Siły nośna, oporu, ciągu i ciężaru

Cztery siły

Każdy statek powietrzny w locie podlega dokładnie czterem siłom:

Siła nośna działa prostopadle do względnego wiatru (przepływu powietrza, z którym styka się skrzydło). Jest generowana przez różnicę ciśnienia po obu stronach skrzydła. Siła nośna zależy od prędkości lotu, gęstości powietrza, powierzchni skrzydła, kształtu skrzydła oraz kąta natarcia.

Waga działa prosto w dół, w kierunku środka Ziemi. Jest to siła grawitacji działająca na samolot i wszystko, co się w nim znajduje: paliwo, pasażerów, ładunek. Waga zmienia się podczas lotu w miarę spalania paliwa.

Ciąg jest siłą do przodu wytwarzaną przez silniki: śmigło, silnik turbowentylatorowy, silnik turboodrzutowy lub rakietowy. Ciąg przyspiesza samolot i utrzymuje prędkość względem oporu powietrza.

Opór jest siłą do tyłu, która przeciwdziała ruchowi samolotu przez powietrze. Istnieją dwa główne typy: opór pasożytniczy (opór tarcia i kształtu od kadłuba, podwozia, anten) który zwiększa się wraz ze prędkością, oraz opór indukowany (produkt uboczny wytwarzania siły nośnej) który zmniejsza się wraz ze prędkością.

W locie prostoliniowym i poziomym bez przyspieszenia, wszystkie cztery siły są w równowadze: siła nośna równa się wadze, ciąg równy jest oporowi. Zmiana którejkolwiek siły powoduje przyspieszenie, wznoszenie, schodzenie lub skręcanie samolotu.

Siły w działaniu

Równowaga i poza nią

Zrozumienie czterech sił to nie tylko teoria: to sposób myślenia pilotów. Każda faza lotu to kontrolowana nierównowaga tych sił. Start: ciąg przewyższa opór. Wspinanie: siła nośna przewyższa ciężar. Schodzenie: ciężar przewyższa siłę nośną. Lądowanie: opór przewyższa ciąg.

Interakcja między rodzajami oporu jest szczególnie ważna. Przy niskich prędkościach opór indukowany jest wysoki (skrzydło pracuje ciężko przy dużym kącie natarcia). Przy wysokich prędkościach opór pasożytniczy jest wysoki (kadłub przeciska się przez gęstszy względny przepływ powietrza). Istnieje prędkość, przy której całkowity opór jest minimalny: to prędkość maksymalnego zasięgu i czasu trwania lotu.

Lotki, ster wysokości i ster kierunku

Trzy osie obrotu

Samolot obraca się wokół trzech osi, z których każda jest kontrolowana przez określoną powierzchnię sterową:

Oś podłużna (roll): Sterowana lotkami, które są ruchomymi powierzchniami na zewnętrznym tylnym krawędzi każdego skrzydła. Przesunięcie drążka w lewo powoduje uniesienie lewej lotki (zmniejszenie siły nośnej na tym skrzydle), podczas gdy prawa lotka opada (zwiększenie siły nośnej). Samolot przechyla się w lewo. Roll jest sposobem, w jaki samolot wykonuje skręt: przechylając się w zakręt, aby składowa siły nośnej ciągnęła samolot wokół krzywej.

Oś poprzeczna (pitch): Sterowana sterem wysokości na stateczniku poziomym na ogonie. Pociągnięcie drążka do siebie powoduje odchylenie steru wysokości w górę, co popycha ogon w dół i nos w górę. Pitch kontroluje kąt natarcia, a przez to pośrednio prędkość.

Oś pionowa (yaw): Sterowana sterem kierunku na stateczniku pionowym. Wciśnięcie lewego pedału steru kierunku powoduje odchylenie steru kierunku w lewo, co popycha ogon w prawo i nos w lewo. Ster kierunku jest używany głównie do koordynacji zakrętów i przeciwdziałania niekorzystnemu odchyleniu,而不单独用来转弯。

Klapty są ruchomymi powierzchniami na wewnętrznym tylnym krawędzi skrzydeł. Wysuwane podczas startu i lądowania, zwiększają zarówno siłę nośną, jak i opór, pozwalając samolotowi latać na niższych prędkościach. Klapy zmieniają krzywiznę (camber) skrzydła.

