Почему самолёты летают

ПОЧЕМУ САМОЛЁТЫ ЛЕТАЮТ

Популяризатор авиации
Накамура Кандзи
NAKAMURA Kanji

С этой книжкой не уснёшь!

Описание  
в картинках

Популяризатор авиации
Накамура Кандзи
NAKAMURA Kanji

ПОЧЕМУ САМОЛЁТЫ ЛЕТАЮТ

Москва, 2020

УДК 629.7
ББК 39.5
К19

Накамура Кандзи

К19 
Почему самолёты летают / пер. с япон. А.Б. Клион ского. – М.: ДМК 
Пресс, 2020. – 132 с.: ил. 

ISBN 978-5-97060-734-3

Человечество с давних времён стремилось к покорению небес. Но даже в наши дни, 
когда летательные аппараты уже не воспринимаются как чудо, немногие задумываются 
над тем, что позволило изобретателям открыть секрет воздухоплавания.
В этой книге речь пойдёт об устройстве самолётов, о законах аэродинамики, о том, 
что позволяет летательным аппаратам свободно преодолевать огромные расстояния. 
Отдельная глава посвящена работе реактивного двигателя. Рисунки и схемы упрощают 
понимание теоретического материала.
Издание предназначено для всех, кто интересуется самолётами и авиационной 
техникой.

УДК 629.7
ББК 39.5

Russian translation rights arranged with NIHONBUNGEISHA Co., Ltd. through Japan UNI 
Agency, Inc., Tokyo

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы 
то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.

ISBN 978-537-26174-5 (япон.) 
© 2017 Nakamura Kanji
ISBN 978-5-97060-734-3 (рус.) 
© Оформление, издание, перевод, ДМК Пресс, 2020

Предисловие о редакторе

Так вышло, что эту книгу 
редактировал мой друг Саша 
Щербаков.
И не успел закончить...
Он был прекрасным человеком и очень любил и отлично 
знал небо и самолёты, хотя всю 
жизнь занимался базами данных и программированием.
Слишком  рано и несправедливо он ушёл, – и эта книга ещё 
одна прекрасная память о его 
делах.
Саша был очень известным 
человеком в интернет-кругах, ведь это ему мы обязаны созданием и устойчивой работой доменных зон RU и РФ.
 Ну а кто-то обязан ему и жизнью — Саша не раз спасал заблудившихся 
в лесу совершенно незнакомых людей, пролетая на своём дельталёте сотни 
километров. 
Когда я смотрю на небо — всегда вспоминаю только о хорошем.
Ясного неба тебе, друг. 
Твоим сыновьям на добрую память, ты был хорошим отцом.

Заместитель главного редактора ДМК Пресс
Сенченкова Елена

Предисловие

С тех пор как братья Райт совершили первый полёт, небо встречает 
нас так же, как и прежде, а вот самолёты значительно продвинулись 
по пути прогресса. Особенно в настоящее время они стремительно 
развиваются вместе с компьютерами. Однако базовые принципы, 
связанные с полётом в небе, сильно не изменились даже со времени первого полёта братьев Райт. В этой книге мы обратим основное 
внимание на наивные вопросы, которые мы задавали себе в детстве, 
например: как может свободно летать в небе самолёт, весящий чудовищно много – примерно 400 т; как реактивный двигатель создаёт 
большую силу тяги и др. По возможности, избегая сложных специальных терминов, и, даже немного пожертвовав строгостью, будем вести 
рассказ так, чтобы его можно было понять интуитивно.
Мы будем очень рады, если эта книга станет полезной для уважаемых читателей, любящих самолёты.

Прекрасный день 2017 года. 
Накамура Кандзи

Содержание

Предисловие о редакторе ...........................................................................  5

Предисловие  ...............................................................................................  6

Глава 1. Почему самолёты умеют летать  .......................................... 9

 Равновесие сил 

Равновесие четырёх сил для автомобиля и дороги, для самолёта и воздуха  ...  10
Исследуем силы воздуха (часть 1)  .................................................................... 12
Исследуем силы воздуха (часть 2)  .................................................................... 14
Что такое сила, создаваемая крылом (подъёмная сила)?  ............................... 16
Пробуем выразить подъёмную силу с помощью расчётной формулы  ......... 18
Динамическое давление, которое самолёт испытывает от воздуха  .............. 20
Как создаётся сила для движения вперёд  ........................................................ 22
Фестиваль фейерверков  .................................................................................... 24

Глава 2. Как реактивный двигатель развивает  
большую силу?  ............................................................................................... 25

