В авиации вариометр , также известный как индикатор скорости набора высоты и снижения ( RCDI ), индикатор скорости набора высоты , индикатор вертикальной скорости ( VSI ) или индикатор вертикальной скорости ( VVI ) — является одним из летных приборов в авиации. самолет , используемый для информирования пилота 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 узел ≈ 0,514 м/с), в зависимости от страны и типа воздушного судна. Обычно он подключается к внешнему источнику статического давления самолета .
В полете с двигателем пилот часто использует VSI, чтобы убедиться, что полет сохраняется в горизонтальном положении, особенно во время маневров разворота. При планировании прибор используется почти постоянно во время нормального полета, часто со звуковым сигналом, чтобы информировать пилота о подъеме или опускании воздуха . Обычно планеры оборудуются 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. Электронному типу со звуком необходим источник питания для работы во время полета. Прибор не представляет особого интереса во время запуска и посадки, за исключением буксировки , при которой пилот обычно старается избежать падения.
В 1930 году, по словам Энн Уэлч , « Кронфельд ... был одним из первых, кто использовал вариометр, устройство, предложенное Александром Липпишем ». Далее Уэлч утверждает, что «первое настоящее термическое парение» произошло в 1930 году А. Халлером и Вольфом Хиртом , причем Хирт использовал вариометр в своем «Мустерле» . Фрэнк Ирвинг утверждает, что Артур Кантровитц впервые упомянул полную энергию в 1940 году. Однако еще в 1901 году Уилбур Райт писал о термических потоках: «Когда планеристы достигают большего мастерства, они могут с относительной безопасностью удерживаться в воздухе в течение нескольких часов при время таким образом и, таким образом, посредством постоянной практики настолько увеличьте свои знания и навыки, что они смогут подняться в более высокие воздух и отыскать потоки, которые позволяют парящим птицам переносить себя в любую желаемую точку, сначала поднявшись по кругу, а затем отплыть под нисходящим углом». [2] [3]
По словам Пола Маккриди , «вариометр — это, по сути, барометрический высотомер с утечкой, которая имеет тенденцию заставлять его измерять высоту на мгновение раньше. Он состоит из контейнера, вентилируемого наружным воздухом таким образом, что давление внутри колбы запаздывает. немного отстает от внешнего статического давления. Измерение скорости набора высоты зависит от скорости притока или оттока воздуха из контейнера». [4]
Вариометры измеряют скорость изменения высоты, определяя изменение давления воздуха (статическое давление) при изменении высоты. К распространенным типам вариометров относятся вариометры на основе диафрагмы, лопасти (рупора), натянутой ленты или электрические. Крыльчатый вариометр состоит из вращающейся лопасть, центрированной винтовой пружиной, разделяющей камеру на две части, одна из которых соединена со статическим портом, а другая - с расширительной камерой. В электрических вариометрах используются терморезисторы, чувствительные к потоку воздуха, или платы, состоящие из переменных резисторов, подключенных к мембране крошечной вакуумной полости. [5] [6] [7] [8]
Простой вариометр можно сконструировать, добавив большой резервуар ( вакуумную колбу ) для увеличения емкости обычного авиационного прибора для измерения скорости набора высоты. В своей простейшей электронной форме прибор состоит из баллона с воздухом, соединенного с внешней атмосферой через чувствительный расходомер воздуха. Когда самолет меняет высоту, атмосферное давление снаружи самолета меняется, 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 , и разница между сопротивлениями термисторов вызывает разность напряжений; это усиливается и отображается пилоту. Чем быстрее самолет поднимается (или опускается), тем быстрее течет воздух. Воздух, выходящий из бутылки, свидетельствует о том, что высота самолета увеличивается. Воздух, поступающий в бутылку, 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, как правило, меньше по размеру, поскольку им не нужен баллон с воздухом. Они более надежны, так как на бутылку не влияют изменения температуры, а вероятность возникновения утечек в соединительных трубках меньше.
