stringtranslate.com

Планирующий полет

Планирующий полет — полет тяжелее воздуха без использования тяги ; термин планирование также относится к этому способу полета животных. [1] Он используется планирующими животными и летательными аппаратами, такими как планеры . Этот режим полета предполагает полет на значительное расстояние по горизонтали по сравнению со спуском, и поэтому его можно отличить от почти прямого спуска вниз, например, на круглом парашюте.

Хотя применение планирующего полета человеком обычно относится к самолетам, предназначенным для этой цели, большинство самолетов с двигателем способны планировать без мощности двигателя. Как и при продолжительном полете, планирование обычно требует использования аэродинамического профиля , такого как крылья самолетов или птиц, или скользящей мембраны планирующего опоссума . Однако планирования можно достичь с помощью плоского ( невыпуклого ) крыла, как с помощью простого бумажного самолета [ 2] или даже с помощью метания карт . Однако некоторые самолеты с несущими телами и животными, такими как летающая змея, могут совершать планирующий полет без крыльев, создавая под ними плоскую поверхность.

Самолеты («планеры»)

Большинство крылатых самолетов могут в некоторой степени планировать, но существует несколько типов самолетов, предназначенных для планирования:

Основное применение людей в настоящее время носит развлекательный характер, хотя во время Второй мировой войны военные планеры использовались для перевозки войск и техники в бой. Типы летательных аппаратов, которые используются для спорта и отдыха, классифицируются как планеры (планеры) , дельтапланы и парапланы . Эти два последних типа часто запускаются с ног. Конструкция всех трех типов позволяет им многократно подниматься, используя поднимающийся воздух, а затем планировать, прежде чем найти следующий источник подъемной силы. Когда этот вид спорта выполняется на планерах (планерах), он называется планерным , а иногда и парящим. Для самолетов, запускаемых с ног, это известно как дельтапланеризм и парапланеризм . Энтузиасты летают и на радиоуправляемых планерах с неподвижными крыльями.

Помимо моторных планеров , некоторые самолеты с двигателями предназначены для обычного планирования во время части полета; обычно при приземлении после периода полета с двигателем. К ним относятся:

Некоторые самолеты не предназначены для планирования, за исключением чрезвычайных ситуаций, таких как отказ двигателя или исчерпание топлива. См. список рейсов авиакомпаний, на которых требуется планирующий полет . Планирование на вертолете называется авторотацией .

Планирующие животные

Птицы

Ряд животных много раз эволюционировали в полет отдельно , не имея единого предка. Птицы, в частности, используют планирующий полет, чтобы свести к минимуму потребление энергии. Крупные птицы особенно искусны в планировании, в том числе:

Подобно самолетам для отдыха, птицы могут чередовать периоды планирования с периодами парения в восходящем воздухе и, таким образом, проводить в воздухе значительное время с минимальными затратами энергии. В частности, большой фрегат способен совершать непрерывные полеты продолжительностью до нескольких недель. [3]

Млекопитающие

Патагия на белке-летяге

Чтобы облегчить скольжение, у некоторых млекопитающих развилась структура, называемая патагием . Это мембранная структура, натянутая между различными частями тела. Наиболее сильно он развит у летучих мышей. По тем же причинам, что и птицы, летучие мыши могут эффективно планировать. У летучих мышей кожа, образующая поверхность крыла, является продолжением кожи брюшка, доходящей до кончика каждого пальца, соединяя переднюю конечность с телом. Патагиум летучей мыши состоит из четырех отдельных частей:

  1. Пропатагиум: патагий присутствует от шеи до первого пальца.
  2. Дактилопатагий: часть, находящаяся внутри пальцев.
  3. Плагиопатагиум: часть, обнаруженная между последним пальцем и задними конечностями.
  4. Уропатагиум : задняя часть тела между двумя задними конечностями.

Другие млекопитающие, такие как планирующие опоссумы и белки-летяги , также планируют с помощью патагиума, но с гораздо меньшей эффективностью, чем летучие мыши. Они не могут набрать высоту. Животное спрыгивает с дерева, расправляя конечности, чтобы обнажить скользящие перепонки, обычно для того, чтобы перебираться с дерева на дерево в тропических лесах , что является эффективным средством как поиска пищи, так и уклонения от хищников. Эта форма древесного передвижения распространена в тропических регионах, таких как Борнео и Австралия, где деревья высокие и широко расставлены.