Trim pozwala pilotowi na regulację neutralnej pozycji steru wysokości, dzięki czemu samolot utrzymuje żądaną postawę pochylenia bez konieczności ciągłego nacisku na drążek. Prawidłowe wyważenie znacznie zmniejsza obciążenie pilota.

Lot skoordynowany

Wykonywanie zakrętu samolotem

Powszechnym błędnym przekonaniem jest to, że samolot wykonuje zakręt za pomocą steru kierunku, tak jak łódź. W rzeczywistości samolot skręca przez przechylenie, przechylając skrzydła tak, że składowa siły nośnej ciągnie samolot poziomo wokół łuku. Zadaniem steru kierunku w zakręcie jest koordynacja, aby nose utrzymywał kierung lotu & zapobiegać ślizganiu się lub poślizgowi.

W zakręcie z przechyleniem, część wektora siły nośnej, który wcześniej wspierał ciężar samolotu, jest teraz kierowana w kierunku poziomy. Oznacza to, że mniej siły nośnej jest dostępnej w pionie, więc samolot loses altitude unless the pilot increases back pressure (or adds power) to increase the total lift.

Sześciopak i systemy nawigacyjne

Sześć podstawowych przyrządów pokładowych

Każdy samolot – od Cessny 172 po Airbusa A380 – wyświetla te same sześć podstawowych informacji, tradycyjnie rozmieszczonych w dwóch rzędach po trzy („sześciopak”):

Wskaźnik prędkości: Pokazuje prędkość samolotu względem powietrza (nie względem ziemi). Napędzany przez układ pitot-statyczny: rurka Pitota skierowana do przodu mierzy ciśnienie dynamiczne, a porty statyczne mierzą ciśnienie otoczenia. Różnica między nimi wskazuje prędkość względem powietrza.

Wskaźnik położenia (sztuczny horyzont): Pokazuje kąt pochylenia i przechylenia samolotu względem horyzontu. Jest to najważniejszy przyrząd podczas lotu w chmurach lub w nocy, gdy naturalny horyzont jest niewidoczny.

Wysokościomierz: Pokazuje wysokość nad poziomem morza, opartą na ciśnieniu atmosferycznym mierzonym przez port statyczny. Piloci dostosowują ustawienie wysokościomierza do lokalnego ciśnienia barometrycznego.

[BLOCK_TYPE SECTION/STEP]

Koordynator skrętu: Pokazuje tempo i jakość skrętu: czy samolot jest skoordynowany, ślizga się czy wpada w poślizg. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]

[BLOCK_TYPE SECTION/STEP]

Wskaźnik kursu (żyroskop kierunkowy): Pokazuje magnetyczny kurs samolotu. Bardziej stabilny niż kompas magnetyczny w turbulencji lub podczas skrętu. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]

[BLOCK_TYPE SECTION/STEP]

Wskaźnik prędkości pionowej (VSI): Pokazuje tempo wznoszenia lub opadania w stopach na minutę. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]

[BLOCK_TYPE SECTION/STEP]

Nawigacja

VOR (VHF Omnidirectional Range): Naziemne radiolatarnie, które transmitują radiale: kierunki magnetyczne od stacji. Piloci śledzą określone radiale, aby nawigować między VOR-ami. Od lat 50. XX wieku stanowi to podstawę nawigacji na drogach lotniczych.

GPS: Nawigacja satelitarna dominuje obecnie. Współczesne podejścia GPS mogą prowadzić samolot do odległości 200 stóp od progu pasa startowego w warunkach zerowej widoczności.

