Формирование полета

ВВС США F-15 Strike Eagles летят в строю Вик над Аляской

Групповой полет — это полет скоординированный нескольких объектов. Групповые полеты встречаются в природе среди летающих и планирующих животных , а также проводятся в человеческой авиации , часто в военной авиации и на авиашоу .

Было проведено множество исследований преимуществ летных характеристик самолетов, летающих строем. ^[1]

История

птицы получают преимущества от группового полета благодаря аэродинамической теории Визельсбергера в 1914 году. Уже более столетия известно, что ^[1]^[2]

Формирование летной авиации в человеческой авиации зародилось в Первую мировую войну , когда были назначены истребители для сопровождения самолетов-разведчиков . ^[3] Было обнаружено, что пары самолетов более эффективны в бою, чем одиночные самолеты, и поэтому военные самолеты всегда летали группами как минимум по два человека. ^[3] Ко времени Второй мировой войны пилоты обнаружили и другие стратегические преимущества группового полета, такие как повышенная устойчивость и оптимальная видимость. ^{[ нужна ссылка ]}

Механизм уменьшения сопротивления

Распространенным заблуждением является связывание уменьшения лобового сопротивления в организованном полете с уменьшением лобового сопротивления при драфте . Однако механически они совершенно разные.

Снижение лобового сопротивления, произошедшее на чертеже, связано с уменьшением скорости потока в следе за ведущим транспортным средством, уменьшением величины ускорения потока, необходимой для движения вокруг кузова, снижением давления перед идущим за ним транспортным средством. Это приводит к меньшему перепаду давления между лобовой и задней проекционными поверхностями кузова, а значит, и к меньшему лобовому сопротивлению. Это также можно понять несколько тавтологично, используя обычное уравнение сопротивления тела. ${\textstyle F_{\text{D}}={\frac {1}{2}}C_{\text{D}}A\rho v^{2}}$ , где $C_{\text{D}}$ – экспериментально полученное безразмерное число, $\rho$ - плотность жидкой среды, через которую движется объект, $A$ - площадь поперечного сечения, нормальная к направлению среднего потока, и $v$ - скорость среднего потока. При осмотре видно, что уменьшение средней скорости приведет к уменьшению силы сопротивления, как и в случае с вытяжкой. ^{[ нужна ссылка ]}

Напротив, уменьшение сопротивления, которое ощущают следящие агенты в групповом полете, можно скорее рассматривать как следящие агенты, «скользящие» по вихрям, создаваемым крыльями ведущих агентов. ^[4] уменьшение количества силы, необходимой для пребывания в воздухе. Эта сила известна как подъемная сила и действует перпендикулярно направлению и сопротивлению набегающего потока. Эти вихри известны как вихри на законцовках крыла и образуются жидкостью, обтекающей законцовки крыла из области высокого давления, которая является нижней частью крыла, в область низкого давления, которая является верхней частью крыла. Поток отделяется от профиля и вращается вокруг следа низкого давления, образующего ядро вихря. Этот вихрь изменяет направление потока для следящего за ним самолета, увеличивая подъемную силу над сегментом крыла и позволяя уменьшить индуцированное сопротивление за счет уменьшения угла атаки. ^[5]

Это также можно показать с помощью сопротивления и аналогичного уравнения подъемной силы: ${\textstyle F_{\text{L}}={\frac {1}{2}}C_{\text{L}}A\rho v^{2}}$ . Разница сейчас в том, что $C_{\text{D}}$ и $C_{\text{L}}$ линейно изменяться в зависимости от угла атаки $\alpha$ , который представляет собой угол, образованный нейтральной осью самолета и набегающим потоком. Поскольку местный поток поступает под большим углом атаки из-за вихря, как подъемная сила, так и силы сопротивления вращаются так, что вектор подъемной силы создает тягу вперед, а вектор силы сопротивления создает увеличение подъемной силы. При таком увеличении подъемной силы угол атаки может быть уменьшен для поддержания целевой подъемной силы, необходимой для поддержания высоты во время крейсерского полета, что приводит к уменьшению индуцированного сопротивления, поскольку сопротивление и подъемная сила являются функцией $\alpha$ через коэффициенты $C_{\text{D}}$ и $C_{\text{L}}$ . ^{[ нужна ссылка ]}