У летяг патагий простирается от передних к задним конечностям по длине каждой стороны туловища. У сахарного планера патагия простирается от пятого пальца каждой руки до первого пальца каждой ноги. Это создает аэродинамический профиль , позволяющий им планировать на расстояние 50 и более метров. [4] Этот планирующий полет регулируется изменением кривизны перепонки или перемещением ног и хвоста. [5]

Рыбы, рептилии, земноводные и другие планирующие животные.

Помимо млекопитающих и птиц, планируют и другие животные, в частности летающие рыбы , летающие змеи , летающие лягушки и летающие кальмары .

Летающая рыба взлетает

Полеты летучих рыб обычно составляют около 50 метров (160 футов), [6] хотя они могут использовать восходящие потоки на передней кромке волн, чтобы преодолевать расстояния до 400 м (1300 футов). [6] [7] Чтобы выскользнуть из воды вверх, летучая рыба совершает движения хвостом до 70 раз в секунду. [8] Затем он расправляет грудные плавники и слегка наклоняет их вверх, чтобы обеспечить подъемную силу. [9] В конце планирования он складывает грудные плавники, чтобы снова войти в море, или опускает хвост в воду, чтобы оттолкнуться от воды и подняться для следующего планирования, возможно, меняя направление. [8] [9] Изогнутый профиль «крыла» сравним с аэродинамической формой птичьего крыла. [10] Рыба способна увеличить время пребывания в воздухе, летя прямо или под углом к ​​направлению восходящих потоков , создаваемых сочетанием воздушных и океанских течений . [8] [9]

Змеи рода Chrysopelea известны также под общим названием «летающая змея». Прежде чем прыгнуть с ветки, змея делает J-образный изгиб. Подняв свое тело вверх и в сторону от дерева, он втягивает брюшко и расширяет ребра, превращая свое тело в «псевдовогнутое крыло», [11] все время совершая непрерывные змеевидные движения с боковыми волнами [12] параллельно земле [13] для стабилизации его направления в воздухе и безопасного приземления. [14] Летающие змеи способны планировать лучше, чем белки-летяги и другие планирующие животные , несмотря на отсутствие конечностей, крыльев или каких-либо других крыловидных выступов, планируя по лесу и джунглям, в которых они обитают, на расстояние до 100 м. [13] [15] Их пункт назначения в основном определяется баллистикой ; однако они могут осуществлять некоторый контроль ориентации в полете, «скользя» в воздухе. [16]

Летающие ящерицы рода Draco способны планировать полет с помощью перепонок, которые можно расширять, образуя крылья (патагии), образованные увеличенным набором ребер. [17]

Планирующий полет развился независимо у 3400 видов лягушек [18] как из семейств Нового Света ( Hylidae ), так и Старого Света ( Rhacophoridae ). [19] Эта параллельная эволюция рассматривается как адаптация к жизни на деревьях, высоко над землей. Характеристики видов Старого Света включают «увеличенные руки и ноги, полную перепонку между всеми пальцами рук и ног, боковые кожные лоскуты на руках и ногах.

Силы

Силы, действующие на планирующее животное или летательный аппарат в полете

При планировании на самолеты и животных действуют три основные силы: [20]

Когда самолет или животное снижается, воздух, проходящий через крылья, создает подъемную силу . Подъемная сила действует немного вперед от вертикали, потому что она создается под прямым углом к ​​воздушному потоку, который приходит немного снизу при снижении планера, см. Угол атаки . Этой горизонтальной составляющей подъемной силы достаточно, чтобы преодолеть сопротивление и позволить планеру ускориться вперед. Несмотря на то, что вес заставляет самолет опускаться, если воздух поднимается быстрее, чем скорость снижения, произойдет набор высоты.

Отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению

Перетаскивание против скорости. L/DMAX возникает при минимальном общем сопротивлении (например, паразит плюс индуцированное)
Коэффициенты сопротивления и подъемной силы в зависимости от угла атаки. Скорость сваливания соответствует углу атаки при максимальном коэффициенте подъемной силы.

