Планёры и планеризм

DjVu

      Предисловие
      Задачи планеризма весьма многообразны. С помощью планёров определяют оптимальные формы некоторых летательных аппаратов; исследуют условия полётов в различных метеорологических, высотных и географических условиях; перевозят людей и грузы, обучают и тренируют летный состав. Кроме того, планеризм — один из наиболее увлекательных видов спорта.
      Принципы безмоторного полёта также как и сами безмоторные летательные аппараты используют при изучении движения космических кораблей в плотных слоях атмосферы. Задачи, решаемые при постройке планёров и полётах на них, близки общим задачам, решаемым при постройке любых летательных аппаратов тяжелее воздуха В предлагаемой работе безмоторные летательные аппараты и полёты на них рассматриваются применительно лишь к спортивным задачам планеризма
      Навыки в управлении пространственным движением летательного аппарата, умение ориентироваться в пространстве и на местности в сложных метеорологических условиях (при минимуме навигационных приборов и без помощи наземных радиотехнических средств), способность подчинять своей воле эмоциональное воздействие полёта, оказываемое на летчика, умение в весьма легкой, но достаточно прочной конструкции планёра -воплотить новейшие достижения авиационной техники и науки — все эти основополагающие составные части летного и инженерного мастерства имеют огромное значение при формировании летчика и инженера-авиатора и вырабатываются именно при полётах на планёрах, при их проектировании и постройке.
      Характеристики лучших спортивных планёрсв мира и современные методы безмоторного полёта, соответствующие конкретным условиям, позволяют совершать беспосадочные полёты протяженностью более тысячи километров, подниматься в стратосферу, держаться в воздухе непрерывно в течение десятков часов, летать по заданным маршрутам при значительных путевых скоростях полёта и независимо от направления ветра.
      Автор приносит благодарность канд. техн. наук И. М. Паш-ковскому и д-ру техн. наук Г. С. Еленевскому за ценные замечания, сделанные при просмотре рукописи.
      Автор будет признателен всем читателям, приславшим свои замечания по адресу: Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3,
      изд-во «Машиностроение».
     
      Глава 1
      Физические основы полёта планёра
     
      планёр является безмоторным летательным аппаратом, тяжелее воздуха, способным осуществлять управляемое движение в.пространстве. Движение всякого материального тела в реальных условиях, т. е. при наличии сопротивления этому движению со стороны окружающей среды, в частности, атмосферы Земли, происходит под действием силы, приложенной к телу. Направление действия силы определяет направление движения тела. Для того, чтобы осуществить полёт в околоземном пространстве, сила, приложенная к материальному телу (в частности, планёру) должна обладать двумя основными свойствами.
      Во-первых, она должна заставить планёр перемещаться вдоль земной поверхности и по вертикали относительнее нее, в общем случае — одновременно. При этом такая сила образуется в результате взаимодействия сил общего аэродинамического сопротивления планёра и земного притяжения, т. е. его веса. Компонент общей силы аэродинамического сопротивления, лежащий в плоскости симметрии планёра и направленный перпендикулярно касательной к траектории полёта, будем называть подъемной силой планёра. Компонент веса, направленный по касательной к траектории движения планёра, — его маршевой силой. Если движение планёра прямолинейно и равномерно, подъемная сила уравновешивает компонент веса, перпендикулярный к траектории движения. Маршевая сила уравновешивает силу сопротивления окружающей среды, оказывающей противодействие поступательному движению планёра. В случае неравномерного движения планёра (в частности, в начале и конце его движения или при изменении величины и скорости полёта) подъемная и маршевая силы уравновешивают кроме компонентов веса и силы сопротивления окружающей среды также и соответствующие силы инерции. Во-вторых, для того, чтобы перемещение планёра в пространстве стало движением управляемым (а только такое движение принято считать полётом)? сила, приложенная к планёру, должна обладать способностью изменять его положение в пространстве.
      Таким образом, второе свойство этой общей силы определяег характер перемещения планёра, т. е. является средством управления его движением.
     
      1.1. СИСТЕМА ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ И КООРДИНАТНЫЕ ОСИ
      Рассматривая конкретные условия и характеристики полёта планёра, неминуемо сталкиваемся с некоторой системой величин, которые являются численным выражением всей картины движения планёра. Поскольку величиной в физике принято называть все, что можно измерить, каждая такая величина, естественно, должна иметь свою размерность. Будем пользоваться принятой в СССР международной системой СИ, в которой за основные величины приняты длина, выражаемая в метрах, масса, выражаемая в килограммах, и время, выражаемое в секундах [6].
      Надежным способом проверки правильности вычислений служит анализ размерности результата этих вычислений. Ибо конечная размерность должна быть получена с помощью тех же действий, которые применялись при определении численного результата расчета.
      При измерениях геометрических также будем пользоваться системой размерностей, которая определяет число измерений на линии, на плоскости и в пространстве, а также — способы нахождения точки, фигуры и тела на линии, на плоскости и в пространстве. Существует множество таких систем, каждая из которых применяется в том случае, когда с ее помощью решение данной задачи становится наиболее удобным и простым [11]. Воспользуемся некоторыми из общепринятых, так называемых «правых прямоугольных» систем координат. Эти системы представляют собой совокупность трех взаимно перпендикулярных осей, начало которых находится либо в центре масс (тяжести) планёра, либо на земной поверхности. Если оси координат жестко связаны с планёром (рис. 1.1), то положительное направление оси Ох будет вправо, параллельно оси фюзеляжа или средней аэродинамической хорде, от хвостового оперения к кабине-Положительное направление оси Оу — от шасси к верху фонаря кабины в плоскости симметрии планёра, и оси — вдоль правого крыла от фюзеляжа к консоли, перпендикулярно плоскости симметрии планёра. Связанная система осей координат применяется при рассмотрении относительного движения планёра и, в частности, при обработке и анализе записей параметров движения, сделанных приборами, установленными на борту планёра. В том случае, когда ось Ох направлена по вектору скорости полёта планёра, ось Оу — по перпендикуляру к оси Ох в вертикальной (относительно земной поверхности) плоскости и ось Oz вправо так, чтобы оси координат образовали «правую» систему, такая система осей называется полу связанной. Когда ось Ох с направлена так же, как и в предыдущем случае, по вектору скорости, ось Оу с — перпендикулярно к ней, но в плоскости симметрии планёра, а ось Ozc — перпендикулярно к плоскости симметрии планёра вдоль правого крыла, система называется поточной или скоростной. Полусвязанная и скоростная системы применяются, в частности, при рассмотрении переносного движения планёра-
      Наконец, система с началом, расположенным на земной поверхности и осью 0х3, направленной по меридиану к северному полюсу, осью Оу3, перпендикулярной земной поверхности в начале координат и направленной вверх, и осью Oz3, направленной вдоль земной поверхности на восток, является так называемой земной системой и применяется, в частности, при изучении абсолютного движения планёра, например, его полёта по маршруту.
     
      1.2. ПЛАНЁР — ОДИН ИЗ ВИДОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
      При определении принципа полёта летательных аппаратов, созданных специально для движения в воздухе без помощи силовых установок, следует разграничивать две стадии их движения: запуск (рис. 1.2) и свободный полёт (рис. 1.3). Запуск есть начальное принудительное движение безмоторного летательного аппарата, во время которого ему сообщается известный запас кинетической и потенциальной энергий. Этот запас энергий и используется в дальнейшем в так называемом «свободном» полёте.
      Передача планёру некоторого запаса кинетической и потенциальной энергий перед началом свободного полёта необходима, ибо без этого немыслимо само свободное движение такого аппарата, лишенного двигательной установки. Свободный полёт планёра, являющийся, как правило, главным видом его движения в околоземном пространстве, основан на принципе взаимодействия двух тел — планёра и Земли (в результате этого взаимодействия образуется маршевая сила), а также — на взаимодействии планёра с окружающей воздушной средой (при этом взаимодействии образуются подъемная сила и сила, управляющая движением планёра).
      Итак, в свободном движении планёра, вследствие использования аэродинамического принципа полёта, подъемная и управляющие силы образуются и действуют исключительно при взаимодействии планёра и набегающего на него потока воздуха. Маршевая сила, обусловливающая поступательное перемещение планёра в свободном полёте, может быть получена лишь путем
      Рис. 1.2. Запуск планёра с помощью самолета
      использования его веса. В этом заключается основное, принципиальное отличие свободного полёта планёра (и, естественно, полёта в атмосфере всякого летательного аппарата тяжелее воздуха с неработающими двигателями) от полётов других летательных аппаратов, маршевая сила которых создается либо с помощью специальных бортовых установок, либо — путем использования энергии ветра (в случае полёта аэростата). Естественно поэтому, что сам планёр, если он предназначен для свободного полёта, также имеет ряд специфических отличий от
      других летательных аппаратов, полёт которых, в основном, «моторный». Однако, из сказанного следует, что любой летательный аппарат тяжелее воздуха при полёте в атмосфере с неработающими силовыми установками становится, в принципе, планёром. Летные характеристики таких планёров, конечно, значительно хуже, чем у летательных аппаратов, созданных специально для безмоторных полётов.
      Рис. 1.3. Свободный полёт планёра
      Таким образом, планёр является одним из видов летательных аппаратов, обладающим двумя принципиально важными свойствами, заключающимися в:
      — отсутствии на борту планёра специального устройства, создающего маршевую силу, обусловливающую его поступательное движение;
      — использовании в качестве маршевой силы силы земного притяжения (собственного веса планёра).
      Рассматривать полёт планёра как физическое явление необходимо, принимая во внимание следующие два обстоятельства. Во-первых, то, что такой полёт есть результат взаимодействия трех элементов: планёра, воздушной среды (атмосферы) и человека, управляющего движением планёра. Во-вторых, то, что полёт планёра есть совокупность его поступательного и вращательного движений. Будем рассматривать полёт планёра сначала с точки зрения подъемной и маршевой сил, которые определяют движение планёра как материальной точки, т. е. движение его центра масс. Затем рассмотрим движение планёра с точки зрения сил, управляющих его движением, т. е. тех сил, которые определяют движение планёра как материального тела. Иначе говоря, рассмотрим его движение с учетом изменения положения планёра в пространстве. При этом во всех случаях будем учитывать взаимодействие указанных выше трех элементов (планёра, атмосферы и человека) с Землей.
     
