Как летают самолёты: подъёмная сила, аэродинамика и физика полёта

Самолёт весом в сотни тонн держится в воздухе благодаря физике — точнее, благодаря тому, что крыло заставляет воздух работать на себя. Это не магия и не сложная инженерия ради инженерии: принцип полёта можно объяснить без формул, и он не менялся с тех пор, как братья Райт подняли свой «Флаер» в 1903 году.

Суть проста: крыло отталкивает воздух вниз, воздух толкает крыло вверх. В деталях же скрывается ответ на вопрос, почему современные лайнеры летают на высоте 10-12 километров, почему крыло имеет такую форму и может ли самолёт планировать без работающих двигателей.

Почему самолёт летает: природа подъёмной силы

Подъёмная сила возникает, когда крыло движется сквозь воздух. Крыло не просто рассекает поток — оно отклоняет его вниз. Воздух, получивший импульс вниз, по третьему закону Ньютона создаёт равную силу, направленную вверх. Это и есть подъёмная сила, которая держит самолёт в воздухе.

Часто объяснение сводят к разнице давлений и уравнению Бернулли: воздух над крылом движется быстрее, давление там ниже, и крыло «подсасывается» вверх. Это верно, но не объясняет причину — лишь описывает следствие. Воздух над крылом ускоряется именно потому, что крыло отклоняет поток. Разница давлений — результат этого отклонения, а не его источник.

Николай Жуковский, которого называют отцом русской авиации, в начале XX века математически описал, как циркуляция воздуха вокруг крыла создаёт подъёмную силу. Его теорема до сих пор лежит в основе расчётов, но для понимания сути достаточно простой картины: крыло толкает воздух вниз — воздух толкает крыло вверх.

Величина подъёмной силы зависит от четырёх факторов: плотности воздуха, площади крыла, формы профиля и скорости. Последний фактор особенно важен — подъёмная сила растёт пропорционально квадрату скорости. Удвоил скорость — получил вчетверо больше подъёмной силы. Именно поэтому самолёту нужен разбег: на малой скорости крыло просто не создаёт достаточной силы, чтобы оторвать машину от земли.

Четыре силы в полёте

На самолёт в воздухе действуют четыре силы, и полёт возможен только когда они сбалансированы:

• Подъёмная сила (Lift) — направлена вверх, создаётся крылом
• Вес (Weight) — сила тяжести, тянет вниз
• Тяга (Thrust) — создаётся двигателями, толкает вперёд
• Лобовое сопротивление (Drag) — сопротивление воздуха, тормозит движение

В горизонтальном полёте на постоянной скорости силы уравновешены: подъёмная сила равна весу, тяга равна сопротивлению. Самолёт не поднимается, не снижается, не ускоряется и не замедляется — просто летит.

Любое изменение нарушает баланс. Пилот увеличивает тягу — самолёт ускоряется, растёт подъёмная сила, машина начинает набирать высоту. Убирает тягу — скорость падает, подъёмной силы не хватает, самолёт снижается. Пилотирование — это постоянное управление балансом четырёх сил.

Почему крыло такой формы

Крыло самолёта в поперечном сечении имеет характерную форму: выпуклая верхняя поверхность, более плоская нижняя, скруглённая передняя кромка и острая задняя. Это не случайность — такой профиль оптимизирован для создания максимальной подъёмной силы при минимальном сопротивлении.

Асимметрия профиля заставляет воздух вести себя по-разному сверху и снизу. Поток над крылом проходит более длинный путь, ускоряется — давление падает. Под крылом поток медленнее, давление выше. Разница давлений создаёт силу, направленную вверх. Даже при нулевом угле наклона такое крыло уже создаёт подъёмную силу.

Чёрные линии обозначают набегающий поток. α — угол атаки

Но одного профиля недостаточно. Важен угол атаки — угол между крылом и набегающим потоком воздуха. Чем больше угол, тем сильнее крыло отклоняет воздух вниз и тем больше подъёмная сила. На взлёте и посадке, когда скорость невелика, самолёт летит с поднятым носом — угол атаки 8-12°. В крейсерском полёте на высокой скорости достаточно 2-4°.

Но угол атаки нельзя увеличивать бесконечно. При 15-18° поток срывается с верхней поверхности крыла — наступает сваливание. Подъёмная сила резко падает, самолёт теряет способность лететь. Современные лайнеры с электродистанционным управлением защищены от этого: автоматика не позволяет превысить критический угол атаки независимо от действий пилота.

