Четыре силы и условия равновесия

В установившемся полёте самолёт не разгоняется и не падает — значит, все силы уравновешены.

Установившийся горизонтальный полёт — режим, при котором четыре силы (подъёмная сила, вес, тяга, сопротивление) попарно уравновешены, и самолёт летит с постоянной скоростью на постоянной высоте.

Это базовый режим, от которого пляшут все расчёты. Если понять баланс четырёх сил, дальше легко вывести потребную скорость, тягу и мощность.

Два условия равновесия

В горизонтальном полёте с постоянной скоростью ускорения нет, поэтому суммы сил по вертикали и горизонтали равны нулю:

$$ L = W \qquad \text{и} \qquad T = D $$

Подъёмная сила $L$ уравновешивает вес $W=mg$, а тяга $T$ уравновешивает сопротивление $D$. Из первого условия сразу находим потребную скорость полёта:

$$ v = \sqrt{\frac{2 W}{\rho\, S\, C_L}} $$

Считаем потребную скорость

import math
m = 1200.0; g = 9.81
rho = 1.225; S = 16.0
W = m * g
print(f"Вес W = {W:.0f} Н")
for Cl in (0.4, 0.8, 1.4):
    v = math.sqrt(2 * W / (rho * S * Cl))
    print(f"Cl={Cl:.1f}: потребная скорость v = {v:5.1f} м/с = {v*3.6:5.0f} км/ч")

Вывод:

Вес W = 11772 Н
Cl=0.4: потребная скорость v =  54.8 м/с =   197 км/ч
Cl=0.8: потребная скорость v =  38.7 м/с =   139 км/ч
Cl=1.4: потребная скорость v =  29.3 м/с =   105 км/ч

Чтобы лететь медленнее, нужно держать больший $C_L$ — то есть больший угол атаки. Но $C_L$ не может расти бесконечно: есть предел $C_{L\max}$, и он задаёт минимальную скорость.

Как работает под капотом

Самолёт «выбирает» угол атаки так, чтобы подъёмная сила точно равнялась весу на текущей скорости. Разогнался — подъёмная сила выросла, значит можно уменьшить угол атаки. Замедлился — нужно увеличить угол атаки, чтобы сохранить $L=W$. Пилот через ручку и тягу постоянно балансирует эту систему.

Частые ошибки

Думать, что в полёте тяга «толкает вверх». Тяга горизонтальна и борется с сопротивлением; вес держит подъёмная сила.
Считать, что на любой скорости можно лететь горизонтально. Ниже скорости сваливания $C_L$ уже не хватает.
Забывать про вес топлива: по мере его выработки $W$ падает, и потребная скорость снижается.

Итог

В установившемся полёте $L=W$ и $T=D$ — два независимых условия равновесия.
Потребная скорость $v=\sqrt{2W/(\rho S C_L)}$: чем больше $C_L$, тем медленнее можно лететь.
Предел $C_{L\max}$ задаёт минимальную скорость горизонтального полёта.