1.2 Jak działa samolot?

Od pierwszego lotu braci Wright w 1903 roku, rozwój tej nauki umożliwił ogromny postęp w lotnictwie, od prostych dwupłatowców po nowoczesne odrzutowce i wielkie samoloty pasażerskie.

Mechanika lotu obejmuje analizę sił działających na statek powietrzny, zachowanie gazów (w tym przypadku powietrza) opływających powierzchnie samolotu, oraz interakcje między różnymi systemami samolotu a otaczającym go środowiskiem. To właśnie zrozumienie tych zasad pozwala inżynierom projektować bezpieczne i wydajne statki powietrzne, a pilotom skutecznie nimi sterować.

W locie na samolot działają cztery podstawowe siły:

1. Siła nośna – skierowana ku górze, przeciwdziała ciężarowi samolotu.
2. Ciężar – grawitacja działająca w dół.
3. Ciąg – siła wytwarzana przez silnik, ciągnąca samolot do przodu.
4. Opór – siła przeciwdziałająca ruchowi samolotu przez powietrze.

Skrzydło samolotu ma specjalny profil i jest tak skonstruowane, aby jego górna powierzchnia była bardziej wypukła niż dolna. Dzięki takiemu kształtowi możliwe jest wytwarzanie siły nośnej przy odpowiedniej prędkości.

Gdy powietrze opływa skrzydło:

• Nad skrzydłem porusza się szybciej
• Pod skrzydłem porusza się wolniej

Ta różnica prędkości powoduje różnicę ciśnień, która wytwarza siłę nośną.

Siła nośna jest opisana wzorem:

L = (1/2) * ρ * v² * S * C_L

Gdzie:

• L – siła nośna
• ρ (rho) – gęstość powietrza
• v – prędkość samolotu względem powietrza
• S – powierzchnia skrzydła
• C_L – współczynnik siły nośnej (zależy od kształtu profilu i kąta natarcia)

Zauważ, że siła nośna rośnie z kwadratem prędkości. Dlatego samoloty potrzebują długiego rozbiegu – muszą osiągnąć odpowiednią prędkość, aby wytworzyć wystarczającą siłę nośną.

Kąt natarcia to kąt między cięciwą profilu skrzydła a kierunkiem napływu powietrza. Cięciwa skrzydła to linia prosta łącząca przednią krawędź skrzydła (krawędź natarcia) z tylną krawędzią (krawędź spływu). Jest bardzo ważny, gdyż bezpośrednio wpływa na generowanie siły nośnej i oporu aerodynamicznego.

Jak to działa:

• Przy małych kątach natarcia, powietrze płynie gładko nad skrzydłem, generując mniej siły nośnej, ale i mniej oporu. Taki stan jest charakterystyczny dla lotu z dużą prędkością.
• Optymalny kąt natarcia: Istnieje pewien kąt, przy którym skrzydło generuje maksymalną siłę nośną w stosunku do oporu. Przy takim nachyleniu skrzydła samolot jest najbardziej efektywny aerodynamicznie.
• Zwiększając kąt natarcia, siła nośna rośnie, ale tylko do pewnego momentu. Kiedy kąt staje się zbyt duży, dochodzi do przeciągnięcia (ang. stall), nad skrzydłem pojawia się wiele zawirowań powietrza, co prowadzi do gwałtownego spadku siły nośnej i zwiększenia oporu.

Podczas startu i lądowania, samoloty zwykle operują z większym kątem natarcia, aby uzyskać większą siłę nośną przy mniejszych prędkościach. W trakcie manewrów, pilot musi dostosowywać kąt natarcia, aby utrzymać odpowiednią siłę nośną i kontrolę nad samolotem.

Jest on mierzony za pomocą specjalnych przyrządów, które pomagają pilotom w zarządzaniu lotem, zwłaszcza w trudnych warunkach pogodowych czy podczas skomplikowanych manewrów.

Istnieją dwa główne rodzaje oporu:

1. Opór indukowany – związany z wytwarzaniem siły nośnej. Im większa siła nośna, tym większy opór indukowany.
2. Opór profilowy – wynika z tarcia powietrza o powierzchnię samolotu i z różnicy ciśnień przed i za samolotem.

Opór rośnie wraz z prędkością, co ogranicza maksymalną prędkość samolotu.

