Скорость полета и удельная нагрузка

Самолеты летают по воздуху. Воздушные шары, наполненные легким газом, плавают в воздухе – как поплавок в воде. Парашюты и осенние листья медленно опускаются на землю, опираясь на воздух. А самолеты непрерывно «наезжают» на воздух своими крыльями, установленными под небольшим углом к вектору скорости воздушного потока. Этот угол в аэродинамике называется «угол атаки» – выражение, очень любимое журналистами. Нам же с Вами важно понять и запомнить, что «угол атаки» – это вовсе не угол наклона траектории полета по отношению к горизонту (т. е. не угол пикирования или кабрирования), а угол наклона крыла к невидимому и абстрактному «вектору скорости потока». (См. рис. 1)

Рис. 1

Наука гласит, что самолет летает потому, что на нижней поверхности крыла создается зона повышенного давления, благодаря чему на крыле возникает аэродинамическая сила, направленная перпендикулярно крылу вверх. Для удобства понимания процесса полета эту силу раскладывают по правилам векторной алгебры на две составляющие: силу аэродинамического сопротивления X (она направлена вдоль воздушного потока) и подъемную силу Y (перпендикулярную вектору скорости воздуха). (См. рис. 2).

Первый вывод из вышесказанного: за все хорошее приходится платить, и в этом смысле законы аэродинамики ничем не отличаются от законов жизни. За подъемную силу приходится «платить» сопротивлением. Причем, за большую подъемную силу приходится платить особенно большим сопротивлением. Т. е., если при полете на «спокойном» крейсерском режиме сопротивление составляет примерно одну десятую от подъемной силы, то при полете на больших углах атаки (на которых и создается максимально возможная подъемная сила) сопротивление может вырасти до одной четвертой подъемной силы.

Рис. 2

Интуитивно понятно, что аэродинамические силы зависят от площади крыла, угла атаки, плотности воздуха и скорости потока воздуха (для современного самолета, скорость которого значительно больше скорости ветра, за скорость потока можно принять скорость движения самолета относительно воздуха, каковая в случае горизонтального полета совпадает со скоростью полета относительно земли). Наука утверждает, что эта зависимость (как и большинство фундаментальных законов природы) выражается предельно простой формулой:

Зависимость подъемной силы от площади крыла (S) и плотности воздуха () прямо пропорциональная. Т. е. сделали крыло в два раза больше – получайте в два раза большую подъемную силу, поднялись на большую высоту, где плотность воздуха в два раза меньше, чем у земли, – все аэродинамические силы уменьшились вдвое и т. д. Влияние формы профиля крыла и текущего значения угла атаки выражается в безразмерном коэффициенте Су.

Зависимость аэродинамических сил от скорости потока – квадратичная. Скорость выросла в два раза – сопротивление выросло в четыре раза, скорость увеличилась в три раза – сопротивление уже в девять раз больше и т. д. Это, наверное, самое главное из того, что «должен знать каждый». По крайней мере, каждый, кто хочет при случае поговорить о проблемах военной авиации.

Квадратичный характер зависимости подъемной силы от скорости объясняет многое из того, что мы знаем и видим. Вот, например, летит по экрану телевизора американская «крылатая ракета». Из сигарообразного фюзеляжа торчат в стороны два крохотных узеньких крылышка. И с такими несерьезными крылышками «ракета» (точнее говоря – беспилотный самолет) летит сотни километров и не падает. Почему? Большая скорость (порядка 250 метров в секунду), возведенная «в квадрат», позволяет создать достаточную подъемную силу даже на таком маленьком крыле. «Крылатая ракета» является примером предельно «однорежимного» самолета. Все скорости: «взлетная», крейсерская, максимальная для нее равны. А как же спроектировать нормальный самолет, которому надо взлетать с земли и у которого максимальная скорость значительно больше взлетной? Например – типичный современный истребитель взлетает на скорости 250 км/час и разгоняется в воздухе до скорости 2500 км/час. Десять «в квадрате» равняется сто. Этот бесспорный факт приводит нас к мысли о том, что необходимое для полета на максимальной скорости крыло могло бы быть в сто раз меньше по площади, чем «взлетное» крыло. Или, другими словами, крыло при полете на максимальной скорости превращается в лишнюю обузу, которая мало того что имеет вес, но еще и создает огромное дополнительное сопротивление.

