Почему самолеты задирают нос при наборе высоты?

Подъемному самолету нужна меньшая аэродинамическая подъемная сила, чем в горизонтальном полете, а не больше.

Надеюсь, теперь я привлек ваше внимание. Причина довольно проста:

Подъемная сила равна весу, и только потому, что пилот выбирает другой угол траектории полета, вес самолета не меняется. Сумма всех подъемных сил должна по-прежнему уравновешивать вес, но при наборе высоты вы получаете небольшую подъемную силу от двигателя (двигателей), потому что его (их) тяга будет направлена ​​вверх, как и остальная часть планера.

Пусть вас не смущает множество стрелок и греческих букв. Чтобы быть в равновесии, подъемная сила (L, темно-синий), сопротивление (D, красный), тяга (T, зеленый) и вес (m⋅g, черный) должны складываться так, чтобы их можно было объединить в замкнутую серию векторов. . Я сделал это с более светлыми векторами вокруг веса. Поскольку траектория полета направлена ​​вверх, то же самое происходит и с тягой, которая теперь имеет небольшую вертикальную составляющую. Теперь вектор подъемной силы может быть немного короче.

Рассмотрим крайний случай вертикального набора высоты: теперь вся тяга поддерживает вес, и аэродинамическая подъемная сила больше не нужна.

Есть и второй, гораздо более тонкий эффект: когда вы набираете высоту, воздух разрежается, и производительность двигателя пропорционально снижается. При той же указанной воздушной скорости самолет будет постоянно уменьшать скорость набора высоты, и это замедление высвобождает крошечную силу инерции, которая снова увеличивает подъемную силу и противодействует весу.

И наоборот, в начале фазы набора высоты самолету необходимо на мгновение создать большую подъемную силу, чтобы ускориться вверх. Только тогда, когда скорость набора высоты увеличивается, подъемная сила должна быть больше веса, чтобы преодолеть инерционный эффект, который в этот момент действует вниз. Для суперботаников: если вы интегрируете дефицит подъемной силы с течением времени для вышеупомянутого эффекта и дополнительную подъемную силу с течением времени для ускорения набора высоты, то оба они точно компенсируются.

Чтобы ответить на ваш вопрос прямо: чтобы подняться, вам нужно увеличить избыточную энергию, а не скорость. Обычно это делается за счет увеличения выходной мощности двигателя или балансировки самолета на более низкой скорости, когда сопротивление меньше, поэтому для набора высоты остается больше мощности. Этот вопрос содержит более подробную информацию о том, как заставить самолет набирать высоту. Обратите особое внимание на аналогию @SteveV. с ведром.

Если вы используете кинетическую энергию самолета в качестве источника тяги, тот же механизм можно применить к стационарным наборам высоты, когда скорость обменивается на высоту, как в планерах.

Положение «нос вверх» — это просто результат другой траектории полета. Поскольку необходимая аэродинамическая подъемная сила будет почти такой же, угол атаки тоже будет почти одинаковым и весь самолет должен лететь носом вверх. Это похоже на автомобиль, который имеет такое же отношение к дороге, но когда вы едете в гору, и автомобиль, и дорога будут наклонены вверх.

Эта аналогия нарушается, когда вы меняете скорость — полет на более низкой скорости требует большего угла атаки, чтобы по-прежнему создавать ту же подъемную силу, и это изменение поднятия носа будет добавлено к вашему углу пространственного положения.

Учитывайте относительный расход воздуха. Когда самолет не набирает высоту, относительный воздушный поток является горизонтальным, поэтому угол, под которым воздух встречается с крыльями, т. е. угол атаки, измеряется от горизонта (случай А на диаграмме). Однако, когда самолет набирает высоту, относительный ветер наклоняется вниз из-за составляющей набора высоты скорости самолета. Если бы нос самолета не поднимался вверх, угол атаки приближался бы к нулю по мере увеличения скорости набора высоты, уменьшая подъемную силу и эффективность (вариант B), поэтому самолет должен наклонять нос вверх, чтобы сохранить угол атаки на прежнем уровне. эффективный диапазон (случай C). !

Хотя ответ @Peter Kämpf верен и верен, я думаю, что он упускает момент и на самом деле не отвечает на основной вопрос ОП.

Верно ли, что самолету просто нужно разогнаться, чтобы набрать высоту?

