Вариометр

Вариометр - также известный как скорость подъема и индикатор спуска ( RCDI ), указатель скорости набора высоты , индикатор вертикальной скорости ( VSI ), или индикатор вертикальной скорости ( VVI ) - это один из инструментов полета в качестве воздушных суден , используемых для сообщить пилоту о скорости снижения или набора высоты . ^[1] Его можно калибровать в метрах в секунду , футах в минуту (1 фут / мин = 0,00508 м / с) или узлах.(1 кн ≈ 0,514 м / с) в зависимости от страны и типа самолета. Обычно он подключается к внешнему источнику статического давления самолета .

В полете с приводом пилот часто использует VSI, чтобы убедиться, что горизонтальный полет сохраняется, особенно во время маневров при развороте. При планировании прибор используется почти постоянно во время обычного полета, часто со звуковым сигналом, чтобы информировать пилота о подъеме или опускании воздуха. Обычно планеры оснащаются более чем одним типом вариометра. Более простой тип не требует внешнего источника питания, и поэтому на него можно положиться независимо от того, установлена ​​ли батарея или источник питания. Электронный тип со звуком нуждается в источнике питания, чтобы работать во время полета. Орудие малоинтересно при взлете и посадке, за исключением аэродрома., где пилот обычно старается избегать попадания в раковину.

Индикатор вертикальной скорости от Robinson R22 . Это наиболее распространенный тип, используемый в самолетах , показывающий вертикальную скорость в футах в минуту (фут / мин).

Работа диафрагменного вариометра

История [ править ]

В 1930 году, согласно Энн Уэлч , Кронфельд ... был одним из первых, кто использовал вариометр, устройство, предложенное Александром Липпишем » . Уэлч продолжает утверждать, что« первое настоящее тепловое парение »произошло в 1930 году А. Халлером. и Вольф Хирт , с Хиртом, использующим вариометр в своем Musterle . Фрэнк Ирвинг утверждает, что Артур Кантровиц впервые упомянул полную энергию в 1940 г. Однако уже в 1901 г. Уилбур Райтписал о термиках, «когда операторы-планеристы достигли большего мастерства, они могут с относительной безопасностью поддерживать себя в воздухе в течение нескольких часов таким образом, и, таким образом, постоянной практикой настолько увеличивают свои знания и навыки, что они могут подняться в поднимитесь по верхнему воздуху и найдите течения, которые позволяют парящим птицам перемещаться в любую желаемую точку, сначала поднимаясь по кругу, а затем отплывая под нисходящим углом ». ^{[2] [3]}

Описание [ править ]

По словам Пола Маккриди , «вариометр - это, по сути, высотомер с утечкой, которая позволяет ему считывать высоту на мгновение раньше. Он состоит из контейнера, который выходит наружу таким образом, что давление внутри колбы падает. немного ниже внешнего статического давления. Скорость набора высоты зависит от скорости притока или оттока воздуха из контейнера ". ^[4]

Вариометры измеряют скорость изменения высоты, определяя изменение атмосферного давления (статического давления) при изменении высоты. К распространенным типам вариометров относятся вариометры на основе диафрагмы, лопасти (рупора), тугой ленты или вариометры на электрической основе. Лопастной вариометр состоит из вращающейся лопасти, центрируемой винтовой пружиной, разделяющей камеру на две части, одна из которых соединена со статическим портом, а другая - с камерой расширения. В электрических вариометрах используются термисторы, чувствительные к воздушному потоку, или печатные платы, состоящие из переменных резисторов, подключенных к мембране крошечной вакуумной полости. ^{[5] [6] [7] [8]}

Простой вариометр можно сконструировать, добавив большой резервуар (термос), чтобы увеличить емкость обычного прибора для измерения скорости набора высоты самолета. В своей простейшей электронной форме прибор состоит из баллона с воздухом, подключенного к внешней атмосфере через чувствительный расходомер воздуха. Когда самолет меняет высоту, атмосферное давление за пределами самолета изменяется, и воздух поступает в баллон с воздухом или выходит из него, чтобы уравнять давление внутри баллона и снаружи самолета. Скорость и направление потока воздуха измеряются путем охлаждения одного из двух самонагревающихся термисторов.а разница между сопротивлениями термисторов вызовет разность напряжений; это усиливается и отображается пилоту. Чем быстрее самолет поднимается (или опускается), тем быстрее движется воздух. Выходящий из баллона воздух указывает на то, что высота самолета увеличивается. Воздух, поступающий в баллон, указывает на то, что самолет снижается.