Природа

Перелетные птицы

Птицы обычно летают V-образными или J-образными формациями , последняя широко известна как эшелон. Первым исследованием, в котором была предпринята попытка количественной оценки энергосбережения большой стаи птиц, было исследование Lissaman & Schollenberger. ^[6] который предоставил первую, хотя и весьма ошибочную, ^[1] оценка для стаи птиц из 25 особей. Сообщалось о самом впечатляющем увеличении дальности полета на 71% по сравнению с полетом одной птицы. Эти сообщаемые расширения обычно происходят из-за использования приближения с неподвижным крылом. Хаффнер (1977) экспериментировал с птицами, летающими в аэродинамических трубах, и рассчитал расширение дальности полета на более консервативное значение в 22%. ^[7]^[1]

Были проведены исследования фазы взмахов и установлено, что птицы, летящие V-образными формациями, координируют свои взмахи, а птицы, находящиеся в эшелоне, - нет. Уиллис и др. (2007) обнаружили, что оптимальная фазировка закрылков обеспечивает 20% экономии энергии, предполагая, что позиционирование более важно, чем идеальное кэширование приближающегося вихря. ^[8]^[1]

Исследования птиц показали, что V-образное расположение может значительно повысить общую аэродинамическую эффективность за счет уменьшения сопротивления и тем самым увеличения дальности полета. ^[9]

Насекомые

Рой насекомых — это коллективное поведение животных , которое является областью активных исследований по применению дронов. Уникальной особенностью стаи насекомых является их организованный полет без лидера. В исследовании 10 мошек с использованием изображений частиц , проведенном Келли и Уэллеттом (2013), границы роя статистически согласованы, хотя полет насекомых внутри роя практически асинхронен. Существует также некоторое предположение о кластеризации, подразумевающее, что может иметь место некое самоорганизующееся поведение. ^[10]

Авиация

Терминология и примеры

Наименьшая единица формирования называется секцией или элементом, состоящим из двух самолетов; эти пилоты являются лидером и ведомым. Дивизия или звено состоит из двух секций или элементов. Несколько дивизий или звеньев собираются в формирование. ^[11]^: 6 Стандартный истребительный строй включает самолеты, позиции которых ведомые поддерживают в пределах 1 мили (1,6 км) по горизонтали и 100 футов (30 м) по вертикали от самолета командира звена. ^[11]^: 8 Нестандартное построение возникает, когда руководитель полета запросил, а авиадиспетчерская служба утвердила размеры, не соответствующие заявленным границам; при работе в пределах разрешенной резервации высоты или в соответствии с положениями письма-соглашения; или когда полеты выполняются в специально отведенном воздушном пространстве. ^[11]^: 9

( Четыре кончика пальца или палец-четыре ) — это базовое образование из четырех кораблей, напоминающее положение кончиков пальцев при вытянутой руке. Лидер звена (№1) пилотирует передний самолет (кончик среднего пальца), а ведущий ведомый (№2) находится сбоку и сзади (кончик указательного пальца); руководитель секции (#3) находится напротив ведомого ведущего на противоположной стороне (кончик безымянного пальца), в то время как ведомый руководителя секции (#4) следует за ведомым секции в ту же сторону (кончик мизинца). Формирование кончиков пальцев обозначается как сильное правое или сильное левое , в зависимости от стороны, на которой летает самолет секции (№3 и №4). ^[11]^: 17 Например, если смотреть сверху, четыре сильных правых формирования на кончиках пальцев слева направо состоят из самолетов № 2 (ведущий ведомый), № 1 (лидер звена), № 3 (руководитель секции) и № 4 (ведомый ведущего секции). .

