Динамическое парение
Динамическое парение — это техника полета, используемая для получения энергии путем многократного пересечения границы между воздушными массами с разной скоростью . Такие зоны градиента ветра обычно встречаются вблизи препятствий и близко к поверхности, поэтому этот метод в основном полезен для птиц и операторов радиоуправляемых планеров , но пилоты планеров иногда могут динамично парить при метеорологических сдвигах ветра на больших высотах. .
Динамическое парение иногда путают с парением на склоне , которое представляет собой технику достижения высоты.
Основной механизм
[ редактировать ]Хотя при динамическом парении можно использовать разные схемы полета, простейшим из них является замкнутый контур в слое сдвига между двумя воздушными массами, находящимися в относительном движении, например неподвижным воздухом в долине и слоем ветра над долиной. Выигрыш в скорости можно объяснить с точки зрения воздушной и путевой скорости:
- Когда планер начинает цикл, скажем, в неподвижной воздушной массе, путевая и воздушная скорости одинаковы.
- Планер входит в движущуюся воздушную массу почти в лоб, что увеличивает скорость полета планера.
- Затем планер разворачивается на 180°, при этом он может сохранять большую часть своей воздушной скорости за счет инерции. Это должно произойти немедленно, иначе скорость будет потеряна. Путевая скорость планера сначала при боковом ветре, а затем по ветру при повороте теперь выше, поскольку попутный ветер ускорил планер.
- Петля продолжается, когда планер снова входит в неподвижную воздушную массу и разворачивается, сохраняя теперь более высокую воздушную скорость и путевую скорость.
- Каждый цикл приводит к увеличению скорости до такой степени, что сопротивление предотвращает дальнейшее увеличение.
Энергия извлекается путем использования разницы скоростей между двумя воздушными массами для подъема летающего объекта на большую высоту (или для обратного снижения соответственно) после передачи между воздушными массами.
существует слой турбулентного На практике между движущимися и неподвижными воздушными массами смешения. Кроме того, силы сопротивления постоянно замедляют самолет. Поскольку более высокая скорость приводит к более высоким силам сопротивления, существует максимальная скорость, которой можно достичь. Обычно скорость ветра примерно в 10 раз превышает скорость ветра для эффективных конструкций планеров.
Когда морские птицы совершают динамическое парение, градиенты ветра гораздо менее выражены, поэтому отбор энергии сравнительно меньше. Вместо того, чтобы летать кругами, как это делают пилоты планеров, птицы обычно выполняют серию полукругов в противоположных направлениях зигзагообразным узором. Первоначальный набор высоты по уклону лицом против ветра заставляет его набирать воздушную скорость. Затем он разворачивается на 180° и ныряет обратно по тому же градиенту, но в направлении по ветру, что снова заставляет его набирать воздушную скорость. Затем он на малой высоте разворачивается на 180° в другом направлении, чтобы снова оказаться лицом к ветру... и цикл повторяется. Повторяя маневр снова и снова, он может двигаться боком к ветру, сохраняя при этом воздушную скорость, что позволяет ему двигаться в направлении бокового ветра бесконечно.
Поскольку сопротивление замедляет птицу, динамическое парение представляет собой компромисс между скоростью, потерянной из-за сопротивления, и скоростью, полученной за счет движения через градиент ветра. В какой-то момент подъем выше не приносит никакой дополнительной пользы, поскольку градиент ветра уменьшается с высотой.
Птицы
[ редактировать ]
Альбатросы особенно искусны в использовании этих методов и могут преодолевать тысячи миль, используя очень мало энергии. Чайки и крачки также демонстрируют такое поведение в полете. Птицы, которые динамично парят, имеют структуру скелета, которая позволяет им блокировать крылья во время полета, чтобы уменьшить мышечное напряжение и усилия.
Лорд Рэлей впервые описал динамическое парение в 1883 году в британском журнале Nature : [1]
- ...птица, не работая крыльями, не может ни в неподвижном воздухе, ни при равномерном горизонтальном ветре удерживать свое положение бесконечно. В течение короткого времени такое поддержание возможно за счет начальной относительной скорости, но вскоре она должна быть исчерпана. Поэтому всякий раз, когда птица какое-то время следует своим путем, не работая крыльями, мы должны заключить, что либо
- что курс не горизонтален,
- что ветер не горизонтальный, или
- что ветер неоднороден.
- Вероятно, истина обычно выражается в (1) или (2); но вопрос, который я хочу поднять, заключается в том, не может ли иногда проявиться причина, предложенная (3).
