Кіріспе

Ұшақтардың ұшу механикасы тұрақты қанатты (планерлер, ұшақтар) және айналмалы қанатты (вертолеттер) ұшақтарға қатысты. Ұшақ (АҚШ терминологиясында – әуе кемесі), ICAO 9110 құжатында "қозғалтқышпен жұмыс істейтін, ауадан ауыр, көтерілуі негізінен ұшудың белгілі жағдайларында қозғалмайтын беттерге аэродинамикалық әсерден туындайтын ұшақ" деп анықталады. Бұл анықтама дирижабльдерді (олар көтерілуді беттердегі ауа ағынынан емес, инерциядан алады) және баллистикалық зымырандарды (олардың көтеру күші әдетте тікелей және толығымен вертикальды итеруден туындайды) қамтымайды. Техникалық тұрғыдан алғанда, екеуі де ауада қозғалатын денеге әсер ететін физикалық күштердің жалпы мағынасында "ұшу механикасын" бастан кешіруі мүмкін; бірақ олардың жұмыс принципі өте ерекше, сондықтан олар әдетте осы терминнің шегінен тыс қалады.

Ұшу

Ауадан ауыр кеме (ұшақ) тек аэродинамикалық күштердің тізбегі әсер еткенде ғана ұша алады. Қанаттары бекітілген ұшақтарда, ұшақтың фюзеляжы ұшуға дейін қанаттарын тіреп тұрады. Ұшып көтерілген сәтте, бұл процесс керісінше болады және қанаттар ұшақты ұшу кезінде қолдайды.

Әуе кемесінің тік және тегіс ұшуы

Ұшу кезінде қозғалтқышпен жұмыс істейтін ұшаққа төрт күш әсер етеді: көтеру, салмақ, итермелеу және соғу. Итермелеу – бұл қозғалтқыш (реактивтік қозғалтқыш, пропеллер немесе, мысалы, X-15 сияқты ерекше жағдайларда, ракета) тудыратын күш және соғуды жеңу үшін алға бағытталған. Көтеру күші атмосфераға қатысты ұшақтың жылдамдығын көрсететін векторға перпендикуляр бағытта әрекет етеді. Соғу күші ұшақтың жылдамдық векторына параллель, бірақ кері бағытта әрекет етеді, себебі соғу ауадағы қозғалысқа қарсы тұрады. Салмақ күші ұшақтың ауырлық орталығы арқылы, Жер орталығына қарай әсер етеді. Түзу және тегіс ұшу кезінде көтеру күші шамамен салмақ күшіне тең және оған қарсы бағытта әрекет етеді. Сондай-ақ, егер ұшақ жылдамдамаса, итермелеу күші соғу күшіне тең және оған қарсы бағытта болады. Түзу көтерілу кезінде көтеру күші салмақ күшінен кем болады. Алғашқыда бұл дұрыс емес сияқты көрінеді, өйткені ұшақ көтерілгенде көтеру күші салмақ күшінен артық болуы керек. Бірақ ұшақ тұрақты жылдамдықпен көтерілгенде, оның итермелеу күші оны көтерілуге және қосымша потенциалдық энергияны алуға мүмкіндік береді. Көтеру күші атмосфераға қатысты ұшақтың жылдамдығын көрсететін векторға перпендикуляр бағытта әрекет етеді, сондықтан ол ұшақтың потенциалдық немесе кинетикалық энергиясын өзгерте алмайды. Мұны тік ұшудағы (тік жоғары немесе тік төмен) акробатикалық ұшақты қарастыру арқылы көруге болады. Тік ұшу үшін көтеру күші қажет емес. Тік жоғары ұшқанда ұшақ жерге түсетін алдында нөлдік жылдамдыққа жетеді; қанаты көтеру күшін тудырмайды, сондықтан тоқтамайды. Түзу, жоғарылайтын ұшу кезінде тұрақты жылдамдықпен итермелеу күші соғу күшінен асып түседі. Тік төмен қарай ұшу кезінде көтеру күші салмақ күшінен кем болады. Сондай-ақ, егер ұшақ жылдамдамаса, итермелеу күші соғу күшінен кем болады. Бұрылып ұшу кезінде көтеру күші салмақ күшінен асып түседі және ұшақтың бұрылу бұрышына байланысты бірден артық жүктеме коэффициентін тудырады.

Әуе кемесін басқару және қозғалыс

Ұшақтың ауа ағынына қатысты бағытын өзгертудің үш негізгі тәсілі бар. Көлденең осі бойынша айналу (мұрынды жоғары немесе төменге жылжыту), бойлық осі бойынша айналу (яғни, ұшақтың ұзындығы бойымен өтетін осі бойынша) және тік осі бойынша айналу (мұрынды солға немесе оңға жылжыту). Ұшақты бұру (бағытты өзгерту) үшін алдымен ұшақты көлбеу бұрышына жеткізу үшін айналдыру қажет (орталыққа тартқыш күшті тудыру үшін); қажетті бағыт өзгертілгеннен кейін, ұшақты көлбеу бұрышын нөлге дейін азайту үшін кері бағытта қайта айналдыру керек. Көтергіш күші қанаттардың орналасуына байланысты қысым центрі арқылы тік жоғары бағытта әрекет етеді. Қысым центрінің орны шабуыл бұрышы мен ұшақ қанаттарының жапқыштарының орнатылуына байланысты өзгеруі мүмкін.