Да это в принципе правильно. Более высокая горизонтальная скорость создает большую подъемную силу, поэтому самолет будет набирать высоту. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/WindTunnel/Activities/lift_formula.html

Но это не единственный способ заставить самолет набирать высоту. Увеличение шага (при одновременном увеличении тяги) — это другое, и его объяснил Питер.

Что эффективнее? Самолет рассчитан на оптимальную эффективность на крейсерской скорости и горизонтальном полете. Таким образом, вы можете захотеть сохранить свою скорость в узком диапазоне вокруг этого оптимума. Повышение воздушной скорости также повысит сопротивление (до квадрата v), см. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/drageq.html Сопротивление — это то, что вы обязательно должны минимизировать, потому что это энергия, которая полностью теряется (превращается в тепло).

Вот почему увеличение шага/угол при сохранении постоянной воздушной скорости является лучшим способом. Таким образом, сопротивление остается примерно одинаковым. Конечно, вам по-прежнему нужно обеспечить большую тягу (а значит, и энергию), так как теперь часть вашей тяги направлена ​​вниз (а часть подъемной силы назад), но вы преобразуете эту энергию непосредственно в высоту, устраняя потери на сопротивление.

Итак, чтобы ответить на ваш вопрос, да, можно набирать высоту в строго горизонтальном положении, увеличивая скорость полета, но набирать высоту, увеличивая шаг, более энергоэффективно. (Тяга увеличивается в обе стороны)

Ответить на этот вопрос можно опытным путем.

Настройте свой самолет для прямого и горизонтального полета и установите мощность на Vy. Посмотрите на ИИ или визуальный горизонт и обратите внимание на высоту тона.

Теперь установите мощность на настройку набора высоты Vy и настройте дрон (шар, створки капота, смесь, пропеллер и т. д.) для конфигурации набора высоты, но не переустанавливайте руль высоты. Отрегулируйте элероны, чтобы поддерживать прямой полет.

Самолет сам выровняется до вертикального набора высоты.

Я думаю, что вы должны учитывать тип самолета здесь! Если я новый пилот F-22 с ужасным соотношением тяги к весу, пытающийся перехватить каких-то злодеев, и мне нужно быстро набрать высоту, могу поспорить, что я подниму нос и полетю как ракета.

Но на самом деле все дело в векторах скорости. Хочешь подняться - иди вверх! Двигатели движутся в направлении носа. (Если только вы не тот крутой пилот F-22). Также учтите, что самолеты имеют ограничения скорости на определенных высотах, а также учтите, что старый Бернулли - не единственная причина, по которой самолеты летают, мистеру Ньютону тоже есть что сказать по этому поводу.

Потому что большая часть подъемной силы исходит от угла атаки (AoA) крыльев. Более высокий угол атаки означает большую подъемную силу (до определенного предела).

Кроме того, большинство самолетов будут увеличивать тангаж по мере увеличения скорости из-за конструкции.

В качестве общего эмпирического правила и без долгих технических объяснений того, как и почему, вот простой ответ, который мог понять мой 8-летний сын. В прямолинейном и горизонтальном полете, если вы уменьшите мощность без изменения положения самолета, он будет снижаться, и наоборот, если вы увеличите мощность самолета, он будет набирать высоту. Теперь тот же самый самолет без изменения настроек мощности, если вы измените его положение, подняв нос, он замедлится, поэтому при тех же настройках мощности вы опустите нос, самолет увеличит свою скорость. Итак, ваше эмпирическое правило: «Мощь равна высоте» и «Отношение равно скорости». Иди и возьми урок полета и попробуй, и ты поймешь, что я имею в виду.

Обычно в самолете вы меняете высоту с помощью мощности. Если вы увеличиваете мощность, ваша высота увеличивается. Если уменьшить мощность, самолет снижается. В обоих случаях самолет обычно находится под углом тангажа, близким к горизонтальному.

Причина такого поведения заключается в том, что крыло постоянно наклонено вверх на определенную величину, называемую «углом хорды» или «углом падения». Угол выбирается таким, чтобы в нормальных условиях при средней мощности самолет оставался на одной высоте. Если бы крылья были плоскими, самолет имел бы тенденцию постоянно снижаться.