Руководитель полета должен решить и сообщить, какая ориентация — кончик пальца вправо или кончик пальца влево — должна использоваться в качестве основного построения перед выполнением полета. Построения должны переходить в базовое построение и обратно, чтобы облегчить использование сигналов рукой и самолетом. ^[11]^: 17

Переходы в строю из 4 кораблей ^[11]^: 17–18
Переход		Диаграмма	Сигнал	Описание и последовательность
От	К	Диаграмма	Сигнал	Описание и последовательность
Кончик пальца вправо	Эшелон правый		Левая рука командира звена согнута на 90°, кулак сжат.	№3 перемещает секцию вперед и назад, №2 переходит на правое крыло №1.
Эшелон правый	Кончик пальца вправо		Правая рука командира звена согнута на 90°, кулак сжат; №2 передает тот же сигнал №3.	№3 перемещает секцию, чтобы дать место №2 для перехода на левое крыло №1; №3 перемещает секцию обратно на правое крыло ведущего, как только №2 будет завершен.
Кончик пальца вправо	Эшелон ушел		Правая рука командира звена согнута на 90°, сжат кулак, два движения руками	#3 перемещает секцию к левому крылу #2, #4 пересекает #3, когда элемент пересекает #2.
Эшелон ушел	Кончик пальца вправо		Левая рука командира звена согнута на 90°, сжат кулак, два движения руками	№3 перемещает секцию на правое крыло ведущего, №4 переходит на правое крыло №3.
Кончик пальца вправо	Алмаз		Рука командира звена согнута на 90°, кулак сжат; четыре пальца вытянуты, затем сжимают руку, большой палец направлен назад и движется назад; Реле №3 передает сигнал на №4; № 3 сигнализирует о завершении работы, показывая большой палец вверх.	#4 перемещается в слот
Алмаз	Кончик пальца вправо		Руководитель звена осторожно покачивает крыльями	№4 перемещается из слота в крыло №3.
Кончик пальца вправо	Тащить		Руководитель звена несколько раз осторожно дельфинирует; каждый пилот устно подает сигналы ведущему, когда находится на позиции	№2 скользит назад и позади лидера, за ним последовательно следует №3, затем №4.
Тащить	Кончик пальца вправо		Руководитель звена несколько раз покачивает крыльями, затем начинает пологий разворот.	№2 движется вперед, чтобы присоединиться к внутреннему крылу ведущего; №3 и №4 объединяются в один элемент, затем занимают позиции на внешнем крыле ведущего.

Военный

В военной авиации полет тактического строя — это дисциплинированный полет двух и более самолетов под командованием командира звена. ^[11]^: 6 Военные летчики используют тактические порядки для взаимной защиты и концентрации огневой мощи. ^[12]^{: Арт 17.01}

Беспилотные летательные аппараты

Проблема достижения безопасного группового полета беспилотных летательных аппаратов широко исследовалась в 21 веке с использованием авиационных и космических систем. Для летательных аппаратов преимущества выполнения группового полета включают экономию топлива, ^[13] повышение эффективности управления воздушным движением и совместного распределения задач. Для космических аппаратов точный контроль группового полета может обеспечить будущие космические телескопы с большой апертурой, космические интерферометры с изменяемой базой , автономные сближения и стыковки, а также роботизированную сборку космических конструкций. ^{[ нужна ссылка ]} Одно из самых простых используемых построений - это когда автономные самолеты поддерживают строй с ведущим самолетом, который сам может быть автономным. ^[14]

Гражданская авиация

В составе гражданской авиации полеты выполняются на авиашоу или для отдыха . Он используется для совершенствования летной техники, а также как престижная деятельность старых авиационных организаций. Это более сложный навык полета рядом с другим самолетом. Стройный полет предлагал сократить расход топлива за счет минимизации сопротивления. ^[15]