      1.2.1. Назначение планёра или его эксплуатационная задача
      Как и всякая машина, планёр служит для решения определенного круга задач, совокупность которых мы будем именовать его «эксплуатационной задачей». Эксплуатационная задача, таким образом, определяет назначение планёра, а значит, и его тип.
      На заре развития планеризма, естественно, стояла лишь одна задача: не оснащая летательный аппарат тяжелее воздуха специальными устройствами, создающими маршевую силу, просто удержать его в воздухе в течение более и менее продолжительного времени. С развитием техники и практики планеризма эта задача стала уже включать и такие вопросы: во имя чего, т. е. для решения каких частных задач, следует держаться в возДухе на безмоторном летательном аппарате тяжелее воздуха, и какие типы планёров и методы осуществления полётов на них наиболее приемлемы и выгодны для решения той или иной частной эксплуатационной задачи. Эти частные задачи можно в настоящее время сформулировать следующим образом.
      Спортивная задача. Она состоит в обеспечении таких видов движения планёра, которые охватывают наибольшее количество (практически все) возможных режимов безмоторного полёта. В наши дни для решения этой задачи создается целый ряд типов спортивных планёров. С помощью каждого из них решается, как правило, не вся спортивная задача, а только отдельные ее части, которые являются по существу также эксплуатационными задачами, но более узкими. С этой точки зрения современные спортивные планёры можно разделить на несколько групп: на планёры, предназначенные для обучения полётам (рис. 1.4), для тренировки (рис. 1.5), для достижения рекордов и участия в чемпионатах (рис. 1.6), для воздушной акробатики (рис. 1.7). Следует отметить, что четких и незыблемых границ между этими группами планёров нет. Например, планёр рекордного типа должен иметь характеристики управляемости, близкие к характеристикам планёра пилотажного, так как в длительном полёте могут встретиться условия, аналогичные условиям акробатического полёта. Но, с другой стороны, ряд качеств планёров отдельных групп резко отличает их друг от друга. Например, такие характеристики учебных планёров, как простота и дешевизна, гораздо большие, чем эти данные для универсальных рекордных и даже тренировочных машин.
      Своеобразными планёрами являются летательные аппараты, полёт которых связан не с неподвижными, а с вращающимися крыльями, такими же, как у вертолета и автожира. полёт этих аппаратов в настоящее время, как правило, ограничивается буксировкой за каким-либо движущимся предметом — автомобилем, моторной лодкой и т. д. Однако, и свободный их полёт, и даже полёт парящий вовсе не исключены, а связаны лишь с накоплением достаточного опыта пилотирования, отысканием подходящих условии местности и атмосферных условий и умением при п. проектировании обеспечивать достаточно малые скорости снижения (рис. 1.8).
      Не погрешим против истины, сказав, что планёрами являются н лыжник-трамплшшет, совершающий свой подлинно планирующий полёт над трамплином, и парашютист в свободном падении, а точнее — планировании, а также при спуске с раскрытым парашютом. Ибо все эти виды полёта подчинены тем же законам аэродинамики, что и полёт планёра в обычном понимании (рис. 1.9, 1.10, 1.11).
      Другой эксплуатационной задачей, объединяющей свою группу планёров, является задача экспериментальная. Движение планёров при решении этой задачи определяется теми отдельными режимами полёта, в которых исследуются новые конструктивные и аэродинамические формы летательных аппаратов, их динамика, управляемость и т. п. (рис. 1.12 — 1.17)
      Задача перевозки и спуска грузов и людей на Землю в случае их десантирования объединяет особую группу планёров. При десантировании движение планёра происходит, в основном, на буксире за самолетом, этим, а также условиями посадки на неподготовленные площадки определяются характеристики планёров десантного типа и грузовых планёров (рис. 1.18).
      Спуск грузов и людей с помощью парашютов или мягких крыльев также является областью применения планеризма, так как эти способы летания основаны на тех же законах и принципах, что и способы полёта обыкновенных планёров. При некоторых, определенным образом подобранных форме и конфигурации парашютов ii мягких крыльев, эти летательные аппараты приобретают способность развивать кроме вертикальной скорости снижения также и горизонтальную, что дает возможность в определенной мере управлять путевым направлением движения спускаемого аппарата (рис. 1.19, 1.20, 1.21)
      Задача исследования атмосферы также объединяет свою группу безмоторных летательных аппаратов. Движение их связано, в основном, с большими высотами.
      Рис. 1.13. Экспериментальный планёр с дискообразным крылом
      Наконец, есть группа эксплуатационных задач, которая объединяет летательные аппараты промежуточного типа между планёрами и самолетами. Машины этой группы предназначены для решения различных вопросов. Но принципиально все они характеризуются двумя одинаковыми свойствами. С одной стороны, — это типичные планёры и по внешним формам, и по характеристикам свободного полёта, который является основным видом их движения. С другой стороны, такие летательные аппараты, оснащенные небольшими (в случае спортивного предназначения), а иногда и весьма мощными силовыми установками (когда аппараты используются в исследовательских или других целях) — являются самолетами. Маршевая сила, создаваемая силовыми установками таких «мотопланёров» или «планёроле-тов», используется для взлета, набора и восстановления высоты, затраченной при выполнении планирующих участков полёта (рис. 1.22).
      Обилие эксплуатационных задач, которые решаются с помощью планёров, обусловливает многообразие конструктивных форм этих машин.
      Но многообразие форм планёров увеличивается еще и вследствие различных конструктивных решений планёров в целом, их отдельных частей и агрегатов, которые предлагаются при создании этих летательных аппаратов даже в рамках одной какой-нибудь эксплуатационной задачи. Из приведенных рисунков, а также из нижеследующих видно, что планёры бывают так называемой «нормальной» схемы (рис. 1.23), планёры в виде летающего крыла (рис. 1.24) и в виде летающего фюзеляжа (см.рис. 1.17). Можно встретить планёры с крыльями прямоугольной (рис. 1.25), стреловидной (рис. 1.26) и трапециевидной (см рис. 1.23) формы в плане, с крыльями серповидными (см. рис. 1.14) и построенными в виде диска (см. рис. 1.13), крыльями, похожими на крылья летучей мыши (см. рис. 1.12). Можно увидеть планёры с фюзеляжами, представляющими собой трубу (рис. 1.27), балку расчаленную (см. рис. 1.25), лодку (рис. 1.28) или ферму (рис. 1.29), имеющие нормальное (см. рис. 1.23), Т- или V-образные оперения (рис. 1.30, см. также рис. 1.6).
      Крылья планёров разного назначения по разному механизированы, т. е. имеют различные устройства, меняющие их конфигурацию в полёте. Это также разнообразит конструктивное оформление безмоторных летательных аппаратов.
      Наконец, применение большого ассортимента строительных материалов, среди которых можно видеть металл, дерево, пластические массы, композиционные материалы, — также в большой мере разнообразит семейство безмоторных летательных машин. Познакомимся подробно с характером и степенью влияния эксплуатационной задачи на конструктивное оформление планёра, для чего выберем одноместный спортивный планёр-паритель, который является наиболее характерным представителем как всего семейства безмоторных летательных аппаратов, так и машин в своей спортивной группе.
     
      1.2.2. Краткие сведения о конструктивном оформлении и особенностях компоновки современного спортивного планёра
      Окончательно построенный планёр представляет собой совокупность дополняющих друг друга различных конструктивных частей и агрегатов. Совместная взаимозависимая их работа обусловлена требованиями той эксплуатационной задачи, для решения которой был построен данный планёр. Это — требования аэродинамического, прочностного и эксплуатационного характера. Совокупность отдельных частей и агрегатов, составляющих в целом планёр, подчинена определенным законам компоновки. Под компоновкой понимают единый процесс, в ходе которого должны быть взаимно увязаны требования аэродинамики, прочности, производства и эксплуатации, и на основё этого найдены оптимальные форма планёра и его конструктивное решение. Компоновкой называют и законченную совокупность отдельных частей и агрегатов планёра, подчиненную определенной концепции, в которой сформулирована эксплуатационная задача.
      Рассмотрим типы компоновок планёра, характеризуемые различными группами законов, которые должны быть соблюдены при проектировании и постройке планёра. Так, рассмотрим компоновку планёра с точки зрения его конструкции, т. е. совокупность отдельных конструктивных элементов планёра, обеспечивающих его работу как механической системы. Компоновка планёра в целом включает в себя, естественно, и компоновку массовую, т. е. соответствующее распределение масс элементов конструкции, а также соответствующее размещение летчика, грузов, оборудования, балласта и др.
      Другим аспектом компоновки планёра является придание таких внешних форм крылу, фюзеляжу и оперению и такое их взаиморасположение, которые будут обеспечивать планёру высокие летные качества и хорошую управляемость. Аэродинамическая компоновка связана с конструктивной. Конструкция планёра, естественно, подчинена аэродинамическим и прочностным требованиям, предъявляемым к внешним формам планёра, и обеспечивает в известных пределах неизменность или преднамеренную изменяемость их в полёте. Как неизменность, так и преднамеренная изменяемость внешних форм планёра определяются требованиями его эксплуатационной задачи. Конструкция планёра определяет способы и средства поддержания в полёте его определенных внешних (аэродинамических) форм.
     