Отношение подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению, или отношение L/D , представляет собой величину подъемной силы , создаваемой крылом или транспортным средством, разделенную на сопротивление , которое оно создает при движении в воздухе. Более высокое или более благоприятное соотношение L/D обычно является одной из основных целей при проектировании самолетов; поскольку необходимая подъемная сила конкретного самолета определяется его весом, обеспечение этой подъемной силы с меньшим сопротивлением напрямую приводит к лучшей экономии топлива и характеристикам набора высоты.

Влияние скорости полета на скорость снижения можно изобразить полярной кривой . Эти кривые показывают воздушную скорость, при которой может быть достигнуто минимальное снижение, и воздушную скорость с лучшим соотношением L/D. Кривая представляет собой перевернутую U-образную форму. По мере снижения скорости подъемная сила быстро падает, приближаясь к скорости сваливания. Пик буквы U находится при минимальном сопротивлении.

Поскольку подъемная сила и сопротивление пропорциональны коэффициентам подъемной силы и сопротивления соответственно, умноженным на один и тот же коэффициент (1/2 ρ air v 2 S), соотношение L/D можно упростить до коэффициента подъемной силы, деленного на коэффициент сопротивления. или Cl/Cd, и поскольку оба они пропорциональны воздушной скорости, соотношение L/D или Cl/Cd обычно строится в зависимости от угла атаки.

Тащить

Индуцированное сопротивление вызвано созданием подъемной силы крылом. Подъемная сила, создаваемая крылом, перпендикулярна относительному ветру, но поскольку крылья обычно летят под небольшим углом атаки , это означает, что часть силы направлена ​​назад. Задняя составляющая этой силы (параллельная относительному ветру) рассматривается как сопротивление. На низких скоростях самолет должен создавать подъемную силу с большим углом атаки, что приводит к большему индуцированному сопротивлению. Этот член доминирует в низкоскоростной части графика сопротивления, в левой части буквы U.

Сопротивление профиля вызвано попаданием воздуха на крыло и другие части самолета. Эта форма сопротивления, также известная как сопротивление ветра , зависит от квадрата скорости (см. уравнение сопротивления ). По этой причине сопротивление профиля более выражено на более высоких скоростях, образуя правую часть U-образной формы графика сопротивления. Сопротивление профиля снижается в первую очередь за счет уменьшения поперечного сечения и оптимизации.

Поскольку подъемная сила постепенно увеличивается до критического угла, обычно это точка, в которой комбинированное сопротивление минимально, и крыло или самолет работают с максимальной L/D.

Конструкторы обычно выбирают конструкцию крыла, которая обеспечивает пик L/D на выбранной крейсерской скорости для самолета с двигателем, тем самым максимизируя экономичность. Как и все в авиационной технике , аэродинамическое качество не является единственным фактором, учитываемым при проектировании крыла. Также важны производительность на большом угле атаки и плавное сваливание .

Минимизация сопротивления представляет особый интерес при проектировании и эксплуатации высокопроизводительных планеров (планеров) , самый большой из которых может иметь качество планирования, приближающееся к 60 к 1, хотя многие другие имеют более низкие характеристики; 25:1 считается достаточным для обучения.

Коэффициент планирования

При полете с постоянной скоростью в неподвижном воздухе планер перемещается вперед на определенное расстояние и на определенное расстояние вниз. Отношение расстояний вперед и вниз называется коэффициентом планирования . Качество планирования (E) численно равно аэродинамическому качеству в этих условиях; но не обязательно одинаков во время других маневров, особенно если скорость непостоянна. Качество планирования планера зависит от скорости полета, но существует максимальное значение, которое часто указывается. Качество планирования обычно мало меняется в зависимости от загрузки автомобиля; более тяжелый автомобиль скользит быстрее, но почти сохраняет качество планирования. [21]

Коэффициент планирования (или «утонченность») - это котангенс нисходящего угла, угла планирования (γ). В качестве альтернативы это также скорость движения вперед, деленная на скорость снижения (самолет без двигателя):

Число планирования (ε) является обратной величиной качества планирования, но иногда его путают.