В начале 2000-х годов в программе автономного группового полета НАСА использовалась пара F/A-18 . В 2013 году ВВС США for Energy Научно-исследовательской лаборатории проект Surfing Aircraft Vortices показал 10–15% экономии топлива, установленный на двух Boeing C-17 Globemaster III . В 2017 году НАСА зафиксировало снижение расхода топлива на 8–10 % у двух самолетов Gulfstream III , выполнявших испытательные полеты по вейксерфингу. В 2018 году у ecoDemonstrator , грузового самолета Boeing 777F от FedEx Express , расход топлива снизился на 5–10%, а автопилот поддерживал расстояние в 4000 футов (1,2 км) на основе информации ADS-B и TCAS . ^[16]

Используя преимущества восходящего потока, как у перелетных птиц ( биомимикрия ), Airbus полагает, что самолет может сэкономить 5–10% топлива, пролетая на 1,5–2 мили (2,8–3,7 км) позади предыдущего. После того, как испытания Airbus A380 показали экономию 12%, в ноябре 2019 года компания запустила проект «fello'fly» для тестовых полетов в 2020 году с двумя A350 перед трансатлантическими летными испытаниями с авиакомпаниями в 2021 году. Сертификация более короткого эшелонирования возможна с помощью ADS-B в океаническом воздушном пространстве, и единственной необходимой модификацией будет программное обеспечение систем управления полетом . Комфорт не пострадает, и испытания будут ограничены двумя самолетами, чтобы уменьшить сложность, но концепция может быть расширена и включать больше самолетов. Коммерческие операции могут начаться в 2025 году после корректировки расписания авиакомпаний и включения самолетов других производителей. ^[17]

