Каждый тип самолета должен пройти в специальных лабораториях испытания на прочность. Если самолет выдерживает нагрузку больше расчетной, это... очень плохо: конструкцию надо облегчить, чтобы самолет мог брать больше горючего или груза.
Очень важно поэтому знать, какие нагрузки в полете будут действовать на самолет. Эти нагрузки будут больше, если самолет должен выполнять различные маневры. Но даже тяжелые, неманевренные самолеты должны выдерживать порывы ветра, скорость которых на высоте около 11 км иногда достигает 200 км /час.
Самолет может разрушиться в воздухе не только от порыва ветра. Ведь конструкция самолета не может быть, как говорят специалисты, абсолютно жесткой, и при определенных воздействиях он деформируется. А при деформациях, например, крыла изменятся и аэродинамические силы. На большой скорости и при неправильной конструкции изменения аэродинамических и инерционных сил могут вызвать очень опасные колебания, которые за несколько секунд способны разрушить самолет. Такое явление называется флаттером. Предотвращение флаттера — трудная и сложная задача.
Пилотируя самолет, летчик должен быть уверен, что двигатель и все другие основные системы работают нормально, что самолет находится в правильном положении, что скорость полета вполне допустима. Только тогда полет будет безопасным. Этому помогают различные пилотажные приборы и специальные автоматические системы управления.
Бывало так, что самолет не мог совершать полет. Вот он быстро разбежался по аэродрому и ушел в воздух. Но вместо того чтобы плавно набирать высоту, он начинает проделывать непонятные маневры. Будто неведомая сила резко бросает самолет то вверх, то вниз. И летчику нужны мужество и мастерство, чтобы приземлиться обратно на аэродром. Чтобы уяснить, почему такой случай возможен, следует познакомиться с очень важным понятием устойчивости движения.Про шарик, подвешенный на нитке, можно сказать, что он висит устойчиво. При этом мы подразумеваем, что, если шарик отклонить, он сам вернется в прежнее устойчивое положение. А вот карандаш поставить на стол торцом не так-то просто. При слабом дуновении воздуха карандаш упадет—его положение неустойчиво.
Понятие устойчивости можно распространить и на движение любого тела, в том числе и самолета (математическая теория устойчивости движения была разработана А. М. Ляпуновым). Движение, в том числе и полет самолета, называют устойчивым, если, например, при порывах ветра машина сама, без вмешательства летчика, стремится сохранить свое прежнее движение. Для этого нужно, как показано на рисунке 15, расположить центр тяжести впереди от аэродинамического фокуса самолета, т. е. той точки, где приложена суммарная подъемная сила при изменении угла атаки.
Управлять самолетом — это значит изменять его положение в полете или противодействовать порывам ветра. Для этого используют как опору окружающий его воздух. Предположим, что летчику нужно вывести самолет из горизонтального положения так, чтобы левое крыло оказалось ниже правого. Такое положение называется креном влево. Для этого служат элероны — отклоняющиеся рули на крыле. Если элерон на правом крыле отклонить вниз, увеличивая подъемную силу этого крыла, и одновременно отклонить вверх элерон левого крыла, самолет накренится влево.
Для управления по курсу (вправо, влево) служит руль направления. Он находится на вертикальном хвостовом оперении (на киле). А для продольного управления (вверх, вниз) служит руль высоты, расположенный на горизонтальном оперении. Для хорошего управления нужно, чтобы все рули были размещены как можно дальше от центра тяжести самолета. Поэтому элероны располагают на концах крыльев, а рули высоты и направления — на хвосте.
Рулем направления летчик управляет, нажимая на педали. Нажал педаль под правой ногой — и руль направления принимает положение, при котором самолет повернет в правую сторону. Элероны и руль высоты присоединены к одному рычагу — к ручке управления. Если летчик потянет эту ручку на себя, рули высоты отклонятся вверх. На хвосте возникнет аэродинамическая сила, направленная вниз, которая и заставит самолет увеличить угол атаки. Если же летчик переместит ручку управления влево, то отклонятся элероны и самолет начнет крениться влево. Ручку управления летчик держит правой рукой, а левой управляет тягой двигателя и множеством различных приборов.
На большом самолете, которым управляет не один летчик, а целый экипаж (летчик, бортинженер, радист, штурман), за приборами и двигателем есть кому смотреть, а летчик управляет только самолетом. Вместо ручки управления на таком самолете часто ставят штурвал, похожий на «баранку» в автомобиле.
На сверхзвуковых или больших дозвуковых самолетах у летчика не хватит силы, чтобы самому отклонять рули. Тогда в проводку управления встраивают специальные сервомоторы. Они-то и отклоняют рули, а летчик лишь вводит их в действие. Чаще всего такой механизм представляет собой цилиндр, в котором масло под большим давлением (около 200 атм) перемещает поршень, связанный с каким-либо из рулей.
Такой механизм называется бустером, а управление этого типа — бустерным. Тяга сервомотора достигает нескольких тонн, или десятков тысяч ньютонов, потребляемая мощность — нескольких десятков киловатт.
Чтобы создать самолет, мало знать, как сделать крыло с достаточной подъемной силой и малым сопротивлением и каким должен быть двигатель. При постройке самолета встает множество других важнейших вопросов. Надо правильно выбрать соотношение веса машины и размеров крыла. Надо обеспечить управление самолетом — возможность изменять направление и скорость полета. Самолет в полете должен быть устойчивым, резкая перемена его положения при малейшем порыве ветра недопустима. Самолет должен быть прочным, но не слишком тяжелым. Надо, наконец, дать возможность летчикам определять направление полета и узнавать место, где пролетает самолет. Кстати, на заре авиации случалось, что летчик должен был для ориентировки снижаться и на большой скорости читать название железнодорожной станции.