Новые конструкции вариометров напрямую измеряют статическое давление атмосферы с помощью датчика давления и обнаруживают изменения высоты непосредственно по изменению давления воздуха, а не путем измерения расхода воздуха. Эти конструкции имеют тенденцию быть меньше, поскольку они не нуждаются в воздушном баллоне. Они более надежны, поскольку на них нет бутылки, на которую могут повлиять изменения температуры, и меньше шансов возникновения утечек в соединительных трубках.

Описанные выше конструкции, которые измеряют скорость изменения высоты, автоматически обнаруживая изменение статического давления, когда самолет меняет высоту, называются «нескомпенсированными» вариометрами. Термин «индикатор вертикальной скорости» или «VSI» чаще всего используется для обозначения прибора, когда он установлен на летательном аппарате с двигателем. Термин «вариометр» чаще всего используется, когда прибор установлен на планере или планере.

В «инерционном» или «мгновенном» VSI (IVSI) используются акселерометры, чтобы обеспечить более быструю реакцию на изменения вертикальной скорости. ^[9]

Цель [ править ]

Люди, в отличие от птиц и других летающих животных, не могут непосредственно ощущать скорость набора высоты и снижения. До изобретения вариометра пилотам планеров было очень трудно парить . Хотя они могли легко обнаружить резкие изменения вертикальной скорости («на сиденье штанов»), их чувства не позволяли им отличить подъем от погружения или сильный подъем от слабого подъема. фактическийСкорость подъема / снижения нельзя было даже предположить, если поблизости не было каких-то четких фиксированных визуальных ориентиров. Находиться рядом с фиксированной точкой отсчета означает находиться рядом со склоном холма или с землей. За исключением полета на холме (использование подъемника рядом с восходящей стороной холма), это, как правило, очень невыгодное положение для пилотов-планеристов. Наиболее полезные формы подъемной силы ( термическая и волновая подъемная сила) находятся на более высоких уровнях. высоты, и пилоту очень трудно обнаружить или использовать их без использования вариометра. После того , как вариометр был изобретен в 1929 году Липпиш и Роберт Кронфельда , ^[10] спорт Скользя переехал в новое царство.

Вариометры также стали важными в дельтапланах с пешим запуском, когда пилот на открытом воздухе слышит ветер, но ему нужен вариометр, чтобы помочь ему или ей обнаруживать области восходящего или опускающегося воздуха. В раннем дельтапланеризме вариометры не требовались для коротких полетов или полетов вблизи гребного подъемника. Но вариометр стал ключевым, когда пилоты начали совершать более длительные полеты. Первым портативным вариометром для использования в дельтапланах был вариометр Colver от Colver Soaring Instruments ^[11], который расширил этот вид спорта до полетов по пересеченной местности в термальных условиях. ^{[12] [13]}

Полная компенсация энергии [ править ]

Однако по мере развития планеризма выяснилось, что эти очень простые «некомпенсированные» инструменты имеют свои ограничения. Информация, которая действительно нужна пилотам-планеристам, - это общее изменение энергии, испытываемой планером, включая высоту и скорость. Некомпенсированный вариометр просто укажет вертикальную скорость планера, что приведет к возможности « теплового эффекта ручки », то есть изменения высоты, вызванного только движением ручки. Если пилот оттянет ручку, планер поднимется, но также замедлится. Но если планер поднимается без изменения скорости, это показатель реальной подъемной силы, а не «подъемной силы рукояти».

Компенсированные вариометры также включают информацию о скорости самолета, поэтому используется полная энергия ( потенциальная и кинетическая ), а не только изменение высоты. Например, если пилот толкает ручку вперед, увеличивая скорость при пикировании самолета, нескомпенсированный вариометр указывает только на потерю высоты. Но пилот мог потянуть рычаг назад, снова променяв дополнительную скорость на высоту. Компенсированный вариометр использует скорость и высоту, чтобы указать изменение общей энергии. Таким образом, пилот, который толкает ручку вперед, ныряет, чтобы набрать скорость, а затем снова тянется назад, чтобы набрать высоту, не заметит никаких изменений в общей энергии на компенсированном вариометре (без учета потерь энергии из-за сопротивления).

По словам Гельмута Райхмана , «слово« вариометр »буквально означает« измеритель изменений », и именно так его следует понимать. Без дополнительной информации остается неясным, какие изменения измеряются. Простые вариометры ... являются индикаторами скорости набора высоты. .Поскольку фактический набор высоты и снижение планера, отображаемый на этих приборах, зависит не только от движения воздушной массы и характеристик планера, но также в значительной степени от изменений угла атаки ( движения руля высоты ) ... Это делает практически невозможным получение полезной информации , например, расположение термиков. В то время как индикаторы скорости набора высоты показывают изменения высоты и, следовательно, изменения потенциальной энергии планера, вариометры полной энергии показывают изменения в общей энергии планера, то есть как его потенциальной энергии (из-за высоты), так и его кинетической энергии ( из-за воздушной скорости) " ^[5]

Большинство современных планеров оснащены вариометрами с компенсацией Total Energy .

