Динамическое парение - Dynamic soaring

Динамическое парение - это техника полета, используемая для получения энергии путем многократного пересечения границы между воздушными массами с разной скоростью . Такие зоны градиента ветра обычно находятся рядом с препятствиями и близко к поверхности, поэтому этот метод в основном используется птицами и операторами радиоуправляемых планеров , но пилоты планеров иногда могут динамично парить в метеорологических сдвигах ветра на больших высотах. .

Динамическое парение иногда путают с парением на склоне, которое является техникой достижения высоты.

Базовый механизм

В то время как при динамическом парении могут использоваться разные схемы полета, самым простым является замкнутая петля через слой сдвига между двумя воздушными массами при относительном движении, например, неподвижный воздух в долине и слой ветра над долиной. Прирост скорости можно объяснить с точки зрения воздушной скорости или наземной скорости:

  • Когда планер начинает цикл, скажем, в неподвижной воздушной массе, путевая и воздушная скорость одинаковы.
  • Планер входит в движущуюся воздушную массу почти в лоб, что увеличивает его скорость полета.
  • Затем планер поворачивается на 180 °, при этом он может поддерживать большую часть своей воздушной скорости за счет импульса. Базовая скорость планера теперь выше, так как попутный ветер разгонял планер.
  • Цикл продолжается, когда планер снова входит в неподвижную воздушную массу и разворачивается, поддерживая теперь более высокие воздушную скорость и наземную скорость.
  • Каждый цикл приводит к более высоким скоростям, вплоть до точки, когда сопротивление предотвращает дополнительное замедление.

Энергия извлекается за счет использования разницы скоростей между двумя воздушными массами для подъема летающего объекта на большую высоту (или для обратного снижения соответственно) после перехода между воздушными массами.

Динамический парящий цикл

На практике между движущейся и неподвижной воздушной массой существует турбулентный слой смешения. Вдобавок силы сопротивления постоянно замедляют самолет. Поскольку более высокая скорость приводит к более высоким силам сопротивления, существует максимальная скорость, которая может быть достигнута. Обычно для эффективных конструкций планеров скорость ветра примерно в 10 раз превышает скорость ветра.

Когда морские птицы совершают динамический парящий полет, градиенты ветра гораздо менее выражены, поэтому потребление энергии сравнительно меньше. Вместо того, чтобы летать по кругу, как это делают пилоты-планеры, птицы обычно выполняют серию полукругов в противоположных направлениях по зигзагообразной схеме. Начальный набор высоты по уклону против ветра приводит к увеличению скорости полета. Затем он разворачивается на 180 ° и ныряет обратно по тому же градиенту, но по ветру, что снова приводит к увеличению скорости полета. Затем он разворачивается на 180 ° на небольшой высоте в другом направлении, чтобы повернуться лицом к ветру ... и цикл повторяется. Повторяя маневр снова и снова, он может продвигаться по направлению к ветру, сохраняя при этом свою воздушную скорость, что позволяет ему двигаться при боковом ветре бесконечно.

Поскольку сопротивление замедляет птицу, динамическое парение - это компромисс между скоростью, теряемой из-за сопротивления, и скоростью, полученной при движении через градиент ветра. В какой-то момент подъем выше не приносит дополнительных преимуществ, поскольку градиент ветра уменьшается с высотой.

Птицы

Волнистый альбатрос Phoebastria irrorata

Альбатросы особенно искусны в использовании этих методов и могут преодолевать тысячи миль, расходуя очень мало энергии. Чайки и крачки также проявляют такое поведение в полете. Птицы, которые парят в динамике, имеют скелетную структуру, которая позволяет им блокировать крылья, когда они парят, чтобы уменьшить мышечное напряжение и усилие.