IFR vs VFR: Visual Flight Rules (VFR) wymagają wizualnego odniesienia do podłoża oraz określonych minimów pogodowych (widzialność, odległość od chmur). Instrument Flight Rules (IFR) umożliwiają lot w chmurach i przy niskiej widoczności, wykorzystując instrumenty oraz wskazówki ATC. IFR wymaga uprawnienia do lotów według przyrządów, samolotu wyposażonego do IFR oraz złożonego planu lotu.

Latanie bez widoczności

Gdy nie możesz widzieć

Dezorientacja przestrzenna jest jedną z głównych przyczyn śmiertelnych wypadków w lotnictwie ogólnym. Ludzki układ przedsionkowy (ucho wewnętrzne) wyewoluował do chodzenia, a nie do latania. W chmurach lub w nocy bez widocznego horyzontu ciało będzie cię okłamywać: możesz czuć się poziomo, gdy jesteś w przechyle 30 stopni, lub mieć wrażenie wznoszenia się, gdy faktycznie schodzisz.

John F. Kennedy Jr. zmarł w 1999 roku, kiedy pilotował swojego Piper Saratoga w mgłę nad oceanem w nocy. Nie miał uprawnień do lotów według przyrządów. Bez widocznego horyzontu prawdopodobnie wszedł w spiralę grobową: stopniowo pogłębiający się skręt z opadaniem, który odczuwany jest przez ucho wewnętrzne jako lot prostoliniowy.

Zagrożenia pogodowe dla pilotów

Pogoda zabija pilotów

Pogoda jest najczęstszym czynnikiem w śmiertelnych wypadkach lotnictwa ogólnego. Nie dlatego, że pogoda jest nieprzewidywalna: to dlatego, że piloci podejmują złe decyzje dotyczące niej.

Fronty: Front chłodny wciska się pod ciepłe powietrze, creating a narrow band of intense weather: burze, ścinanie wiatru, turbulencja. Front ciepły przesuwa się nad chłodnym powietrzem, tworząc szerokie obszary niskich chmur, deszczu i ograniczonej widoczności. Wiedza o rodzaju zbliżającego się frontu mówi ci, jakich zagrożenia się spodziewać.

Turbulencja: Turbulencja mechaniczna pochodzi od wiatru przepływającego nad terenem. Turbulencja konwekcyjna pochodzi od prądów termicznych w dniach gorących. Turbulencja czystego powietrza (CAT) występuje na dużej wysokości w pobliżu prądów strumieniowych bez wizualnego ostrzeżenia. Turbulencja śladu od ciężkich samolotów może przewrócić mały samolot.

Oblodzenie: Oblodzenie strukturalne występuje, gdy przechłodzone krople wody zamarzają w momencie kontaktu z samolotem. Lód na skrzydłach niszczy siłę nośną i zwiększa opór. Lód na śmigle zmniejsza ciąg. Lód na rurce Pitota uniemożliwia działanie wskaźnika prędkości. Większość małych samolotów nie jest certyfikowana do lotów w warunkach znanego oblodzenia.

Wysokość gęstościowa: Gorące, wilgotne i wysoko położone powietrze jest rzadkie. Samolot zachowuje się tak, jakby znajdował się na większej wysokości: dłuższy rozbieg, zmniejszona prędkość wznoszenia, zmniejszona moc silnika. Pas startowy, który jest bezpieczny do użytku na poziomie morza w chłodny poranek, może być niebezpiecznie krótki na wysokości 5000 stóp w gorące popołudnie.

Go or No-Go

Aeronautical Decision-Making

Każdy lot zaczyna się z decyzją go/no-go. Zawodowi piloci stosują ustrukturyzowane ramy: PAVE (Pilot, Aircraft, enVironment, External pressures) & IMSAFE (Illness, Medication, Stress, Alcohol, Fatigue, Eating). Te listy kontrolne istnieją, ponieważ najniebezpieczniejszym zagrożeniem w lotnictwie jest nie burza czy awaria silnika, lecz pilot, który zdecydł się na lot przed oceną ryzyka.