Основным исключением из вышеизложенного является ситуация, когда вы взлетаете и хотите быстро набрать высоту из соображений безопасности. В этом случае стержень или штурвал оттягивается назад, и самолет наклоняется вверх и быстро набирает высоту. Причиной этого является руль высоты (или горизонтальный стабилизатор), расположенный в хвостовой части самолета:

Руль высоты позволяет пилоту изменять шаг крыльев. Чем больше поверхность крыла соприкасается с воздухом, тем больше восходящая сила. Вы можете продемонстрировать это сами, держа руку за окном быстро движущегося автомобиля. Если вы держите руку ровно, а затем наклоняете переднюю кромку вверх, ваша рука будет подталкиваться ветром вверх, и наоборот. Если вы наклоните переднюю кромку руки вниз, то ваша рука будет отброшена ветром вниз. То же самое происходит и с самолетом.

Пилот выбирает другую траекторию полета. Эта новая траектория полета проходит выше по высоте и тем самым изменяет потенциальную энергию. масса * сила тяжести * 9,81 * дельта Высота. Нам нужно лететь медленнее с меньшим сопротивлением и использовать дополнительную энергию для набора высоты, или нам нужно увеличить мощность пропеллера, чтобы преодолеть изменение потенциальной энергии. Когда высота меняется, нам также необходимо увеличивать скорость из-за более низкой плотности воздуха. Меньшая плотность воздуха влияет на подъемную силу и доверие, которое винт может оказать при заданных оборотах.

Мы можем рассчитать доверие, рассмотрев векторы силы Подъем и Вес. Когда самолет меняет курс, вектор подъемной силы и вектор веса, которые были в противоположном направлении, находятся на траектории набора высоты, работающей под небольшим углом, скоростью набора высоты. Чтобы противостоять весу, нам нужно увеличить подъем с подъема r1 до подъема r2. Но результатом также является вектор сопротивления r1. Этот вектор сопротивления добавляется к сопротивлению в горизонтальном полете. В заключение мы можем сказать, что нам нужно увеличить доверие, чтобы преодолеть дополнительное сопротивление, и нам нужно увеличить подъемную силу, чтобы противостоять весу.

большая подъемная сила приводит к увеличению высоты

Вот где вы впервые сбились с пути. Подъемная сила на самом деле меньше, чем вес при устойчивом линейном подъеме. Фундаментальная вещь, которая делает возможным устойчивый установившийся набор высоты, заключается в том, что вектор тяги направлен вверх, а не горизонтально , что верно только тогда, когда тяга больше, чем сопротивление . Мы вернемся к этому позже в этом ответе.

Но почему самолеты набирают высоту, «подняв нос» ?

Независимо от того, выберем ли мы 1) набор высоты с большим (но постоянным) углом атаки и меньшей воздушной скоростью или 2) ускорение до более высокой воздушной скорости и набор высоты с малой (но постоянной) атакой, самолет будет несколько высоко поднят носом в наборе высоты, потому что траектория полета направлена ​​​​вверх, а тангаж фюзеляжа представляет собой сумму угла набора высоты траектории полета плюс угол атаки крыла минус угол падения. (т.е. «угол снаряжения» крыла относительно фюзеляжа).

Третий способ набора высоты состоит в том, чтобы сохранить тот же угол тангажа , который самолет имел в горизонтальном (постоянной высоте) полете, но это ограничивало бы угол атаки, чтобы он оставался очень низким — чем выше скорость набора высоты и круче. траектории набора высоты, тем меньше угол атаки будет вынужден пойти. Это не та петля обратной связи, которая приводит к высокой скорости набора высоты!

Чтобы понять, почему в искусственной ситуации, когда положение самолета по тангажу должно быть фиксированным, угол траектории набора высоты влияет на угол атаки крыла, вы должны понимать, что воздушный поток или «относительный ветер» ощущаемый самолетом в полете, направлен прямо противоположно траектории движения самолета через воздушную массу, которая в данном случае является траекторией набора высоты. (Для простоты мы предполагаем отсутствие ветра или восходящего/нисходящего потока — эти вещи могут изменить достигнутый угол набора высоты относительно земли без изменения «относительного ветра», ощущаемого самолетом, но на самом деле вопрос был не об этом.)Понимание того, что относительный ветер, «ощущаемый» самолетом, всегда прямо противоположен траектории полета самолета через воздушную массу, является одним из самых важных моментов в понимании того, как летит самолет.

