Jak samolot zakręca?

„W jaki sposób samolot skręca?” – „Za pomocą kierownicy”. Od tej wymiany zdań Ron Machado zaczyna opis zakrętów w podręczniku dodawanym do Flight Simulatora. Ciekawe czy instruktor otrząsnął się już z depresji, w jaką wpędziła go odpowiedź. Postaram się wyjaśnić przystępnie jak wyglądają zakręty. Bardziej zaawansowani czytelnicy znajdą informację o wpływie prędkości i przechylenia na promień zakrętu oraz przeciążenie działające na pasażerów.

Lot poziomy oraz zakręty z małym i dużym przechyleniem.
(Ilustracia: FAA / PD, zmiany moje)

Jak samolot zakręca?

Samolot wykonuje zakręt prawidłowy przez przechylenie (*). W momencie kiedy skrzydła są ułożone pod kątem do poziomu, powstająca na nich siła nośna skierowana jest ukośnie i można wyróżnić jej dwie składowe – poziomą i pionową. Pozioma odpowiada za zakręt.

(* – jeśli myli Ci się przechylenie z pochyleniem – przeczytaj poprzedni tekst).

Zdefiniowania wymaga pojęcie zakrętu prawidłowego – to taki zakręt, w którym wypadkowa ciężaru i siły odśrodkowej jest przeciwnie do siły nośnej.

Wykorzystanie sterów

No dobrze – samolot jest już przechylony. Co dalej? Aby utrzymać samolot w zakręcie konieczne jest używanie wszystkich trzech sterów, jakimi samolot dysponuje.
Lotki kontrolują stopień przechylenia – większość samolotów naturalnie dąży do równowagi, więc utrzymanie przechylenia wymaga wychylenia sterów w stronę zakrętu.
Ster wysokości koryguje kąt natarcia. Warto zwrócić uwagę na to, że na rysunku wyżej zaznaczono rosnącą siłę nośną – najmniejsza jest w locie poziomym, największa w zakręcie z dużym przechyleniem. Aby wzrosła siła nośna (przy stałej prędkości) konieczne jest zwiększenie kąta natarcia. Wchodząc w zakręt (przechylając samolot) pilot musi zwiększyć kąt natarcia ciągnąc stery do siebie tak by składowa pionowa siły nośnej równoważył ciężar. Jeśli pilot nie podniesie nosa samolotu – w zakręcie zacznie opadać.
Ster kierunku służy do korygowania wyślizgu i ześlizgu. Ponieważ w zakręcie użycie lotek, steru kierunku i steru wysokości powinno być skoordynowane – zakręt prawidłowy często jest nazywany zakrętem skoordynowanym, a przyrządem, który pomaga wykonać zakręt prawidłowy jest chyłomierz.

Zakręt prawidłowy, ześlizg i wyślizg
(Ilustracja: FAA / PD / modyfikacje moje)

Wyślizg i ześlizg (ang. slip & skid)

Wyślizg jest najczęściej skutkiem nadmiernego użycia steru kierunku przy niedostatecznym przechyleniu. Ześlizg – konsekwencją sytuacji odwrotnej – zbyt małego wychylenia steru kierunku przy dużym przechyleniu. W obu przypadkach skutek jest podobny – zaburzony zostaje przepływ powietrza wokół skrzydeł i następuje utrata siły nośnej na jednym ze skrzydeł. Głównym zagrożeniem w ześlizgu jest związana z nim utrata wysokości. Oderwanie strugi następuje w ześlizgu nad skrzydłem zewnętrznym, co powoduje wyrównanie przechylenia i wzrost stabilności. Przy wyślizgu oderwanie strugi następuje na skrzydle wewnątrz zakrętu, po czym następuje wzrost przechylenia i powstaje ryzyko wejścia w korkociąg. Z tego powodu szczególnie niebezpieczne są wyślizgi podczas czwartego zakrętu w kręgu nadlotniskowym kiedy samolot na małej wysokości ma już niewielką prędkość, a pilot chcąc zacieśnić zakręt na prostą do pasa za mocno używa orczyka.

