Углы в авиации: немного теории

Тема авиации обширна, и рассказывать что-либо без применения терминологии – занятие неблагодарное. Слишком велик шанс либо запутать читателя ещё больше, либо наврать. А учитывая специальность автора (динамика и управление, незаслуженно непопулярные даже в собственном университете), рассказывать интересности без хотя бы минимальной теоретической подготовки не выйдет. Поэтому перед предметными статьями будут статьи с теоретическим минимумом, изложенным в облегченной форме. Небольшая статья, почему самолёт летает, уже была, но самолёты умеют взлетать, садиться, маневрировать, а изредка даже падают. Многое из этого завязано на понятиях углов Эйлера. Если хотите сразу к сути, то пропустите следующие три абзаца, это будет не критично.

Углы эти берутся не из головы, а из нескольких систем координат. Да, самолёт находится одновременно в нескольких разных системах, для моей дипломной работы, например, их понадобилось четыре штуки. Для самых важных и самых часто используемых углов их понадобится всего две.

Первая система называется связанной и обозначается как OXYZ. В ней продольная ось OX направлена вдоль оси самолёта от хвоста к носу. У нее есть некоторые нюансы расположения, но сейчас они нас не волнуют. Нормальная ось OY направлена к верхней части самолета под прямым углом к продольной, а они вместе образуют плоскость симметрии самолёта OXY. Поперечная ось OZ направлена по правому полукрылу самолёта от фюзеляжа и дополняет систему до правой. Начало координат в центре масс самолёта. Небольшой факт: если сейчас я захочу показать свои расчеты инженеру, например, НАСА, он не поймет. Не поймет потому, что в западной школе авиастроения (назовем ее так) приняты не правые, а левые системы координат. Из-за этого возникает огромная путаница со знаками и переводом расчетов.

Но это мы отвлеклись, а у нас тут вторая важная система координат простаивает ‒ скоростная OXaYaZa. Скоростная ось OXa направлена по вектору воздушной скорости (это скорость относительно потока воздуха, с учётом ветра и прочих возмущений), ось подъемной силы OYa находится в плоскости симметрии самолёта и направлена к верхней части самолета, а боковая ось OZa дополняет систему до правой. Начало координат так же в центре масс.

Теперь, наконец, о углах. Самыми важными для расчетов являются углы атаки, скольжения и крена. За ними идёт угол тангажа, который отображается на авиагоризонте у пилотов. Для навигации используют рыскание или курс относительно севера. И где-то на задворках сознания студентов пылятся угол пути и скоростные углы рыскания, тангажа и крена. Они выводятся из других систем координат и очень редко используются.

Итак, угол атаки, угол, чье изменение на несколько градусов способно как поднять самолёт в воздух, так и свалить его в землю. А еще от него зависит подъемная сила, чем больше угол, тем больше сила (но есть нюанс). Угол атаки ‒ это угол между продольной осью и проекцией воздушной скорости на плоскость симметрии самолёта, обозначается греческой строчной альфа. Звучит страшно, но на самом деле все просто: угол атаки показывает, насколько нос самолёта поднят (или опущен, если угол отрицательный) относительно воздушной скорости. В нормальном горизонтальном полете всегда есть небольшой положительный угол атаки, и воздух набегает на самолёт не четко в нос, а немного в пузо. Этот угол очень хорошо заметен на взлете и посадке, когда самолет летит буквально днищем вперед, т.е. скорость направлена вперед по взлетно-посадочной полосе, а нос в это время задран вверх.

Вторым углом будет угол скольжения. Он не такой пафосный, как угол атаки, но тоже очень важный, особенно на больших скоростях, когда они объединяются с углами атаки и крена и общими усилиями могут устроить катастрофу (истребители из-за этого падают). Угол скольжения ‒ это угол между воздушной скоростью и плоскостью симметрии самолёта, обозначается греческой строчной бета. Если в случае угла атаки воздух набегает в пузо, то в случае угла скольжения воздух набегает в бок. Если набегает в левый бок ‒ угол положительный. Угол скольжения можно увидеть при посадке самолета с сильным боковым ветром (внизу будет фотка), когда самолет летит к полосе боком и выравнивается только перед самым касанием или даже после него.

Про угол крена уже сказано, поэтому про него кратко: это угол между нормальной осью OY (связанной системы) и вертикальной плоскостью, обозначается строчной гамма. Если одно полукрыло самолёта выше другого ‒ самолёт летит с креном. Если левое полукрыло выше ‒ крен положительный.

Если эта троица при всяком удобном случае стремится устроить встречу самолёта с землёй, то угол тангажа не такой. Он честный работяга, помогающий пилотам, работает в авиагоризонте (одни из приборов на панели самолета, тоже будет фотка) без выходных и праздников. Угол тангажа – угол между продольной осью OX и местной горизонтальной плоскостью. Он обозначается строчной тета. Знак определяется так же, как и для атаки.

Получилось много, но и затронуто достаточно много. Теперь, когда терминология более-менее ясна, можно изучать то, как летать на самолёте и как правильно, а главное надёжно, этот самолёт уронить.

А для тех, кто дочитал, небольшая задачка, ответ на которую будет в следующей статье: самолёт летит с положительным углом атаки, околонулевым креном, отрицательным тангажом и при всем этом курс циклически меняется. Что происходит? Если вы это решите, то поздравляю вас, мы это на третьем курсе не все могли решить.

Рисунки:
1. Истребитель, летящий с большим отрицательным углом крена, на глаз градусов 60
2. Приборная панель самолета Ту-154. Над штурвалом виден прибор с кругом, как бы поделенный на две половинки, светлую сверху и темную снизу. Это авиагоризонт, а две черточки на нем (одна горизонтальная и чуть под наклоном, вторая вертикальная и смещена вправо) пилоты называют директора
3. Отрыв самолета Ту-144 от полосы. Пока что он летит почти горизонтально, а нос задран высоко, значит, он летит с положительным углом атаки и положительным углом тангажа
4. Справа обозначены углы: буквой альфа обозначен угол атаки. Печатной тета обозначен угол наклона траектории (но есть нюанс). Строчной закругленной тета обозначен самый большой угол, угол тангажа.

Гифки:
1. Прерванная посадка истребителя на авианосец. Видно, как он летит с огромным углом атаки, буквально пузом вперед
2. Посадка авиалайнера с сильным боковым ветром. Самолет летит ровно вперед, скорость направлена по полосе, но при этом он расположен в воздухе боком. Угол скольжения на глаз около 15-20 градусов