Ликбез. Аэрофобия

                Я пишу эту книгу для людей, совершенно далеких от авиации: для домохозяек, которым, может, всего-то  раз в год и придется слетать в отпуск самолетом.
                Но так как при этом неизбежно придется оперировать авиационными терминами, я постараюсь на пальцах, в примитивном виде, дать первоначальное понятие о принципах безопасного полета самолета – и тем самым заполнить пробел в ваших знаниях, утолить жажду информации.
                Профессионалов, любителей точности, формул и графиков прошу пока покурить в сторонке.

                Как создается подъемная сила и от каких факторов она зависит?

                Возьмем плоскую пластинку и станем обдувать ее ровным воздушным потоком так, чтобы она разрезала воздух. Передняя кромка пластинки разделит струю на две части: одна пойдет над пластинкой, а другая – под нею. А за задней кромкой эти две части потока снова соединятся.
                Если верхнюю часть пластинки сделать выпуклой, а нижнюю оставить плоской, то верхняя часть потока, стремясь соединиться с нижней, будет двигаться быстрее: ведь надо успеть пройти по кривой больший путь.
                Там, где скорость потока больше, давление всегда меньше. Значит, над пластинкой будет меньшее давление, а под пластинкой – останется то же самое.
                Разность давлений под нижней и над верхней поверхностью и создает подъемную силу.
                Чем скорость потока больше, тем больше подъемная сила.
                Вот так примерно устроено крыло самолета: сверху оно выпуклое, а снизу вроде как плоское.
                Теперь повернем пластинку под углом к потоку, приподнимем ее переднюю кромку. Воздух будет набегать уже не параллельно пластинке, а под углом к ней. Этот угол и есть знаменитый угол атаки. Чем он больше, тем больше подъемная сила.
                Приподнимем переднюю часть пластинки сильнее. Подъемная сила увеличится, пластинку  станет вырывать из рук вверх; так поднимается воздушный змей.
                А если поставить пластинку вообще поперек потока, то никакой подъемной силы не будет, а будет одно лобовое сопротивление.
                Где же та грань, за которой при увеличении угла атаки подъемная сила начинает пропадать?
                Эта граница называется критическим углом атаки.
                На самолетах рабочие углы атаки находятся где-то в пределах до 15 градусов. Если крыло задрать еще сильнее, верхняя часть потока, обтекающая его криволинейную поверхность, уже не сможет соединиться с нижней частью потока за задней кромкой крыла. Верхний поток начнет срываться, закручиваться и станет турбулентным. А давление в таком турбулентном, вихреобразном потоке  станет равным тому, что под крылом, – и подъемная сила резко упадет.
                Значит, для создания и поддержания   подъемной силы нужно как-то выдерживать угол атаки крыла, не доводя его до критического значения, –  в так называемом летном диапазоне.
                Чтобы  внезапно не выскочить за предел летного диапазона, надо иметь какой-то запас угла атаки. Если, к примеру, критический угол равен 15 градусов, то лучше лететь на угле атаки 10, имея запас по углу атаки (или запас по сваливанию) 5 градусов. И не задирать крыло выше этих 10 градусов.
                Цифры эти приведены здесь весьма произвольно. На самом деле, диапазон летных углов атаки на высоте гораздо более узок: чем больше высота полета, тем меньше становится критический угол атаки, тем ближе подкрадывается он  к летным углам.   
                Таким образом, с ростом высоты полета запас по сваливанию уменьшается.

                Выдержать в полете безопасный запас по сваливанию не так и трудно. Как только самолет задирает нос, так его скорость начинает падать. Как только самолет начнет опускать нос, скорость увеличивается. А пилотируется самолет именно выдерживанием скорости.
                Если в полете уменьшится тяга двигателей, самолет начнет терять скорость. Для того чтобы сохранить прежнюю подъемную силу, а значит, высоту, придется чуть увеличить угол атаки.  Скорость начнет падать. Для сохранения заданной высоты придется все увеличивать и увеличивать угол атаки, выбирая запас по сваливанию.
                Многотонный самолет инертен и не так-то быстро теряет скорость. Так что выдерживание безопасного запаса по сваливанию – дело не очень сложное. И автопилот, и пилотирующий вручную летчик делают это автоматически.
                Правда, можно одним коротким, резким движением штурвала на себя «вздернуть самолет на дыбы». При этом угол атаки на еще безопасной  скорости может выйти за критическое значение. Но так никто не пилотирует.
                А если экипаж прозевал, и самолет потерял скорость и подошел к опасному пределу, – хоть что-то может предупредить пилотов?
                Во-первых, если угол атаки достиг критического значения и начинается срыв потока с верхней поверхности крыла, завихрения начнут трясти самолет. Перед сваливанием он как бы зависает и весь дрожит. Достаточно сунуть штурвал от себя, опустив нос и уменьшив таким образом угол атаки, как тряска прекращается, а самолет начинает разгонять скорость.
                Во-вторых, на тех самолетах, где по конструктивным особенностям срыв потока с крыла не вызывает заметной тряски, устанавливают специальный механизм принудительной тряски штурвала. Как штурвал затрясло – толкай его от себя, и все прекратится.
                В-третьих, на некоторых самолетах устанавливают специальный прибор, показывающий наглядно текущий угол атаки и границу критического угла. Шкала прибора крупная. Деления широкие. И вполне можно отдать отчет, как изменяется угол атаки и как близко он подходит к критической черте.
                Кроме того, на этом приборе устанавливается еще звуковая и световая сигнализация: загорается красная лампочка и гудит сирена. Если экипаж не услышит сирену, не увидит красную лампочку, не обратит внимание на слившиеся стрелку и красный сектор на шкале прибора – ну, тогда, еще через пару градусов, самолет начнет сваливаться. Но даже в этот момент пилоту достаточно энергично отдать штурвал –  и все восстановится.