На больших высотах возникает обратная проблема. Воздух разрежён, и чтобы создать достаточную подъёмную силу, нужно лететь быстрее. Но при приближении к скорости звука начинаются проблемы с управляемостью. Диапазон между минимальной и максимальной допустимой скоростью сужается — это называют «гробом» или coffin corner. Тяжёлый самолёт на большой высоте оказывается зажат между сваливанием снизу и потерей управляемости сверху.

На какой высоте летают самолёты и почему

Пассажирские лайнеры летают на эшелонах FL290-FL410 — это примерно 9-12 километров. Не выше и не ниже, и на то есть причины.

С набором высоты воздух становится разреженнее. Это хорошо: меньше плотность — меньше сопротивление, самолёт летит быстрее при той же тяге или экономит топливо при той же скорости. Двигатели на высоте работают эффективнее с точки зрения удельного расхода.

Но есть и обратная сторона. В разреженном воздухе крылу сложнее создавать подъёмную силу — нужно лететь быстрее. Двигателям тоже не хватает воздуха для сгорания топлива. На определённой высоте эти ограничения сходятся: выше самолёт просто не может лететь в нормальном режиме.

Оптимальная высота зависит от массы. Тяжёлый Boeing 777 сразу после взлёта занимает FL310-FL330. По мере выработки топлива машина становится легче и может набирать выше — FL370, FL390, FL410. Этот манёвр называется ступенчатый набор высоты (Step Climb) и позволяет поддерживать максимальную эффективность на всём маршруте.

Типичные эшелоны по категориям:

• Дальнемагистральные (Boeing 777, Airbus A350) — FL350-FL430
• Среднемагистральные (A320, Boeing 737) — FL340-FL390
• Региональные турбовинтовые — FL200-FL280

Может ли самолёт лететь без двигателей

Да. Самолёт без работающих двигателей не падает камнем — он планирует. Крыло продолжает создавать подъёмную силу, пока есть скорость. Скорость постепенно падает из-за сопротивления воздуха, но самолёт может пролететь значительное расстояние, теряя высоту.

Соотношение пройденного расстояния к потерянной высоте называется аэродинамическим качеством. У современных авиалайнеров оно составляет 15-20. Это значит, что с высоты 10 километров самолёт без тяги может пролететь 150-200 километров — достаточно, чтобы дотянуть до ближайшего аэропорта.

В 2001 году Airbus A330 авиакомпании Air Transat полностью выработал топливо над Атлантикой из-за утечки. Экипаж спланировал 120 километров и успешно посадил машину на Азорских островах. В 1983 году Boeing 767 Air Canada, известный как «Планёр Гимли», приземлился на заброшенной авиабазе после отказа обоих двигателей. Оба случая доказали: самолёт — это не камень с крыльями.

Механизация и скорости

На низких скоростях — при взлёте и посадке — базовый профиль крыла не создаёт достаточной подъёмной силы. Для этого существует механизация: закрылки увеличивают площадь и кривизну крыла, предкрылки предотвращают срыв потока на больших углах атаки.

Скорость полёта измеряется несколькими способами. Приборная скорость показывает динамическое давление воздуха и используется для контроля аэродинамических режимов. Истинная воздушная — фактическая скорость относительно воздуха. Путевая — скорость относительно земли с учётом ветра. Подробнее о скоростях в авиации.

Как пилот управляет полётом

Самолёт маневрирует вокруг трёх осей: тангаж (нос вверх-вниз), крен (наклон влево-вправо) и рыскание (нос влево-вправо). Каждой осью управляет своя рулевая поверхность: руль высоты, элероны и руль направления соответственно. Пилот задаёт команды штурвалом и педалями, а на современных лайнерах бортовые компьютеры координируют отклонения всех поверхностей для плавного и безопасного манёвра.

Практическое значение

Принципы аэродинамики не изменились за сто лет — изменились материалы, двигатели и системы управления. Современный авиалайнер летает по тем же законам, что и первые аэропланы: крыло отклоняет воздух вниз, воздух толкает крыло вверх, четыре силы находятся в балансе.

Для пассажира физика полёта проявляется в привычных деталях: характерный наклон носа вверх при посадке, ощущение ускорения на взлёте, плавный набор высоты до крейсерского эшелона. За каждым из этих моментов — точный расчёт сил, скоростей и углов. Самолёт летает не вопреки физике, а благодаря ей.