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.

Zakręt z małym i dużym przechyleniem(Ilustracia: FAA / PD, zmiany moje)

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)

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 prawidłowych

Przeciążenie w zakrętach przy przechyleniu typowym dla samolotów lotnictwa ogólnego

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 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

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.

1 komentuj
  1. Tato
    Tato says:

    Czy przypadkiem wykresy przeciążenia nie powinny się zaczynać od 1g, a nie od 0g jak pokazane np. na pierwszym wykresie „Przeciążenie w zakrętach prawidłowych”. Drugi wykres pod nim już wydaje się dużo lepszy, bo środkiem układu współrzędnych jest wartość 1g

Dodaj komentarz

Chcesz się przyłączyć do dyskusji?
Feel free to contribute!

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.