Геометрия профиля и угол атаки

Крыло — это не плоская доска, а тщательно спрофилированная форма; разберём её язык.

Угол атаки $\alpha$ — угол между хордой профиля и направлением набегающего потока; это главный «рычаг», которым пилот управляет подъёмной силой.

Прежде чем считать силы, договоримся о геометрии. У профиля есть несколько ключевых линий и размеров, и каждый из них влияет на поведение крыла.

Словарь профиля

Термин	Что это
Хорда $c$	прямая от передней кромки к задней; базовый размер профиля
Средняя линия	линия посередине между верхней и нижней поверхностью; её изгиб задаёт кривизну
Кривизна (camber)	прогиб средней линии; повышает подъёмную силу даже при $\alpha=0$
Толщина	максимальное расстояние между поверхностями; влияет на сопротивление и прочность
Угол атаки $\alpha$	наклон хорды к потоку

Почему угол атаки — главный рычаг

Пилот не может на лету менять форму профиля, зато он постоянно меняет угол атаки рулём высоты. Чем больше $\alpha$ (до определённого предела), тем сильнее поток отклоняется вниз и тем больше подъёмная сила. Геометрически набегающий поток со скоростью $v$ под углом $\alpha$ можно разложить на составляющие:

$$ v_x = v\cos\alpha, \qquad v_y = v\sin\alpha $$

import math
v = 60.0  # м/с
for deg in (0, 4, 8, 12):
    a = math.radians(deg)
    vx = v * math.cos(a)
    vy = v * math.sin(a)
    print(f"alpha={deg:2d} град: vx={vx:5.2f} м/с, vy={vy:5.2f} м/с")

Вывод:

alpha= 0 град: vx=60.00 м/с, vy= 0.00 м/с
alpha= 4 град: vx=59.85 м/с, vy= 4.19 м/с
alpha= 8 град: vx=59.42 м/с, vy= 8.35 м/с
alpha=12 град: vx=58.69 м/с, vy=12.47 м/с

Как работает под капотом

Кривизна профиля делает так, что воздух над крылом проходит более длинный и быстрый путь, чем под ним. Из-за этого даже при нулевом угле атаки несимметричный профиль уже создаёт подъёмную силу — вот почему у самолётов крыло выпуклое сверху. Угол атаки добавляет к этому эффекту «лобовое» отклонение потока вниз.

Частые ошибки

Путать угол атаки с углом тангажа. Угол атаки — относительно потока, а не относительно горизонта. На снижении самолёт может иметь нос вниз, но большой угол атаки.
Считать, что подъёмную силу даёт только угол атаки. Кривизна профиля создаёт её и при $\alpha=0$.
Думать, что чем больше угол атаки, тем всегда больше сила. После критического угла поток срывается — об этом в уроке про сваливание.

Итог

Профиль описывают хорда, кривизна и толщина; поток задаётся углом атаки $\alpha$.
Угол атаки — главный управляющий параметр подъёмной силы в полёте.
Угол атаки отсчитывается от направления потока, а не от горизонта.