9 ноября 2021 года Airbus провел демонстрацию Тулуза-Монреаль продолжительностью 7 часов 40 минут с самолетами A350-900 и A350-1000, разделенными на 3 км (1,6 морских миль), сэкономив более 6 т (13 000 фунтов) углекислого газа: потенциал более экономия топлива более 5%. ^[18] Geese, частично финансируемая исследованиями в области управления воздушным движением ЕС SESAR Airbus Инициатива , будет включать в себя самолеты Air France и French Bee A350 для летных испытаний в 2025–2026 годах, а также будет включать Boeing для обеспечения совместимости. ^[19]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Баец, Изток Лебар; Хеппнер, Фрэнк Х. (октябрь 2009 г.). «Организованный полет птиц» . Поведение животных . 78 (4): 777–789. дои : 10.1016/j.anbehav.2009.07.007 . ISSN 0003-3472 . S2CID 53180059 .
^ Бежёр (1914), «Отчет экзаменационной комиссии по оценке изобретений» , Ежегодник Научного общества авиационной техники , Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 190–192, doi : 10.1007/978-3-642 -52151-5_17 , ISBN 978-3-642-52141-6 , получено 16 марта 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Энциклопедия» . ДЖАМА . 279 (17): 1409. 6 мая 1998 г. дои : 10.1001/jama.279.17.1409-jbk0506-6-1 . ISSN 0098-7484 .
^ Фланцер, Тристан К.; Бенявский, Стефан Р. (10 января 2014 г.). «Операционный анализ группового полета в рамках программы аэродинамических преимуществ» . 52-е совещание по аэрокосмическим наукам . Научно-технический форум AIAA. Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2014-1460 . ISBN 978-1-62410-256-1 .
^ Рэй, Рональд; Кобли, Брент; Вачон, М.; Сент-Джон, Клинтон (25 июня 2002 г.). «Методы летных испытаний, используемые для оценки преимуществ летных характеристик во время группового полета» . Конференция и выставка AIAA по механике атмосферного полета . Наведение, навигация и контроль, а также совместные конференции. Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2002-4492 . hdl : 2060/20030005804 . ISBN 978-1-62410-107-6 .
^ Лиссаман, PBS; Шолленбергер, Калифорния (22 мая 1970 г.). «Формирование полета птиц» . Наука . 168 (3934): 1003–1005. Бибкод : 1970Sci...168.1003L . дои : 10.1126/science.168.3934.1003 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 5441020 . S2CID 21251564 .
^ Хаффнер, Джон (1977). Модель машущего крыла для полета стаи птиц (Диссертация). Университет Род-Айленда. doi : 10.23860/thesis-haffner-john-1977 .
^ Уиллис, Дэвид; Перайр, Хайме; Брейер, Кеннет (15 июня 2007 г.). «Вычислительное исследование биоинспирированного полета формации и воздействия земли» . 25-я конференция AIAA по прикладной аэродинамике . Гидродинамика и совместные конференции. Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2007-4182 . ISBN 978-1-62410-006-2 .
^ Тьен, HP; Моэляди, Массачусетс; Мухаммед, Х. (2008). «Влияние положения и формы лидеров на аэродинамические характеристики V-образного построения». arXiv : 0804.3879 [ cs.RO ].
^ Келли, Дуглас Х.; Уэллетт, Николас Т. (15 января 2013 г.). «Эмерджентная динамика роев лабораторных насекомых» . Научные отчеты . 3 (1): 1073. Бибкод : 2013NatSR...3E1073K . дои : 10.1038/srep01073 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 3545223 . ПМИД 23323215 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Руководство по летной эксплуатации формирования (PDF) (4-е изд.). Объединение Т-34. 1996 год . Проверено 1 декабря 2022 г.
^ Руководство пилота по базовой летной подготовке (TC-44) (PDF) . Королевские ВВС Канады. Январь 1962 года . Проверено 1 декабря 2022 г.
^ Алькоуз, Бальзам; Бугеттая, Атман (7–9 декабря 2020 г.). «Выбор служб роя дронов на основе формации». MobiQuitous 2020 — 17-я Международная конференция EAI по мобильным и повсеместным системам: вычисления, сети и услуги . стр. 386–394. arXiv : 2011.06766 . дои : 10.1145/3448891.3448899 . ISBN 9781450388405 . S2CID 226955877 .
^ «3 эксперимента по управлению полетом группы БПЛА YF-22» . 2004 . Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 г.
^ Кроо, Илан. «Воздушный транспорт будущего и окружающая среда» . Семинар по энергетике Вудса . Стэнфордский университет. Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 г. Проверено 13 марта 2011 г.
^ Гай Норрис (10 декабря 2019 г.). «Испытания Boeing и FedEx 777F подтверждают выгоду от сжигания топлива» . Сеть «Авиационная неделя» .
^ Йенс Флоттау (18 ноября 2019 г.). «Airbus стремится к 10% экономии топлива за счет совместных полетов самолетов» . Сеть «Авиационная неделя» .
^ Дэвид Камински-Морроу (9 ноября 2021 г.). «А350 совершают трансатлантический групповой полет, чтобы проверить потенциал сокращения расхода топлива» . Флайтглобал .
^ Доминик Перри (16 февраля 2023 г.). «Airbus продолжит летные испытания в рамках проекта Geese, поддерживаемого SESAR» . Флайтглобал .

[:1-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Баец, Изток Лебар; Хеппнер, Фрэнк Х. (октябрь 2009 г.). «Организованный полет птиц» . Поведение животных . 78 (4): 777–789. дои : 10.1016/j.anbehav.2009.07.007 . ISSN 0003-3472 . S2CID 53180059 .

[2] Бежёр (1914), «Отчет экзаменационной комиссии по оценке изобретений» , Ежегодник Научного общества авиационной техники , Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 190–192, doi : 10.1007/978-3-642 -52151-5_17 , ISBN 978-3-642-52141-6 , получено 16 марта 2021 г.

[:0-3] Перейти обратно: ^а ^б «Энциклопедия» . ДЖАМА . 279 (17): 1409. 6 мая 1998 г. дои : 10.1001/jama.279.17.1409-jbk0506-6-1 . ISSN 0098-7484 .

[4] Фланцер, Тристан К.; Бенявский, Стефан Р. (10 января 2014 г.). «Операционный анализ группового полета в рамках программы аэродинамических преимуществ» . 52-е совещание по аэрокосмическим наукам . Научно-технический форум AIAA. Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2014-1460 . ISBN 978-1-62410-256-1 .