 Двигатель 

Сила движущегося воздуха заставляет лететь воздушный шарик  ................ 26
Два способа увеличения тяги  ........................................................................... 28
Причина того, что турбовентиляторный двигатель стал основным  ..............30
Если заглянуть в турбовентиляторный двигатель  .......................................... 32
Большая роль вентилятора   ...............................................................................34
От компрессора до выхлопа   .............................................................................36
Подготовка к запуску двигателя  ........................................................................38
Запуск двигателя (часть 1)  .................................................................................40
Запуск двигателя (часть 2)  .................................................................................42
Четыре силы, создаваемые двигателем  ............................................................44
Рычаг, управляющий тягой двигателя  ..............................................................46
Какие проблемы могут возникнуть в двигателе?  ............................................48
Блок управления подачей топлива и безопасная эксплуатация самолёта  ....50
Чему равна тяга двигателя на взлёте?  ..............................................................52
Рассчитываем взлётную тягу по формуле тяги  ................................................54
Где хранится такое большое количество топлива?  ..........................................56
Прослеживаем путь топлива до двигателя  ...................................................... 58
Северное сияние, наблюдаемое из стратосферы.     
Магнитный север и истинный север  ............................................................... 60

Глава 3. Каким образом самолёты свободно летают в небе?  .... 61

 Об аэродинамических поверхностях 

Разные аэродинамические поверхности для управления полётом  .............. 62
Зачем нужны закрылки   .................................................................................... 64
Самолёт не сможет лететь устойчиво только с помощью крыльев  ............... 66
Три руля для управления полётом и три направления  .................................. 68

Важная роль элеронов  ....................................................................................... 70
Две важные роли руля направления  ................................................................ 72
Равновесие сил при изменении направления полёта  .................................... 74
Равновесие сил при наборе высоты  ................................................................  76
Равновесие сил при снижении  ......................................................................... 78
Какая сила двигает рули в полёте? ................................................................... 80

 Скорость 

Что такое скорость, важная для пилота?  ......................................................... 82
Различие между воздушной и путевой скоростями  ....................................... 84
Как скорость самолёта и скорость звука связаны между собой?  ................... 86
Удивительный мир Маха  .................................................................................. 88
Критическое число Маха и бафтинг  ................................................................. 90

 Высота и местоположение 

Устройство, с помощью которого можно определить высоту полёта  ........... 92
Барометрический высотомер надо корректировать  ...................................... 94

 Пространственная ориентация самолёта и направление полёта 

Устройство определения пространственной ориентации самолёта  ............. 96
Свойство, полезное для определения пространственного 
положения самолёта  ......................................................................................... 98
Как узнать направление?  .................................................................................100
Инерциальная аэронавигация, с помощью которой определяют  
положение самолёта и направление (часть 1)  ............................................... 102
Инерциальная аэронавигация, с помощью которой узнают  
высоту полёта и направление самолёта (часть 2)  ......................................... 104
Способ определения flight attitude  ................................................................ 106
Что такое автопилот?  ...................................................................................... 108

 Управление двигателем 

Что такое система управления полётом (FMS)?  ............................................ 110
Зачем в двигателе нужны измерительные приборы?  .................................. 112
Измерительные приборы двигателя позволяют определить 
даже величину тяги  ......................................................................................... 114
Как подсчитать обороты двигателя?  .............................................................. 116
Как измеряют температуру двигателя?  ......................................................... 118
Зачем измерять расход топлива, используемого двигателями?  .................. 120

 От взлёта до посадки 

Подготовка к полёту (часть 1)  ......................................................................... 122
Подготовка к полёту (часть 2)  ......................................................................... 124
Наконец-то запуск двигателя!  ........................................................................ 126
Наконец-то взлёт!  ........................................................................................... 128
Как в действительности используются взлётные скорости?  ....................... 130
Начало снижения и посадка  ........................................................................... 131

Почему 
самолёты 
умеют летать

РАВНОВЕСИЕ ЧЕТЫРЁХ СИЛ ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ И ДОРОГИ, ДЛЯ САМОЛЁТА И ВОЗДУХА

Автомобиль стоит неподвижно на дороге благодаря тому, что вес 
автомобиля, с которым он давит на дорогу, и сила противодействия от дороги, называемая силой нормальной реакции, уравновешивают друг друга.

В том случае, если автомобиль едет с постоянной скоростью, сила, 
тянущая вперёд, создаётся двигателем, и, кроме того, существует 
сила, направленная противоположно направлению движения, называемая сопротивлением и включающая силу трения колёс об 
дорогу, сопротивление воздуха и др. Равнодействующая этих сил 
равна нулю, поскольку автомобиль не разгоняется и не тормозится; 
при этом говорят о том, что эти силы уравновешивают друг друга.

