Перегрузки при неустановившемся полете

При взлете самолет под действием силы тяги двигателя, преодолевая сопротивление воздуха и трение колес шасси, приобретает ускоренное движение вперед (рис. 29). Вес самолета частично уравновешен подъемной силой.

Если среднее ускорение при разбеге равно, допустим, 3,9 м/сек², или 0,4 g, значит, перегрузка равна в среднем 0,4. Она действует против направления разбега и считается положительной.

Оторвавшись от земли, самолет продолжает разгон.

Рис. 29. Схема сил, действующих на самолет при разбеге: Y — подъемная сила; G — вес самолета; Р — сила тяги; Q — сопротивление воздуха; F — трение колес; R₁ R₂ —нагрузка на шасси

Неустановившийся полет самолета часто бывает обусловлен состоянием атмосферы. Атмосфера никогда не бывает длительное время спокойна. Ветер почти непрерывно изменяет свою скорость (порывы ветра) и направление. В атмосфере, кроме того, всегда имеются вертикальные потоки воздуха, образующиеся благодаря нагреванию его у поверхности Земли или в районе кучевых и особенно грозовых облаков.

Что произойдет с самолетом при порыве ветра? Порыв ветра внезапно увеличивает или уменьшает скорость воздушного потока относительно самолета, вследствие чего увеличивается или уменьшается подъемная сила самолета и равновесие сил нарушается. Величина перегрузки при этом незначительно (на 10—20%) отклоняется от единицы.

Более существенное влияние на величину перегрузки оказывают вертикальные потоки воздуха. В этом случае, во-первых, равнодействующая U скорости самолета V и скорости вертикального потока W отличается от скорости υ самолета (рис. 30), а во-вторых, и это главное, изменяется направление воздушного потока относительно самолета — увеличивается или уменьшается угол атаки крыла. Возникающие в данном случае перегрузки достигают значительных величин — от + 5 до -3.

Рис. 30. Схема встречи самолета с вертикальным потоком воздуха (W — скорость вертикального потока)

Как же происходит полет самолета в неспокойном воздухе с вертикальными порывами? При увеличении угла атаки увеличивается подъемная сила крыла, равновесие сил нарушается и самолет начинает подниматься вверх. Подъем продолжается до тех пор, пока самолет не пройдет вертикальный поток или летчик не вмешается в управление. При входе в восходящий поток перегрузка будет превышать единицу только в момент входа в поток, пока скорость движения не установится. Выход из восходящего потока сопровождается провалом самолета и кратковременным уменьшением перегрузки до величины меньше единицы.

Покачивания, взмывания и провалы самолета при полете в неспокойной атмосфере называются болтанкой. Хотя перегрузка при болтанке в большинстве случаев небольшая, длительное ее действие утомительно для экипажа. При полете вблизи грозовой облачности перегрузка от болтанки может быть значительной и даже угрожать целости самолета.

Рассмотрим перегрузки при штопоре и пикировании. Штопором называется движение самолета по крутой спирали малого радиуса с вращением в основном вокруг нормальной и продольной осей (рис. 31). Полет при этом происходит на закритических углах атаки.

Рис. 31. Схема штопора самолета

Перегрузки при штопоре невелики — 1,5—2, иногда 3, но величина и направление их в процессе вращения самолета непрерывно меняются. В различных точках самолета перегрузки разные; они зависят от расстояния данной точки до центра тяжести самолета. Вблизи центра тяжести перегрузки минимальные.

При вводе самолета в пикирование подъемная сила крыльев меньше веса самолета (рис. 32) и следовательно, перегрузка на некоторое время становится меньше единицы.

Рис. 32. К объяснению изменения перегрузки при вводе самолета в пикирование

При резком вводе в пикирование перегрузка может стать даже отрицательной (при абсолютной величине порядка 0,5—1, а иногда и более). В этом случае летчик удерживается на сиденье только с помощью привязных ремней.

На установившемся пикировании все силы, действующие на самолет, взаимно уравновешены и перегрузка (равнодействующая) равна единице. По вертикальной оси самолета при отвесном пикировании перегрузка n_у = 0.

Вывод самолета из пикирования нередко сопровождается перегрузками, наибольшими из всех возможных в полете. При выводе из пикирования в процессе поворота самолета вокруг поперечной оси крыло становится к потоку под значительным углом атаки, что в совокупности с большой скоростью пикирования может привести к опасному увеличению подъемной силы (рис. 33). Перегрузка при этом направлена примерно по радиусу кривизны траектории самолета.

Рис. 33. К объяснению изменения перегрузки при выводе самолета из пикирования. Силы Р и Q, взаимно уравновешивающие друг друга (см. рис. 32), на этом рисунке не показаны

При выводе из пикирования между величиной перегрузки по вертикальной оси самолета n_у, скоростью полета и радиусом кривизны траектории существует следующая зависимость:

Величиной cos 0 учитывается влияние на перегрузку положения самолета.

В табл. 4 приведены значения перегрузок n_у для различных случаев вывода из пикирования (без величины cos 0).

При резких отклонениях руля высоты подъемная сила крыла может очень быстро увеличиться. Для того чтобы не допустить чрезмерной перегрузки самолета, нагрузка на ручке (штурвале) управления самолетом должна зависеть от скорости полета, угла отклонения руля и величины перегрузки. При этом условии, для того чтобы создать в полете большую перегрузку, летчик должен приложить к ручке управления значительные усилия.

Максимально допустимой положительной перегрузкой самолета-истребителя обычно считается восьмикратная. В полетах перегрузка достигает этой величины редко и притом на короткое время (рис. 34).

Рис. 34. Примерная акселерограмма полета по учебному заданию

Рассмотрим перегрузки при посадке (рис. 35). После того как самолет коснулся земли, его вес частично еще уравновешивается подъемной силой крыла kY (k — коэффициент, учитывающий уменьшение скорости на пробеге).

Рис. 35. К объяснению перегрузки при посадке (нагрузка на шасси не показана)

По мере уменьшения скорости на пробеге все большая и большая часть веса самолета приходится на колеса. Перегрузка на пробеге равна в вертикальном направлении единице и колеблется около этой величины при перекатывании колес шасси через неровности и при «козлах».

При торможении самолета сила трения F создает перегрузку в горизонтальном направлении от 0,2 до 0,6.

При более интенсивном торможении, например в случае посадки с убранным шасси, сила трения примерно равна весу самолета и перегрузка в направлении пробега увеличивается до единицы. Для того чтобы при такой посадке избежать ушибов, необходимо надежно привязываться к сиденью поясными и плечевыми ремнями.

Еще более высокая перегрузка может возникнуть при посадке на препятствия и при посадке сухопутного самолета на воду.

Между длиной пути торможения, посадочной скоростью самолета и перегрузкой существует следующая зависимость (для случая равномерного торможения):