Подъёмная сила, сопротивление, тяга и вес

Четыре силы

На каждый самолёт в полёте действуют ровно четыре силы:

Подъёмная сила действует перпендикулярно набегающему потоку (потоку воздуха, который встречает крыло). Разность давлений над крылом & под ним создаёт её. Подъёмная сила зависит от скорости полёта, плотности воздуха, площади крыла, формы крыла & угла атаки.

Вес действует строго вниз, к центру Земли. Это сила тяжести, действующая на самолёт & всё, что в нём находится: топливо, пассажиров, груз. Вес меняется в полёте по мере выгорания топлива.

Тяга — это сила, направленная вперёд, которую создают двигатели: винт, турбовентиляторный двигатель, турбореактивный двигатель или ракета. Тяга разгоняет самолёт & поддерживает скорость полёта вопреки сопротивлению.

Сопротивление — это сила, направленная назад, которая препятствует движению самолёта в воздухе. Есть два основных типа: паразитное сопротивление (трение & сопротивление формы фюзеляжа, шасси, антенн), которое растёт со скоростью, & индуктивное сопротивление (побочный продукт создания подъёмной силы), которое со скоростью падает.

В прямолинейном горизонтальном полёте без ускорения все четыре силы уравновешены: подъёмная сила равна весу, тяга равна сопротивлению. Измените любую из сил & самолёт начнёт разгоняться, набирать высоту, снижаться или поворачивать.

Силы в действии

Равновесие & не только

Понимание четырёх сил нужно не только для теории: так думают пилоты. Каждая фаза полёта представляет собой управляемый дисбаланс этих сил. Взлёт: тяга превышает сопротивление. Набор высоты: подъёмная сила превышает вес. Снижение: вес превышает подъёмную силу. Посадка: сопротивление превышает тягу.

Взаимодействие видов сопротивления особенно важно. На малых скоростях индуктивное сопротивление велико (крыло работает с большим углом атаки). На больших скоростях велико паразитное сопротивление (фюзеляж пробивается сквозь более плотный относительный поток). Существует скорость, при которой полное сопротивление минимально: она даёт максимальную дальность & продолжительность полёта.

Элероны, руль высоты & руль направления

Три оси вращения

Самолёт вращается вокруг трёх осей, и каждую из них контролирует определённая поверхность управления:

Продольная ось (крен): Управляется элеронами: это подвижные поверхности на внешней задней кромке каждого крыла. Отклоните ручку управления влево, & левый элерон поднимается (уменьшая подъёмную силу на этом крыле), а правый опускается (увеличивая подъёмную силу). Самолёт кренится влево. Крен позволяет самолёту поворачивать: самолёт накреняется в вираж, & составляющая подъёмной силы тянет его по дуге.

Поперечная ось (тангаж): Управляется рулём высоты на горизонтальном стабилизаторе в хвосте. Потяните ручку на себя, & руль высоты отклоняется вверх, толкая хвост вниз, а нос вверх. Тангаж управляет углом атаки &, косвенно, воздушной скоростью.

Вертикальная ось (рыскание): Управляется рулём направления на вертикальном стабилизаторе. Нажмите левую педаль, & руль направления отклоняется влево, толкая хвост вправо, а нос влево. Руль направления служит главным образом для координации виражей & компенсации обратного рыскания, а не для поворота самолёта в одиночку.

Закрылки представляют собой подвижные поверхности на внутренней задней кромке крыльев. Выпущенные при взлёте & посадке, они увеличивают подъёмную силу & сопротивление, позволяя самолёту лететь на меньших скоростях. Закрылки меняют изогнутость профиля (кривизну) крыла.

Триммер позволяет пилоту регулировать нейтральное положение руля высоты, чтобы самолёт сохранял нужный тангаж без постоянного усилия на ручке. Правильная балансировка триммером значительно снижает нагрузку на пилота.

Координированный полёт

Как самолёт выполняет разворот

Распространённое заблуждение гласит, что самолёты поворачивают рулём направления, как лодки. На самом деле самолёт поворачивает за счёт крена: он наклоняет крылья, и составляющая подъёмной силы тянет его по дуге в горизонтальной плоскости. Задача руля направления в развороте: координировать движение, удерживать нос вдоль траектории полёта & не допускать скольжения или заноса.