Описанные выше конструкции, которые измеряют скорость изменения высоты путем автоматического определения изменения статического давления при изменении высоты самолета, называются «некомпенсированными» вариометрами. Термин «индикатор вертикальной скорости» или «VSI» чаще всего используется для обозначения прибора, когда он установлен на самолете с двигателем. Термин «вариометр» чаще всего используется, когда прибор устанавливается на планер или планер.
«Инерционный» или «мгновенный» VSI (IVSI) использует акселерометры для более быстрого реагирования на изменения вертикальной скорости. [9]
Люди, в отличие от птиц и других летающих животных, не способны непосредственно определять скорость набора высоты и снижения. До изобретения вариометра пилотам планеров было очень трудно парить . Хотя они могли легко обнаружить резкие изменения вертикальной скорости («на месте штанов»), их чувства не позволяли им отличить подъем от падения или сильный подъем от слабого подъема. О фактической скорости набора высоты/снижения нельзя было даже догадаться, если бы поблизости не было четкого фиксированного визуального ориентира. Находиться рядом с фиксированной точкой отсчета означает находиться рядом со склоном холма или землей. За исключением парения на холме (использование подъемной силы вблизи наветренной стороны холма), это, как правило, очень невыгодные положения для пилотов-планеристов. Наиболее полезные формы подъемной силы ( тепловая и волновая подъемная сила) обнаруживаются на более высоких высотах. высоты, и пилоту очень трудно обнаружить или использовать их без использования вариометра. После того, как в 1929 году Александром Липпишем и Робертом Кронфельдом был изобретен вариометр , [10] планерный спорт перешел в новую сферу.
Вариометры также стали важными в дельтапланеризме с ножным стартом, где пилот на открытом воздухе слышит ветер, но нуждается в вариометре, чтобы помочь ему или ей обнаружить области подъема или опускания воздуха. В ранних дельтапланах вариометры не требовались для коротких полетов или полетов вблизи подъема на гребень. Но вариометр стал ключевым моментом, когда пилоты начали совершать более длительные полеты. Первым портативным вариометром для использования в дельтапланах был Colver Variometer, представленный в 1970-х годах компанией Colver Soaring Instruments [11] , который позволил распространить этот вид спорта на полеты по пересеченной местности в тепловых условиях. [12] [13] В 1980-х годах компания Ball Variometers Inc., основанная в 1971 году Ричардом Хардингом Боллом (1921–2011), произвела наручный вариометр с питанием от 9-вольтовой батареи. [14] [15]
Однако по мере развития планерного спорта выяснилось, что эти очень простые «некомпенсированные» инструменты имеют свои ограничения. Информация, которая действительно нужна пилотам планеров для полета, — это общее изменение энергии, испытываемое планером, включая высоту и скорость. Некомпенсированный вариометр будет просто указывать вертикальную скорость планера, создавая возможность « термического стика », т.е. изменения высоты, вызванного только нажатием ручки управления. Если пилот потянет ручку назад, планер поднимется, но при этом замедлится. Но если планер поднимается без изменения скорости, это признак реальной подъемной силы, а не «подъемной силы».
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 управления вперед, ускоряясь по мере того, как самолет пикирует, некомпенсированный вариометр указывает только на то, что высота теряется. Но пилот мог отвести ручку назад, снова поменяв дополнительную скорость на высоту. Компенсированный вариометр использует как скорость, так и высоту, чтобы указать изменение полной энергии. Таким образом, пилот, который толкает ручку вперед, ныряя, чтобы набрать скорость, а затем снова отступает, чтобы набрать высоту, не заметит никаких изменений в общей энергии на компенсированном вариометре (пренебрегая потерями энергии из-за сопротивления).