Get-there-itis, czyli presja wykonania lotu mimo pogarszających się warunków, jest najgroźniejszym wzorcem w lotnictwie ogólnym. NTSB badało setki śmiertelnych wypadków, gdzie pilot leciał w znane złe warunki pogodowe, ponieważ czuł, że musi dotrzeć do celu.

Dokąd zabiera Cię lotnictwo

Certyfikaty pilota

Licencja Pilota Prywatnego (PPL): Minimum 40 godzin czasu lotu (średnia krajowa wynosi 60-70). Pozwala na latanie samolotami jednosilnikowymi VFR, przewożenie pasażerów, ale nie za wynagrodzeniem. Koszt: $10,000-$15,000.

Uprawnienie do lotów według przyrządów (Instrument Rating): Dodatkowe szkolenie umożliwiające loty w chmurach i przy ograniczonej widoczności przy użyciu przyrządów. Wymagane przy większości lotów zawodowych i zdecydowanie zalecane ze względów bezpieczeństwa.

Licencja Pilota Zawodowego (CPL): Minimum 250 godzin. Pozwala na latanie za wynagrodzeniem: holowanie banerów, zdjęcia lotnicze, loty czarterowe.

Licencja Pilota Transportu Lotniczego (ATP): Minimum 1,500 godzin (1,000 dla wojskowych, ograniczone ATP na poziomie 750 dla niektórych programów). Wymagana do wykonywania funkcji kapitana w liniach lotniczych. Jest to najwyższy certyfikat pilota.

Inne zawody lotnicze

Mechanik A&P (Airframe & Powerplant): Technicy obsługi technicznej samolotów certyfikowani przez FAA. 18-24 miesięcy nauki lub równoważne doświadczenie wojskowe. Wysoki popyt, dobre wynagrodzenie, i nigdy nie musisz martwić się o rynek pracy: samoloty zawsze wymagają konserwacji.

Kontroler ruchu lotniczego (ATC): Zarządzany przez FAA. Musi zostać zatrudniony przed ukończeniem 31. roku życia. Konkurencyjna rekrutacja poprzez test umiejętności AT-SA FAA. Wysoki stres, wysokie wynagrodzenie, obowiązkowe odejście na emeryturę w wieku 56 lat. Początkowe wynagrodzenie około 40 000 USD podczas szkolenia, doświadczeni kontrolerzy zarabiają 100 000–180 000 USD.

Pilot drona (Part 107): Certyfikat Pilota Zdalnego FAA do komercyjnych operacji dronami. Tylko test pisemny, brak wymaganych godzin lotu. Otwiera kariery w fotografii lotniczej, geodezji, inspekcjach, rolnictwie i nieruchomościach. Najszybciej rozwijający się segment lotnictwa.

Ścieżka wojskowa: Wszystkie rodzaje sił zbrojnych operują statkami powietrznymi. Piloci wojskowi otrzymują światowej klasy szkolenie bez kosztów w zamian za zobowiązanie służbowe (zazwyczaj 10 lat dla pilotów). Wielu pilotów linii lotniczych przechodzi z kariery wojskowej. Technicy obsługi technicznej i personel ATC z wojska również dobrze przechodzą do cywilnych karier.

Synteza

Łączenie wszystkiego w całość

Teraz rozumiesz cztery siły lotu, jak piloci sterują statkiem powietrznym, jak przyrządy zapewniają im bezpieczeństwo w chmurach, dlaczego pogoda jest najgroźniejszym zagrożeniem w lotnictwie ogólnym oraz ścieżki kariery dostępne w branży.

Lotnictwo nagradza ludzi, którzy myślą systemowo: siły oddziałują na sterowanie, sterowanie oddziałuje na przyrządy, przyrządy oddziałują na pogodę, a pogoda oddziałuje na decyzje. Najlepsi piloci, mechanicy i kontrolerzy to nie ci, którzy mają najszybsze refleksy. To ci, którzy myślą z wyprzedzeniem.