      1.2.3. Конструктивный аспект компоновки планёра
      Современный планёр-паригель обычно представляет собой свободнонесущий (т. е. не имеющий подкосов и расчалок) моноплан со средним или верхним по отношению к фюзеляжу расположением крыла трапециевидной формы в плане (см., например, рис. 1.3).
      Крыло
      Форма крыла, его прочность, жесткость, массу конструкции, дешевизна и простота постройки и эксплуатации должны быть максимально приближены к оптимальным. Однако удовлетворить сразу всем этим требованиям невозможно. Поэтому, в зависимости от эксплуатационной задачи планёра, выбирается то или иное конструктивное решение крыла.
      Прежде чем перейти к описанию типовой конструкции крыла напомним основные его геометрические характеристики (рис. 1.31).
      Рассмотрим крыло типичного планёра-парителя трапециевидной формы в плане. Эта форма стала классической в связи с простотой постройки и хорошими аэродинамическими и прочностными свойствами. Такое крыло выполняется чаше всего из двух разъемных частей, именуемых консолями. Иногда крыло делается составным из трех частей. Тогда консоли крепятся к средней части, которая называется центропланом. Реже, в тех случаях, когда крыло невелико, его делают цельным. Расстояние между концами собранного крыла называется его размахом I.
      Площадью крыла S называется площадь, ограниченная контурами проекции крыла в плане. Для трапециевидного крыла площадь 5 равна произведению I на среднюю геометрическую хорду ЬСр.геом- Хордой называется отрезок прямой, соединяющий переднюю и заднюю кромки поперечных сечений крыла, параллельных плоскости симметрии планёра. При рассмотрении геометрических характеристик крыла принимаются во внимание размеры ряда определенных хорд. Среди них уже упоминавшаяся геометрическая, а также концевая (6Конц) и корневая (?корн) хорды.
      Есть еще одна характерная хорда крыла, являющаяся, правда, уже не конструктивным параметром, называемая средней аэродинамической ЬА или САХ. Ее величина и положение опре-
      Подробный разбор конструкции планёров выходит за рамки настоящей книги. Однако, кроме краткого обзора конструктивных решений современных планёров-парителей, в гл. 5 даются некоторые дополнительные сведения по этому вопросу.
      деляются для трапециевидного крыла простым построением, понятным из рис. 1.31. Хорда является характеристикой не только проекции крыла в плане, но, естественно, и его поперечных сечений, т. е. профилей, имеющих первостепенное значение с
      Рис. 1.31. Геометрические характеристики крыла планёра. Отрицательная стреловидность, которая иногда применяется при компоновке спортивных планёров, в данном случае показана для наглядности представления о положении САХ крыла планёра
      точки зрения образования подъемной силы и силы лобового сопротивления крыла планёра. Кроме хорды профиль характеризуется рядом других величин. Среди них — координаты геометрических мест точек, образующих контур профиля, толщина
      САХ — хорда условного крыла прямоугольной формы в плане. Это крыло имеет одинаковые с реальным крылом профили сечений по размаху, равную площадь и в пределах плавпого обтекания дает одинаковый момент, что и заменяемое им реальное крыло любой формы в плане. Относительно САХ определяется положение центра масс планёра. К САХ относят и коэффициент MoveiiTOF. действующих на крыло и планёр в целом.
      К числу геометрических характеристик крыла относятся углы его стреловидности в плане и углы поперечной V-образности. Крыло планёра может иметь геометрическую крутку, т. е. неодинаковый по размаху угол установки профилей относительно
      хорды центрального сечения крыла. Иногда вместо геометрической применяется аэродинамическая крутка, заключающаяся в том, что при одинаковом по размаху крыла угле установки профилей меняются сами профили.
      Конструктивные схемы крыла в настоящее время довольно разнообразны. Однако, они, как правило, имеют следующие основные элементы. Это лонжероны и стрингеры, объединяемые общим понятием продольный (в отношении крыла) набор, нервюры, именуемые поперечным набором, и обшивка.
      Рассмотрим некоторые из распространенных ныне конструктивных схем крыла планёра. Наиболее распространенной схемой является однолонжеронное крыло (рис. 1.32). Оно имеет мощный лонжерон, проходящий по всему размаху и расположенный примерно на 40% хорды. Благодаря этому в передней части крыла образуется замкнутый контур, состоящий из обшивки, подкрепленной нервюрами и иногда стрингерами, и лонжероном. (...)
      Рис. 1.34. Конструктивная схема двухлонжерониого крыла с неработающей обшивкой
      Конструктивно элероны выполняются в подавляющем большинстве случаев в виде самостоятельных частей крыла, подвешенных к нему на шарнирах (рис. 1.35).
      Такое устройство изменяет кривизну профиля крыла весьма грубо. Однако простота, надежность и достаточная эффективность элеронов определили повсеместное их распространение. Существенным требованием к конструкции элеронов является обеспечение нормальной их работы при больших изгибных деформациях крыла, с которыми в полёте приходится сталкиваться весьма часто. Это требование удовлетворяется, как правило, путем членения каждого элерона на несколько секций, соединяемых друг с другом шарнирно, и подвешенных к крылу каждая на своих шарнирах. Такая конструкция позволяет нормально работать системе поперечного управления при всех допустимых в эксплуатации нагрузках на крыло планёра. Следует отметить, что еще на планёре братьев Райт в начале столетия вместо элеронов были применены отгибающиеся концы крыльев. При отклонениях под действием системы управления они плавно изменяли кривизну профиля крыла. Принципиально такая же схема элеронов, но выполненная на более высоком техническом уровне, была применена на крыле одного пз немецких плане-ров-парителей, который был построен в наше время (рис. 1.36).
      Другим органом механизации крыла, также меняющим профиль его (но в отличие от элеронов — в одном направлении) являются закрылки (рис. 1.37). Закрылки необходимы для того, чтобы путем изменения характеристик обтекания крыла из-
      Рис. 1.36. Схемы обычно применяемых элеронов (а) и выполненных в виде упруго отгибающихся частей крыла (б)
      менить соотношение скорости полёта по траектории и скорости снижения планёра. Неизменно возникающие при этом изменения продольного момента крыла являются побочным эффектом, который парируется другими органами управления. Закрылки размещаются в центральной части (по размаху) крыла, между элеронами. Закрылки выполняются, как правило, разрезными и, как элероны, подвешиваются к крылу на шарнирах (наиболее простая, но не самая эффективная схема). Либо они делаются выдвигающимися, и при этом меняющими не только профиль крыла, но и его площадь. Последнее решение более выгодно, но конструктивно сложно и обычно больше утяжеляет конструкцию. Следует иметь в виду, что до последнего времени закрылки отклонялись только вниз, так как считалось, что их применение ограничено потребностями лишь увеличения кривизны профиля. Но теперь признано, что некоторое отклонение закрылков вверх также может оказаться весьма полезным, например, на больших скоростях полёта в тех случаях, когда бывает выгодно уменьшить кривизну профиля.
      Для увеличения эффективности закрылков их функциями иногда наделяют элероны, которые в этом случае могут работать в качестве обоих органов управления одновременно. Так как правый и левый элероны всегда отклоняются в противоположные стороны, а части закрылка, расположенные на правой и левой консоли крыла, работают симметрично, механизм, связывающий элероны и закрылки, обеспечивает элеронам приращение угла их отклонения, соответствующее углу отклонения закрылков, независимо от их исходного отклонения, которое определяется потребностями устранения или создания крена.
      Наконец, еще одним органом механизации крыла являются интерцепторы (воздушныетормоза), или как их еще называют — спойлеры (рис. 1.38). Они служат для ухудшения характера обтекания крыла набегающим потоком воздуха и уменьшения, таким образом, его подъемной силы при росте лобового сопротивления. Интерцепторы конструктивно выполняются в виде отклоняющихся или выходящих за пределы контура профиля пластин, расположенных поперек потока на верхней и нижней поверхностях крыла, примерно, на середине его консоли. В убранном положении они вписываются в контур крыла. В выпущенном положении интерцепторы турбулизируют и срывают поток с той части крыла, на которой они находятся. При этом, благодаря применяемой большей частью решетчатой конструкции и наличию щели между нижним краем интерцептора и поверхностью крыла, изменение продольного момента, возникающего при выпуске интерцепторов, не бывает большим и для своего устранения не требует большой работы другими органами управления планёра. Положение интерцепторов по хорде крыла варьируется в большей степени, чем по размаху- Интерцепторы, находящиеся в передней части профиля, в выпущенном состоянии уменьшают подъемную силу крыла и тормозят движение планёра по траектории полёта. А интерцепторы, расположенные вблизи задней кромки крыла, работают, в основном, как воздушные тормоза. Выбор того или иного расположения интерцепторов зави-
      сит от эксплуатационной задачи планёра. Однако, даже в убранном положении интерцепторы всегда в большей или меньшей мере портят поверхность крыла. Поэтому в ряде случаев вместо них используется тормозной парашют одно- или многоразового действия (рис. 1.39).
      Крыло планёра имеет ряд узлов, предназначенных для крепления его к фюзеляжу, а также для установки различных агрегатов и систем. Не останавливаясь на второстепенных, обратим внимание на основной узел крыла, предназначенный для соединения консолей и присоединения фюзеляжа к крылу. Этот узел может быть как единым, faK и выполненным в виде отдельных конструкций, соединяющих консоли и крепящих к ним фюзеляж-Стыковой узел является предметом особых забот конструкторов и летчиков, так как его исправность и правильная работа обусловливают в значительной степени целостность планёра. Узел, о котором идет речь, выполняется в различных вариантах. При этом одним из главных требований к его конструкции, наряду с прочностью и легкостью, является простота н быстрота монтажа и демонтажа (рис. 1.40).
      Внутренний объем крыла иногда используется для размещения балластных баков с водой. Увеличение полётного веса планёра вместе с постоянной возможностью за счет слива воды (которую летчик может в любое время полёта слить) уменьшить нагрузку на крыло оказывается полезным при решении некоторых задач парящего полёта.
      К форме крыла и отделке его поверхности предъявляются весьма жесткие требования, ибо даже незначительные отклонения от заданной формы профиля и наличие шероховатостей могут существенно ухудшить летные качества планёра.
      Хвостовое оперение
      Хвостовое оперение обеспечивает продольную и путевую устойчивость планёра, а также создает управляющие моменты относительно поперечной и вертикальной осей планёра. По конструктивной схеме оперение аналогично крылу. Но условия работы оперения позволяют выполнять его более простым (рис. 1.41).
      Как было указано ранее, хвостовое оперение в наше время бывает, в основном, трех видов: так называемой нормальной схемы, а также V- и Т-образных схем. Выбор оперения зависит от убеждения конструктора в выгодности использования той или иной схемы при решении эксплуатационной задачи данного планёра. Однако, при всем различии внешней формы этих трех видов оперений планёров эффективность и весовая отдача, так же как сложность производственного выполнения их, довольно близки друг к другу. Геометрические данные оперения по своему характеру аналогичны крыльевым.
      Кроме геометрических характеристик, аналогичных крыльевым, оперение имеет ряд специфических. К их числу относятся расстояния от шарниров (т. е. осей вращения) рулей высоты (подвижной части горизонтального оперения) и направления (подвижной части вертикального оперения) до центра масс планёра.
      V-образное оперение состоит из двух так называемых перьев, расположенных симметрично относительно плоскости XiOyu под углом к ней чаще всего ±45°, но иногда и несколько большим. Заметим, что площадь V-образного оперения определяется не по проекции на горизонтальную плоскость (как площадь крыла), а по фактическим размерам перьев.
      Оперение планёра имеет, как и крыло, органы механизации — отклоняющиеся вверх и вниз, вправо и влево рули (высоты и направления). Кроме того, в ряде случаев может вращаться, изменяя при этом свой угол атаки, и передняя часть оперения — стабилизатор. Если делается поворотный стабилизатор, то иногда отказываются от применения рулей высоты.
      Кроме указанных средств механизации оперение (в случае нормальной и Т-образной схем) имеет так называемый триммер — подвижную часть самого руля. Триммеры на планёрах применяются только на горизонтальном оперении. На вертикальном оперении, так же как и на элеронах, триммеры не устанавливаются, но для устранения влияния несимметричности планёра на балансировку в боковом отношении (из-за несовершенства изготовления) на элеронах и руле направления ставятся небольшие пластинки, отгибая -которые в нужную сторону можно обеспечить поперечную и путевую балансировку планёра по усилиям в прямолинейном полёте без скольжения.
      Фюзеляж
      Ранее были рассмотрены фюзеляжи, представляющие собой балки и фермы — расчаленные и свободнонесущие. Фермы, как правило, имеют неработающую обшивку, свободнонесущие балки — работающую (рис. 1.42).
      Рис. 1.42. Конструктивные схемы балочного а (свободнонесущего) и ферменного б (с неработающей обшивкой) фюзеляжей
      Фюзеляж планёра соединяет крыло и оперение, т. е. связывает те важнейшие части планёра, с помощью которых создаются подъемная сила и силы, используемые для управления полётом.
      В фюзеляже планёра размещается летчик, большая часть систем, используемых в полёте для обеспечения заданного движения, планёра и безопасности экипажа.
      На рис. 1.43 изображена конструктивная компоновка фюзеляжа одного из планёров. Следует заметить, что из-за необходимости размещения летчика в фюзеляже и наличия в связи с этим большого выреза для фонаря кабины фюзеляж не удается выполнить целиком в одной, наиболее совершенной конструктивной схеме. Поэтому, как правило, приходится переднюю часть фюзеляжа выполнять по смешанной лонжеронной схеме, в то время как заднюю можно выполнить по более совершенной схеме монокок.
      Системы планёра
      Современный планёр, какого-бы назначения и какой бы схемы он ни был, снабжается целым рядрм систем, необходимых для решения эксплуатационной задачи.
      Большая часть этих систем приводится в действие летчиком. Однако есть системы, работающие независимо от летчика, т. е. автоматически. Рассмотрим следующие системы: систему управления, систему пилотажных и навигационных приборов, системы обеспечения жизнедеятельности и спасения летчика, системы управления буксировочным замком, шасси и водяным балластом, системы радиосвязи, электропитания и контрольно-записываю-щей аппаратуры.
      Система управления движением планёра передает воздействия летчика на те органы, которые меняют конфигурацию планёра для поддержания заданного режима его движения или преднамеренного изменения характера этого движения. Эта общая система состоит из нескольких систем, связанных между собой целевым назначением, а в некоторых случаях и кинематически.
      Система продольного управления или продольный канал управления рулями (рис. 1.44) начинается от ручки управления, проходит вдоль всего фюзеляжа и завершается рулем высоты (или стабилизатором — в случае отсутствия руля высоты).
      Если оперение V-образное, канал продольного управления заканчивается на рулях обоих перьев. Продольные перемещения ручки сообщают рулям отклонения вверх и вниз. В случае V- образного оперения при продольных отклонениях ручки управления рули также отклоняются вверх и вниз. Но вся система их управления связана кинематически с другой системой — каналом путевого управления. На рис. 1.45 изображены графики зависимостей отклонений рулей, ручки управления и педалей.
      Рис, 1,43, Конструктивная компоновка фюзеляжа планёра, На рисунке показана также схема убирающегося в полёте шасси
     