По словам Хельмута 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 воздушных масс и характеристик планера, но также в значительной степени от изменений угла атаки ( движений руля высоты )... Это делает практически невозможным извлечение полезной информации. В то время как индикаторы скороподъемности показывают изменения высоты и, следовательно, изменения потенциальной энергии планера, вариометры полной энергии показывают изменения полной энергии планера, то есть как его потенциальная энергия (из-за высоты) и его кинетическая энергия (из-за скорости полета)». [5]
Большинство современных планеров оснащены вариометрами с компенсацией полной энергии .
Полная энергия самолета равна:
1.
где – потенциальная энергия, – кинетическая энергия. Таким образом, изменение полной энергии составит:
2.
С
3. Потенциальная энергия пропорциональна высоте.
где масса планера и ускорение свободного падения
и
4. Кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости,
тогда из 2:
5.
6. Обычно это значение преобразуется в эффективное изменение высоты путем деления на ускорение свободного падения и массу самолета, поэтому:
Вариометры полной энергии используют мембранный компенсатор, компенсацию Вентури или имеют электронную компенсацию. Мембранный компенсатор представляет собой эластичную мембрану, которая изгибается в зависимости от общего давления (Пито плюс статическое) от скорости полета. Таким образом, эффекты воздушной скорости компенсируют увеличение снижения из-за ускорения или уменьшение снижения из-за замедления. Компенсатор Вентури создает отрицательное давление, зависящее от скорости, так что давление снижается по мере увеличения скорости, компенсируя повышенное статическое давление из-за опускания. По словам Хельмута Райхмана , «...наименее чувствительная точка крепления Вентури находится в верхней четверти вертикального киля, примерно в 60 см (2 фута) вперед от передней кромки». К типам компенсаторов Вентури относятся Irving Venturi (1948), Althaus Venturi, Hüttner Venturi, Brunswick Tube, Nicks Venturi и трубка с двумя прорезями, разработанная Bardowicks из Akaflieg Hannover, также известная как Брауншвейгская трубка. [5] [8] [16] [17]
Очень немногие самолеты с двигателями имеют вариометры полной энергии. Пилотов самолетов с двигателями больше интересует истинная скорость изменения высоты, поскольку они часто хотят удерживать постоянную высоту или устойчивый набор высоты или снижение.
Второй тип компенсированного вариометра — это вариометр Нетто или воздушной массы . В дополнение к компенсации TE, вариометр Нетто корректирует собственную скорость снижения планера на заданной скорости (полярная кривая ), скорректированную с учетом нагрузки на крыло из-за водяного балласта. Вариометр Нетто всегда будет показывать ноль в неподвижном воздухе. Это дает пилоту возможность точного измерения вертикального движения воздушных масс, что имеет решающее значение для финального планирования (последнего полета к конечному пункту назначения).
В 1954 году Пол Маккриди написал о поправке на скорость снижения для аппарата Вентури с полной энергией. Маккриди заявил: «В неподвижном воздухе... планер имеет разную скорость снижения на каждой скорости полета... было бы лучше, если бы вариометр автоматически добавлял скорость снижения и, таким образом, показывал вертикальное движение воздуха вместо вертикального движения планера. Коррекция может быть произведена различными методами. Вероятно, самый лучший из них — использовать полную энергию Вентури и динамическое давление трубки Пито». [4] Как объяснил Райхманн, «вариометр Нетто показывает подъем и опускание воздушной массы (не планера!)… Чтобы добиться «чистого» показания, всегда присутствующее полярное понижение планера должно быть «компенсировано». Для этого используется тот факт, что выше скорости для наилучшего планирования скорость полярного снижения планера увеличивается примерно пропорционально квадрату воздушной скорости. Поскольку давление Пито также увеличивается с квадратом скорости, ее можно использовать для «компенсации» эффекта полярного снижения планера практически во всем диапазоне скоростей». [5] Том Брандес утверждает: «Netto — это просто немецкий способ сказать «сеть», а система вариометра Нетто (или полярный компенсатор) — это просто система, которая сообщает вам чистое вертикальное движение воздуха с движением планера или снижением, вынесенными из него. обычные показания вариометра». [18]
Относительный вариометр Нетто показывает вертикальную скорость, которую планер мог бы достичь, ЕСЛИ он летит на скорости термика - независимо от текущей воздушной скорости и ориентации. Это значение рассчитывается как значение Нетто минус минимальное снижение планера. Когда планер достигает термического потока, пилоту необходимо знать вертикальную скорость планера, а не скорость воздушной массы. Вариометр Relative Netto (или иногда Super Netto ) включает в себя g-сенсор для обнаружения термических изменений. При термическом измерении датчик обнаружит ускорение (сила тяжести плюс центробежное) выше 1 g и сообщит соответствующему вариометру нетто прекратить вычитание скорости полярного опускания планера, скорректированной с учетом нагрузки на крыло, на это время. Некоторые более ранние модели Netto использовали ручной переключатель вместо датчика g.