Таким образом, даже у самолетов с необычно большим углом атаки, таких как B-52, при крутом наборе высоты нос самолета будет высоко поднят.

Теоретически самолет, даже самолет с нулевым углом падения, может создавать подъемную силу, когда фюзеляж находится строго горизонтально. Если бы траектория полета имела небольшой набор высоты, то крыло летело бы под немного отрицательным углом атаки, но изогнутый аэродинамический профиль все же может создавать подъемную силу в такой ситуации. Но у самолета было бы гораздо более высокое отношение подъемной силы к сопротивлению, если бы крыло имело более высокий угол атаки. Несмотря на то, что Подъемная сила меньше, чем Вес при наборе высоты, высокое отношение Подъемной силы к Сопротивлению по-прежнему коррелирует с крутым углом подъема. Посмотрите этот связанный ответ ASE, чтобы узнать, почему: поднимает ли одинаковый вес при подъеме?

Самые высокие отношения L/D генерируются при относительно больших углах атаки. Вот тогда мы и увидим самый крутой угол подъема . Наибольшая скороподъемность достигается при несколько меньшем угле атаки, но нос самолета все равно будет наклонен значительно выше горизонта из-за того простого факта, что тангаж фюзеляжа является суммой угла набора высоты полета. путь плюс угол атаки крыла минус угол падения крыла относительно фюзеляжа.

Верно ли, что самолету просто нужно разогнаться, чтобы набрать высоту?

Нет, для установившегося линейного набора высоты с постоянной воздушной скоростью самолет также должен создавать больше тяги, чем сопротивления, и он также должен направлять вектор тяги вверх .

На этом этапе нам нужно вернуться к абзацу, начинающемуся со слов «Третий способ набора высоты состоит в том, чтобы сохранить тот же угол тангажа , который был у самолета в горизонтальном (постоянной высоте) полете». На самом деле здесь есть еще одна проблема, помимо того факта, что мы заставляем крыло лететь под очень малым углом атаки, при котором отношение L/D плохое. Другая проблема заключается в том, что вектор тяги остается горизонтальным, и поэтому возможен устойчивый установившийся набор высоты.

(Естественно, мы можем подниматься с увеличением или даже зацикливаться на планере вообще без тяги. При наборе высоты по петле или масштабированию требование наличия близкого векторного полигона подъемной силы, веса, сопротивления и тяги (если есть) исчезает, поэтому ограничения совершенно иначе, чем при устойчивом установившемся наборе высоты.)

Рассмотрим случай с таким самолетом, как B-52. Крыло установлено под большим углом наклона к фюзеляжу, чтобы приспособиться к «велосипедной» конструкции шасси, обеспечивая взлет без вращения, а также для уменьшения лобового сопротивления в крейсерском полете на большие расстояния. Даже при уровне фюзеляжа относительно воздушного потока крыло имеет эффективный угол атаки с высоким отношением длины к диаметру. Если самолет создает большую подъемную силу, чем его вес, означает ли это, что он установил установившийся набор высоты? Нет, это означает, что траектория полета будет искривляться или изгибаться вверх, заставляя самолет подниматься вверх по тангажу, что придает вектору тяги восходящую составляющую . В этот момент Lift фактически немного уменьшится до значения, которое меньшечем Вес, когда самолет переходит в установившийся набор высоты с Тягой, превышающей Сопротивление, носом, направленным над горизонтом, и вектором Тяги, направленным вверх и помогающим поддерживать часть веса самолета.

Обратите внимание, что когда мы меняем угол атаки крыла и отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту лобового сопротивления для малых и умеренных углов набора высоты или снижения, воздушная скорость в конечном итоге реагирует таким образом, что подъемная сила фактически остается почти постоянной, в то время как Сопротивление сильно различается. Причина, по которой мы выбираем оптимальный угол атаки для лазания, на самом деле состоит не в том, чтобы максимизировать подъемную силу, а в том, чтобы минимизировать сопротивление и, таким образом, максимизировать отношение тяги к сопротивлению. Но независимо от того, выбрали ли мы угол атаки, обеспечивающий высокое отношение L/D или низкое отношение L/D, если вектор тяги направлен горизонтально, а не вверх, то мы не набираем высоту — по крайней мере не более чем на короткое мгновение. (Подробнее об этом позже!)

