Підйомна сила, опір, тяга та вага

Чотири сили

На кожен літак у польоті діють рівно чотири сили:

Підйомна сила діє перпендикулярно до відносного вітру (потоку повітря, на який натискає крило). Вона створюється різницею тисків по обидва боки крила. Підйомна сила залежить від швидкості повітря, густини повітря, площі крила, форми крила та кута атаки.

Вага діє строго вниз, до центру Землі. Це сила гравітації, що діє на літак і все, що в ньому є: паливо, пасажирів, вантаж. Вага змінюється під час польоту по мірі спалювання палива.

Тяга — це сила, що діє вперед і створюється двигунами: пропелером, турбовентиляторним, турбореактивним або ракетним двигуном. Тяга прискорює літак і підтримує швидкість польоту, протидіючи опору.

Опір — це сила, що діє назад і протидіє русу літака в повітрі. Існує два основні види: паразитний опір (тертя та опір форми, спричинені фюзеляжем, шасі, антенами), який збільшується зі швидкістю, та індуктивний опір (побічний ефект створення підйомної сили), який зменшується зі швидкістю.

У прямолінійному горизонтальному польоті без прискорення всі чотири сили перебувають у рівновазі: підйомна сила дорівнює вазі, тяга дорівнює опору. Зміна будь-якої з цих сил призводить до того, що літак прискорюється, набирає висоту, знижується або розвертається.

Сили в дії

Рівновага та за його межами

Розуміння чотирьох сил — це не просто академічне знання: саме так мислять пілоти. Кожна фаза польоту є контрольованим порушенням рівноваги цих сил. Зліт: тяга перевищує опір. Підйом: підйомна сила перевищує вагу. Спуск: вага перевищує підйомну силу. Посадка: опір перевищує тягу.

Взаємодія між типами опору є особливо важливою. На низьких швидкостях індуктивний опір високий (крило працює навантажено при великому куті атаки). На високих швидкостях паразитний опір високий (фюзеляж протискається крізь щільніший відносний потік повітря). Існує швидкість, при якій загальний опір мінімальний: це швидкість для максимальної дальності та тривалості польоту.

Елерони, стабілізатор та руль напрямку

Три осі обертання

Літак обертається навколо трьох осей, кожна з яких контролюється певною керуючою поверхнею польоту:

Довжельна вісь (крен): Керується елеронами, які є шарнірними поверхнями на зовнішній задній кромці кожного крила. Зсув штурвала вліво & лівий елерон піднімається вгору (зменшуючи підйомну силу на цьому крилі), тоді як правий елерон опускається вниз (збільшуючи підйомну силу). Самоліт крениться вліво. Крен — це спосіб, яким літак виконує поворот: нахил у повороті, завдяки якому складова підйомної сили витягує літак по дугі.

Поперечна вісь (тангаж): Керується елероном на горизонтальному стабілізаторі на хвості. Відтягування штурвала на себе & елерон відхиляється вгору, штовхаючи хвіст вниз & ніс вгору. Тангаж контролює кут атаки та, опосередковано, швидкість польоту.

Вертикальна вісь (рыскання): Керується рулем керма на вертикальному стабілізаторі. Натискання лівого педалі керма & руль відхиляється вліво, штовхаючи хвіст вправо & ніс вліво. Руль керма використовується переважно для координації поворотів & компенсації хвильового рыскання, а не для повороту літака сам по собі.

Заповірні крила є шарнірними поверхнями на внутрішній задній кромці крил. Розгорнуті під час зльоту & посадки, вони збільшують як підйомну силу, так і опір, дозволяючи літаку летіти на нижчих швидкостях. Заповірні крила змінюють кривизну (камбер) крила.

Трим дозволяє пілоту коригувати нейтральне положення штурвала, щоб повітряна судно підтримувало бажаний кут атаки без постійного тиску на штурвал. Правильне встановлення триму значно зменшує навантаження на пілота.

Координований політ

Поворот повітряного судна

Поширеною помилкою є думка, що повітряні судна повертають за допомогою руля напрямку, як човни. Насправді повітряне судно повертає завдяки крену, нахиляючи крила так, що складова підйальної сили тягне судно горизонтально вздовж дуги. Роль руля напрямку під час повороту полягає в координації, тобто у збереженні носової частини, спрямованої вздовж траєорії польоту, та запобіганні зісковзуванню або заносу.

