Тяга противодействует сопротивлению

Сопротивление — это цена движения в воздухе. Авиаконструкторы делят его на два вида.

1. Паразитное сопротивление. Оно возникает из-за формы и обшивки: из-за волнового сопротивления фюзеляжа, шин и стоек, оттесняющих воздух, а также из-за трения воздуха о поверхность. Оно ведёт себя так же, как подъёмная сила: D_p = ½ρV²S × C_D0. Оно растёт пропорционально квадрату скорости.

2. Индуктивное сопротивление. Это цена создания подъёмной силы. Крыло конечного размаха толкает воздух вниз, а воздух закручивается вокруг законцовок крыла, образуя вихри — вихри законцовок крыла. Эта потерянная энергия проявляется как сила, направленная назад: D_i = ½ρV²S × C_L² / (π e AR). Здесь AR — это удлинение крыла (размах², делённый на площадь крыла; у длинных узких крыльев AR высокий), а e — коэффициент эффективности меньше 1.

Вместе коэффициент полного сопротивления равен C_D = C_D0 + C_L² / (π e AR).

Числа для игрушечной модели. У игрушечного самолёта C_D0 = 0,03, e = 0,8 и AR = 7,5 (учебные значения). В горизонтальном полёте L = W, поэтому C_L = 2W / (ρV²S) и уменьшается с ростом скорости. Это означает, что индуктивное сопротивление падает с увеличением скорости (оно изменяется как 1/V²), а паразитное сопротивление растёт со скоростью (V²). Для игрушечного самолёта получаем:

• 25 м/с: паразитное сопротивление — 184 N, индуктивное — 834 N, всего около 1 020 N. При медленном полёте преобладает индуктивное сопротивление.
• 36,5 м/с: паразитное — 392 N, индуктивное — 391 N, всего около 783 N. Это минимальное сопротивление.
• 50 м/с: паразитное — 735 N, индуктивное — 208 N, всего около 943 N.
• 80 м/с: паразитное — 1 882 N, индуктивное — 81 N, всего около 1 963 N. При быстром полёте преобладает паразитное сопротивление.

Если построить график полного сопротивления в зависимости от скорости, получится кривая в форме буквы U. В нижней точке U индуктивное и паразитное сопротивление равны. Это скорость наилучшего L/D: при 36,5 м/с самолёт имеет L/D = 9 810 / 783 ≈ 12,5. Для реактивного самолёта эта скорость близка к скорости, которая обеспечивает наибольшую дальность полёта, хотя точные оптимальные скорости также зависят от двигателя. Планерист летит примерно с такой скоростью, чтобы на каждый потерянный метр высоты пролететь как можно больше по земле (Мир 6).

Для чего нужен двигатель. В установившемся полёте тяга должна быть равна сопротивлению, поэтому тяга определяется кривой сопротивления. При наилучшем L/D игрушечному самолёту нужна тяга всего около 785 N, чтобы удерживать вес 9 810 N. При полёте медленнее или быстрее необходимая тяга снова возрастает.

Как уменьшить сопротивление. Обтекаемые формы и убирающееся шасси уменьшают лобовое сопротивление. Более длинное и узкое крыло (с большим удлинением) уменьшает индуктивное сопротивление, поскольку D_i обратно пропорционально AR. Поэтому у планеров такие длинные крылья, а у авиалайнеров есть законцовки крыла (Мир 7). Двигатели делятся на два основных типа: винтовые (они немного ускоряют большое количество воздуха) и реактивные (сильно ускоряют меньшее количество воздуха). В Мире 4 объясняется, как реактивный двигатель создаёт тягу.