Современным самолётом невозможно управлять
И это даже не кликбейт. Ну ладно, частично кликбейт: если вы захотите полетать на каких-нибудь пассажирских или транспортниках, они будут вас слушаться. Но вот современные истребители совсем не такие. Даже опытные лётчики не могут подчинить их дикий нрав, и если бы не танцы с бубном от шаманов-инженеров, летали бы они значительно хуже. И чтобы понять, почему чем хуже летает истребитель, тем ему лучше, потребуется небольшое погружение в теорию.
Для начала нам потребуются две замечательные точки на самолёте. Первая — это центр тяжести. Про нее все знают, но я все равно напомню: это такая точка, куда условно помещают силу тяжести данного тела; ее основное свойство в том, что сила тяжести, помещенная в эту точку, не создаёт вращающего момента. Поэтому, если центр тяжести находится ровно над опорой, тело удержится в равновесии на этой опоре.
Вторая точка — это аэродинамический фокус. Это такая точка, куда можно условно поместить подъемную силу и при этом подъемная сила не будет создавать момента. Как центр тяжести, только для подъемной силы. Две эти точки могут по-разному располагаться относительно друг друга и от их взаимного положения зависит поведение самолета.
Рассмотрим первый случай: фокус расположен ЗА центром тяжести, ближе к хвосту самолёта. А теперь проведем стандартное испытание динамики самолёта: малое увеличение угла атаки (порыв ветра в днище самолёта), при условии, что самолёт сбалансирован в прямолинейном горизонтальном полете. При увеличении угла атаки возрастает подъемная сила (которая приложена в точке фокуса), следовательно, хвост самолёта начнет подниматься, уменьшая угол атаки (а с ним и подъемную силу). Т.е. после кратковременного возмущения самолёт вернулся в устойчивое положение сам, без дополнительных действий от летчика.
Три схемы взаимного расположения центра тяжести и фокуса, стрелками обозначены моменты, которые создает подъемная сила крыла. Су-27 — статически неустойчив. И-16 — близок статической нейтральности. Ла-7 — статически устойчив
Самолёт, в котором фокус расположен за центром тяжести, называется статически устойчивым. Главный плюс такого самолёта — летчик может поставить рули в балансировочное положение и уйти, самолёт продолжит лететь и с малыми возмущениями справится сам (примечание: разумеется, никакой летчик во время полета свое место не покинет, но никто не запрещал мне утрировать). Все транспортные и пассажирские самолёты статически устойчивы, это очень сильно повышает их безопасность.
Второй случай: расположение фокуса совпадает с центром тяжести, так называемая статическая нейтральность. В этом случае при малом
изменении угла атаки самолёт не вернётся в балансировочное положение, но и уходить от него не будет. Этот самолёт прочувствует на себе все возмущения атмосферы, но он все ещё относительно безопасен, и слушается рулей (и ветров тоже).
Третий случай, самый интересный: фокус расположен ПЕРЕД центром тяжести, ближе к носу. А теперь то же самое испытание, малое увеличение угла атаки. Подъемная сила закономерно увеличивается, вот только теперь она приложена перед центром тяжести и поднимает нос, увеличивая угол атаки ещё больше. Если опоздать с парированием возмущения, самолёт опрокидывается. Такой самолёт называют статически неустойчивым, и вот так он реагирует буквально на все, на любой атмосферных чих в свою сторону. В каждую секунду он пытается опрокинуться в случайном направлении (потому что порывы ветра тоже случайны). А теперь вспомним, что летчик человек, и ему нужно время, чтобы среагировать на изменение положения самолёта. А ещё вспомним про то, что существует (аппаратное) запаздывание системы управления, и убрать его нельзя. Ну и до кучи: в процессе полета у самолёта как минимум меняется положение центра тяжести (топливо выработалось, ракеты отстрелили), а значит, реакция на возмущения атмосферы и на отклонения рулей (на само управление) тоже будет меняться. Итог: человек физически не способен управлять таким самолётом.