В развороте с креном часть вектора подъёмной силы, которая раньше уравновешивала вес самолёта, направлена теперь горизонтально. Поэтому вертикальной подъёмной силы остаётся меньше, и самолёт теряет высоту, если пилот не увеличит натяжение ручки на себя (или не добавит мощность), чтобы повысить суммарную подъёмную силу.

«Шестёрка» приборов & навигационные системы

Шесть основных пилотажных приборов

Каждый самолёт, от Cessna 172 до Airbus A380, показывает одни и те же шесть основных параметров, которые традиционно располагают в два ряда по три прибора («шестёрка»):

Указатель воздушной скорости: показывает скорость самолёта относительно воздуха (не относительно земли). Работает от пито-статической системы: направленная вперёд трубка (трубка Пито) измеряет давление набегающего потока, & статические отверстия измеряют давление окружающего воздуха. Разность этих давлений даёт динамическое давление, которое определяет воздушную скорость.

Авиагоризонт (искусственный горизонт): показывает тангаж & крен самолёта относительно горизонта. Это самый важный прибор для полёта в облаках или ночью, когда естественный горизонт не виден.

Высотомер: показывает высоту над средним уровнем моря по атмосферному давлению, которое измеряет статический приёмник. Пилоты вводят в высотомер поправку, чтобы учесть местное барометрическое давление.

Координатор поворота: Показывает скорость & качество разворота: координирован ли полёт самолёта, скользит ли он на крыло или заносится.

Указатель курса (гироскопический полукомпас): Показывает магнитный курс самолёта. Работает стабильнее магнитного компаса при болтанке или в поворотах.

Вариометр (VSI): Показывает скорость набора высоты или снижения в футах в минуту.

Навигация

VOR (VHF Omnidirectional Range): Наземные радиомаяки, которые передают радиалы: магнитные пеленги от станции. Пилоты следуют по определённым радиалам, чтобы перемещаться между VOR. Начиная с 1950-х годов эта система служит основой навигации по воздушным трассам.

GPS: Спутниковая навигация сегодня доминирует. Современные заходы на посадку по GPS способны подвести самолёт на 200 футов (около 60 метров) к порогу полосы при нулевой видимости.

IFR и VFR: Правила визуальных полётов (VFR) требуют визуальной ориентировки по земле & определённых метеорологических минимумов (видимость, расстояние до облаков). Правила полётов по приборам (IFR) разрешают полёт в облаках & при плохой видимости с опорой на приборы & сопровождение диспетчера УВД. IFR требует квалификации пилота для полётов по приборам, самолёта с оборудованием для IFR & поданного плана полёта.

Полёт вслепую

Когда ничего не видно

Пространственная дезориентация входит в число главных причин авиационных происшествий со смертельным исходом в авиации общего назначения. Вестибулярная система человека (внутреннее ухо) развивалась для ходьбы, а не для полёта. В облаках или ночью без видимого горизонта тело обманывает вас: вам может казаться, что самолёт летит прямо, хотя крен достигает 30 градусов, или что вы набираете высоту, хотя на самом деле снижаетесь.

Джон Ф. Кеннеди-младший погиб в 1999 году: ночью он вёл свой Piper Saratoga в дымке над океаном. Квалификации для полётов по приборам у него не было. Без видимого горизонта он, скорее всего, попал в «могильную спираль»: постепенно сужающийся нисходящий вираж, который вестибулярный аппарат воспринимает как прямолинейный полёт.

Опасные погодные явления для пилотов

Погода убивает пилотов

Погода остаётся самым частым фактором в авариях со смертельным исходом в авиации общего назначения. Причина не в непредсказуемости погоды: пилоты принимают неверные решения о ней.

Фронты: Холодный фронт вклинивается под тёплый воздух & создаёт узкую полосу сильной погоды: грозы, сдвиг ветра, турбулентность. Тёплые фронты скользят над холодным воздухом & создают обширные зоны низкой облачности, дождя & сниженной видимости. Зная тип приближающегося фронта, вы понимаете, каких опасностей ждать.

Турбулентность: Механическая турбулентность возникает, когда ветер обтекает рельеф. Конвективная турбулентность возникает от тепловых восходящих потоков в жаркие дни. Турбулентность ясного неба (CAT) возникает на большой высоте возле струйных течений & не даёт визуальных предупреждений. Спутная струя тяжёлого самолёта может перевернуть малый самолёт.