Одним словом, очень и очень многое надо учесть и предусмотреть конструкторам, чтобы построить самолет безопасный, экономичный и удобный для пилотирования. Широко известны имена наших авиаконструкторов А. Н. Туполева, С. В. Ильюшина, А. И. Микояна, А. С. Яковлева, О. К. Антонова, под руководством которых строятся замечательные самолеты.
С чего же начинается проектирование самолета? Прежде всего надо точно определить его назначение и исходя из этого решить, каковы должны быть скорость и высота полета, какой груз поднимет самолет и какое расстояние он должен пролетать. Затем можно приступать к выбору размера самолета; главная его характеристика — площадь крыла.
После взлета по мере увеличения скорости полета самолет должен уменьшать угол атаки крыла, чтобы подъемная сила оставалась равной весу (рис. 13). Аэродинамическое сопротивление самолета при этом будет постепенно уменьшаться. Минимальным оно станет при том угле атаки, который соответствует максимальному аэродинамическому качеству (этот угол атаки, как мы уже говорили, равен 3—5°).
Дальнейшее увеличение скорости требует еще меньших углов атаки, но оно начнет также и увеличивать сопротивление. Конструкторы нашли выход — в этом случае можно уменьшить площадь крыла. Но тогда на каждую часть его площади придется большая часть веса машины. И теперь, чтобы оставить подъемную силу равной весу самолета, нужно вновь увеличить угол атаки. В результате аэродинамическое сопротивление опять уменьшится; оно должно быть минимальным на основной скорости полета.
Таким образом, подбирается так называемая удельная нагрузка на крыло — масса (вес) самолета, приходящаяся на 1 м2 крыла. Эта величина у сверхзвуковых самолетов достигает 8000 н/м2, у тихоходных самолетов — 1200 н/м2, а у летающих с небольшой скоростью моделей — всего несколько десятков ньютонов на квадратный метр.
Необходимо учесть также, что взлетная и посадочная скорости самолета должны быть как можно меньше. А для этого в свою очередь выгодна небольшая удельная нагрузка на крыло, т. е. надо увеличить площадь крыла. И вот конструктору приходится решать вопрос, какую же площадь крыла выбрать для самолета: сделаешь небольшое крыло — придется взлетать и садиться на большой скорости; сделаешь большое крыло — нужен более мощный двигатель и самолет не будет экономичным.
Двигатель нужен самолету, чтобы преодолевать силу сопротивления, а при разгоне и силу инерции. Сила тяги двигателя рассчитывается на основании тех же законов механики, что и подъемная сила крыла.
От всех других двигателей авиационные отличаются тем, что они должны сравнительно мало весить при весьма большой мощности. Если двигатель окажется слишком тяжелым, то самолет не поднимется в воздух или не сможет взять с собой достаточное количество груза. Поэтому авиационные двигатели изготовляют из очень легких и вместе с тем достаточно прочных материалов; их детали всегда максимально облегчены. Но поскольку такие двигатели работают в тяжелых условиях (при большой температуре и с большими напряжениями), время их работы до ремонта, как правило, меньше, чем у других двигателей. Сравнительно короткое время работы авиационных двигателей вызвано также требованием особой надежности и безопасности.
Важнейший качественный показатель двигателя — его так называемый удельный вес, т. е. вес, приходящийся на единицу мощности, выраженную по традиции в лошадиных силах. Авиационные поршневые двигатели внутреннего сгорания имели в 30-х годах нашего века удельный вес 0,7—0,9 кг/л. с., современные поршневые — 0,5 кг/л, с., реактивные—всего 0,05— 0,02 кг/л, с., а у современных автомобильных двигателей — более 2 кг/л. с.
Чтобы преобразовать мощность поршневого двигателя в тягу, применяются воздушные винты. Их лопасти, подобно крылу, захватывают воздух и отбрасывают его назад. Это и создает тягу. Теория воздушного винта была создана Н. Е. Жуковским вслед за теорией подъемной силы крыла. На старых самолетах устанавливали деревянные винты. С увеличением скоростей полета потребовалась большая тяга и винты стали делать из металла.
Конструкторы стремятся создать двигатель, который затрачивал бы на получение тяги как
можно меньше мощности. Для этого нужно, например, чтобы каждое сечение лопасти винта имело угол атаки, соответствующий его максимальному аэродинамическому качеству. Но при перемене скорости полета наиболее выгодные углы атаки этих сечений изменяются.
При выстреле из ружья стрелок ощущает отдачу — толчок приклада в плечо. Эта сила действует на приклад ружья очень короткое время — около 0,002 сек. Но на станок пулемета эта сила действует почти постоянно, пока пули вылетают из ствола.
Так же и летательный аппарат может получать постоянную подъемную силу, если он беспрерывно отбрасывает воздух вниз. Именно для этого и нужны самолету крылья. Если крыло двигается горизонтально и при этом поставлено под углом к направлению движения (этот угол называется углом атаки), оно отбрасывает встречный воздух вниз и тем самым создает подъемную силу, направленную вверх. Образование подъемной силы основано на законе механики о количестве движения (второй закон Ньютона):
т (v2-v1)=Р•t,
где т — масса тела (в нашем случае это масса отбрасываемого воздуха); v2-v1 — изменение скорости тела (в нашем случае — вертикальная скорость отбрасываемого воздуха); Р— сила, действующая на тело (в нашем случае она приложена к воздуху и направлена вниз), и t — время.