Теоретическая компенсация полной энергии [ править ]

Полная энергия самолета составляет:

1. ${\ displaystyle E _ {\ text {tot}} = E _ {\ text {pot}} + E _ {\ text {kin}}}$

где - потенциальная энергия, а - кинетическая энергия. Таким образом, изменение общей энергии составляет:${\ displaystyle E _ {\ text {pot}}}$${\ displaystyle E _ {\ text {kin}}}$

2. ${\ displaystyle \ Delta E _ {\ text {tot}} = \ Delta E _ {\ text {pot}} + \ Delta E _ {\ text {kin}}}$

С

3. Потенциальная энергия пропорциональна высоте.

${\ displaystyle E _ {\ text {pot}} = mgh}$

где масса планера и ускорение свободного падения${\ displaystyle m}$${\ displaystyle g}$

и

4. Кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости,

${\ displaystyle E _ {\ text {kin}} = {1 \ более 2} мВ ^ {2}}$

затем из 2:

5. ${\ displaystyle \ Delta E _ {\ text {tot}} = mg \ Delta h + {1 \ over 2} m {\ Delta V} ^ {2}}$

6. Обычно это преобразовывается в эффективное изменение высоты путем деления на ускорение свободного падения и массу летательного аппарата, поэтому:

${\ displaystyle {\ Delta E _ {\ text {tot}} \ over mg} = \ Delta h + {{\ Delta V} ^ {2} \ over 2g}}$

Полная компенсация энергии на практике [ править ]

В вариометрах полной энергии используется мембранный компенсатор, компенсация с помощью трубки Вентури или электронная компенсация. Мембранный компенсатор представляет собой эластичную мембрану, которая изгибается в соответствии с общим давлением (пито плюс статическое) от воздушной скорости. Таким образом, эффекты воздушной скорости компенсируют увеличение снижения из-за ускорения или уменьшение снижения из-за замедления. Компенсатор Вентури обеспечивает зависящее от скорости отрицательное давление, так что давление снижается с увеличением скорости, компенсируя повышенное статическое давление из-за понижения. По словам Гельмута Райхмана , «… наименее чувствительная точка крепления трубки Вентури будет находиться в верхней четверти вертикального ребра, примерно в 60 см (2 футах) впереди передней кромки». Типы компенсаторов Вентури включаютIrving Venturi (1948), Althaus Venturi, Hüttner Venturi, Brunswick Tube, Nicks Venturi и Double-Plotted Tube, разработанные Бардовиксом из Akaflieg Hannover, также известные как Braunschweig Tube. ^{[5] [8] [14] [15]}

Очень немногие самолеты с двигателем имеют вариометры полной энергии. Пилотов самолетов с двигателем больше интересует истинная скорость изменения высоты, поскольку они часто хотят удерживать постоянную высоту или поддерживать постоянный набор высоты или снижение.

Вариометр Нетто [ править ]

Второй тип компенсированного вариометра - это вариометр Нетто или вариометр воздушной массы . В дополнение к компенсации TE, вариометр Netto регулирует внутреннюю скорость снижения планера на заданной скорости ( полярная кривая ) с поправкой на нагрузку на крыло из-за водяного балласта. Вариометр Netto всегда будет показывать ноль в неподвижном воздухе. Это дает пилоту возможность точного измерения вертикального движения воздушных масс, критически важных для финального планирования (последнее планирование до конечной точки назначения).

В 1954 году Пол Маккриди написал о поправке на скорость снижения для трубки Вентури с полной энергией. МакКриди заявил: «В неподвижном воздухе ... планер имеет разную скорость снижения на каждой воздушной скорости ... было бы лучше, если бы вариометр автоматически добавлял скорость снижения и, таким образом, показывал вертикальное движение воздуха вместо вертикального движения планера. Корректировка может быть произведена различными способами. Вероятно, самый лучший вариант - использовать полную энергию Вентури и динамическое давление трубки Пито ». ^[4] Как объяснил Райхманн, «вариометр Нетто показывает набор высоты и опускание воздушной массы (не планера!) ... Чтобы получить« чистую »индикацию, всегда присутствующее полярное понижение планера должно быть« скомпенсировано ». Для этого используется тот факт, что выше скорости для лучшего планирования полярная скорость снижения планера увеличивается примерно пропорционально квадрату воздушной скорости. Поскольку давление Пито также увеличивается пропорционально квадрату скорости, единица может использовать его для «компенсации» эффекта падения планера на полярную высоту практически во всем диапазоне скоростей ». ^[5] Том Брандес утверждает: «Netto - это просто немецкий способ сказать« сеть », а система вариометров Netto (или полярный компенсатор) - это просто система, которая сообщает вам чистое вертикальное движение воздуха при движении планера или снижении, взятом из обычного вариометра. чтение ". ^[16]