И тем не менее, абсолютно все современные истребители статически неустойчивы. Когда я узнала об этом, то у меня возникли два вопроса:
1)Как они тогда летают?
2) Нахрена так мучиться?
А теперь по порядку:
Ответ на первый вопрос был в начале заметки: статически неустойчивые самолёты летают трудами инженеров, ответственных за систему автоматического управления. Эти полубезумные гении собирают многоуровневые системы фантастической сложности и превращают самолёт в динамически устойчивый. Динамически устойчивый — он статически неустойчивый, но ощущается летчиком и управляется как устойчивый. Шаманские танцы с бубном и под мухоморами с кофе перед компом с будущей САУ творят чудеса.
А теперь второй вопрос: нахрена это все надо? Зачем так заморачиваться с суперсложной САУ и за что мы платим безопасностью? Как оказалось, статическая неустойчивость даёт очень вкусные для военных плюшки, которые перевешивают недостатки:
Первая плюшка. В динамике полета понятия устойчивость и управляемость в некотором роде антагонисты. Чем больше устойчивость, тем больше нужно приложить усилий, чтобы вывести самолёт из положения равновесия, следовательно, тем хуже управляемость. Транспортным самолётам не нужно крутить фигуры высшего пилотажа, для них безопасность важнее. А вот у военных все ровно наоборот. Статически неустойчивые самолёты ультраманевренные. Неспособность самолёта хоть сколько-нибудь долго оставаться в одном положении сильно мешает в длительном горизонтальном полете, но в воздушном бою она даёт +100 к маневренности и шансам выжить.
Вторая плюшка. Фокус самолёта тоже не стоит на месте, и чем больше скорость, тем больше он отползает назад, к хвосту. На дозвуке это ещё не заметно, а вот при превышении скорости звука это начинает играть существенную роль. Если фокус ползет на неустойчивом самолете, то такой самолёт просто потихоньку будет приближаться к статической нейтральности. А вот на устойчивом самолёте фокус уползет ещё дальше и самолёт станет слишком устойчивым. Он просто перестанет реагировать на рули до тех пор, пока скорость не уменьшится.
И третья плюшка: дополнительная подъемная сила. Вот тут будет сложно, следите за руками. На статически устойчивом самолёте фокус
расположен за центром тяжести. Из-за этого при полете появляется пикирующий момент: подъемная сила действует ближе к хвосту и опускает нос. Чтобы самолёт не упал, пикирующий момент нужно сбалансировать таким же по величине кабрирующим (направленным на поднятие носа). Балансировочный момент создаётся на горизонтальном оперением, которое в классической схеме расположено на хвосте. Чтобы момент был направлен на кабрирование, нужно, чтобы сила на ГО была направлена вниз (на опускание хвоста и поднимание носа).
Схема балансировки статически устойчивого самолета
Таким образом, часть подъемной силы самолёта (направленной вверх) съедается балансировкой (сила на ГО направлена вниз). Это называется потери на балансировку. Для транспортников эти потери не критичны, там безопасность важнее, и крыло там огромное. А вот у сверхзвуковых истребителей ситуация обратная: крыло у них маленькое и подъемной силы всегда в обрез (кто хочет посмотреть на апофигей маленьких крыльев и недостатка подъемной силы — гуглите фотки Lockheed F-104 Starfighter). И вот тут неустойчивая компоновка выручает: у нее фокус перед центром тяжести, подъемная сила создаёт кабрирующий момент, а балансировочный момент должен быть пикирующим и создаваться на хвосте силой, направленной вверх. Т.о., при статически неустойчивой компоновке потерь на балансировку нет, наоборот, горизонтальное оперение создаёт дополнительную подъемную силу, которая помогает самолёту лететь.
Схема балансировки статически неустойчивого самолета
Поэтому уважайте пилотов истребителей, они летают на том, что каждую секунду может их убить. А ещё больше уважайте инженеров,
которые ценой своего ментального здоровья сделали возможным и даже относительно безопасным такой полет.
Автор: Лиза Гладышева
Оригинал