Wraz ze wzrostem wysokości:

• Maleje gęstość powietrza, co zmniejsza siłę nośną i ciąg silnika
• Spada temperatura, co wpływa na pracę silnika

Wysoka temperatura na poziomie morza ma podobny efekt jak lot na dużej wysokości – zmniejsza gęstość powietrza.

To dlatego starty z lotnisk położonych wysoko w górach lub w gorącym klimacie wymagają dłuższego rozbiegu i są bardziej wymagające dla samolotu.

Lot samolotu można podzielić na kilka kluczowych faz, z których każda charakteryzuje się specyficznymi wyzwaniami i wymaga odpowiedniego zarządzania siłami działającymi na statek powietrzny. Przyjrzyjmy się bliżej każdej z tych faz:

Start:

Start to jedna z najbardziej krytycznych faz lotu, wymagająca precyzyjnej kontroli i odpowiedniego wykorzystania mocy silnika.

• Rozbieg: Samolot początkowo porusza się po pasie startowym, stopniowo zwiększając prędkość. W tej fazie koła przenoszą ciężar samolotu, a siła nośna jest jeszcze niewielka.
• Rotacja: Gdy samolot przekroczy prędkość V1, po której nie można już przerwać startu, pilot przygotowuje się do podniesienia nosa maszyny (zwiększa kąt natarcia), co zwiększa siłę nośną. To moment, w którym siła nośna musi przewyższyć ciężar samolotu.
• Oderwanie: Przy prędkości Vr (velocity rotation) samolot odrywa się od ziemi. W tym momencie siła nośna przewyższa ciężar samolotu.
• Wznoszenie początkowe: Bezpośrednio po oderwaniu samolot rozpoczyna wznoszenie, utrzymując optymalny kąt wznoszenia dla danego typu maszyny.

Wznoszenie:

Po oderwaniu od ziemi samolot wchodzi w fazę wznoszenia.

• Utrzymanie optymalnego kąta wznoszenia: Pilot musi znaleźć równowagę między prędkością a szybkością wznoszenia. Zbyt stromy kąt wznoszenia może prowadzić do utraty prędkości i potencjalnego przeciągnięcia.
• Zarządzanie mocą: Silniki zwykle pracują na pełnej mocy, aby zapewnić maksymalną prędkość wznoszenia.
• Kompensacja zmian gęstości powietrza: Wraz ze wzrostem wysokości, gęstość powietrza maleje, co wpływa na siłę nośną i wydajność silników. Pilot musi dostosowywać parametry lotu do zmieniających się warunków.

Lot poziomy:

W tej fazie samolot utrzymuje stałą wysokość.

• Równowaga sił: Siła nośna musi dokładnie równoważyć ciężar samolotu, a ciąg musi być równy oporowi.
• Wyważanie maszyny: Pilot używa trymerów (małych powierzchni sterowych) do precyzyjnego zbalansowania samolotu, minimalizując potrzebę stałego nacisku na stery.
• Zarządzanie prędkością: Pilot może regulować moc silników i konfigurację samolotu (np. klapy) w zależności od pożądanej prędkości i efektywności paliwowej.

Zniżanie:

Kiedy samolot zbliża się do celu, wchodzi w fazę zniżania.

• Kontrolowane zmniejszanie wysokości: Pilot zmniejsza moc silników i/lub zwiększa opór (np. poprzez wysunięcie klap lub spoilerów), aby samolot zaczął tracić wysokość.
• Zarządzanie energią: Ważne jest, aby kontrolować prędkość opadania. Zbyt szybkie zniżanie może prowadzić do trudności w wytraceniu prędkości przed lądowaniem.
• Przygotowanie do lądowania: W tej fazie załoga przygotowuje samolot do lądowania, wysuwając podwozie i ustawiając klapy w odpowiedniej pozycji.

Lądowanie:

Lądowanie to kolejna krytyczna faza lotu, wymagająca precyzji i dobrego wyczucia.

• Podejście końcowe: Samolot jest ustawiony w linii z pasem startowym, zniżając się pod odpowiednim kątem (zwykle około 3 stopni).
• Wyrównanie: Tuż nad pasem pilot podnosi nos samolotu, zwiększając kąt natarcia. To powoduje wzrost oporu i zmniejszenie prędkości opadania.
• Przyziemienie: Samolot dotyka pasa startowego, idealne najpierw tylnymi kołami (w przypadku samolotów z podwoziem trójpodporowym).
• Dobieg: Po przyziemieniu pilot używa hamulców, odwracaczy ciągu i spoilerów, aby wyhamować samolot.