Надеюсь, читатель уже требует объяснений. В самом деле – что такое «большое крыло»? Большое – это сколько? Например, крыло площадью 18,3 кв. м – это «большое» или «маленькое» крыло?

Давайте посчитаем. Крыло именно такой площади имели три истребителя, стоявшие на вооружении германской авиации: «Фоккер» D‑1 (Первая мировая война), «Фокке‑Вульф» ‑190 D (Вторая мировая война), «Старфайтер» F‑104 G («холодная война» 60‑х годов). Максимальный взлетный вес этих самолетов составлял соответственно 586, 4840 и 13 170 кг. Соответственно, у «Фоккера» на каждом метре крыла «висело» 32 кг веса самолета, у «Фокке‑Вульфа» – 264 кг, а у «Старфайтера» – 720 кг. Этот параметр – «удельная нагрузка на крыло» – и является количественной мерой понятия «большое или маленькое» крыло. Слова «большое крыло» соответствуют технически грамотному выражению «малая удельная нагрузка».

А теперь самый интересный вопрос: почему бы нам не сделать самолет с маленьким крылом (с большой удельной нагрузкой), да и взлетать со скоростью если и не равной, то хотя бы близкой к максимальной? Ведь мощный турбореактивный двигатель на самолете уже стоит, и разогнать самолет до большой скорости он в принципе может. Увы, не все так просто. Во‑первых, для разгона до скорости «всего лишь» в 1000 км/час потребуется бетонная взлетная полоса длиной в несколько десятков километров. Самое же главное заключается в том, что самолету с людьми надо не только взлететь в воздух, но еще и сесть на землю. И мощнейший двигатель, и огромную полосу сделать можно. Дорого, но можно. А вот «встретиться» с жесткой землей на скорости 1000 км/час и при этом не разбиться вдребезги – нельзя. Лучше и не пробовать. Практика показала, что посадочная скорость 270–330 км/час является пределом возможного даже для летчика с многолетней подготовкой, сажающего самолет на идеально гладкую «бетонку». А вот тому, что называется «крылатая ракета», ни взлетать, ни садиться не надо: запускают ее с самолета‑носителя, который уже летит на огромной скорости, и чем сильнее она врежется во вражеский объект – тем хуже для него…

Все, что мы уже изучили, мы учили не зря. Теперь Вы уже можете разобраться в том, почему «безнадежно устаревшие» советские истребители «не могли догнать» немецкий бомбардировщик.

Тонкое с виду крыло является главным источником аэродинамического сопротивления. Парадоксально, но это именно так. Соответственно, увеличение удельной нагрузки (т. е. уменьшение площади крыла) является одним из самых эффективных способов достижения большой скорости полета. Для иллюстрации этого вывода стоит привести один хрестоматийно известный, пример. Гоночный самолет «Супермарин» S‑6B, установивший в 1931 году мировой рекорд скорости, был… поплавковым гидросамолетом! Аэродинамическое сопротивление двух огромных (длиной с фюзеляж) поплавков с подкосами и расчалками не помешало разогнать самолет до скорости 655 км/час, что вдвое превышало скорость серийных истребителей того времени. У этого чуда техники было два объяснения: феноменальный мотор «Роллс‑Ройс» и очень высокая для той эпохи удельная нагрузка на крыло – 178 кг/кв. м. А для того, чтобы самолет с таким «маленьким крылом» мог взлететь и успешно приземлиться, конструктор Реджинальд Митчелл (будуший создатель легендарного «Спитфайра») выбрал схему гидросамолета, который и садится на «мягкую» воду, и разгоняется на «взлетной полосе» практически неограниченной длины…

Военная авиация начиналась с удельной нагрузки 30–40 кг на квадратный метр и крыла, форма профиля которого обеспечивала коэффициент подъемной силы 0,7–1,0. При таких параметрах для отрыва от земли требовалась скорость порядка 80 – 100 км/час. Такая небольшая взлетная скорость делала возможным эксплуатацию самолетов с простейших грунтовых аэродромов, а требования к максимальной скорости полета были тогда очень скромными: летает быстрее паровоза, и ладно. Затем, на рубеже 20 – 30‑х годов появились технические и тактические предпосылки к значительному увеличению удельной нагрузки.

