е.) и достаточно было немножко тронуть одной ногой, как он свалился на левое крыло, и завертелся в штопоре. Все предметы на земле сливаются в опрокинутый конус. (…) На ручке управления исчезло чувство опоры. Конечно, впечатление, первый раз попав в штопор, было не особо приятное. И поэтому, как только я убедился, что это действительно штопор, я сейчас же применил продуманные ранее приемы, чтобы вывести самолет. (…) И почувствовал, что на рулях появилось давление воздуха». Вращение прекратилось.
Можно найти и научное описание штопора, где фигурируют понятия «критический угол атаки» и другие специальные термины.
Второе критическое значение скорости соответствует моменту перехода самолета в резкое неуправляемое пикирование, когда со все возрастающими скоростью и крутизной самолет несется к земле. Это явление получило название «затягивание в пикирование».
Сначала причины «затягивания» были неизвестны, так как летчики не успевали даже сообщить, как оно происходит, и погибали вместе с самолетом. Среди погибших — летчики-испытатели Григорий Яковлевич Бахчиванджи (катастрофа 27 марта 1943 года ракетного самолета БИ-1) и Виктор Леонидович Расторгуев (катастрофа 16 августа 1945 года Як-3РД с жидкостным реактивным двигателем).
Покорителем «затягивания в пикирование» стал также наш соотечественник летчик-испытатель Андрей Григорьевич Кочетков.
Ему в ноябре 1945 года удалось «не пустить» самолет в неуправляемое пикирование. В результате появились записи самописцев о поведении машины от взлета до посадки и отчет испытателя. Выяснилось, что «затягивание» у самолета Кочеткова происходило на околозвуковой скорости 870 км/ч.

МZ кр — момент подъемной силы крыльев;
Yкр — подъемная сила крыльев;
YГ.О — подъемная сила горизонтального оперения;
G — сила тяжести;
МZ Г.О — момент подъемной силы горизонтального оперения.

Кратко поясним процесс «затягивания». Суммарная подъемная сила (СПС) самолета создается крылом и приложена в центре давления (ЦД), который не совпадает с центром тяжести (ЦТ) и поэтому образуется момент сил. Величина этого момента зависит от силы и расстояния между ЦТ и ЦД, положение которых определяется как расстояние от начала средней аэродинамической хорды (САХ), выраженное в процентах. Вспомним, что хорда — отрезок, соединяющий две точки кривой. Для крыла, прямоугольного в плане, САХ равна хорде крыла (см. рисунки).

СПС действует на самолет в ЦД и направлена вверх. Когда скорость полета небольшая, то плечо рычага между ЦТ, находящимся впереди, и ЦД соответствует проекту. При приближении к критической скорости обтекание воздухом крыльев самолета изменяется так, что точка приложения СПС быстро «перемещается» назад. Увеличивается плечо рычага, и, как следствие, быстро возрастает момент, стремящийся ввести самолет в пике.
Что же сделал Андрей Кочетков, чтобы не дать развиться «затягиванию в пикирование»? Он двумя руками удерживал ручку управления, чтобы самолет летел горизонтально. Потом правую руку оставил на ручке (усилие там уже стало больше 24 кг), а левой убрал тягу двигателей. Скорость уменьшилась, и самолет стал управляемым. Получив данные этого и последующих полетов, авиаконструкторы и аэродинамики примерно через два года пришли к выводу, что отодвигать явление «затягивания» в область сверхзвуковых скоростей и уменьшать его проявления можно, если строить самолеты со стреловидными крыльями и цельноповоротным стабилизатором, то есть весь стабилизатор должен работать как руль высоты. Появились в конструкциях самолетов и другие особенности.
Уже в 1920-х годах выявилась закономерность, что самолет будет и устойчивым, и управляемым, если ЦТ расположен примерно на 25 % длины САХ. Это значение назвали центровкой. Но иногда от 25 % отходили. Например, чтобы истребитель И-16 был как можно более маневренным, центровку сделали 29,15 %. Это понравилось Валерию Павловичу Чкалову, а Михаил Михайлович Громов, зная технические характеристики И-16 и ни разу на нем не летая, сразу сказал, что машина трудная. Пределом для И-16 стала центровка 33 % — начались аварии и катастрофы.
С внедрением компьютеров правилом 25 % конструкторы-реактивщики уже не руководствуются, особенно при проектировании маневренных самолетов-истребителей. Компьютер независимо от летчика ставит органы управления самолетом и двигателем в положение, когда самолет и устойчив, и управляем.
Для более глубокого понимания процессов движения самолета в воздушной среде нельзя обойтись без учебников по аэродинамике и другим авиационным наукам.
Итак, для самолета в воздухе везде опора, если есть скорость и она не критическая.
Сергей Елисеев.