Набор высоты и планирование: избыточная мощность и аэродинамическое качество

На шаге 9 мы увидели, что существует скорость, при которой суммарное сопротивление минимально, то есть L/D максимально. Эта скорость становится очень ценной, когда мотор останавливается.

Планирование: сила тяжести заменяет тягу

Когда мотор выключен, тяги, тянущей самолёт вперёд, больше нет. Самолёт плавно снижается, используя составляющую своего веса как «тягу». Соотношение на странице NASA об угле планирования очень простое:

tan γ = h / d = D / L = 1 / (L/D)

Здесь γ — угол планирования, h — потеря высоты, d — горизонтальное расстояние. Значит, в спокойном воздухе:

Горизонтальное расстояние ≈ Высота × L/D

Модель с L/D, равным 10, в спокойном воздухе с высоты 100 м пролетит около 1000 м. Планер с L/D, равным 30, с той же высоты пролетит 3 км. Поэтому L/D также называют аэродинамическим качеством (glide ratio).

hd = h × L/D спокойный воздухγВстречный ветер: корочеПопутный ветер: дальшеtan γ = h / d = 1 / (L/D)Время планирования от ветра не зависит, меняется расстояние относительно земли.

Скорость наилучшего планирования

L/D — не постоянное число: оно меняется со скоростью и достигает максимума на скорости наилучшего планирования. Лётное руководство FAA советует при отказе двигателя сразу установить эту скорость. Полёт медленнее или быстрее этой скорости означает, что с той же высоты самолёт пролетит меньшее расстояние.

Руководство FAA обращает внимание ещё на один интересный момент: если лететь на правильной скорости, вес не меняет дальность планирования. Тяжёлый самолёт снижается быстрее, потому что его скорость наилучшего планирования выше, но планирует под тем же углом на то же расстояние. Именно для этого на планерах используют водяной балласт: чтобы при том же качестве продвигаться быстрее.

Влияние ветра

Самолёт летит относительно воздуха. Если сам воздух движется, самолёт переносится вместе с ним. Наша модель с L/D, равным 10, планирующая со 100 м со скоростью 12 м/с, снижается примерно на 1,2 м в секунду и остаётся в воздухе 83 секунды. Это время не зависит от ветра. Меняется расстояние, пройденное относительно земли:

• В спокойном воздухе: около 995 м
• При встречном ветре 3 м/с: около 745 м
• При попутном ветре 3 м/с: около 1245 м

Руководство FAA также отмечает, что встречный ветер сокращает дальность планирования, а попутный — увеличивает. При сильном встречном ветре полёт немного быстрее скорости наилучшего планирования может увеличить дальность относительно земли.

Набор высоты: избыточная тяга и избыточная мощность

В горизонтальном полёте тяга равна сопротивлению. Если тяга больше сопротивления, разница заставляет самолёт набирать высоту. В главе FAA о лётных характеристиках проводится такое различие:

• Угол набора зависит от избыточной тяги: sin γ = (T − D) / W
• Скороподъёмность зависит от избыточной мощности: вертикальная скорость = (T − D) · V / W

Наилучшие значения этих двух величин достигаются на разных скоростях. Лётное руководство FAA определяет их так:

• Vx (скорость наилучшего угла набора): наибольшая высота на единицу расстояния относительно земли. Для преодоления препятствий.
• Vy (скорость наилучшей скороподъёмности): наибольшая высота за единицу времени. Для обычного набора высоты.

В нашем примере сопротивление модели массой 1,4 кг на скорости 12 м/с составляет 1,37 Н. Если мотор даёт тягу 3 Н, избыточная тяга равна 1,63 Н; самолёт набирает высоту под углом около 6,8° со скоростью около 1,4 м в секунду.

Практические выводы для авиамоделиста

• Если мотор заглох, слегка опустите нос и сохраняйте скорость. Попытка «растянуть» планирование, поднимая нос, снижает скорость: планирование укорачивается и возникает риск сваливания.
• Планируйте посадку против ветра. Если точка посадки находится с подветренной стороны, вы коснётесь земли раньше, чем ожидаете.
• При наличии препятствий набирайте высоту ближе к Vx, без них — ближе к Vy. На модели эти скорости не измеряют, но принцип тот же: не замедляйтесь сильнее необходимого ради крутого набора.

Попробуйте сами

Сначала оставьте тягу на 0 и меняйте ветер от −5 до +5 м/с; обратите внимание, что время в воздухе не меняется, а точка приземления меняется. Затем увеличьте тягу до 3 Н и посмотрите, как самолёт переходит в набор высоты.

Следующий шаг

Переходим к двум самым ответственным моментам полёта: взлёту и посадке. Посмотрим, как ветер, закрылки и покрытие полосы меняют взлётную дистанцию.