Koordynator zakrętu

Chyłomierz poprzeczny

Pilot w samolocie odczuwa siły boczne. W locie bez widoczności może jednak ulec złudzeniu – dlatego obowiązkowym elementem wyposażenia samolotów zdolnych do lotów na podstawie wskazań instrumentów jest chyłomierz, najczęściej zabudowany jako element koordynatora zakrętu (w samolotach osiągających duże prędkości częściej jest w pobliżu sztucznego horyzontu). W symulatorze oczywiście żadne siły na nas nie działają, więc pozostaje obserwowanie instrumentów. Jeśli kulka chyłomierza przesuwa się przeciwnie do kierunku zakrętu – mamy wyślizg. Jeśli w kierunku zakrętu – ześlizg. Kulkę należy utrzymywać w środku przyrządu – to znaczy, że wypadkowa siły odśrodkowej i ciężaru jest skierowana prostopadle w stosunku do płaszczyzny skrzydeł. Bardziej obrazowo – jeśli postawimy szklankę pełną wody, to nic nie powinno się wylać.

Czyli jak wykonać ten zakręt prawidłowy?

Zakładam, że zakręt ma być wykonany w poziomie lub przy utrzymaniu stałej prędkości wznoszenia (zniżania). Przykład poniżej na podstawie prawego zakrętu (lewy będzie wyglądał tak samo tylko kierunku będą odwrócone).

1. Wychylamy lotki i ster kierunku w prawo.
2. Obserwujemy uważnie kulkę chyłomierza. Jeśli przemieszcza się w prawo – korygujemy sterem kierunku (mocniej w prawo), jeśli w lewo – korygujemy pozycję steru kierunku (mniej wychylony).
3. Obserwując wariometr – ciągniemy stery do siebie unosząc lekko nos tak żeby utrzymać stała wysokość (lub stałą prędkość wznoszenia).
4. Powtarzamy krok drugi.
5. Po osiągnięciu przewidywanego przechylenia samolotu – utrzymujemy je, korygując sterem kierunku wyślizg i ześlizg, a sterem wysokości wznoszenie lub opadanie.
6. Większy kąt natarcia oznacza większy opór – konieczne będzie zwiększenie mocy silnika.

Przypominam, że działanie wszystkich sterów samolotu musi być skoordynowane – działanie jednego powinno przełożyć się na ruch pozostałymi. Przykładowe sytuacje kiedy samolot już krąży w zakręcie prawidłowym i wykonamy ruch tylko jednymi sterami:

• wychylenie (zwiększenie wychylenia) steru wysokości w górę = wyślizg, nabór wysokości i zmniejszenie promienia zakrętu;
• wychylenie (zwiększenie wychylenia) steru kierunku w stronę zakrętu = ześlizg, zniżanie i zmniejszenie promienia zakrętu;
• zwiększenie przechylenia = ześlizg, zniżanie i zmniejszenie promienia zakrętu.

Oczywiście ruchy sterów w przeciwną stronę spowodują przeciwne rezultaty.

Zakręt standardowy

Większość procedur jest zbudowanych z założeniem, że samoloty wykonujące je będą manewrowały podobnie. Dlatego powstało pojęcie zakrętu standardowego, który jest wykonywany w określonym czasie (2 minuty) lub z określonym przechyleniem (25 stopni) – zależnie od tego co wymaga mniejszego przechylenia. Wolne samoloty wykonują zakręt dwuminutowy, w czym pomaga koordynator zakrętu wyposażony w zakrętomierz – to ten samolot na poprzedniej ilustracji (po lewej) i wskazówka (po prawej). Zakrętomierz ustawiony zgodnie ze znacznikiem (czyli skrzydło na znaczniku lub wskazówka na znaczniku) wskazuje wykonywanie zakrętu z prędkością (w tym wypadku) 3 stopni na minutę. Pełna orbita zostanie wykonana w 2 minuty.

