Кіріспе

Аэродинамикада қанат жүктемесі – әуе кемесінің немесе ұшатын жануардың жалпы массасының қанат ауданына бөлінуі. Ұшақтар үшін бұл аэрондық беттердің ауданын да қамтиды. Ұшақ қаншалықты жылдам ұшса, шабу бұрышының өзгеруіне байланысты оның көтерілу күші соншалықты күшті өзгереді, сондықтан кішкентай қанат тік желдің әсеріне аз сезімтал болады. Осылайша, жылдам ұшақтар тік желге тым күшті реакция жасамау үшін, әдетте, баяу ұшақтарға қарағанда жоғары қанат жүктемесіне ие болады. Қанат жүктемесінің жоғарылауы маневрлеу қабілетін төмендетеді. Осындай шектеулер қанаттары бар биологиялық организмдерге де қатысты.

Бұраудың тиімділігіне әсері

Бұрылыс жасау үшін ұшақ бұрылыс бағытында домалап, бұрылыс бұрышын арттыруы керек. Айналып ұшу қанаттың гравитацияға қарсы көтергіш күшін азайтады, демек, түсіске алып келеді. Бұрылысты "шеңбер бойымен көтерілу" деп сипаттауға болады (қанаттың көтеруі ұшақты бұруға жұмсалады), сондықтан қанаттың шабуыл бұрышының артуы қосымша қарсылық тудырады. Бұрылыс радиусы неғұрлым кіші болса, соғұрлым көп қарсылық пайда болады; осы қарсылықты жеңу үшін қуатты (итеру күшін) арттыру қажет. Белгілі бір ұшақ конструкциясының ең жоғары бұрылу жылдамдығы оның қанат өлшемімен және қозғалтқыштың қуатымен шектеледі: ұшақтың қол жеткізе алатын және сақтай алатын ең жоғары бұрылыс жылдамдығы – оның тұрақты бұрылу көрсеткіші. Бұрылыс бұрышы артқан сайын, ұшаққа түсетін g күші де артады, бұл қанаттың жүктемесін және тоқтау жылдамдығын арттырады. Бұл эффект тегіс қимылдар кезінде де байқалады. Тоқтау қанаттың жүктемесіне және белгілі бір биіктіктегі және жылдамдықтағы ең жоғары көтеру коэффициентіне байланысты болғандықтан, бұл ең жоғары жүктеме факторымен шектелген бұрылу радиусын анықтайды. Қанат жүктемесі төмен ұшақтар тұрақты бұрылу көрсеткіштері жағынан артықшылыққа ие, себебі олар берілген қозғалтқыш итеру күші үшін көбірек көтеру күшіне қол жеткізе алады. Ұшақтың ауа жылдамдығын едәуір төмендетпей тұрып, жеделдете алатын ең кішкентай бұрылыс бұрышы – оның жедел бұрылу қабілеті. Кішкентай, жоғары жүктемелі қанаты бар ұшақтың жедел бұрылу қабілеті жоғары болуы мүмкін, бірақ тұрақты бұрылу қабілеті нашар: ол басқару сигналдарына жылдам жауап береді, бірақ тар бұрылысты ұзақ сақтау қабілеті шектеулі. Классикалық мысал – өте кішкентай қанаты және жоғары қанат жүктемесі бар F-104 Starfighter. Спектрдің қарсы басында үлкен Convair B-36 тұрды: оның үлкен қанаттары жоғары биіктікте тар бұрылыстарды ұстап тұруға мүмкіндік беретін төмен қанат жүктемесіне ие болды, ал сәл кейінірек шыққан Hawker Hunter ұшағының Boeing 367-80 әуелайнер прототипінің ең жоғары салмағындағы қанат жүктемесімен төмен биіктікте домалап ұшуға қабілетті болды. Дөңгелек қозғалыстағы кез келген дене сияқты, радиусы R шеңберінде v жылдамдығымен тегіс ұшуды сақтай алатын, жеткілікті жылдам және күшті ұшақ ортаға қарай үдемелі қозғалыс жасайды. Бұл үдемелі қозғалыс көтеру күшінің ішкі көлденең компонентімен байланысты, мұндағы – бұрылыс бұрышы. Ньютонның екінші заңы бойынша, R-ді есептеу үшін: . Қанат жүктемесі неғұрлым төмен болса, бұрылыс соғұрлым тар болады. Термиялық ағындарды пайдалануға арналған планерлерге жоғары көтерілетін ауа бағанасының ішінде қалу үшін кішкентай бұрылу радиусы қажет, және бұл жоғары ұшатын құстар үшін де дұрыс. Басқа құстар, мысалы, қанатында жәндіктерді ұстайтын құстарға да жоғары маневрлеу қабілеті керек. Барлығына төмен қанат жүктемесі қажет.