У повороті з креном частина вектора підйальної сили, який раніше підтримував вагу повітряного судна, тепер спрямована горизонтально. Це означає, що доступної вертикальної підйальної сили менше, тому повітряне судно втрачає висоту, якщо пілот не збільшить тиск на штурвал назад (або не додасть потужності) для збільшення загальної підйальної сили.

«Шістка» та системи навігації

Шість основних приладів польоту

Кожний літак, від Cessna 172 до Airbus A380, відображає однакові шість основних параметрів, традиційно розташованих у два ряди по три (так звана «шістерна»):

Показувич швидкості: Показує швидкість літака відносно повітря (а не відносно землі). Працює за рахунок пітот-статичної системи: передня трубка (трубка Піто) вимірює динамічний тиск повітря, а статичні отвори вимірюють атмосферний тиск. Різниця між ними є динамічним тиском, який визначає швидкість польоту.

Показувич кута нахилу (штучний горизонт): Показує кут тангажу та крену літака відносно горизонту. Це найважливіший прилад для польоту в хмарах або вночі, коли природний горизонт невидимий.

Высотомер: Показує висоту над рівнем середнього рівня моря, що базується на атмосферному тиску, вимірюваному статичним отвором. Пілоти коригують налаштування высотомера, щоб врахувати місцевий барометричний тиск.

Індикатор координації: Показує швидкість та якість повороту: чи літак збалансований, чи прослизгує, чи заносить.

Індикатор курсу (гіроскоп курсу): Показує магнітний курс літака. Більш стабільний, ніж магнітний компас, у турбулентності або під час поворотів.

Індикатор вертикальної швидкості (VSI): Показує швидкість набору або зниження висоти в футах за хвилину.

Навігація

VOR (VHF Omnidirectional Range): Наземні радіомаяки, які транслюють радіальні лінії: магнітні азимути від станції. Пілоти відстежують конкретні радіальні лінії для навігації між VOR. Це було основою навігації повітряними коридорами з 1950-х років.

GPS: Сателітна навігація тепер домінує. Сучасні підходи GPS можуть навести літак на відстань до 200 футів від порогу злітно-посадкової смуги за умов нульової видимості.

IFR проти VFR: Правила візуального польоту (VFR) вимагають візуального орієнтиру на землю та конкретних мінімальних погодних умов (видимість, відстань до хмар). Правила приладового польоту (IFR) дозволяють польот у хмарах та за низької видимості, використовуючи прилади та наведення АТК. Для IFR потрібна кваліфікація приладового пілота, літак, обладнаний для IFR, та подана заявка на політ.

Політ всляп

Коли ви не можете бачити

Просторова дезорієнтація є однією з основних причин смертельних аварій у загальному авіації. Людська вестибулярна система (внутрішнє вухо) еволюціонувала для ходьби, а не для польоту. У хмарах або вночі без видимого горизонту ваше тіло буде брехати вам: ви можете відчувати, що летите рівно, тоді як перебуваєте в нахилі 30 градусів, або відчувати, що набираєте висоту, тоді як знижуєтесь.

Джон Ф. Кеннеді-молодший загинув у 1999 році, коли його Piper Saratoga влетів у марево над океаном уночі. У нього не було права на польоти за приладами. Без видимого горизонту він, ймовірно, потрапив у «гробкову спіраль»: поступово поглиблюваний нахилений поворот, який внутрішнє вухо сприймає як прямолінійний політ.

Погодні загроми для пілотів

Погода вбиває пілотів

Погода є найпоширенішим фактором, що призводить до смертельних аварій у загальній авіації. Не тому, що погода непередбачувана, а тому, що пілоти приймають погані рішення щодо неї.

Фронти: Холодний фронт просувається під тепле повітря, створюючи вузьку смугу інтенсивної погоди: грози, вітровий зріз, турбулентність. Теплі фронти ковзають над холодним повітрям, створюючи широкі ділянки низьких хмар, дощу та зниженої видимості. Знання того, який тип фронту наближається, допомагає зрозуміти, яких загроз слід очікувати.

Турбулентність: Механічна турбулентність виникає від потоку вітру над рельєфом. Конвективна турбулентність виникає від термічних піднімаючих потоків у спекотні дні. Турбулентність у прозорому повітрі (CAT) виникає на висоті поблизу струмів, не маючи візуальних попереджень. Турбулентність у сліді важких літаків може перевернути дрібний літак.

Обледеніння: Структурне обледеніння виникає, коли краплі підохолодженої води замерзають при контакті з повітряним судном. Лід на крилах знищує підйомну силу та збільшує опір. Лід на гвинті зменшує тягу. Лід на трубці Піто вимикає вказівник швидкості. Більшість малих повітряних суден не сертифіковані для польотів в умовах відомого обледеніння.