Относительное Нетто Вариометр показывает вертикальную скорость планер бы достичь , если он летит на скорость - термическое независимо от текущей скорости воздуха и отношений. Это значение рассчитывается как показание Netto за вычетом минимального снижения параплана. Когда планер вращается до теплового состояния, пилоту необходимо знать вертикальную скорость планера, а не скорость воздушной массы. Относительный Нетто Вариометр (или иногда супер Нетто ) включает в себя G-датчик для обнаружения термического. При термическом воздействии датчик обнаружит ускорение (гравитационное плюс центробежное) выше 1 g и скажет относительному нетто-вариометру прекратить вычитать полярную скорость снижения планера с поправкой на нагрузку на крыло на время. Некоторые ранние nettos использовали ручной переключатель вместо датчика g.

Электронные вариометры [ править ]

В 1954 году Маккриди указал на преимущества аудиовариометра: «Можно многого добиться, если показания вариометра будут представлены пилоту звуком. За вариометром нужно постоянно наблюдать больше, чем с любым другим прибором, за исключением полетов вслепую. пилот может получать показания на слух, он может улучшить свой полет в тепловых условиях, наблюдая за ближайшими планерами, и он может существенно улучшить общий полет, изучая облачные образования, которые будут использоваться в следующий раз ». ^[4]

В современных планерах большинство электронных вариометров генерируют звук, высота и ритм которого зависит от показаний прибора. Обычно частота звукового сигнала увеличивается по мере того, как вариометр показывает более высокую скорость набора высоты, и уменьшается по частоте в сторону глубокого стона, поскольку вариометр показывает более высокую скорость снижения. Когда вариометр показывает набор высоты, тон часто прерывается, и скорость резания может увеличиваться по мере увеличения скорости набора высоты, в то время как во время снижения тон не прерывается. Варио, как правило, бесшумно в неподвижном воздухе или при подъемной силе, что ниже типичной скорости снижения планера при минимальном снижении.. Этот звуковой сигнал позволяет пилоту сосредоточиться на внешнем обзоре вместо того, чтобы наблюдать за приборами, что повышает безопасность, а также дает пилоту больше возможностей для поиска многообещающих облаков и других признаков подъемной силы. Вариометр, который производит этот тип звукового сигнала, известен как «аудиовариометр».

Усовершенствованные электронные вариометры в планерах могут предоставлять пилоту другую информацию от GPS- приемников. Таким образом, дисплей может отображать азимут, расстояние и высоту, необходимые для достижения цели. В крейсерском режиме (используется в прямом полете) вариометр также может давать звуковую индикацию правильной скорости полета в зависимости от того, поднимается или опускается воздух. Пилоту просто нужно ввести расчетную настройку Макриди , которая представляет собой ожидаемую скорость набора высоты в следующем приемлемом термике.

Существует растущая тенденция использования усовершенствованных вариометров в планерах к полетным компьютерам (с показаниями вариометров), которые также могут отображать такую ​​информацию, как контролируемое воздушное пространство, списки точек поворота и даже предупреждения о столкновениях. Некоторые также сохраняют позиционные данные GPS во время полета для последующего анализа.

Радиоуправляемое парение [ править ]

Вариометры также используются в радиоуправляемых планерах. Каждая система вариометр состоит из радио передатчика в планере, и приемник на землю для использования пилот - сигнала. В зависимости от конструкции приемник может сообщать пилоту текущую высоту планера и дисплей, который показывает, набирает ли планер высоту или теряет ее - часто с помощью звукового сигнала. Система также может обеспечивать другие формы телеметрии , отображающие такие параметры, как скорость полета и напряжение аккумулятора. Вариометры, используемые в радиоуправляемых планерах, могут иметь или не иметь полную компенсацию энергии.

Вариометры не являются обязательными для радиоуправляемых планеров; Опытный пилот обычно может определить, идет ли планер вверх или вниз, только по визуальным подсказкам. Использование вариометров запрещено в некоторых соревнованиях по парению радиоуправляемых планеров.

См. Также [ править ]

• Основной индикатор полета
• Рекомендации ИКАО по использованию Международной системы единиц
• Дельтапланеризм
• Полеты на параплане
• Скорость, чтобы летать

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Простой датчик полной энергии, NASA TM X-73928, март 1976 г.

Викискладе есть медиафайлы по теме вариометров .