Технические состояли главным образом в том, что были разработаны, испытаны и внедрены в практику разнообразные «средства механизации крыла»: закрылки и предкрылки. (См. рис. 3)

Рис. 3

Эти устройства позволяли кратковременно (на момент взлета‑посадки) увеличить кривизну профиля крыла, увеличить площадь крыла (выдвижные закрылки) и максимально допустимый по условиям срыва потока угол атаки (этот эффект обеспечивают предкрылки). (См. рис. 4)

Рис. 4

Все эти меры в совокупности позволили увеличить коэффициент подъемной силы до 2–2,5 единицы. Соответственно, даже при сохранении взлетной скорости не более 100 км/час стал возможным рост удельной нагрузки на крыло с 30–40 до 120–130 кг/кв. м. Затем к техническим усовершенствованиям добавилось изменение взглядов военного руководства на тактику применения боевой авиации. Для бомбардировщиков с радиусом действия в 500–1500 км перестало быть необходимым базирование на грунтовых аэродромах в непосредственной близости от линии фронта. Дальние бомбардировщики могли вылетать на задание с небольшого числа крупных аэродромов, расположенных в глубоком оперативном тылу и оборудованных бетонными взлетно‑посадочными полосами большой (1–2 км) длины. Бетонная полоса сделала возможным увеличение безопасной посадочной скорости до 130–150 км/час. С учетом квадратичной зависимости подъемной силы от скорости полета такой рост допустимой посадочной скорости теоретически позволял увеличить удельную нагрузку до 200–250 кг/кв.м.

Практически так «далеко» дело зашло не сразу, но уже во второй половине 30‑х годов в серийное производство были запущены бомбардировщики с удельной нагрузкой 140–160 кг/кв. м, (немецкий «Дорнье‑17», советский «ДБ‑3», английский «Бленхейм», итальянский «Савойя‑Маркетти‑79»). И это, как показала практика, было только началом процесса неуклонного роста удельной нагрузки. Немецкий «Юнкере‑88» и советский «Пе‑2» уже в первых своих модификациях имели удельную нагрузку 190 кг/кв. м, а закончили мировую войну бомбардировщики (советский «Ту‑2» и американский В‑26) с удельной нагрузкой 230–250 кг/кв. м и максимальной скоростью полета, соответственно, 547 и 510 км/час.

Законы аэродинамики не знают таких слов, как «истребитель», «бомбардировщик», «штурмовик»… Самолет с «большим крылом» (малой удельной нагрузкой) обладает большим сопротивлением. Вот почему истребители (не «безнадежно устаревшие советские», а все истребители того периода) с удельной нагрузкой в 100–140 кг/кв. м потеряли способность догнать бомбардировщик. Правда, за счет значительно большей, нежели у бомбардировщика, тяговооруженности (сила тяги винтомоторной установки, поделенная на вес) лучшие истребители 30‑х годов (советский «И‑16», американский «Р‑36», французский «MC‑406», немецкий «Bf‑109D») преодолевали аэродинамическое сопротивление «большого крыла» и разгонялись до скорости 460–500 км/час, в то время как максимальная скорость немецкого «Юнкерса» 88 А‑1 не превышала отметку в 460 км/час. Но – небольшое (на 30–40 км/час) превосходство в скорости далеко не всегда позволяет догнать бомбардировщик противника (простейший расчет, который читатель может произвести самостоятельно, показывает, что при обнаружении вражеского бомбардировщика на дальности в 5 км «время догона» составит в этом случае 9 минут, а «дистанция догона» – 70 км).

Все это просто и понятно. Странно на первый взгляд другое – что же мешало конструкторам истребителей увеличить удельную нагрузку в той же мере, в какой это было сделано на бомбардировщиках? Это простой вопрос, но для ответа на него нам придется разобраться в том, как самолеты поворачиваются в воздухе.