Факты из аэродинамики 2. Маневренность, трагедия сверхзвукового БИ-1.⁠⁠

Пока я нашел людей, интересующихся полетами, продолжу писать. Чтобы объяснить причину крушения БИ-1 (по фамилиям конструкторов Березняк-Исаев) в 1943году, пилотируемым летчиком-испытателем Григорием Яковлевичем Бахчиванджи, мне надо рассказать про сверхзвук и аэродинамический фокус.

Начну с аэродинамического фокуса.

Сложное, интересное, необычное крыло самолета со всеми изгибами, наплывами, "зубами" (как на як130) для простоты расчётов сводят в прямоугольное крыло. Линию от передней кромки до задней называют "средней аэродинамической хордой" (САХ).

При проектировке дозвукового самолета, центр тяжести располагают в первой четверти САХ. Есть допустимый диапозон предельно передней и предельно задней центровки, это обычно 18-27% САХ.
Аэродинамический фокус (точка, в которой происходит прирост подьемной силы, а условно и есть подъемная сила) находится позади центра тяжести, но все ещё в передней половине крыла. Расстояние от центра тяжести до фокуса -- запас устойчивости.

У Ла-7 приличный запас устойчивости, самолет очень прост в управлении. Даже случайные изменения подъемной силы будут уравновешены самим самолетом. Это называется "статической устойчивостью". Вот самолет в горизонтальном полете, к примеру

Y -- подъемная сила
G -- масса самолета
y ст -- подъемная сила стабилизатора, движением ручки на себя мы компенсируем момент и летим спокойно в горизонте

У И-16 запас устойчивости небольшой, он очень резво откликается на управление, его очень легко вывести на большие углы атаки. Поэтому они считались очень маневренным истребителем.

У су27 запас устойчивости отрицателтный. Малейшее изменение подъемной силы приводит к еще большему изменению. Им невозможно было бы управлять без комьютера, гасящего эти колебания. Но за счет этого достигается сверхманевренность современных истребителей и такие фигуры, как "кобра".

Теперь сверхзвук. Вот картина распределения давлений на дозвуковой скорости. Как я писал выше, подъемная сила работает на первой четверти крыла. Думаю, на картинке видно, где сильнее всего крыло тянет вверх.

Упуская все тонкости переходныз процессов (волновой кризис, увеличение сопротивления и т.д.) и переходя на конкретный сверхзвук, распределение давлений выглядит иначе:

Результирующая подъемная сила будет уже по середине САХ. Вернусь к Би-1

Это был прорыв советского гения. Самолет начали проектировать еще в 1941 году. Главное отличие от самолетов той эпохи -- установка ракетного двигателя. До привычного нам газо-турбинного реактивного еще несколько лет войны. Принцип "смешать, поджечь, получить тягу от выхода газов" уже был освоен на реактивных снарядах (на катюше, напимер), но на самолет еще никто подобные двигатели не ставил.
Самолет заправлялся полтонной смеси из азотной кислоты и керосина.
Первый полёт совершил в мае 1942 года (на фронте во всю шла Харьковская операция). Сразу были ясны положительные качества самолета: скороподъемность, разгонные характеристики. БИ-1 должен был стать перехватчиком.
27 марта 1943 года Г. Я. Бахчиванджи должен был совершить полет на определение максимальной скорость самолета. Заданием подразумевалось разогнать самолет на максимальной тяге до полной выработки топлива.


Теперь аэродинамика. При подходе к скоростям, близким к звуковым (БИ-1 разогнался до 800-1000 км/ч), смещается назад (с первой четверти САХ на середину САХ) фокус самолета. Пикирующий момент увеличивается

Эффективности рулей оказалось не достаточно, летчик не мог вывести самолет из пикирования, чтобы он не делал.

С точки зрения наблюдателей с земли до момента выключения двигателя полёт проходил по плану, однако потом самолёт вошёл в пике и, не совершая попыток выйти из него, столкнулся с землёй. Лётчик-испытатель Григорий Яковлевич погиб. Самолет сняли с производства.


Немного позже, при продувке самолета в аэродинамической трубе и расследовании причин катастрофы данный эффект будет назван эффектом "затягивания в пикирование"