Wykonując zakręt przy prędkości większej niż 170 węzłów (prędkości rzeczywistej) należy wykonać zakręt standardowy z przechyleniem 25 stopni – tak by uniknąć nadmiernego przeciążenia – wspominałem już o tym w tekście poświęconym holdingom. Wartość przeciążenia jest zależna od przechylenia (ale nie od prędkości) i dla 25 stopni w zakręcie skoordynowanym daje tylko 1,1g. 30 stopni podnosi tą wartość do 1,15g, a 35 stopni do 1,22g. Jak widać na powyższym wykresie – przeciążenie rośnie gwałtownie przy większym przechyleniu.

Przeciążenie w zakrętach prawidłowych

Przeciążenie w zakrętach przy przechyleniu typowym dla samolotów lotnictwa ogólnego (0-60 stopni)

Promień zakrętu

Promień zakrętu przy różnych prędkościach i tym samym przechyleniu
(Ilustracja: FAA / PD)

Promień zakrętu prawidłowego zależy od dwóch czynników – przechylenia i prędkości. Świadomość wielkości promienia zakrętu przydaje się przy precyzyjnym planowaniu trasy – szczególnie na małej wysokości z dużą prędkością (np. w lotach wojskowych), w których źle przeliczone zakręty łatwo mogą wyrzucić samolot poza zaplanowaną trasę. Innym przypadkiem kiedy trzeba znać promień zakrętu są loty w pobliżu przeszkód. Na powyższym rysunku widać, że pilot samolotu lecącego z prędkością 120 węzłów zmieścił się między ścianami kanionu. Pilot drugiego samolotu próbę zawrócenia przypłaciłby życiem. Przykład nie jest tak oderwany od rzeczywistości jak z polskiej perspektywy może się wydawać – codziennie na Alasce i w Północno-Zachodniej Kanadzie samoloty pokonują trasy wiodące wąskimi dolinami. W tych lotach pogoda na ogół uniemożliwia wzniesienie się wyżej i od właściwej oceny momentu kiedy należy zawrócić zależy życie pilotów. Wraki na dnie najbardziej uczęszczanych dolin świadczą o tym, że nie wszystkim się udało.

[table id=3 /]

Pobierz kompletne tabele

Prędkość kątowa

W samolotach lecących z prędkością do 170 węzłów (KTAS) zakręt standardowy to zakręt o prędkości kątowej 3°/s czyli 360°/2 minuty. W większych zakręt standardowy ma przechylenie 25°, a prędkość kątowa zależy od prędkości (im prędkość wyższa tym prędkość kątowa zakrętu – mniejsza). Warto mieć świadomość ile czasu zajmie zakręt.

[table id=4 /]

Pobierz kompletne tabele

Prędkość przepadania w zakręcie

Wzrost prędkości przepadania w zakręcie
(Ilustracja: FAA / PD / + zmiany moje)

Wraz ze wzrostem obciążenia (przy przeciążeniu) rośnie prędkość przepadania. Dlatego samolot, który lecąc prosto przepadałby dopiero przy prędkości 50 węzłów, w zakręcie przy przechyleniu 75 stopni będzie przepadał już przy 85 węzłach. Na rysunku ten przypadek zaznaczyłem żółtą kreską.

W przypadku lotów z prędkościami zbliżonymi do prędkości przepadania (szczególnie na podejściu) należy zwracać uwagę na to, żeby przechylenie nie spowodowało przepadnięcia.

Znajomość powyższego wykresu jest szczególnie ważna w samolotach wojskowych nie posiadających rozbudowanej mechanizacji płata. Duże stery pozwalają bardzo szybko wejść w zakręty z przeciążeniem 4g, 5g i więcej. Przy zbyt małej prędkości taki zakręt skończy się korkociągiem.