Щільна висота: Гарне, вологе повітря на високій висоті є рідким. Повітряне судно працює так, ніби воно перебуває на більшій висоті: довший розбіг, знижена швидкість набору висоти, знижена потужність двигуна. Злітно-посадкова смуга, яка є безпечною для використання на рівні моря в прохолодний ранок, може бути небезпечно короткою на висоті 5000 футів у гарний післяобідній час.

Летіти чи ні

Авіаційне прийняття рішень

Кожен політ починається з рішення «летіти чи ні». Професійні пілоти використовують структуровані підходи: PAVE (Пілот, Повітряне судно, СЕРЕДОВИЩЕ, Зовнішній тиск) та IMSAFE (Хвороба, Медикаменти, Стрес, Алкоголь, Втомленість, Харчування). Ці чек-листи існують, тому що найнебезпечніша загроза в авіації — це не грозові хмари чи відмови двигунів, а пілот, який вирішив летіти, не оцінивши ризики.

«Синдром обов'язково долетіти» (get-there-itis), тиск на виконання польоту попри погіршення умов, є найсмертоносним сценарієм у загальній авіації. NTSB (Рада з безпеки повітряного транспорту США) розслідувала сотні смертельних аварій, де пілоти літали в відомі погані погодні умови, тому що відчували, що зобов'язані досягти свого пункту призначення.

Куди веде авіація

Пілотські сертифікати

Ліцензія приватного пілота (PPL): Мінімальний наліт 40 годин (національне середнє становить 60–70 годин). Дозволяє пілотувати одномоторні літаки за візуальними правилами польоту (VFR), перевозити пасажирів, але не за винагороду. Вартість: 10 000–15 000 доларів.

Кваліфікація на інструментальні польоти: Додаткове навчання для польотів у хмарах та за низької видимості за приладами. Обов’язкова для більшості професійних пілотів та настоятельно рекомендована з міркувань безпеки.

Ліцензія комерційного пілота (CPL): Мінімальний наліт 250 годин. Дозволяє пілотувати за винагороду: буксирування банерів, аерозйомка, чартерні рейси.

Ліцензія пілота авіакомпанії (ATP): Мінімальний наліт 1 500 годин (1 000 годин для військових, обмежена ATP — 750 годин для певних програм). Необхідна для обіймання посади командира екіпажу в авіакомпанії. Це найвищий пілотський сертифікат.

Інші кар’єри в авіації

Механік A&P (фюзеляж та двигун): Кваліфікований FAA технік з обслуговування та ремонту літаків. Навчання триває 18–24 місяці або еквівалентний військовий досвід. Високий попит, гідна оплата праці, і вам ніколи не доведеться хвилюватися про ринок праці: літаки завжди потребують обслуговування.

Диспетчер повітряного руху (ATC): Керується FAA. Має бути найнятий до 31 року. Конкурційний відбір через тест на здібності AT-SA від FAA. Високий рівень стресу, висока оплата праці, обов'язкове звільнення у віці 56 років. Початкова зарплата становить близько $40 000 під час навчання, досвідчені диспетчери заробляють від $100 000 до $180 000.

Пілот дронів (Part 107): Сертифікат віддаленого пілота FAA для комерційних польотів дронами. Тільки письмовий іспит, наліт не вимагається. Відкриває кар'єру в аерофотозйомці, геодезії, інспектуванні, сільському господарстві та нерухомості. Найшвидше зростаючий сегмент авіації.

Військовий шлях: Усі роди військ експлуатують повітряні судна. Військові пілоти отримують навчання світового рівня безкоштовно в обмін на зобов'язання служити (зазвичай 10 років для пілотів). Багато авіакомпанійських пілотів переходять з військової кар'єри. Військові техніки та диспетчери також успішно переходять до цивільної кар'єри.

Синтез

Зведення всього в ціле

Ви тепер розумієте чотири сили польоту, як пілоти керують повітряним судном, як прилади забезпечують їхню безпеку в хмарах, чому погода є найсмертоноснішою загрозою в загальній авіації та які кар'єрні шляхи доступні в цій галузі.

Авіація винагороджує тих, хто мислить системами: сили взаємодіють із системами керування, системи керування взаємодіють із приладами, прилади взаємодіють із погодою, а погода взаємодіє з рішеннями. Найкращі пілоти, техніки та диспетчери — це не ті, у кого найшвидші рефлекси. Це ті, хто мислить наперед.