[5] Рэй, Рональд; Кобли, Брент; Вачон, М.; Сент-Джон, Клинтон (25 июня 2002 г.). «Методы летных испытаний, используемые для оценки преимуществ летных характеристик во время группового полета» . Конференция и выставка AIAA по механике атмосферного полета . Наведение, навигация и контроль, а также совместные конференции. Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2002-4492 . hdl : 2060/20030005804 . ISBN 978-1-62410-107-6 .

[6] Лиссаман, PBS; Шолленбергер, Калифорния (22 мая 1970 г.). «Формирование полета птиц» . Наука . 168 (3934): 1003–1005. Бибкод : 1970Sci...168.1003L . дои : 10.1126/science.168.3934.1003 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 5441020 . S2CID 21251564 .

[7] Хаффнер, Джон (1977). Модель машущего крыла для полета стаи птиц (Диссертация). Университет Род-Айленда. doi : 10.23860/thesis-haffner-john-1977 .

[8] Уиллис, Дэвид; Перайр, Хайме; Брейер, Кеннет (15 июня 2007 г.). «Вычислительное исследование биоинспирированного полета формации и воздействия земли» . 25-я конференция AIAA по прикладной аэродинамике . Гидродинамика и совместные конференции. Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2007-4182 . ISBN 978-1-62410-006-2 .

[9] Тьен, HP; Моэляди, Массачусетс; Мухаммед, Х. (2008). «Влияние положения и формы лидеров на аэродинамические характеристики V-образного построения». arXiv : 0804.3879 [ cs.RO ].

[10] Келли, Дуглас Х.; Уэллетт, Николас Т. (15 января 2013 г.). «Эмерджентная динамика роев лабораторных насекомых» . Научные отчеты . 3 (1): 1073. Бибкод : 2013NatSR...3E1073K . дои : 10.1038/srep01073 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 3545223 . ПМИД 23323215 .

[T-34_Manual-11] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Руководство по летной эксплуатации формирования (PDF) (4-е изд.). Объединение Т-34. 1996 год . Проверено 1 декабря 2022 г.

[RCAF_Manual-12] Руководство пилота по базовой летной подготовке (TC-44) (PDF) . Королевские ВВС Канады. Январь 1962 года . Проверено 1 декабря 2022 г.

[13] Алькоуз, Бальзам; Бугеттая, Атман (7–9 декабря 2020 г.). «Выбор служб роя дронов на основе формации». MobiQuitous 2020 — 17-я Международная конференция EAI по мобильным и повсеместным системам: вычисления, сети и услуги . стр. 386–394. arXiv : 2011.06766 . дои : 10.1145/3448891.3448899 . ISBN 9781450388405 . S2CID 226955877 .

[14] «3 эксперимента по управлению полетом группы БПЛА YF-22» . 2004 . Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 г.

[15] Кроо, Илан. «Воздушный транспорт будущего и окружающая среда» . Семинар по энергетике Вудса . Стэнфордский университет. Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 г. Проверено 13 марта 2011 г.

[AvWeek10dec2019-16] Гай Норрис (10 декабря 2019 г.). «Испытания Boeing и FedEx 777F подтверждают выгоду от сжигания топлива» . Сеть «Авиационная неделя» .

[AvWeek18nov2019-17] Йенс Флоттау (18 ноября 2019 г.). «Airbus стремится к 10% экономии топлива за счет совместных полетов самолетов» . Сеть «Авиационная неделя» .

[18] Дэвид Камински-Морроу (9 ноября 2021 г.). «А350 совершают трансатлантический групповой полет, чтобы проверить потенциал сокращения расхода топлива» . Флайтглобал .

[19] Доминик Перри (16 февраля 2023 г.). «Airbus продолжит летные испытания в рамках проекта Geese, поддерживаемого SESAR» . Флайтглобал .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]