Опять же, для получения дополнительной информации о взаимосвязи между тягой, сопротивлением, подъемной силой и весом при подъеме см. соответствующий ответ ASE. Поднимает ли одинаковый вес при подъеме?

Заключительное примечание: экзотическая ситуация, не характерная для нормального свободного полета (это означает, что самолет не соединен буксирным тросом с другим транспортным средством, обеспечивающим тягу), обсуждалась в этом связанном вопросе и ответе ASE . В этой ситуации крыло скользит вверх и вниз по шесту, прикрепленному к тележке. В этом случае, несмотря на то, что вектор тяги может быть истолкован как горизонтальный, крыло действительно может медленно подниматься вверх по шесту, сохраняя при этом постоянный тангаж, но его угол атаки по отношению к воздушному потоку будет уменьшаться по мере набора высоты. скорость увеличивается, вызывая самоограничивающийся эффект на скорость набора высоты, как обсуждается в настоящем ответе.

А теперь заключительное примечание к заключительному примечанию — ранее мы заявили, что «если вектор тяги направлен горизонтально, а не вверх, то мы не поднимаемся ». Мы также отметили, что планер можно зациклить вообще без тяги. Самолет с двигателем также можно «набрать», даже если тяга меньше сопротивления, но скорость полета будет уменьшаться. Обратите внимание, что во время «подъема с увеличением» линия тяги обычно все еще направлена ​​вверх.

Можем ли мы придумать действительно надуманный случай, когда мы «набираем высоту», вообще не поднимаясь вверх? Да, мы можем... но подъем будет очень коротким. Например, предположим, что мы выходим из цикла. Допустим, мы «тянем» 4G — вектор подъемной силы в четыре раза превышает вес самолета. Непосредственно перед тем, как мы достигнем положения горизонтального тангажа, воздушная скорость обычно будет уменьшаться, а это означает, что сопротивление больше, чем тяга. По мере того, как мы продолжаем подтягиваться, будет момент времени, когда тангаж будет точно горизонтальным, но Подъемная сила все еще намного больше, чем Вес. В этот момент, если мы ослабим противодавление и переместим ручку управления вперед, чтобы точно зафиксировать положение самолета по тангажу ,, пока восходящая кривая траектории полета не уменьшит угол атаки крыла до точки, где вектор подъемной силы равен вектору веса, или, точнее, до точки, где вектор подъемной силы равен компоненте веса вектор, который действует перпендикулярно траектории полета. В этот момент центростремительное ускорение равно нулю. Линейное ускорение не может быть равно нулю — по мере того как мы продолжаем удерживать тангаж фюзеляжа постоянным, воздушная скорость будет уменьшаться, а затем траектория полета снова будет изгибаться вниз, пока не станет точно горизонтальной. Когда вектор тяги строго горизонтален, установившийся полет возможен только в горизонтальном направлении, а не в направлении вверх или вниз.С точки зрения пилота произошло то, что мы достигли горизонтального положения по тангажу, а затем довольно быстро «разгрузили» крыло до состояния, близкого к 1-G, и перешли к приблизительно горизонтальному полету. Тот факт, что самолет действительно набирал высоту очень быстро, фюзеляж находился точно на одном уровне, вероятно, было бы невозможно обнаружить без специальных приборов. Но да, технически можно достичь очень короткого интервала набора высоты с вектором тяги, остающимся строго горизонтальным , и на самом деле что-то близкое к этому происходит почти каждый раз, когда мы переходим из пикирования в положение горизонтального тангажа, если только мы каким-то образом не сумейте управлять дроссельной заслонкой таким образом, чтобы воздушная скорость оставалась неизменной на заключительном участке отрыва.

Теперь читателю должно быть ясно, что этот очень короткий интервал набора высоты с фиксированным горизонтальным тангажем не является той динамикой, которую мы наблюдаем во время любого установившегося набора высоты.

Согласно Википедии и тому, что я помню из своих первых дней обучения в качестве частного пилота:

Связь между углом атаки и подъемной силой Типичная кривая коэффициента подъемной силы. Коэффициент подъемной силы самолета с неподвижным крылом зависит от угла атаки. Увеличение угла атаки связано с увеличением коэффициента подъемной силы до максимального коэффициента подъемной силы, после чего коэффициент подъемной силы уменьшается.

С увеличением угла атаки увеличивается подъемная сила. Превышение критического угла атаки еще раз иллюстрирует этот момент.