      Система путевого управления при любой схеме хвостового оперения (т. е. нормального, Т- или V-образного) начинается также в кабине от педалей (ножных рычагов) и заканчивается рулем направления. При Y-образной схеме оперения системы продольного н путевого управления объединяются в так называемом «суммирующем» механизме, после которого располагаются тяги управления руля каждого из перьев оперения. Суммирующий механизм обеспечивает отклонения каждого руля при одновременном воздействии ручки и педалей.
      Таким образом, суммарное отклонение каждого руля V-образного оперения всегда соответствует тому результату, который имел бы место в случае последовательного воздействия на них ручки и педалей.
      Система поперечного управления или поперечный канал системы управления рулями планёра связывает ручку управления в кабине летчика с элеронами. Элементы системы поперечного управления располагаются как в фюзеляже, так и в консолях крыла планёра. Эта система кинематически не связана с продольной системой, хотя исходным элементом обеих систем является ручка управления в кабине летчика (рис. 1.46). При отклонении вниз элерон создает большее сопротивление, чем при отклонении на тот же угол вверх. Поэтому система поперечного управления конструируется таким образом, что отклонение одного элерона вверх всегда больше, чем соответствующее ему отклонение противоположного элерона вниз. Этим достигается примерное равенство прироста лобовых сопротивлений правого и левого крыла при отклонениях элеронов и отсутствие разворачивающего момента (момента рыскания), который. возник бы при равных по углу отклонениях элеронов (рис. 1.47).
      Помимо перечисленных трех основных систем управления, имеющихся на всех без исключения современных планёрах, отметим еще три системы, которыми оснащаются весьма многие из них. Речь идет о системах управления закрылками, интерцепторами (воздушными тормозами) и триммерами.
      Как было сказано ранее, отклонение закрылков изменяет кривизну профиля крыла и иногда его площадь. В тех случаях, когда работа закрылков связана с работой элеронов, между этими двумя системами осуществляется кинематическая связь. Она выражается в том, что элероны кроме своего асиметрично-го движения получают некоторые симметричные отклонения, зависимые от отклонений закрылков и соответствующие им. Такие элероны, связанные с закрылками, называются зависающими. Закрылки управляются из кабины с помощью специального рычага (рис. 1.48).
      Система управления интерцепторами (воздушными тормозами) начинается со специального рычага управления в кабине летчика и заканчивается соответствующим органом управления на крыле (рис. 1.49). Конструктивно эта система, так же как и другие системы управления, состоит из ряда тяг, качалок, роликов и тросов, передающих движение рычага в кабине интерцепторам.
      Система управления тормозным парашютом в общем аналогична системе управления триммерами, однако имеет и отличие, заключающееся в устройстве, при помощи которого парашют может быть отцеплен от планёра.
      Система управления триммером имеет ту особенность, что отклонения этого органа не зависят от отклонений руля и целиком определяются положением рычага управления в кабине летчика. Однако бывают устройства, принципиально работающие как триммер, но действующие автоматически. При этом отклонение этих устройств, называемых сервокомпенсаторами или серворулями, зависит от отклонения самого руля и особенностей кинематики (рис. 1.50).
      Триммеры и сервокомпенсаторы не ставятся на рули V-образного оперения планёра, так как каждый из этих рулей может работать одновременно и как руль высоты, и как руль направления, причем его отклонения в качестве того и другого могут производиться в разные стороны. В этом случае триммер заменяется пружинным механизмом, нулевое положение которого относительно соответствующих усилий на ручке управления может устанавливаться летчиком. Естественно, что такой механизм легко установить в одной системе управления, не затрагивая других, что и требуется, особенно в случае V-образного оперения.
      На планёр устанавливаются системы пилотажных и навигационных приборов. Эти системы представляют собой совокупность датчиков (чувствительных элементов), т. е. устройств, непосредственно воспринимающих воздействие внешней среды, в которой осуществляется полёт планёра, коммуникаций в виде трубопроводов или электропроводов, соединяющих датчики с визуальными индикаторами, т. е. с приборами, преобразующими воздействие внешней среды в те численные выражения параметров движения планёра, оценивая совокупность которых, летчик может управлять полётом планёра (рис. 1.51).
      Визуальные индикаторы размещены на приборной доске, находящейся перед летчиком. Ряд приборов содержит и датчик и
      индикатор, вследствие чего такая система лишена внешних коммуникаций. К числу визуальных приборов, устанавливаемых в кабине планёра, относятся в первую очередь указатель скорости (приборной) полёта по траектории, вариометр, показывающий величину вертикального компонента скорости полёта (истинную вертикальную скорость движения планёра), высотомер, указатель поворота и скольжения. Вариометров иногда ставится два — один, позволяющий производить грубый отсчет, и другой, улавливающий весьма медленные перемещения планёра по вертикали. На планёрах, предназначенных для длительных, дальних, высотных полётов и полётов в облаках, устанавливаются, кроме перечисленных приборов — компас, часы и иногда авиагоризонт — прибор, по которому можно ориентировать планёр в пространстве, не видя внешних ориентиров. Управление всеми перечисленными системами ограничивается лишь включением их в работу и выключением (рис. 1.52).
      На планёрах имеются системы, призванные обеспечивать жизнедеятельность летчика и его спасение в случае возникновения аварийной ситуации. К их числу относятся следующие.
      Система кислородного питания (рис. 1.53) предназначена для поддержания жизнедеятельности летчика при полёте на высотах, больших 4000 м. Система состоит из баллона со сжатым до весьма высокого давления чистым (медицинским) кислородом, очищенным от вредных для дыхания примесей, редуктора, понижающего давление газа, поступающего к летчику, маски, надеваемой летчиком, трубопроводов и шлангов, соединяющих перечисленные основные три элемента системы. К системе подсоединяются два визуальных индикатора. Один показывает давление кислорода в баллоне. По его показаниям можно судить о величине остатка газа и, следовательно, о допустимом времени пребывания на большой высоте. Расход кислорода зависит от высоты полёта планёра и от конструкции кислородного редуктора. Другой прибор реагирует на каждый вдох летчика и, таким образом, показывает, нормально ли поступает кислород под маску, а следовательно, и в дыхательные органы летчика.
      Система вентиляции кабины (рис. 1.54) устанавливается на планёре в тех случаях, когда кабина летчика полностью закрывается фонарем. При закрытых кабинах постоянная подача свежего воздуха необходима из-за небольшого внутреннего объема фюзеляжа планёра и необходимости проветривания кабины, особенно в жаркое время дня. Проветривание кабины применяется также для устранения запотевания стекол фонаря при низких температурах наружного воздуха.
      С помощью клапана может быть открыто специальное отверстие, через которое поступает набегающий на планёр воздух. Отсос воздуха из кабины происходит обычно через многочисленные щели и отверстия, которые имеются в фюзеляже планёра в местах крепления крыльев, оперения и шасси.
      Системы спасания экипажа планёра представляют собой механизм аварийного сброса фонаря кабины и спасательный парашют летчика. Механизм сброса позволяет одним-двумя движениями рук летчика сбросить фонарь кабины и таким образом обеспечить аварийное покидание планёра летчиком (рис. 1.55).
      Приборы под номерами 4 и 6 ставятся на период летных испытаний
      Спасательные парашюты со специальными устройствами обеспечивают быстрое и безотказное их раскрытие в момент,, который определяется летчиком. Спасательные парашюты, применяемые при полётах на планёрах, бывают, как правило, «наспинными» (рис. 1.56 и 1.57).
      Применение наспинных парашютов вызвано тем, что при небольшой строительной высоте кабины планёра ее длина имеет сравнительно свободные размеры, которые и позволяют разместить парашют, практически не увеличивая по этой причине длину фюзеляжа планёра (рис. 1.58).
      К числу систем и устройств, повышающих безопасность полётов, следует отнести также систему привязных ремней, с помощью которых летчик может быть надежно закреплен на сидении в кабине, но может столь же надежно и быстро освободить
      себя, если ему необходимо покинуть планёр Привязная система состоит из ремней, крепящихся к силовым элементам фюзеляжа и соединенных в одном компактном замке, раскрытие которого требует от летчика минимума времени и усилий (рис. 1.59).
      В кабине планёра размещены еще три системы, которые предназначены соответственно для управления буксировочным замком, для уборки и выпуска шасси и для сброса водяного балласта (рис. 1.60, 1.61, 1.62).
      Рис. 1.54. Схема вентиляции кабины планёра
      Современные планёры в большинстве своем оснащаются системами радиосвязи, позволяющими летчику вести в полёте двухсторонний разговор с командным пунктом на Земле и с планерами, находящимися в воздухе. Такие приемо-передающие радиостанции устанавливаются не только на планёры, летающие на дальние расстояния и большие высоты, но и на учебные машины, в том числе и на планёры первоначального обучения. Польза радиостанции на борту очевидна.
      Отсутствие мощных источников электропитания на борту планёра ограничивает действие радиостанции. И на высотах 5 — 7 км дальность ее действия обычно не превышает примерно 100 км.
      Наконец, к числу так называемых «штатных» систем, т. е. тех систем, которые органически связаны с конструкцией пла-
      нера и его эксплуатацией, необходимо отнести электросистему. Энергообеспеченность планёра является одним из наиболее острых вопросов, которые приходится решать конструктору при проектировании и постройке безмоторных летательных аппаратов вообще и спортивных планёров в особенности. Отсутствие силовых установок на борту планёра и требование не превышать
      его полётной массы сверх величины, определяемой эксплуатационной задачей, делает весьма затруднительным энергообеспечение в безмоторном полёте. А энергия необходима для целого ряда бортовых потребителей: для приведения
      в движение гироскопических механизмов в указателе поворота и в авиагоризонте, для обогрева приемника воздушного давления (ПВД), который обслуживает важнейшие приборы (указатель скорости и высотомер), для питания радиостанции, аэронавигационных огней (при полёте ночью). Кроме штатных потребителей электроэнергии на планёре бывает установлена система кон-трольно-записывающей аппаратуры (КЗА) для регистрации в полёте давления воздуха, отклонений органов управления, угловой скорости вращения планёра и ряд других параметров. КЗА связана единой специальной электросистемой с соответствующими регистраторами.
      Система контрольно-измерительных приборов обязательно устанавливается на планёр при его летных испытаниях. После их окончания она демонтируется.
      Все это многочисленное семейство приборов и устройств питается электроэнергией бортового аккумулятора, значительный вес которого, к сожалению, является необходимым и постоянным добавком к общему полётному весу планёра.
      Конечно не все планёры несут на борту полный комплект перечисленных потребителей электроэнергии. Так, на планёры первоначального обучения, не снабженные радиостанцией и имеющие, как правило, только указатель скорости, указатель поворота и скольжения, вариометр и высотомер, систему электропитания не устанавливают. планёры, используемые для парящих полётов, связанных с большими продолжительностью, дальностью и высотой, имеют много потребителей электроэнергии. Поэтому такие планёры всегда оснащают системой электропитания.
      Таким образом, современные планёры представляют собой сравнительно сложные машины, надежная работа которых мо-
      Рис. 1.59. Внешний вид кабины летчика. Видеи замок системы привязных ремней
      жет быть обеспечена при безукоризненном знании конструкции планёря и всех его систем как летчиками, так и обслуживающим персоналом. Только такие знания и умение работать с планёром могут обеспечить успешное решение эксплуатационной задачи данного планёра и безопасность полёта. Естественно, что роль конструктора, создающего планёр и оснащающего его указанными системами, весьма велика, поскольку от него зависит совершенство конструктивной компоновки, а значит, и степень надежности работы планёра в целом и простота управления его движением в весьма разнообразных практических условиях полёта, которые могут оказаться очень сложными.
      Описание планёра было бы неполным, если бы не были показаны средства его транспортировки на земле. Так как посадка вне аэродрома является для планёра естественной, то в эксплуатации применяются соответствующие приспособления, с помощью которых планёр в частично разобранном виде может быть быстро доставлен на аэродром.
     