                На любимом моем самолете Ту-154, на котором я пролетал двадцать три года, в полете угол атаки стоит обычно в пределах около шести градусов по прибору. А критический угол караулит где-то на девяти градусах. Самолет себе спокойно идет на автопилоте, все стрелки неподвижны.
                По мере выработки топлива вес самолета уменьшается, и ему уже не требуется большая подъемная сила, иначе он станет стремиться набирать высоту. Поэтому автопилот потихоньку опускает и опускает нос вниз, уменьшая таким образом угол атаки. Подъемная сила от этого уменьшения угла тоже уменьшается и вновь становится равной уменьшившемуся полетному весу. Так автопилот выдерживает заданную высоту.
                В конце долгого маршрута, глядишь – текущий угол атаки уже где-то около четырех градусов. А критический – так и сторожит на девяти.
                Запас по сваливанию растет по мере облегчения самолета. В начале полета, на тяжелом самолете, было три градуса, а теперь, на легком, после выработки топлива, стало пять градусов.

                Если воздух на высоте по каким-то причинам станет теплее обычных 55-60 градусов мороза, самолету становится труднее лететь. Двигатели, засасывающие теплый, а значит, более жидкий  воздух, теряют тягу.  Крыло, обтекаемое жидким теплым воздухом, тоже теряет подъемную силу. Чтобы ее поддержать, самолет вынужден лететь на большем угле атаки, а значит, запас по сваливанию уменьшается.
                Когда самолет еще может лететь, но уже не может набирать высоту, это называется «достиг потолка». По мере выработки топлива самолет снова может забраться повыше. Это уже будет его потолок для меньшего полетного веса.
                Чем меньше вес, тем большего  потолка может достичь самолет. Но не до бесконечности.  По ряду причин максимальная высота полета ограничена. Для самолета Ту-154   максимально допустимая высота полета  12500 метров.

                На большой высоте воздух более разрежен и позволяет самолету лететь с большой скоростью. На малой высоте воздух плотен, и при превышении приборной скорости давление скоростного потока может просто разрушить самолет.
                Создать же прочный самолет, чтобы летал быстро на малых высотах, экономически не выгодно: он сможет возить только свою тяжелую, прочную конструкцию, а больше не поднимет.
                Так что быстро летать лучше все-таки на не таком прочном, но зато легком самолете, на больших высотах.  Приходится для этого  создавать  герметичную кабину и поддерживать в ней комфортные условия. И много чего еще надо добавить в конструкцию, чтобы безопасно летать на границе стратосферы.
                Чтобы быстро лететь, нужна большая тяга двигателей, для преодоления сопротивления воздуха. А большая тяга – это большой расход топлива. На высоте же сопротивление жидкого воздуха меньше, а значит, потребуется меньшая тяга для достижения той же скорости.
                Выходит, на высоте меньший расход топлива. Вот где собака зарыта!  Оказывается, современные самолеты  летают высоко  потому, что там, на границе стратосферы, полет оптимален.
                Это означает, что большую загрузку, с наименьшим расходом топлива, с приличным запасом по сваливанию, а значит, безопасно, можно перевезти именно на высотах от 10100  до 12100 метров.

                Цифры высот полета, эшелонов,  таковы: «туда» – 8100, 9100, 10100, 11100, 12100; «обратно» – 8600, 9600, 10600, 11600. Ты летишь на 10600, а навстречу тебе два шлейфа тянутся за самолетами на 10100 и 11100. Между нашим и встречным эшелонами должен выдерживаться промежуток по высоте,  500 метров, чтобы не столкнуться.  Плюс-минус 30 метров. (Летчики,  пожалуйста, не уточняйте).
                Возможность маневрирования при полете на  эшелонах не очень велика. Все самолеты всегда летят практически на  максимальной скорости, грубо, 850-900 км/час. Это оптимальная, безопасная скорость. Не сильно-то обгонишь. Хорошо, когда впереди летит однотипный борт, с такой же как и у тебя скоростью. Тогда выдерживать положенную друг за другом дистанцию 30 км нетрудно.
                А если требуется с 10600 перейти на 11600?  Надо, чтобы между тобой и встречным бортом, летящим на 11100, к моменту, когда будешь пересекать его эшелон,   была продольная дистанция 30 км и боковой интервал 10 км. 
                Если же пересекаешь эшелон, занятый попутным бортом, дистанция должна быть 20 км в момент пересечения.
                Таковы правила полета по трассам – при непрерывном радиолокационном контроле диспетчером с земли. А если у диспетчера локатор почему-то не работает, то вообще самолеты на одном эшелоне летят по этому участку трассы с интервалом по времени 10 минут друг за другом, то есть, примерно, через 150 км.
                Это я по поводу «тесноты» на воздушных трассах. Просто так, наобум – не обгонишь, не пересечешь. Все это –  вопросы безопасности полета. И капитаны должны хорошо представлять себе всю аэронавигационную и метеорологическую обстановку, соотносить ее с возможностями машины, возможностями маневра и еще многими другими факторами.

                Видели бы вы, как в свете зари вдоль всей трассы тянутся навстречу прямые жгуты спутных следов, и впереди точка самолета. Ближе, ближе – уже видно, как заворачиваются в разные стороны две струи расширяющегося пара… промелькнул – и медленно тает скрученная тугая нить траектории движения.
                Это красота, доступная лишь посвященным. Каждый из нас натянул по чистому небу миллионы километров этих белых струн, и стратосферные ветра играют на них прекрасную мелодию Полета.



                *****

               Продолжение:  http://www.proza.ru/2014/11/02/1235