Тұрақтылыққа әсер ету

Қанаттың жүктемесі желдің күйзелісіне де әсер етеді, яғни ұшақтың турбуленттілікке және ауа тығыздығының өзгеруіне қаншалықты сезімтал екендігін анықтайды. Кішкентай қанатта желдің әсер етуі мүмкін беті аз болады, бұл ұшуды тегістеуге көмектеседі. Жоғары жылдамдықты, төмен биіктіктегі ұшу үшін (мысалы, шабуылдаушы ұшақтағы жылдам және төмен биіктіктегі бомбалау миссиясы үшін) кішкентай, жұқа және жоғары жүктемелі қанат артықшылықты болады: қанат жүктемесі төмен ұшақтар мұндай ұшу режимінде жиі қиын және теңсіз жағдайға тап болады. F 15E Strike Eagle ұшағының қанат жүктемесі (фюзеляждың тиімді бетіне қосымша үлесін ескермей) құрайды, ал көптеген дельта қанатты ұшақтарда (мысалы, Dassault Mirage III, оның қанат жүктемесі WS = 387 кг/м2) үлкен қанаттары және төмен қанат жүктемесі болады. Саны жағынан қарағанда, егер желдің күйзелісі M массасы бар ұшақта G (мысалы, Н/м2) жоғары қысым тудырса, онда Ньютонның екінші заңы бойынша жоғары қарай үдеу a, қанат жүктемесінің артуымен төмендейді.

Дамудың әсері

Қанатты жүктеудің тағы бір қиыншылығы – қолданыстағы ұшақ конструкциясының қанат ауданын едәуір өзгерту қиын (бірақ шағын жақсартуларға қол жеткізу мүмкін). Ұшақтарды жетілдіру кезінде олар "салмақ өсуіне" ұшырайды – жабдықтар мен мүмкіндіктердің қосылуы ұшақтың жұмыс массасын едәуір арттырады. Бастапқыда қанат жүктемесі орташа болған ұшақ, жаңа жабдықтар қосылғанда өте жоғары қанат жүктемесіне ие болуы мүмкін. Қозғалтқыштарды қосымша итерме үшін ауыстыру немесе жаңарту мүмкін болғанымен, жоғары қанат жүктемесінен туындайтын бұрылу және ұшыру қасиеттеріне әсер ету оңайға соқпайды.

Планерлерде су балласты пайдалану

Қазіргі заманғы жолсерсерлер күшті ауа ағыны жағдайында қанат жүктемесін арттыру үшін қанаттарында су балласты пайдаланады. Қанат жүктемесін арттыру арқылы, ел бойынша орташа жылдамдықты арттырып, күшті термиялық ағындарды тиімді пайдалануға болады. Жоғары қанат жүктемесінде, белгілі бір көтеру-соққы қатынасы төмен қанат жүктемесімен салыстырғанда жоғарырақ жылдамдықпен қол жеткізіледі, бұл ел бойынша орташа жылдамдықты арттыруға мүмкіндік береді. Ауа райы нашарлағанда немесе қонуға дайындалғанда балласты сыртқа шығаруға болады.

Фюзеляжды көтеру

General Dynamics F 16 Fighting Falcon немесе Mikoyan MiG 29 Fulcrum сияқты ұшақтардағы аралас қанатты фюзеляж дизайны қанаттың жүктемесін азайтуға көмектеседі; мұндай конструкцияда фюзеляж аэродинамикалық күшті өндіреді, осылайша жоғары өнімділікті сақтай отырып қанаттың жүктемесін жақсартады.

Өзгермелі қанат

Grumman F 14 Tomcat және Panavia Tornado сияқты ұшақтар өзгермелі қанаттарды пайдаланады. Ұшу кезінде қанат ауданы өзгеретіндіктен, қанаттың жүктемесі де өзгереді (бірақ бұл жалғыз артықшылық емес). Қанат алға қарай жылғанда, ұшу мен қону көрсеткіштері едәуір жақсарады.

Қалқалар

Барлық ұшақ жапсырмалары сияқты, Фаулер жапсырмалары да қисықтықты арттырады, соның салдарынан максималды көтеру коэффициентінің (CLmax) ең жоғары мәніне жетеді, бұл қону жылдамдығын төмендетеді. Олар сонымен қатар қанаттың ауданын ұлғайтады, қанаттың жүктемесін азайтады, бұл қону жылдамдығын одан да төмендетеді. Жоғары көтеруге арналған құрылғылар, мысалы, кейбір жапсырмалар, жоғары көтеруге арналған құрылғысы жоқ үлкен қанатты пайдаланатын баламалы конструкциямен салыстырғанда, ұқсас қону жылдамдықтарына қол жеткізу үшін конструкцияда кішірек қанаттарды пайдалануға мүмкіндік береді. Мұндай мүмкіндіктер конструкцияда қанаттың жүктемесін арттыруға мүмкіндік береді. Бұл жоғары круиздік жылдамдықтарға немесе жоғары жылдамдықты төмен биіктіктегі ұшу кезінде тербелістің азаюына (соңғысы жақыннан қолдау көрсету ұшақтары үшін өте маңызды) сияқты пайдалы ерекшеліктерге әкелуі мүмкін. Мысалы, Lockheed Starfighter ішкі қанатты үрлегіш жапсырмаларды (Blown flaps) жоғары қанатты жүктемелі конструкцияға қол жеткізу үшін пайдаланады (723 кг/м²), бұл оған Mirage 2000 немесе Mirage III (387 кг/м²) сияқты төмен қанатты жүктемелі дельта конструкцияларымен салыстырғанда, толық газ жылдамдығымен төмен биіктіктегі ұшуды әлдеқайда тегіс жүргізуге мүмкіндік береді. 689 кг/м² қанатты жүктемесі бар F 16, жоғары шабуыл бұрыштарында қанаттың көтеру күшін арттыру үшін алдыңғы жиектерді пайдаланады.