Лорд Рэлей впервые описал динамическое парение в 1883 году в британском журнале Nature :

"... птица, не работающая крыльями, не может ни в неподвижном воздухе, ни при равномерном горизонтальном ветре бесконечно поддерживать свой уровень. В течение короткого времени такое поддержание возможно за счет начальной относительной скорости, но вскоре это должно произойти. Таким образом, всякий раз, когда птица какое-то время следует своим курсом, не поворачивая крыльев, мы должны сделать вывод:
  1. что курс не горизонтальный,
  2. что ветер не горизонтальный, или
  3. что ветер неравномерный.
Вероятно, что истина обычно представлена ​​(1) или (2); но вопрос, который я хочу поднять, заключается в том, может ли причина, предложенная в пункте (3), иногда не проявляться ".

Первый случай, описанный выше Рэлеем, - это простой планирующий полет, второй - статическое парение (с использованием термиков , подветренной волны или парения на склоне ), а последний - динамическое парение.

Пилотируемый самолет

В своей книге 1975 Streckensegelflug (опубликовано на английском языке в 1978 году , как Cross-Country Парящий в Соринге обществе Америки ), Хельмут Райхман описывает полет , сделанный Ingo Renner в Glasflügel H-301 Libelle планере над Tocumwal в Австралии 24 октября 1974 года. В тот день у поверхности не было ветра, но над инверсией на высоте 300 метров дул сильный ветер около 70 км / ч (40 узлов ). Реннер взял буксир на высоту примерно 350 м, откуда он круто нырнул по ветру, пока не вошел в неподвижный воздух; Затем он развернулся на 180 градусов (с большим g ) и снова поднялся наверх. При прохождении инверсии он снова встретил ветер со скоростью 70 км / ч, на этот раз встречный. Дополнительная воздушная скорость, которую это обеспечило, позволила ему восстановить свой первоначальный рост. Повторяя этот маневр, он успешно поддерживал свою высоту около 20 минут без наличия восходящего воздуха, хотя он быстро дрейфовал по ветру. В более поздних полетах на планере Pik 20 он усовершенствовал технику, так что он смог устранить дрейф по ветру и даже уйти против ветра.

Беспилотный самолет

Техника динамического парения адаптирована в беспилотных летательных аппаратах для улучшения их характеристик в условиях отталкивания. Это увеличивает выносливость и дальность полета самолета в суровых условиях.

Радиоуправляемый планер

Динамическое парение на радиоуправляемом планере возле Айдахо-Фолс, штат Айдахо. Направление ветра - справа налево.

В конце 1990-х годов в сфере радиоуправляемого планирования возникла идея динамического парения («открытие» в значительной степени приписывают летающему светилу на радиоуправлении Джо Вуртсу). Пилоты-планеры с радиоуправлением выполняют динамическое парение, используя подветренную сторону наземных элементов, таких как гребни, седла или даже ряды деревьев. Если гребень обращен к ветру и имеет крутой обратный (подветренный) край, это может вызвать отрыв потока от вершины холма, в результате чего слой быстрого воздуха будет перемещаться поверх объема застоявшегося или обратного потока воздуха. за холмом. Градиент скорости или сдвиг ветра может быть намного больше, чем у птиц или полномасштабных планеров. Более высокий градиент позволяет соответственно увеличить потребление энергии, что приводит к гораздо более высоким скоростям для самолета. Модели многократно пересекают слой сдвига, летя по круговой траектории, преодолевая быстро движущийся встречный ветер после полета вверх, поворачиваясь, чтобы лететь по ветру, ныряя через слой сдвига в застойный воздух и снова поворачиваясь, чтобы лететь назад вверх по обратной стороне холма. Нагрузки, вызванные быстрым поворотом на высокой скорости (самые быстрые модели могут тянуть более 100 G ), требуют значительного усиления конструкции фюзеляжа и крыла. Из-за этого динамические парящие модели обычно строятся с использованием композитных материалов .

По состоянию на 19 января 2021 года максимальная зарегистрированная путевая скорость для динамического парения с радиоуправлением составляла 548 миль в час (882 км / ч). Официальной организации, налагающей санкции, которая удостоверяет скорости, нет, поэтому записи перечислены неофициально на основе показаний радаров, хотя также используется анализ видеозаписей и других источников. В последнее время на некоторых моделях появилась бортовая телеметрия и другие приборы для регистрации таких вещей, как ускорение, воздушная скорость и т. Д.

Рекомендации

Внешние ссылки