      1.2.4. Массовая компоновка планёра
      Рациональное распределение масс всех элементов конструкции, оборудования и нагрузки непосредственно связано с компоновкой планёра. Для того, чтобы планёр мог совершать управ-
      ляемое движение в пространстве, его центр масс должен всегда находиться в определенном положении по отношению к средней аэродинамической хорде крыла. Это требование ограничивает возможности конструктора при компоновке планёра, ибо, с одной стороны, распределение масс элементов конструкции планера предопределено требованиями прочности, а с другой — ряд элементов нагрузки и в первую очередь летчик (его масса составляет 20 — 40% полётной массы планёра) должны быть размещены, исходя из условий, прямо не связанных с требованиями к положению центра масс всего планёра.
      Так или иначе положение центра масс планёра при различных вариантах его загрузки является предметом пристального внимания и конструктора и летчика, так как фактическое положение центра масс планёра и изменения этого положения всегда строго регламентируются и должны быть выдержаны в определенных пределах.
     
      1.2.5. Аэродинамический аспект компоновки планёра
      Главным в компоновке планёра с точки зрения его аэродинамики является правильный выбор аэродинамических форм его отдельных частей (крыла, фюзеляжа, оперения, органов механизации и т. д.) в соответствии с поставленной эксплуатационной задачей и по возможности оптимальное их сочетание, сводящее к минимуму добавочные вредные сопротивления, т. е. отрицательный их эффект в отношении аэродинамического качества. К числу элементов компоновки планёра с точки зрения его аэродинамики прежде всего относится форма профиля крыла. Выбор профилей крыла является одним из важнейших вопросов проектирования, от правильного решения которого во многом зависит успех создания планёра в целом с точки зрения возможности решения данной эксплуатационной задачи. Исходя из требований аэродинамики, в ряде случаев крыло планёра бывает с несколькими профилями, которые плавно переходят один в другой по мере удаления их от фюзеляжа и приближению к концу крыла.
      К элементам компоновки крыла, с точки зрения его аэродинамики, относятся также его форма и размеры в плане (в частности, удлинение и сужение), а также форма и расположение органов механизации — элеронов, закрылков и интерцепторов. Вопросы компоновки органов механизации крыла включают в себя выбор длины и хорды элерона и закрылка, тип того и другого, расположение интерцепторов по размаху и хорде крыла и т. д.
      Форма сечений фюзеляжа и расположение их по его длине, форма фонаря кабины, профили горизонтального и вертикального оперений, форма и расположение оперения относительно крыла и фюзеляжа также являются элементами аэродинамической компоновки. От их правильного подбора зависит не только достижение запланированных летных данных планёра, но и вообще возможность безопасной эксплуатации планёра.
      Весьма важную роль в компоновке планёра играет форма перехода одной части планёра в другую, например, места стыков крыла и оперения с фюзеляжем. Изменение характера обтекания, связанное с формой мест сочленения частей планёра, называется интерференцией. Уменьшение добавочного лобового сопротивления, вызванного интерференцией, осуществляется путем рационального сочленения частей планёра и применением различного рода обтекателей и «зализов». На рис. 1.64 показан пример хорошо отработанной аэродинамической компоновки планёра.
     
      1.2.6. О материалах, из которых строятся планёры
      Двадцать, тридцать лет тому назад подавляющее большинство планёров строилось из дерева: сосны, березовой фанеры и шпона. Узлы крепления отдельных частей и агрегатов планёра и системы управления выполнялись из металла — в основном листовой стали, стальной проволоки, стальных тросов и дюралевых труб. В настоящее время ассортимент материалов, используемых в планёростроении, значительно расширился.
      Теперь многие планёры делаются целиком металлическими. При этом все силовые элементы, такие, как полки лонжеронов крыла, продольные и поперечные наборы каркаса крыла, фюзеляжа и оперения, а также обшивка планёра изготовляются из листов твердых алюминиевых сплавов. Узлы крепления по-прежнему делаются стальными, но в связи с большими нагрузками, на которые рассчитываются многие современные планёры, сталь здесь применяется высокопрочная.
      В последние годы широкое распространение получили так называемые композиционные материалы. К числу этих материалов следует отнести стекловолокно и пластмассы, армированные металлическими элементами. Широкое применение получили сотовые и пенные заполнители, с помощью которых удается изготовить весьма легкие, прочные и жесткие панели обшивки крыла и выдержать с большой точностью требуемые обводы крыла, фюзеляжа и оперения.
      Характеризуя эти три группы материалов, следует указать на их основные достоинства и недостатки.
      Дерево, весьма удобное при обработке и при ремонте, — недолговечно и требует тщательного соблюдения правил хранения, чтобы задержать процессы гниения, рассыхания и старения клеевых соединений.
      Металл является весьма долговечным материалом, не требующим такого тщательного хранения, как дерево. К тому же применение металла выгодно и с точки зрения весовой отдачи, что в условиях современного планёростроения, требующего от конструкций безмоторных летательных аппаратов высокой прочности и легкости одновременно, является очень полезным свойством этого материала. Что касается технологии, то металл при постройке планёров в заводских условиях столь же удобен, как и дерево. Однако, при изготовлении планёров силами планеристов, так же как и при ремонте, производимом в полевых условиях, металл менее удобен, чем дерево.
      Применять пластмассы особенно выгодно в тех случаях, когда требуется большая точность, с которой необходимо выдерживать задаваемые конструкторами внешние обводы планёра.
      Современный уровень технологии постройки планёров с применением пластических масс и различных клееных неметаллических конструкций позволяет с успехом пользоваться этими материалами как в условиях заводского производства, так и при работе в полевых условиях.
      Следует, однако, подчеркнуть, что ответом на вопрос — какой материал применять выгоднее при постройке планёра с точки зрения прочности, долговечности, дешевизны и простоты технологии — должно служить разумное комплексное применение многих известных и проверенных материалов — металла, дерева, пластических масс, композиционных материалов, каждого в той мере и в той конструкции, детали, агрегате, где данный материал будет наиболее выгоден.
      Путь улучшения конструкции планёра лежит, очевидно, в комплексном использовании различных материалов с учетом преимуществ и недостатков каждого из них. Тогда каждый агрегат планёра может быть изготовлен из такого материала или таких материалов, которые обеспечат наилучшую его работу при экономном весе. Значит и весовая отдача всей конструкции планёра при надлежащей прочности станет больше.
     
      1.3. СРЕДА, В КОТОРОЙ ПРОИСХОДИТ ПОЛЁТ ПЛАНЁРА
      Вторым из трех основных элементов, определяющих полёт планёра, является среда, в которой этот полёт происходит. Такой средой для планёра является атмосфера Земли, т. е. воздушная оболочка, окружающая нашу планету, и притом те ее слои, которые лежат наиболее близко к земной поверхности.
      Диапазон высот полётов планёров сравнительно велик. Верхняя граница возможных полётов безмоторных аппаратов определяется двумя основными условиями. Во-первых, плотностью воздуха, ибо она определяет (при определенных скоростях полёта планёра) ту величину силы аэродинамического сопротивления, которая необходима для уравновешивания веса летательного аппарата. Во-вторых, наличием кинетической энергии атмосферы, используя которую планёр может подниматься и поддерживать высоту полёта на определенном уровне. Эта граница возможных и реальных высот полётов спортивных и некоторых экспериментальных планёров ограничивается пока 15 —
      20 км. Заметим, что максимальная высота, достигнутая в свободном безмоторном (т. е. не на буксире) полёте, составляет сегодня несколько более 14 км. В то же время уже сейчас известно, что вертикальные перемещения воздушных масс, т. е. восходящие потоки, могут позволить подняться на планёре без 1 помощи буксира на высоты до 20 км. Правда, достижение таких высот и пребывание в этих условиях связано с целым рядом еще не решенных проблем, и в первую очередь с проблемами жизнеобеспечения и энергоснабжения экипажа и бортовых систем планёра. Решение этих проблем — дело времени. Главные условия безмоторных полётов до 20 км (т. е. различные проявления энергии атмосферы, в частности, восходящие потоки воздуха и достаточная его плотность) уже установлены. Ниже будут рассмотрены строение и основные физические свойства атмосферы на высотах от 0 до 20 км.
     
