Еще один основополагающий принцип авиации — закон Бернулли, названный в честь Даниила Бернулли, швейцарского математика, жившего в XVIII веке и никогда не видевшего самолет. При прохождении жидкости через узкий участок или искривленную поверхность ее скорость увеличивается, а давление падает. В нашем случае жидкость — это воздух, который движется быстрее, проходя через искривленную верхнюю поверхность крыла (область пониженного давления), чем при прохождении по более плоской нижней поверхности (области повышенного давления). В результате получается толчок вверх. Крыло при этом плывет, если можно так сказать, на подушке высокого давления.
Заранее приношу свои извинения за примитивное объяснение, но суть в следующем: разница давлений по Бернулли вместе с простым отклонением молекул воздуха (которое легко себе представить, высунув руку из окна автомобиля) порождают неотъемлемый компонент полета — подъемную силу.
Значительное падение подъемной силы называется сваливанием. Основной принцип можно наглядно продемонстрировать на шоссе: поверните вашу ладонь на более значительный угол к набегающему потоку или затормозите автомобиль до определенного уровня, и ваша рука перестанет лететь.
Даже одного взгляда на устройство крыла достаточно, чтобы понять: не все так просто
Верно. Ваша рука может полететь, даже кирпич полетит, если под ним будет достаточно воздуха, но он не очень-то хорошо к этому приспособлен. Крылья реактивного самолета должны быть очень хорошо приспособлены к полету. Оптимальный режим функционирования крыльев — крейсерский полет. Для него основной массе реактивных самолетов нужно набрать большую высоту и лететь со скоростью, немного меньшей, чем скорость звука. Но крылья должны обладать хорошими характеристиками и для полетов на меньших высотах и скоростях. Со всем этим приходится разбираться инженерам при помощи аэродинамических труб. Поперечный профиль крыла, вокруг которого циркулирует воздух, называется аэродинамическим профилем, он сконструирован чрезвычайно тщательно. Не только поперек, но и вдоль крыла форма и толщина меняются от его передней части к задней и от корня до законцовки. Все это делается исходя из аэродинамических расчетов, которые мы с вами никогда до конца не поймем.
Крылья оснащаются целым рядом дополнительных компонентов: закрылками, предкрылками и интерцепторами (спойлерами). Закрылки двигаются назад и вниз — так они увеличивают кривизну аэродинамического профиля, обеспечивая тем самым безопасный и стабильный полет на малых скоростях. (Самолеты взлетают и садятся с выпущенными закрылками, хотя конкретные настройки всегда разные.) Закрылки бывают внешними и внутренними[4] и могут быть разделены на секции по горизонтали. Предкрылки отклоняются вперед от передней кромки крыла и выполняют аналогичную функцию. Спойлеры — это прямоугольные поверхности, выдвигающиеся из верхней поверхности крыла. Поднятый спойлер уменьшает поток воздуха по верхней поверхности крыла, чем снижает подъемную силу, увеличивая аэродинамическое сопротивление. Во время полета они используются для увеличения скорости снижения, при приземлении — помогают тормозить.
Помню один из своих первых полетов на самолете — это был Boeing 727. Я сидел у окна, прямо позади крыла, и видел, как во время снижения крыло стало будто бы распадаться на части. Опустились большие трехщелевые закрылки, закачались и затряслись спойлеры, встали на свои места предкрылки. Словно по волшебству передо мной открылся вид сквозь крыло. Я словно смотрел через кости какого-то древнего окаменевшего животного на дома и деревья, которые открылись моему взгляду в тех местах, где только что были части крыла.
Вы, наверное, обратили внимание, что крылья реактивных самолетов имеют прямую стреловидность. Когда крыло прорезает небо, молекулы воздуха ускоряются по его стреловидному переднему профилю. Когда скорость потока воздуха приближается к скорости звука, вдоль поверхности нарастает ударная волна, которая потенциально может нейтрализовать подъемную силу. Прямая стреловидность крыла обеспечивает лучшее обтекание крыла воздушным потоком по всей поверхности. У скоростных самолетов этот угол стреловидности составляет больше 40 градусов, а у самых медленных его почти нет. Установка крыльев с положительным углом, под которым плоскости крыла прикрепляются к фюзеляжу самолета (относительно горизонтальной плоскости), препятствует поперечному вращению, или отклонению от курса, называемому рысканием. Этот угол наклона плоскости крыльев лучше всего виден, если смотреть из носовой части самолета, и называется он углом поперечного V. В Советском Союзе иногда использовалась противоположная версия — отрицательный угол поперечного V: они наклоняли крылья книзу.
Крыло — всему голова. Крыло — основа самолета так же, как ходовая часть — основа автомобиля, а рама — велосипеда. Большие крылья создают значительную подъемную силу — достаточную, чтобы поднять с земли тяжеловес Boeing 747 (массой почти в 450 тонн) на скорости 170 узлов[5].
Хорошо, с закрылками и предкрылками разобрались. Но я никак не могу взять в толк, зачем нужны другие движущиеся части на внешней поверхности самолета. Панели, которые двигаются вверх и вниз, а в хвостовой части — из стороны в сторону…
Птица маневрирует, изгибая крылья и хвост. Эти движения пытались скопировать пионеры авиации, поэтому в первых прототипах самолетов были механизмы поворота крыла. Однако современные самолеты делаются из алюминия и высокопрочных композитов, а не из дерева, ткани или перьев. Различные движущиеся приспособления управляются за счет гидравлики, электричества и вручную при помощи тросов. Они помогают набирать, снижать высоту и поворачивать.
В конце фюзеляжа находится хвостовое оперение, или вертикальный стабилизатор, который выполняет функцию, логично вытекающую из его расположения, — он позволяет самолету двигаться с заданным курсом. К задней кромке хвостового оперения на шарнирах прикреплен руль направления. Он помогает поворачивать, но не управляет поворотами. Руль в первую очередь призван стабилизировать самолет, уравновесить его раскачивание из стороны в сторону, или рыскание. Некоторые рули делятся на несколько секций, которые двигаются все вместе или по отдельности — в зависимости от скорости воздушного потока. Пилот управляет рулем направления посредством ножных педалей, хотя устройство под названием «демпфер рыскания» выполняет большую часть этой работы автоматически.
Два маленьких крыла находятся ниже хвостового оперения, а иногда крепятся к нему самому. Это горизонтальные стабилизаторы, движущиеся задние части которых называются рулями высоты. Они используются для управления тангажом[6] самолета: пилот увеличивает или уменьшает его, двигая ручку управления (джойстик) вперед или назад.