Первый случай, описанный выше Рэлеем, — это простой планирующий полет, второй — статическое парение (с использованием термиков , подветренных волн или парение по склону ), а последний — динамическое парение. [2]
Пилотируемый самолет
[ редактировать ]В своей книге 1975 года Streckensegelflug (опубликованной на английском языке в 1978 году под названием Cross-Country Soaring ) Американского общества парения Хельмут Райхманн описывает полет, совершенный Инго Реннером на планере H-301 Libelle Glasflügel над Токумвалем в Австралии 24 октября 1974 года. В тот день у поверхности ветра не было, но над инверсией на высоте 300 метров дул сильный ветер, около 70 км/ч (40 узлов ). Реннер взял буксир примерно на 350 м, откуда круто нырнул с подветренной стороны, пока не вышел в неподвижный воздух; Затем он развернулся на 180 градусов (с большой перегрузкой ) и снова полез вверх. Пройдя инверсию, он снова встретил ветер скоростью 70 км/ч, на этот раз встречный. Дополнительная скорость полета, которую это обеспечило, позволила ему восстановить исходную высоту. Повторив этот маневр, он успешно удерживал свою высоту около 20 минут без присутствия восходящего воздуха, хотя его быстро дрейфовал по ветру. В более поздних полетах на планере Пик 20 он усовершенствовал технику, так что смог устранить снос по ветру и даже идти вперед против ветра.
Беспилотный самолет
[ редактировать ]Техника динамического парения адаптирована к беспилотным летательным аппаратам для улучшения их характеристик в условиях отрыва. Это повышает выносливость и дальность полета самолета в суровых условиях. [ нужны разъяснения ]
Космический корабль
[ редактировать ]Динамическое парение можно использовать как средство превышения скорости солнечного ветра, используя различия в этой скорости вблизи Солнца, Земли и/или гелиопаузы. [3] [4]
Радиоуправляемые планеры
[ редактировать ]
В конце 1990-х годов в радиоуправляемом планировании возникла идея динамического парения («открытие», во многом приписываемое светилу RC-парения Джо Вуртсу). [5] Пилоты радиоуправляемых планеров выполняют динамическое парение, используя подветренную сторону наземных объектов, таких как хребты, седла или даже ряды деревьев. Если гребень обращен к ветру и имеет крутую заднюю (подветренную) сторону, это может привести к отрыву потока от вершины холма, в результате чего слой быстрого воздуха движется над вершиной объема застойного 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 лучше отбирать энергию, что приводит к гораздо более высоким скоростям самолета. Модели неоднократно пересекают слой сдвига, летая по круговой траектории, преодолевая быстро движущийся встречный ветер после полета вверх по задней стороне, разворачиваются, чтобы лететь вместе с ветром, ныряют через слой сдвига в застоявшийся воздух и снова поворачиваются, чтобы полететь обратно. вверх по задней стороне холма. Нагрузки, вызванные резким поворотом на высокой скорости (самые быстрые модели могут тянуть более 100 G ), требуют значительного усиления конструкции. фюзеляж и крыло. По этой причине динамические парящие модели обычно строятся с использованием композитных материалов .
По состоянию на 21 февраля 2023 года максимальная зарегистрированная путевая скорость для динамического полета с радиоуправлением составляла 908 км/ч или 564 миль в час (490 узлов). [6] Официальной организации, налагающей санкции, которая сертифицирует скорости, не существует, поэтому записи перечисляются неофициально на основе показаний радаров, хотя также используется анализ видеозаписей и других источников. В последнее время некоторые модели начали оснащаться бортовой телеметрией и другими приборами для регистрации таких параметров, как ускорение, скорость воздуха и т. д.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лорд Рэлей (5 апреля 1883 г.) «Парение птиц», Nature , vol. 27, нет. 701, страницы 534–535.
- ^ Бослоу, Марк Б.Е. (июнь 2002 г.). «Автономная динамическая парящая платформа для распределенных мобильных сенсорных матриц» (PDF) . Песочный отчет . Национальные лаборатории Сандия, Альбукерке, Нью-Мексико. ПЕСОК2002-1896. Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2006 г.
- ^ Макрэ, Майк (6 декабря 2022 г.). « Трюк с динамическим парением может ускорить космический корабль в межзвездном пространстве» . НаукаАлерт . Проверено 6 декабря 2022 г.
- ^ Ларрутуру, Матиас Н.; Хиггс, Эндрю Дж.; Грисон, Джеффри К. (28 ноября 2022 г.). «Динамическое парение как средство превышения скорости солнечного ветра» . Границы космических технологий . 3 . arXiv : 2211.14643 . Бибкод : 2022FrST....317442L . дои : 10.3389/frspt.2022.1017442 .
- ^ Соррел, Чарли (24 июня 2009 г.). «Не моргайте: планер со скоростью 392 миль в час рвется в воздух» . Проводной .
- ^ «Список рекордов скорости» . RCSpeeds.com . Проверено 25 февраля 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- RCSpeeds.com Список неофициальных рекордов скорости динамического взлета радиоуправляемых планеров
- Как летает Альбатрос , теория и моделирование в реальном времени
- Как «Альбатрос» динамично парит
- Динамичный взлет в Европе
- Анимация — объяснение динамического парения
- Автономный динамический парящий БПЛА – теоретический подход.
- Максимизация энергии динамического парящего БПЛА