Итак, для движущегося автомобиля существует равновесие  
четырёх сил: силы тяжести, силы противодействия дороги, силы, 
тянущей его вперёд, и сопротивления.

И в случае самолёта совершенно аналогично автомобилю имеется равновесие четырёх сил, но воздух, в отличие от дороги, поддерживать самолёт не станет, если ничего не предпринимать. Для того 
чтобы уравновесить силу тяжести, необходимо опираться на воздух. 
Для этого нужны крылья.

Силу, создаваемую крыльями, называют подъёмной силой, 
и для ее создания самолёт должен двигаться вперёд. Другими словами, он делает это не только с целью перемещения, то также и для 
создания подъёмной силы. Именно благодаря тому, что он двигается вперёд и крылья разрезают воздух, и возникает (в результате 
противодействия воздуха) подъёмная сила.

Для самолёта силу, толкающую вперёд и создаваемую двигателем, называют тягой, а силу сопротивления воздуха — сопротивлением, и совершенно аналогично автомобилю в случае полёта на постоянной высоте с постоянной скоростью сила тяжести 
и подъёмная сила равны между собой по величине; и то же самое 
можно сказать о тяге и сопротивлении воздуха.

Важной технической характеристикой самолёта является аэродинамическое качество. В случае если подъёмная сила равна 
250 т, а сила сопротивления — 14 т, аэродинамическое качество, 
равняющееся отношению подъёмной силы к тяге, составит 18. Это 
означает, что для полёта этому самолёту достаточно тяги, равной 
одной восемнадцатой его веса.

Равновесие 
сил

10

Воздух не станет поддерживать самолёт сам по себе

Почему самолёты умеют летать
1

Сила нормальной реакции: 1000 кг

Сила тяжести：1000 кг

Тяга: 35 кг
Сила трения + 
сопротивление воздуха: 35 кг

Равновесие четырёх сил при движении автомобиля 
с постоянной скоростью

Сила, двигающая автомобиль с постоянной скоростью, 
составляет примерно 1/30 его веса

Аэродинамическое
качество

Аэродинамическое
качество

250
14

≈ 18

Равновесие четырёх сил при полёте самолёта с постоянной скоростью

=

=

подъёмная сила
сопротивление
Подъёмная сила: 250 т

Отсюда видно, что сила, заставляющая самолёт лететь с постоянной 
скоростью, составляет примерно 1/18 от его веса

Сопротивление: 
14 т

Сила тяжести: 250 т

Тяга: 14 т

ИССЛЕДУЕМ СИЛЫ ВОЗДУХА (ЧАСТЬ 1) 

Чтобы определить подъёмную силу, поддерживающую самолёт, 
мы сначала попробуем выяснить, какое примерно давление создаёт 
воздух.

Если погрузить руку в воду, то в ней возникнет ощущение сдавливания. Эта сила называется статическим давлением. Если вы 
опустите руку в проточную воду, то почувствуете, как сила течения 
воздействует на руку, сдвигая ее с места. Эту силу называют динамическим давлением, и, если говорить сложным языком, динамическое давление имеет касательную (тангенциальную) составляющую, величина которой зависит также от ориентации ладони 
и от ее формы в направлении потока воды. В этом можно несложно 
убедиться, взглянув на карпа, который спокойно остаётся на одном 
и том же месте в реке, легонько отклоняя поток воды хвостом.

Воздух, как и вода, относится к так называемым текучим средам, поэтому определения и статического, и динамического давлений здесь будут такими же. В некоторых случаях можно ощущать 
динамическое давление, например при ветре, но статическое давление воздуха мы почувствовать не можем. Это происходит, потому 
что давление внутри нашего тела также равно 1 атмосфере.

1 атмосфера — это давление атмосферы на уровне поверхности 
земли, и её величина равна отношению веса водяного столба высотой 
10 м к площади основания, равной 1 м2,  т. е. на 1 м2 площади приходится вес примерно 10 т.

В качестве примера, позволяющего реально ощутить величину 
этой силы, можно привести присоску, которая используется, например, для крепления крючков к плитке в ванной комнате, куда 
нельзя вбивать гвозди.

Как показано на рисунке, давление воздуха на стороне плитки, 
к которой прилипла присоска, можно считать близким к нулю. Напротив, на внешней стороне будет действовать сила, равная примерно 20 кг.

Эту присоску отлепить нелегко, так как требуется сила, поднимающая 4 пластиковые бутыли объёмом по 5 л каждая. Однако если 
запустить на внутреннюю сторону плитки воздух, то присоска легко 
снимется, так как давление воздуха по обе стороны станет равным 
1 атмосфере.

Равновесие 
сил

12

Причина того, что присоска прилипает к плитке в ванной комнате