Әуе кемесінің басқару беттері

Көлбеуді қозғалмалы руль қанаты тудырады. Рульдің қозғалысы тік беттің күшін мөлшері мен бағыты бойынша өзгертеді. Күш ауырлық орталығынан артқа қарай жасалғандықтан, бұл бүйірлік күш ырғақ моментін, содан кейін ырғақ қозғалысын тудырады. Үлкен ұшақта қауіпсіздік үшін де, байланысты иілу және домалау әрекеттерін басқару үшін де бір қанатта бірнеше тәуелсіз рульдер болуы мүмкін. Тек ырғақпен басқару ұшақта тегіс бұрылыс жасаудың тиімді тәсілі емес және жақты ауытқуға алып келуі мүмкін. Қажетті центростремителдік күштерді жақты ауытқусыз тудыру үшін иілу мен көтерудің дәл үйлесімі жасалуы керек. Тікұшақтың артқы бөлігінің көлденең тұрақтандырғышы тірекпен бекітіліп, лифт құралады. Лифт басқаруын артқа жылжыту арқылы ұшқыш лифтті жоғары көтереді (теріс қисықтық) және көлденең құйрықтағы төмен қарайғы күш артады. Қанаттардың шабуыл бұрышы артады, сондықтан мұрын жоғары көтеріледі және көтеру жалпы көбейеді. Микроұшақтар мен аспалы планерлерде питч әрекеті кері болады. Питч басқару жүйесі әлдеқайда қарапайым болғандықтан, ұшқыш лифт басқаруын артқа жылжытқанда, мұрынды төмен түсіру және қанаттың шабуыл бұрышын азайту болады. Белгілі бір құйрық беті мен қозғалмалы лифттер жүйесі дыбыс астындағы ұшақтарда стандартты болып табылады. Үшінші деңгейден жоғары ұшуға қабілетті кемелерде көбінесе стабилизатор, яғни толығымен қозғалмалы құйрық беті болады. Бұл жағдайда құйрықтың барлық көлденең бетін жылжыту арқылы өзгертіледі. Бұл сырттай қарапайым жаңалық – үстіндік дыбыстық ұшуды мүмкін ететін негізгі технологиялардың бірі. Бастапқы сынақтарда, ұшқыштар Мах санын асырғанда, ерекше құбылыс олардың басқару беттерін пайдасыз етіп, ұшақтарын басқарудан шығарды. Ұшақ дыбыс жылдамдығына жақындағанда, оған жақындаған ауа қысылады және лифттің барлық алдыңғы жиектерінде және шарнирлік сызықтарында соққы толқындары пайда бола бастайды. Бұл соққы толқындары лифттің қозғалысы лифттің алдындағы тұрақтандырғышта қысымның өзгеруіне себеп болмады. Бұл мәселе тұрақтандырғышты және шарнирлі лифтті толығымен қозғалмалы стабилизаторға ауыстыру арқылы шешілді – құйрықтың барлық көлденең беті бір бөлік басқару бетіне айналды. Сонымен қатар, үстіндік дыбыстық ұшуда қисықтықтың өзгеруі көтеруге аз әсер етеді және стабилизатор аз кедергі тудырады. Шабуыл бұрышының жоғары деңгейінде басқару қажет болатын ұшақтарға кейде канард конфигурациясы орнатылады, онда питч қозғалысы алдыңғы қанатты пайдалану арқылы жасалады (кокпитпен шамамен бір деңгейде). Мұндай жүйе питч билігін бірден арттырады, сондықтан питч басқаруына жақсы жауап береді. Бұл жүйе стабилизатор типті канард алдыңғы қанатын пайдаланатын дельта қанатты ұшақтарда (дельтаплан) жиі кездеседі. Артқы құйрыққа қарағанда канард конфигурациясының кемшілігі – қанаттың ұшу жылдамдығын арттыру үшін қақпақтарды көп пайдалана алмайды. Үш қабатты ұшақ екі конфигурацияның да артықшылықтарын алу үшін канард пен артқы құйрықты (негізгі қанатқа қосымша) пайдаланады. Құйрық жапырағының тағы бір дизайны – V құйрығы, өйткені стандартты кері T немесе T құйрығының орнына екі қанат бір-бірінен бұрышталған V пішімінде болады. Басқару беттері қажет болған жағдайда тиісті бағытта қозғалатын рульдер мен лифтер ретінде әрекет етеді. Домалауды қанаттардың артқы шетіндегі қозғалмалы бөліктермен, яғни айлеронмен басқару жүзеге асырылады. Айлерон бір-біріне қарама-қарсы қозғалады – бірі жоғары, екіншісі төмен қарай қозғалады. Қанаттың қисықтығындағы айырмашылық көтерудегі айырмашылықты тудырады, сондықтан домалау қозғалысы пайда болады. Айлеронмен қатар, кейде қанаттың жоғарғы бетінде шарнирлі тақталар болады, олар бастапқыда ұшақты баяулату үшін және төмен түсетін кезде көтергіштікті азайту үшін қолданылған. Автоматтандырылған заманауи ұшақтарда оларды айлеронмен бірге домалауды басқару үшін қолдануға болады. Райт ағайындылары жасаған алғашқы ұшақта айлерон болмаған. Бүкіл қанат сымдармен бұрылған. Қанаттың бұрылуы тиімді, өйткені қанат геометриясында үздіксіздік жоқ, бірақ жылдамдық артқанда, қасақана бұрылу проблемаға айналды, сондықтан айлерон жасалды.