В 1954 году Маккриди указал на преимущества аудиовариометра: «Можно многого добиться, если показания вариометра будут передаваться пилоту в виде звука. За вариометром необходимо постоянно наблюдать больше, чем за любым другим прибором, за исключением полетов вслепую. пилот может получить показания на слух, он может улучшить свои тепловые полеты, наблюдая за планерами поблизости, и он может существенно улучшить общий полет, изучая образования облаков, которые будут использоваться в дальнейшем». [4]
В современных планерах большинство электронных вариометров генерируют звук, высота и ритм которого зависят от показаний прибора. Обычно звуковой тон увеличивается по частоте, когда вариометр показывает более высокую скорость подъема, и снижается по частоте до глубокого стона, когда вариометр показывает более высокую скорость спуска. Когда вариометр показывает подъем, тон часто прерывается, и скорость прерывания может увеличиваться по мере увеличения скорости подъема, тогда как во время спуска тон не прерывается. Варио обычно бесшумен в неподвижном воздухе или при подъемной силе, которая ниже типичной скорости снижения планера при минимальном снижении . Этот звуковой сигнал позволяет пилоту сосредоточиться на внешнем виде вместо того, чтобы следить за приборами, тем самым повышая безопасность, а также давая пилоту больше возможностей для поиска многообещающих облаков и других признаков подъемной силы. Вариометр, издающий этот тип звукового сигнала, известен как «аудиовариометр».
Усовершенствованные электронные вариометры в планерах могут предоставлять пилоту другую информацию от GPS- приемников. Таким образом, на дисплее могут отображаться направление, расстояние и высота, необходимые для достижения цели. В крейсерском режиме (используемом при прямолинейном полете) вариометр также может подавать звуковой сигнал о правильной скорости полета в зависимости от того, поднимается или опускается воздух. Пилоту просто нужно ввести расчетную настройку Маккриди , которая представляет собой ожидаемую скорость набора высоты в следующем приемлемом потоке.
Наблюдается растущая тенденция использования усовершенствованных вариометров в планерах в сторону бортовых компьютеров (с показаниями вариометра), которые также могут предоставлять такую информацию, как контролируемое воздушное пространство, списки точек поворота и даже предупреждения о столкновениях. Некоторые из них также сохраняют позиционные данные GPS во время полета для последующего анализа.
Вариометры также используются в радиоуправляемых планерах. Каждая система вариометра состоит из радиопередатчика в планере и приемника на земле для использования пилотом. В зависимости от конструкции приемник может сообщать пилоту текущую высоту планера и отображать на дисплее, набирает или теряет планер высоту - часто с помощью звукового сигнала. Система также может предоставлять другие формы телеметрии , отображая такие параметры, как скорость полета и напряжение аккумулятора. Вариометры, используемые в радиоуправляемых планерах, могут иметь или не иметь функцию полной компенсации энергии.
Вариометры не нужны в радиоуправляемых планерах; Опытный пилот обычно может определить, поднимается или опускается планер, только по визуальным подсказкам. Использование вариометров запрещено в некоторых соревнованиях по полету на радиоуправляемых планерах.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)