      1.3.1. Физические свойства воздуха
      Физическими характеристиками (свойствами) воздуха называются те свойства, которые не связаны с изменениями его состава. II именно физические свойства воздуха имеют первостепенное значение для безмоторного полёта.
      Весомость воздуха
      Одним из основных свойств воздуха является его весомость. Это свойство есть проявление действия силы земного тяготения, которое является результатом взаимного воздействия двух материальных тел — воздуха и Земли.
      Вес воздуха, заключенного в единице объема, как известно, называется удельным весом. Он выражается отношением веса определенного объема воздуха к этому объему:
      где у — удельный вес в Н/м3, G — вес воздуха в Н, заключенного в объеме v в м3.
      Способность воздуха оказывать давление
      Верхние слои воздуха давят на нижние и, в конечном счете, на поверхность тела, над которым эти слои находятся. Кроме того, молекулы воздуха, находясь в непрерывном хаотическом движении и ударяясь о поверхность этого тела на пути их движения, также оказывают на нее давление. Суммарное давление воздуха, являющееся следствием его воздействия на поверхность тела, и молекулярных ударов, называют статическим атмосферным давлением. Оно измеряется так же, как и вес удельной величиной, в частности, силой, действующей на площадь в 1 м2.
      Инертность воздуха
      Инертность воздуха — это его способность сохранять состояние движения (относительного покоя).
      Мерой инертности воздуха является его масса.
      Масса воздуха, имеющаяся в пространстве над земной поверхностью, распределена неравномерно.
      Из-за неравномерного распределения массы воздуха над земной поверхностью мера инертности его также различна в разных точках по высоте воздушного пространства, в котором происходит полёт планёра.
      Оперировать параметром инертности удобнее, принимая во внимание не массу вообще, а лишь ту ее часть, которая ограничена единицей обьема. Таким образом, вводится понятие плотности, которая является отношением величины массы некоторого объема воздуха к величине этого объема:
      где q — плотность воздуха, имеющая размерность кг/м3, m — масса воздуха в кг, заключенного в объеме v в м3.
      Пользуясь соотношением между весом и массой тела и ускорением земного притяжения, выразим соотношение между удельным весом и плотностью воздуха
      где g — ускорение, сообщаемое воздуху, как и любому другому физическому телу, силой земного притяжения. Величину g будем считать постоянной, что в случае полёта планёра не приводит к заметным погрешностям (g = 9,81 м/с2). Плотность воздуха имеет весьма большое значение при определении ряда важнейших параметров движения планёра и в первую очередь скорости и высоты его полёта. Существует еще одна величина, которой широко пользуются при определении различных характеристик движения планёра и состояния атмосферы. Эта величина представляет собой отношение плотностей на двух различных высотах. Одна из этих плотностей принимается за базовую (исходную, например, плотность на уровне моря), а другая — текущую, соответствующую, например, фактической высоте Н полёта планёра.
      Относительная плотность воздуха обозначается символом Д и равняется
      где Д — относительная плотность величина безразмерная; qh и Q0 — удельные плотности воздуха соответственно на текущей и базовой высотах.
      Способность воздуха поглощать и отдавать тепло
      Одним из важнейших свойств воздуха является его способность поглощать и отдавать тепло, т. е. нагреваться или охлаждаться при соприкосновении с другими телами. Вследствие этого, вча-
      стности, образуются тепловые (термические) потоки, так называемые «термики», которые представляют одно из основных средств осуществления полёта планёра без снижения или с набором высоты в течение продолжительного времени.
      Особенностью воздуха является то, что он нагревается, в основном, не непосредственно пронизывающими его солнечными лучами, а вследствие теплообмена с земной поверхностью, которая нагревается в значительно большей степени, чем прозрачный воздух. Так как характер этой поверхности весьма разнообразен из-за наличия растительности, водных поверхностей, различных пород земли и формы поверхности (равнины, холмы, горы), столь же разнообразными по структуре и интенсивности являются и сами термические потоки. Степень нагретости воздуха, выражающая интенсивность хаотического движения его молекул, прямо пропорциональная количеству тепла в данном объеме воздуха, измеряется температурой воздуха. Таким образом, понятие температуры приобретает также важное значение при рассмотрении полёта планёра.
      Вязкость воздуха
      Воздух обладает свойством, именуемым вязкостью. Это свойство выражается в способности воздуха сопротивляться взаимному перемещению соседствующих друг с другом слоев, или слоя воздуха и прилегающей к нему поверхности другого тела (например, земной поверхности, или поверхности планёра).
      Силы вязкости, или силы внутреннего трения, являются силами «вредными» с точки зрения возможности продвижения планёра в окружающей его воздушной среде.
      Вязкость р. (динамическая) представляет собой силу, действующую на единицу поверхности и параллельную ей при относительной скорости движения соприкасающихся скоростей, также равной единице. Размерность р равна
      В тех случаях, когда необходимо сопоставлять вязкость воздуха с силами его инерции, зависящими, как было сказано ранее, от плотности, вводится понятие кинематической вязкости. Кинематическая вязкость воздуха связана, таким образом, с его плотностью и равна
      Этот коэффициент имеет важное значение при рассмотрении методов сравнения характеристик полёта планёра в различных атмосферных условиях.
      Это свойство воздуха состоит в его способности насыщаться водяными парами. Влажность воздуха в большей мере влияет на метеорологическую обстановку, сопутствующую полёту планёра, и в меньшей — на его летные характеристики.
      Энергетическая характеристика атмосферы непосредственно связана с влажностью воздуха. Поэтому знание сущности этого свойства, так же как динамики и причин его изменений, являются необходимыми при рассмотрении свободного полёта планёра.
      Влажность воздуха может быть измерена. Весовое количество водяного пара, содержащееся в одном кубическом метре воз- духа, называется абсолютной влажностью. Влажностью относительной называется процентное соотношение влажности абсолютной (фактической) к той влажности, которая полностью насыщает данный объем воздуха при фактических температуре и давлении.
      Относительная влажность воздуха является более полной характеристикой его увлажненности, чем абсолютная.
      Сжимаемость воздуха
      Свойство сжиматься заключается в способности воздуха изменять свой объем, а значит и плотность при изменении давления и температуры.
      Сжимаемость воздуха характеризуется отношением его плотности Др к соответствующему изменению статического давления Ар. Таким образом, сжимаемость можно выразить следующим образом:
      Если вследствие какой-либо причины, в данной точке пространства давление и плотность воздуха изменяются, то эти изменения (Др и Ар) передаются соседним точкам объема и, таким образом, давление и плотность во всем пространстве или данном объеме воздуха имеют тенденцию к выравниванию.
      Одной из причин изменения плотности и давления воздуха, т. е. проявления его свойства сжиматься, может явиться при определенных условиях движущийся в нем планёр. Как известно, процесс распространения небольших (малых) изменений (возмущений) давления есть процесс распространения звуковой волны.
      Сжимаемость воздуха всегда влияет на характер обтекания тела потоком (за исключением случая, когда скорость движения источника равна нулю) и поэтому должна рассматриваться в принципе как одно из существенных (в том числе и для полёта планёра) свойств атмосферы.
      Мерой сжимаемости воздуха, а значит, и мерой влияния сжимаемости на характер обтекания тела, является скорость рас-
      пространения звука. Влияние сжимаемости воздуха начинает сказываться на характере движения планёра при его относительной скорости, равной половине скорости звука. Может показаться, что скорости планёра, практически осуществимые в настоящее время, столь далеки от звуковых, что нет смысла касаться этого вопроса, тем более учитывать сжимаемость при полёте планёра. Но если такое рассуждение справедливо для сравнительно малых высот, то при полётах в стратосфере (а рекорд высоты в настоящее время составляет более 14 000 м) и практически осуществимых скоростях полёта планёра, составляющих 250 — 300 км/ч по прибору, фактическая скорость относительно воздуха может составить 0,55 — 0,66 скорости звука. А это уже существенно. Но о полётах в стратосфере подробнее будет сказано ниже.
      Прозрачность воздуха
      Есть еще одно свойство воздуха, не влияющее прямо на характеристики движения планёра, но весмьа существенное с точки зрения успешного выполнения и безопасности полёта. Это свойство заключается в способности воздуха содержать во взвешенном состоянии некоторое количество непрозрачных частиц пыли, воды или льда. Наличие в воздухе этих частиц делает и воздух в известной степени непрозрачным, т. е. ограничивает видимость внешних ориентиров, по которым летчик контролирует пространственное положение планёра и маршрут полёта.
      Степень прозрачности воздуха измеряется расстояниями, на которых летчик способен видеть внешние ориентиры, в том числе линию горизонта.
     
      1.3.2. Строение и основные характеристики тропосферы и нижних слоев стратосферы, в которых происходят полёты планёров
      Тропосфера
      Тропосферой называется слой воздуха, непосредственно прилегающий к земле и распространяющийся в средних широтах до высоты 11 км, а над полюсами и экватором — соответственно до 7 — 8 и 16 — 18 км. Такое разнообразие высот, на которых расположена верхняя граница тропосферы, объясняется воздействием на воздушную массу центробежных сил, возникающих при вращении Земли, и тепловым состоянием воздушной массы, зависящим, главным образом, от прогрева земной поверхности (а значит от географической широты, времени суток и года) и от характера этой поверхности, которая называется «подстилающей».
      Одним из наиболее характерных свойств тропосферы является наличие в ней различных по направлению в пространстве
      и силе течений воздуха, т. е. ветров, причиной возникновения которых является неравномерность распределения давления и температуры во всем воздушном пространстве. Причиной вертикального или наклонного направления движения воздушных масс служат и неровности — возвышенности и впадины, обтекаемые воздухом.
      Другим столь же важным для планёрных полётов свойством тропосферы следует считать сосредоточение в адом воздушном пространстве практически всего водяного пара, который содержится в воздушной оболочке Земли.
      Эти свойства способствуют проявлению кинетической энергии атмосферы, которая используется в настоящее время для осуществления дальних, длительных и высотных безмоторных полётов. Тропосфера является наиболее плотным слоем атмосферы и наиболее загрязненным. Кроме того, она есть естественная первая и, стало быть, обязательная область, в которой начинаются и кончаются все полёты планёров, а большинство полётов происходит целиком в этой области.
      При этом тропосфера является областью атмосферы, в которой проявление всех ее свойств весьма активно. При полёте в тропосфере планёр подвергается резким и во многих случаях неожиданным для летчика переменам внешних условий полёта, что может привести к осложнению управления движением планёра и затруднению проведения полёта в целом.
      Стратосфера
      Стратосферой называется слой воздуха, начинающийся над тропосферой и распространяющийся до высот, примерно, 80 км. Отметим, что между тропо- и стратосферой существует еще небольшой промежуточный слой воздуха, называемый тропопаузой. Его свойства близки, естественно, к свойствам близлежащих слоев, т. е. к свойствам тропо- и стратосферы.
      Благодаря тому, что в промежутке высот, охватываемом стратосферой (а тем более на небольших, интересующих нас высотах 11 — 20 км), свойства ее, за исключением давления и плотности, меняются незначительно, полёт планёра происходит в сравнительно стабильных условиях.
      Одним из свойств стратосферы, представляющим интерес для безмоторного полёта, является наличие упорядоченных, струйных течений (весьма сильных горизонтальных ветров), имеющих место, как правило, на высотах 10 — 12 км со значительными (до 200 — 300 км/ч) скоростями движения воздушных масс.
      Другим свойством стратосферы, так же как и тропосферы, являются волновые движения воздуха.
      Множество различных свойств атмосферы и бесконечное количество фактических атмосферных условий являются причиной того, что один и тот же реальный или проектируемый летательный аппарат при одинаковых режимах реального или расчетного полётов, выполненных в разное время и в разных географических местах, может показать различные характеристики. Такие характеристики не могут быть сравнимыми.
      Однако, сравнения необходимы, иначе трудно было бы сказать, какой аппарат и в каком отношении лучше или хуже других.
      Для того, чтобы иметь возможность сравнивать характеристики летательных аппаратов, полученных в различных атмосферных условиях, создана модель атмосферы, не существующей реально, но близкой по основным характеристикам к атмосфере средних широт при средних температурных условиях. С помощью этой модели, вернее принятой за эталон системы исходных данных и законов их изменения в зависимости от высоты, а также используя установленные методы пересчета, можно приводить характеристики летательных аппаратов, полученные в некоторых фактических условиях к условиям этой стандартной атмосферы и сравнивать их между собою. Эта искусственная модель атмосферы в настоящее время принята в качестве стандарта многими странами мира и поэтому считается международной стандартной атмосферой (MCA). В СССР MCA введена в качестве общесоюзного стандарта ГОСТ 4401 — 64.
      Стандартная атмосфера бывает представлена в виде графиков или таблиц, содержащих значения ряда основных параметров, характеризующих эту атмосферу на различных высотах [34].
     