Обледенение: Конструктивное обледенение возникает, когда переохлаждённые капли воды замерзают при контакте с воздушным судном. Лёд на крыльях разрушает подъёмную силу & увеличивает сопротивление. Лёд на винте снижает тягу. Лёд на трубке Пито отключает указатель воздушной скорости. Большинство небольших воздушных судов не сертифицированы для полётов в условиях известного обледенения.

Высота по плотности: Жаркий, влажный воздух на большой высоте над уровнем моря разрежен. Воздушное судно работает так, будто находится на большей высоте: разбег удлиняется, скороподъёмность падает, мощность двигателя снижается. Полоса, безопасная на уровне моря прохладным утром, может оказаться опасно короткой на высоте 5 000 футов жарким днём.

Лететь или не лететь

Аэронавигационное принятие решений

Каждый полёт начинается с решения «лететь или не лететь». Профессиональные пилоты используют структурированные схемы: PAVE (Pilot, Aircraft, enVironment, External pressures: пилот, воздушное судно, окружающая среда, внешнее давление) & IMSAFE (Illness, Medication, Stress, Alcohol, Fatigue, Eating: болезнь, лекарства, стресс, алкоголь, усталость, питание). Эти контрольные списки существуют потому, что самая опасная угроза в авиации не грозы и не отказы двигателя: это пилот, который решил лететь до того, как оценил риски.

«Get-there-itis», то есть стремление завершить полёт вопреки ухудшающимся условиям, образует самую смертоносную модель поведения в авиации общего назначения. NTSB расследовало сотни авиакатастроф со смертельным исходом, в которых пилот летел в заведомо плохую погоду, потому что чувствовал: до пункта назначения нужно добраться.

Куда ведёт авиация

Пилотские свидетельства

Лицензия частного пилота (PPL): минимум 40 часов налёта (в среднем по стране 60-70). Позволяет летать на одномоторных самолётах по правилам визуальных полётов (VFR) & перевозить пассажиров, но не за вознаграждение. Стоимость: $10 000-$15 000.

Приборная квалификация (Instrument Rating): дополнительная подготовка к полётам в облаках & при плохой видимости по приборам. Нужна для большинства профессиональных полётов & настоятельно рекомендуется ради безопасности.

Лицензия коммерческого пилота (CPL): минимум 250 часов. Позволяет летать за вознаграждение: буксировка рекламных баннеров, аэросъёмка, чартерные рейсы.

Линейный пилот (ATP): минимум 1 500 часов (1 000 для военных, ограниченный ATP при 750 часах для некоторых программ). Нужен, чтобы стать капитаном авиакомпании. Это высшее пилотское свидетельство.

Другие авиационные профессии

Механик A&P (планер & силовая установка): сертифицированные FAA техники по обслуживанию воздушных судов. 18-24 месяца обучения или равный по ценности военный опыт. Высокий спрос, хорошая оплата, & рынок труда вас не пугает: самолётам всегда нужно техобслуживание.

Авиадиспетчер (ATC): Работает под управлением FAA. Нанимают только до 31 года. Конкурентный отбор проходит через тест на профпригодность FAA AT-SA. Высокий стресс, высокая оплата, обязательный выход на пенсию в 56 лет. Начальная зарплата около 40 000 долларов во время обучения, опытные диспетчеры зарабатывают 100 000-180 000 долларов.

Пилот дрона (Part 107): Сертификат удалённого пилота FAA для коммерческих полётов дронов. Только письменный экзамен, налёт часов не требуется. Открывает карьеру в аэрофотосъёмке, геодезии, инспекции, сельском хозяйстве & недвижимости. Самый быстрорастущий сегмент авиации.

Военный путь: Все рода войск эксплуатируют самолёты. Военные пилоты получают первоклассную подготовку бесплатно в обмен на обязательство службы (обычно 10 лет для пилотов). Многие пилоты авиакомпаний приходят из армии. Военные техники & диспетчеры тоже хорошо переходят на гражданскую работу.

Синтез

Собираем всё вместе

Теперь вы понимаете четыре силы полёта, как пилоты управляют самолётом, как приборы обеспечивают безопасность в облаках, почему погода представляет самую смертельную опасность в авиации общего назначения, & какие карьерные пути существуют в отрасли.

Авиация вознаграждает людей, которые мыслят системами: силы взаимодействуют с органами управления, органы управления взаимодействуют с приборами, приборы взаимодействуют с погодой, & погода взаимодействует с решениями. Лучшие пилоты, механики & диспетчеры не обладают самой быстрой реакцией. Они думают наперёд.