Аэродинамическая
суть штопора

Чтобы понять, почему самолёт в штопоре, вращаясь, устремляется к земле, надо разобраться в нескольких вещах.

Самолёт держится в воздухе благодаря крылу. Крыло, находясь в воздушном потоке, создаёт подъёмную силу. Её величина зависит от многих факторов — в том числе от того, под каким углом происходит обтекание крыла. Этот угол называется углом атаки.

У крыла есть несколько характерных углов атаки. Угол атаки, при котором крыло не создаёт подъёмной силы, называется углом атаки нулевой подъёмной силы. Если от этого положения угол атаки увеличивать, подъёмная сила растёт — но лишь до определённого момента. Угол атаки, при котором крыло создаёт максимальную подъёмную силу, называется критическим углом атаки; дальнейшее увеличение приводит к резкому падению подъёмной силы.

Поток с крыла срывается, подъёмная сила резко падает, а сила сопротивления так же резко возрастает — и самолёт начинает падать. Но это ещё не штопор. Это явление называют срывом, сваливанием (в английской терминологии — stall).

Чтобы вращение поддерживалось, должна появиться какая-то сила. Откуда ей взяться, если самолёт симметричен относительно продольной оси? С аэродинамической точки зрения эта симметрия исчезает, как только воздушный поток начинает отклоняться в сторону.

Режим, при котором самолёт повёрнут к потоку боком — поворотом относительно вертикальной оси, — в авиации называют скольжением. В скольжении симметрия обтекания пропадает: левая и правая половины крыла начинают работать с потоком по-разному. Возникает разница в подъёмной силе, появляется кренящий момент — и он становится спусковым крючком для начала вращения.

У опускающейся половины крыла эффективный угол атаки возрастает, а у поднимающейся — уменьшается. Это даёт значительную разницу в сопротивлении и подъёмной силе между половинами крыла — при условии, что хотя бы одна половина находится в режиме срыва. Разница в сопротивлении вызывает боковое вращение и скольжение, а разница в подъёмной силе — вращение вокруг продольной оси. Так срыв превращается в самоподдерживающуюся авторотацию.

Точнее всего природу штопора и логику выхода из него выразил лётчик-испытатель Марк Галлай — в книге, где он писал об Арцеулове:

Арцеулов суть штопорного вращения справедливо усмотрел в том, что встречный поток воздуха обтекает попавший в штопор самолёт под чересчур большими углами снизу и сбоку. Говоря техническим языком, самолёт находится на закритических углах атаки и больших углах скольжения. Именно от этого и возникает неуправляемая авторотация — самовращение.

Поэтому для вывода из штопора необходимо восстановить нормальное обтекание крыла воздушным потоком, то есть уменьшить угол атаки и восстановить симметрию обтекания — устранить скольжение. То есть для вывода из штопора нужно прежде всего поставить самолёт «по потоку»: педалью руля направления устранить боковое скольжение, а рулём высоты опустить нос самолёта.

Вот это-то и представлялось лётчикам противоестественным! С первых дней обучения полётам они усваивали, что, если нос самолёта опускается, надо противодействовать этому, отклонив ручку управления на себя. Вот они, попав в штопор и оказавшись в положении носом к земле, и тянули ручку изо всех сил — только усугубляя этим штопор.

— Марк Галлай, лётчик-испытатель

К этому выводу — против всех инстинктов — первым в мире пришёл Константин Арцеулов. И не в воздухе, а на бумаге: сначала рассчитал манёвр, а потом проверил его в небе.