      1.3.3. Энергия атмосферы
      Как было сказано ранее, свободный полёт планёра требует определенного количества энергии. Одна ее часть ппедставля-ет собой потенциальную энергию, которую планёр приобретает после набора высоты при запуске. Другая часть состоит из кинетической энергии атмосферы, используя которую лётчик может уменьшить вертикальную скорость необходимого относительного снижения, осуществить полёт без потери абсолютной высоты или даже с ее увеличением.
      Почти все явления, происходящие в атмосфере, развиваются в конечном счете благодаря лучистой энергии Солнца.
      I Наиболее существенное для полёта планёра воздействие
      энергии Солнца на атмосферу заключается в передаче ей тепла. Тепловое воздействие солнца на воздух происходит, в основном, не непосредственно, а путем предварительного прогрева земной (и водной) поверхности, от которой тепло передается близле-
      жащиы слоям воздуха и распространяется затем по всему объему путем конвекции.
      Поскольку в наши дни при полётах планёров для поддержания и набора высоты используется непосредственно только кинетическая энергия атмосферы, рассмотрим лишь два ее проявления, а именно, вертикальные потоки воздуха и его горизонтальные перемещения. Вертикальные потоки воздуха могут
      Рис. 1.65. Образование и разритие термических потоков и кучевого облака
      возникать, развиваться и исчезать вследствие двух основных причин: термических и динамических. Заметим сразу, что в основе динамических причин проявления кинетической энергии атмосферы Земли находится в конечном итоге термическое воздействие Солнца на Землю и воздух. Удобнее рассматривать отдельно восходящие потоки, связанные непосредственно с тепловым воздействием солнечной радиации на Землю, и восходящие потоки, вызываемые горизонтальными перемещениями воздушных масс при встрече с препятствиями на земной поверхности. Разнообразие прогрева подстилающей поверхности обусловливает столь же неравномерный прогрев приземного слоя воздуха, что. в свою очередь, вызывает так называемое конвективное переме- i щенне воздушных масс по вертикали. Конвекция возникает у поверхности Земли в виде небольших вертикально направленных струек, которые могут соединяться в мощные восходящие потоки, занимающие сравнительно большие площади и распро-
      страняющиеся при определенных условиях до границ тропосферы (рис. 1.65 и I.G6).
      Если нет благоприятных условий такого развития, потоков по вертикали может и не быть. Однако наличие конвективного движения воздушных масс всегда турбулизирует воздушную массу н создает так называемую «болтанку», интенсивность которой может быть весьма велика.
      Скорость вертикального движения воздуха зависит от разности температур его и окружающей массы, а также от степени
      Рис 1.С6. Влд снизу мощного развитого кучевого облака, восходящие потоки которого весьма сильны
      изменения температуры с изменением высоты, т. е. от вертикального температурного градиента. Кроме того, как само вертикальное перемещение воздушной массы, так и его скорость зависят от степени устойчивости данной воздушной массы.
      Если температура воздуха уменьшается в процессе его подъема в меньшей степени, чем идет уменьшение ее в окружающем воздухе, состояние поднимающегося воздуха будет неустойчивым. Это способствует увеличению скорости восходящего потока. При достижении уровня конденсации начинается выделение скрытого тепла и нагрев поднимающейся воздушной массы. Нагрев способствует продолжению ее подъема и при этом даже с большей скоростью. Вот почему внутри кучевых облаков наблюдаются восходящие потоки, намного превосходящие по скорости вертикальные течения внеоблачных образований.
      Естественно, может быть и устойчивое равновесие слоя воздуха, когда уменьшается (с высотой) разность температур поднимающегося воздуха и окружающих его слоев. В этих усло-
      виях возникшие восходящие потоки не имеют тенденции к развитию.
      Для полёта планёра интерес представляют термические потоки, как вне, так и внутри облаков.
      Восходящие потоки воздуха бывают также и фронтального происхождения. В этом случае кинетическая энергия проявляется не только в виде восходящих потоков теплого воздуха перед грозовым фронтом, но и в виде сильного ветра, перемещающего всю Maccv вдоль земной поверхности (рис. 1.67).
      Высота
      Рис. 1.67. Схема грозового облака холодного фронта
      Термические восходящие потоки возникают и развиваются также при обогреве солнцем горных скалистых склонов и при дополнительном -воздействии на них ветра, стелющегося вверх по склону горы. Такие потоки распространяются до высот 6 — 7 км. Но пока для парящего полёта ими пользуются только птицы.
      Динамическими вертикальными потоками обычно называют такие движения воздуха, которые возникают при набегании воздушной массы, движущейся вдоль земной поверхности, на какое-либо более или менее значительное препятствие.
      Горизонтальные движения воздушных масс (ветры) возникают, развиваются и угасают в результате неравномерного распределения (в горизонтальных направлениях) атмосферного (статического) давления.
      Наиболее простое использование ветра может иметь место, когда воздух, двигающийся горизонтально, приобретает верти-
      кальный компонент скорости при обтекании какого-либо препятствия.
      Если эти препятствия достаточно велики, а ветер силен, то вертикальный компонент скорости ветра, т. е. часть его кинетической энергии, может быть использована для поддержания планёра на некоторой высоте полёта или подъема его на большую высоту (рис. 1.68).
      Более сложным видом превращения горизонтального ветра в вертикальные потоки являются так называемые стационарные волны. Механизм их образования заключается в следующем.
      Рис. 1.68. Схема обтекания воздушным потоком препятствия и образования зоны (а) восходящих потоков
      При встрече больших масс воздуха, движущихся с большими скоростями, с горными кряжами и хребтами происходит перетекание воздушного потока через вершины этих возвышенностей. Скорость течения воздуха над хребтом увеличивается, а давление в нем уменьшается. Вследствие этого верхние слои потока несколько опускаются над вершиной и нагреваются. Миновав вершину, скорость потока уменьшается, давление в нем увеличивается н часть воздуха устремляется кверху. Такой колебательный импульс и вызывает волнообразное движение потока за хребтом или кряжем, которое постепенно затухает. Стационарные волны неподвижны относительно препятствия, которое является причиной их образования. Поднимающаяся часть волны представляет собой тот источник кинетической энергии, который и используется при полёте планёра. Следует отметить, что подобные волновые возмущения могут распрострняться на весьма большие высоты, значительно превосходящие нижнюю границу стратосферы. При этом вертикальные скорости движения воздушных масс могут достигать нескольких десятков метров в секунду.
      Наличие стационарных волн обычно определяется по появле- нию чичевицеобразных облаков, образующихся в вершинах волн в результате конденсации пара при подъеме воздушной массы. Высота основания или нижней кромки таких облаков обычно бывает не менее 3 км, а вертикальное развитие их может достичь 2 — 5 км (рис. 1.69, 1.70).
      Ветер, вызывающий стационарные волны, образует с подветренной стороны обтекаемого им препятствия ряд вихрей с горизонтально расположенными осями вращения. Эти «роторы» в своих наветренных частях также имеют направленные вверх скорости движения воздушных масс, которые могут быть использованы летчиками.
      Область нисходящих потоков
      Рис. 1.69. Схема образования и вид стационарных волн
      Вихревая природа роторов обусловливает внутри них сильную турбулентность, затрудняющую пилотирование планёра. Если отсутствуют чечевицеобразные облака, то так же как в случае терминов без кучевых облаков, обнаружить волны и роторы трудно.
      Стационарные волны могут появляться и над равнинной местностью. Причиной их образования в этих случаях служит холодный фронт или роторы, возникающие при различных скоростях движения двух соседствующих слоев воздуха.
      Проявление кинетической энергии атмосферы, которая в принципе может быть использована при полёте, наблюдается и в струйных течениях.
      Струйное течение можно представить себе в внде сплюснутой трубы, волнообразно опоясывающей земной шар. Внутри этой трубы заключены ветры весьма больших скоростей. Направленное в общем с запада на восток струйное течение имеет местные изгибы и повороты, существенно изменяющие в отдельных местах это общее направление. Сечение такого струйного течения ограничено некоторым контуром, в сердцевине которого расположены наибольшие скорости движения воздуха. Величина этих скоростей уменьшается от центра к периферии и таким образом подчинена некоторому закону, который может быть использован для осуществления полёта планёра.
      Наконец, укажем еще на одно проявление кинетической энергии атмосферы — на ее турбулентность.
      Сущность турбулентности заключается в появлении множества восходящих и нисходящих потоков или горизонтальных течений с различными скоростями.
      Благодаря вязкости воздуха и трению между соседними слоями или струйками воздуха появляются местные вихри воздуха. Турбулентность может быть весьма интенсивней, например, в грозовом облаке или внутри ротора под стационарными волнами. Турбулентность атмосферы в настоящее время не используется прямо для безмоторного полёта. Однако по наличию турбулентности, которая отчетливо ощущается летчиком, в ряде случаев удается оценить метеорологическую обстановку в данном районе полёта с точки зрения наличия восходящих потоков. Главное же значение турбулентности атмосферы, или, как ее называют — «болтанки», заключается в знакопеременных нагрузках, которые испытывает конструкция планёра в noлете. Эти нагрузки могут быть весьма значительными. Но даже и небольшие, но многократно повторяющиеся нагрузки, действующие на конструкцию в полёте, быстро изнашивают планёр, и поэтому являются серьезным фактором, который следует учитывать и при конструировании и при эксплуатации планёра.
      Рис. 1.70. Трехъярусное чечевицеобразное облако, образовавшееся в вершине мощной стаци онарной волны
      Богатый перечень энергетических возможностей атмосферы обусловливает перспективность развития дальних и высотных полётов на планёрах и реальность осуществления в будущем самых смелых замыслов, связанных с безмоторным летанием.
     
      1.4. ЧЕЛОВЕК И ВЫПОЛНЯЕМАЯ ИМ РАБОТА ПРИ ПОЛЁТЕ НА ПЛАНЁРЕ
      Человек (летчик), управляющий движением планёра и находящийся на его борту, является третьим элементом из той совокупности, которая определяет возможность и реальность полёта планёра как физического явления.
      В настоящем разделе рассмотрим человека с точки зрения работы, которую он должен выполнять, находясь на борту планёра и управляя его движением.
      Работа по управлению полётом планёра выполняется человеком путем его взаимодействия с системами планёра и в первую очередь с системой управления. Таким образом, сам человек становится элементом общей (замкнутой) системы управления планёром. Благодаря осмысленному действию человека перемещение планёра в пространстве становится целенаправленным, управляемым движением, т. е. полётом (рис. 1.71).
      Человек как звено системы управления планёром, обладает по сравнению с другими звеньями этой системы отличительными особенностями. Во-первых, человек является наиболее важным ее звеном, так как он не только управляет движением, но программирует его в соответствии с условиями и задачей полёта. Во-вторых, особенностью человека как звена системы управления планёром, наряду с его универсальностью, являются и ограниченные возможности в выполнении работы по управлению движением планёра. Поэтому для того, чтобы летчик мог решить с помощью данного планёра стоящую перед ним задачу, планёр в целом (как машина) должен обеспечивать летчику возможность простого и точного управления своим движением и обес-печпзать безопасность выполнения полёта.
      Функции человека, управляющего полётом планёра, складываются из управления и обслуживания им ряда устройств (систем) планёра, работа которых связана с необходимыми перемещениями и ориентированием планёра в пространстве. Кроме того, функциями человека в полёте являются приспособление его к факторам, сопутствующим полёту. К их числу относятся высота и скорость полёта, пролетаемое планёром расстояние, различные эмоции, с которыми летчику приходится считаться и в ряде случаев подавлять их.
      Выполнение летчиком всей совокупности функций, связанных с управлением планёром, составляет работу, производимую им в полёте. Эта работа, таким образом, определяется с одной стороны характеристиками самого планёра, условиями поставленной эксплуатационной задачи, конкретными условиями полёта, а с другой — физическим и психическим состоянием летчика.
      Возможность и эффективность эксплуатации планёра в значительной степени определяются тем, насколько планёр как машина приспособлен к управлению им летчиком. Ибо даже весьма высокие летно-техипческие характеристики еще не обязательно будут реализованы в практических полётах, если планёр недостаточно приспособлен к управлению летчиком. Иначе говоря, если работа по управлению таким планёром слишком велика, а тем более, если она выходит за пределы возможностей человека, то и реализация всех положительных свойств, которыми наделен планёр, будет поставлена под сомнение или вовсе невозможна. Следовательно, не будет и полного решения эксплуатационной задачи. Кроме того, может возникнуть аварийная ситуация, ставящая под угрозу достижение цели полёта и, что еще важнее, безопасность летчика.
      Из сказанного следует, что степень приспособленности планёра к управлению летчиком может быть определена его управляемостью, которая является важным условием не только безопасности полёта, но и возможности его выполнить.
      Функции летчика, управляющего планёром при решении эксплуатационной задачи, связаны с характеристиками планёра через понятие управляемости.
      Таким образом, управляемость вместе с принципиальной возможностью создания на данном планёре достаточных подъемной, маршевой и управляющих сил является важнейшим условием возможности осуществления самого полёта планёра.
      Управляемость оценивается той работой летчика, которую он должен произвести при полёте на планёре в процессе решения той или иной эксплуатационной задачи. Очевидно, чем доступнее планёр летчику, тем легче ему управлять движением планёра, тем меньше утомляемость летчика при управлении планёром. Управлять планёром тем легче и утомляемость летчика в процессе управления тем меньше, чем меньше работа, необходимая для управления движением планёра.
      Рассмотрим сущность работы летчика, совершающего полёт на планёре.
      Для решения эксплуатационной задачи летчику необходимо выполнить определенный объем работы, которая определяется с одной стороны объемом и характером задачи, и с другой ¦ — совершенством всех средств управления и свойств планёра как машины, обеспечивающей летчику необходимую правильность управления. К числу таких свойств планёра относятся в первую очередь степень устойчивости его движения, о которой подробно говорится в 3 гл.
      Объем и характер эксплуатационной задачи составляются из цели полёта, конкретного задания по проведению полёта, средств и условий его осуществления (средств и методов запуска планёра, конкретных метеорологических условий, которые летчику придется использовать или избегать в полёте), времени суток, в течение которого будет происходить полёт, его продолжительности и т. д.
      Совершенство средств управления при их действии в процессе полёта планёра определяет доступность планёра в управлении среднему по квалификации летчику при решении эксплуатационной задачи.
      Общее состояние летчика определяет его работоспособность. Она зависит от общей подготовки летчика, т. е. специальной летной (в том числе пилотажной, навигационной и технической) и общей физической натренированности и приспособленности к пространственному движению. К работоспособности необходимо отнести также его эмоциональную восприимчивость и склонность к иллюзиям.
      Работа летчика при решении поставленной задачи складывается из ряда активных действий, необходимых для управления движением планёра.
      Работа летчика в процессе решения эксплуатационной задачи весьма разнообразна. Тем не менее все ее виды могут быть объединены в две группы: первая группа включает работу, затрачиваемую для определения характера необходимого движения планёра в соответствии с требованиями эксплуатационной задачи, возможностями планёра и внешними условиями полёта. Другая группа объединяет виды работы летчика, идущие на обеспечение выполнения этого необходимого движения планёра.
      Эти группы работ (определение характера необходимого движения и обеспечение выполнения этого движения планёра) в практическом полёте могут следовать друг за другом, переплетаться или выполняться летчиком одновременно. Но во всех случаях полёта при решении эксплуатационной задачи обе группы работ являются необходимыми и полностью определяю-
      Анализ работы летчика дается в свете положений, предложенных в работе II. В. Адамовича [21.
      щими всю работу летчика в полёте. На рис. 1.72 представлена схема затрат работы летчика при полёте на современном планёре.
      Рис. 1.72. Схема работы летчика при управлении полётом планёра (по
      Адамовичу [2])
      Характер необходимого движения планёра определяется летчиком в зависимости от задачи полёта и от фактической окружающей планёр обстановки. Для оценки этой обстановки на современном планёре летчику могут быть предоставлены следующие виды связи с окружающей планёр обстановкой:
      — непосредственная зрительная связь с пространством вокруг планёра (через фонарь кабины);
      — связь с тем же пространством с помощью различных визуальных приборов в кабине: указателя скорости, высотомера,
      Вспомним, что под движением планёра мы условились понимать его пространственное перемещение и все сопутствующие ему изменения конфигурации и состояния планёра.
      указателя поворота и скольжения, компаса, авиагоризонта, вариометра, термометра, указателя восходящих потоков (термо-впзора) н т. д.;
      — радиосвязь (на слух).
      Осуществление каждого из перечисленных видов связи требует от летчика определенной работы, количество которой зависит от совершенства конструкции соответствующих частей, агрегатов, приборов и систем планёра.
      Исходя из задачи движения и принимая во внимание результаты предшествующей части движения планёра, летчик определяет характер предстоящего этапа движения п соответствующим образом воздействует на имеющиеся в его распоряжении средства управления движением планёра. Таким образом, летчик должен непрерывно в течение всего полёта осуществлять контроль за движением планёра и воздействовать на это движение.
      На современных планёрах летчик имеет возможность воздействовать на движение планёра только с помощью механических операций, заключающихся в перемещениях различных рычагов, управления, размещенных в кабине.
      Контроль движения летчик осуществляет следующими способами:
      — визуально (контроль за положением планёра в пространстве и контроль показаний приборов и работы агрегатов и систем планёра, характеризующих и обусловливающих его движение) ;
      — осязанием (оценка характера движения планёра по усилиям, преодолеваемым летчиком при перемещении рычагов управления, по перегрузке, появляющейся при изменении величины и направления скорости полёта планёра, по обдуву лица и головы, если отсутствует фонарь);
      — на слух (контроль за скоростью полёта по силе и характеру шума, производимого набегающим на планёр потоком воздуха).
      На величину активной работы летчика оказыв-ают влияние условия среды в кабине, в которых находится организм летчика. К условиям среды в кабине современного планёра относятся:
      — удобство рабочей позы летчика и его летное обмундирование;
      — температура воздуха в кабине и ее вентиляция;
      — освещенность приборной доски, видимость и удобство обзора приборов;
      — удобство обзора внешних условий полёта (искажения, связанные с кривизной стекол фонаря, высота бортов кабины, полнота обзора);
      — шум в шлемофоне от плохо работающей радиостанции, шум от встречного потока воздуха.
      Значение условий среды в кабине планёра можно проиллюстрировать примером так называемого «лежачего» положения
      летчика, примененного в компоновке ряда планёров последних лет Как известно, это положение лежа не оправдало себя, и теперь кабины выполняются более удобными. Другим примером является неполное отклонение ручки управления в поперечном направлении из-за недостаточных практических размеров кабины. Это приводит к упору ручки в ноги летчика (особенно одетого в зимнее обмундирование). В этом случае поперечная управляемость планёра не может быть использована полностью.
      Все перечисленные условия среды влияют на величину работы летчика. Поэтому все они так же влияют (в известной мере) и на управляемость планёра. Условия среды, в которой находится летчик, могут быть выделены в отдельную группу факторов управляемости, влияющих на величину его работы.
      Из приведенного анализа работы летчика видно, что на современном планёре для контроля за его движением используются три из пяти имеющихся в распоряжении человека чувств — зрение, осязание и слух. Воздействие осуществляется только с помощью механических операций. Иными средствами ощущения окружающей обстановки и движения планёра и воздействия на это движение человеческий организм не располагает.
      Так называемый «характер планёра», черты которого обычно четко различаются летчиками, иногда даже между различными экземплярами одной и той же конструкции, есть суммарный результат сравнения работ по контролю за их движением (производимых на основе указанных выше трех чувств) и воздействию на это движение (осуществляемого путем механических движений).
      Очевидно, что путем подбора соответствующих условий контроля и воздействия можно обеспечить желаемый, т. е. оптимальный «характер планёра», или иначе — ¦ простоту и точность управления его движением, легкость управления и общую приятность полёта.
      Наилучший «характер планёра» будет соответствовать минимуму работы летчика, который необходим для управления полётом планёра, т. е. случаю максимальной управляемости его.
      Условно это положение можно записать в следующем виде:
      Чем больше (лучше) управляемость планёра, тем меньше требуемая работа по его управлению в полёте.
      Таким образом, вопрос о человеке (летчике), управляющем движением (полётом) планёра, сводится к рассмотрению необходимой работы (ее количества и характера) по управлению движением планёра и возможности эту работу выполнить. Рассмотрение же работы, затрачиваемой летчиком на управление движением планёра, приводит нас к вопросу об управляемости планёра — второму основному свойству планёра, определяющему возможность решать на данном планёре свойственную ему эксплуатационную задачу.
      полёт, в какой бы спокойной обстановке он не происходил, характерен с психологической точки зрения прежде всего необходимостью непрерывно решать текущие вопросы управления движением планёра. Во многих случаях при этом летчик имеет ограниченное (иногда весьма ограниченное, исчисляемое единицами секунд) время для анализа ситуации, принятия и выполнения соответствующего решения. Это обстоятельство обусловливает необходимость тренировки планериста не только в области навыков пилотирования, но и в области мышления.
      При тренировке навыков пилотирования летчик вырабатывает автоматизм в управлении полётом (собственно движением) планёра. Автоматизм в действиях летчика при управлении планёром освобождает его мозг от ненужного в этом случае сбора части информации (например, о положении планёра в пространстве) и от переработки этой части информации в те решения, а затем и действия, которые обеспечат безопасное и правильное продолжение полёта.
      Однако, один автоматизм в случае пренебрежения сознательным отношением к решению задач пилотирования может привести к шаблонному управлению планёром, что немедленно приведет к ошибкам и неоправданному усложнению полёта. Поэтому стремиться достичь автоматизма в управлении планёром необходимо, но вместе с тренировкой мышления. Сложная в принципе задача управления полётом планёра решается летчиком путем осмысления происшедших, происходящих и надвигающихся событий, многообразие которых становится очевидным каждому в первых же полётах, при их анализе, выработке решения и претворении его в действие. При этом автоматические реакции при управлении движением планёра направлены на сохранение или изменение частных, отдельных элементов полёта, составляют, так сказать, постоянную канву действий летчика по управлению движением планёра.
      Большое значение имеет воспитание и тренировка эмоционально-волевых качеств летчика. Он должен уметь владеть своими эмоциями и не допускать излишнего самовозбуждения. Это зависит от его моральной и волевой подготовки. С помощью волевых усилий можно подавить чрезмерное возбуждение или наоборот вызвать подъем сил и энергии. Борьба с нежелательным эмоциональным состоянием (например, со страхом), умение владеть своими чувствами — представляет собой сложный психологический процесс. Успех этой борьбы и овладение своими чувствами достигается систематическими тренировками воли и организма в целом. Такие тренировки, в частности, происходят в процессе занятий физической культурой и спортом. Укажем на один из спортивных снарядов, который, пожалуй, следует
      признать наилчшим для тренировки планериста. Это так называемое «ронское колесо» (рис. 1.73).
      Рассмотрим некоторые иллюзии, возникающие в полёте и представляющие весьма опасное явление. Они проявляются в виде различных кажущихся событий. Для летчика, пилотирующего планёр, особое значение имеют иллюзии, связанные с пространственной ориентировкой.
      Рис. 1.73. Упражнения на ронском колесе
      При внезапном входе планёра в облако может произойти внезапная потеря ориентировки, испуг, возможно увеличение или уменьшение перегрузки и, как следствие, нарушение нормального течения полёта с потерей высоты или (в худшем случае) с поломкой планёра и вынужденным прыжком с парашютом.
      При выполнении на планёре спирали на летчика действует центробежная сила, которая, складываясь с весом планериста, прижимает его к сидению. Это ощущение аналогично тому, которое бывает при кабрировании планёра, и поэтому может быть спутано с ним, если нет достаточного контроля за выполнением этих эволюций по горизонту или по приборам. Та же путаница, но обратного порядка, может произойти при выходе из спирали или виража. В первом случае возникает желание отклонить руч-ку управления «от себя», в результате чего будет нарушена координированность движения планёра и неоправданно увеличена скорость полёта.
      Во втором случае отклонение ручки «на себя» может стать причиной значительного уменьшения скорости полёта, что в данном случае также нежелательно.
      Иллюзия противовращения связана с тем, что при быстрых изменениях направления вращения или скорости вращения планёра у летчика возникает ощущение вращения в обратном направлении. Такое явление можно наблюдать при энергичных выходах из спирали или из штопора.
      Положение, аналогичное описанному выше, может создаться также при неправильной работе указателя поворота, например, если у электрического указателя поворота будет перепутана полярность.
      Непонятное для планериста положение может создаться и в том случае, если при потере им ориентировки в результате сильных бросков планёр окажется «на спине».
      Борьба с иллюзиями должна идти по пути их предупреждения действиями, препятствующими влиянию иллюзий на сознание летчика.