Примеры

Важность качества планирования в планирующем полете

Полярная кривая, показывающая угол планирования для наилучшей скорости планирования (наилучшее L/D). Это максимально пологий угол планирования в спокойном воздухе, который позволяет максимально увеличить пролетаемое расстояние. Эта воздушная скорость (вертикальная линия) соответствует точке касания линии, начинающейся из начала координат графика. Планер, летящий быстрее или медленнее этой скорости, перед приземлением преодолеет меньшее расстояние. [28] [29]

Хотя наилучшее качество планирования важно при измерении характеристик планирующего самолета, его качество планирования в диапазоне скоростей также определяет его успех (см. Статью о планировании ).

Пилоты иногда летают с лучшими показателями L/D, точно контролируя воздушную скорость и плавно управляя органами управления для уменьшения сопротивления. Однако сила вероятного следующего подъема, минимизация времени, проведенного в сильно опускающемся воздухе, и сила ветра также влияют на оптимальную скорость полета . Пилоты летают быстрее, чтобы быстрее преодолевать тонущий воздух, а при движении против ветра — для оптимизации угла планирования относительно земли. Чтобы достичь более высокой скорости по стране, планеры (планеры) часто загружаются водяным балластом , чтобы увеличить скорость полета и, таким образом, быстрее достичь следующей зоны подъема. Это мало влияет на угол планирования, поскольку увеличение скорости снижения и воздушной скорости остается пропорциональным, и, таким образом, более тяжелый самолет достигает оптимального L/D при более высокой воздушной скорости. Если в этот день зоны подъема сильные, преимущества балласта перевешивают более медленную скорость набора высоты.

Если воздух поднимается быстрее, чем скорость снижения, самолет будет набирать высоту. На более низких скоростях самолет может иметь худшее качество планирования, но он также будет иметь меньшую скорость снижения. Низкая скорость полета также улучшает его способность резко поворачивать в центре поднимающегося воздуха , где скорость подъема наибольшая. Скорость снижения примерно 1,0 м/с — это максимальная скорость, которую может иметь практический дельтаплан или параплан, прежде чем она ограничит случаи, когда подъем будет возможен только при сильно поднимающемся воздухе. Планеры (планеры) имеют минимальную скорость снижения от 0,4 до 0,6 м/с в зависимости от класса . Такие самолеты, как авиалайнеры, могут иметь лучшее качество планирования, чем дельтапланы, но редко смогут преодолевать термические нагрузки из-за гораздо более высокой скорости движения вперед и гораздо более высокой скорости снижения. ( Боинг 767 во время инцидента с планером Гимли достиг качества планирования всего 12:1).

Потерю высоты можно измерить на нескольких скоростях и нанести на « полярную кривую », чтобы рассчитать наилучшую скорость для полета в различных условиях, например, при полете против ветра или при опускании воздуха. Другие полярные кривые можно измерить после загрузки планера водяным балластом. По мере увеличения массы лучшее качество планирования достигается на более высоких скоростях (коэффициент планирования не увеличивается).

Парящий

Парящие животные и самолеты могут чередовать периоды планирования с периодами парения в восходящем воздухе . Используются пять основных типов подъемной силы: [30] термики , гребневый подъем , подветренные волны , схождения и динамическое парение . Динамическое парение используется преимущественно птицами и некоторыми моделями самолетов, хотя в редких случаях оно также достигается пилотируемыми самолетами. [31]

Примерами парящего полета птиц являются использование:

Для человека парение является основой трех воздушных видов спорта : планеризма , дельтапланеризма и парапланеризма .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ планплан. Бесплатный словарь.
  2. ^ Блэкберн, Кен. «Аэродинамика бумажного самолета». Бумажные самолетики Кена Блэкберна. Архивировано из оригинала 1 октября 2012 года . Проверено 8 октября 2012 года . Раздел 4.3
  3. ^ «Безостановочный полет: как фрегат может парить неделями без остановки» . ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР . Проверено 2 июля 2016 г.
  4. ^ Страхан, Австралийский музей (1983). Рональд (ред.). Полная книга австралийских млекопитающих: Национальный фотографический указатель дикой природы Австралии (1-е изд.). Сидней: Ангус и Робертсон . ISBN 0207144540.
  5. ^ "Забавные факты о сахарном планере" . Drsfostersmith.com . Проверено 22 июня 2010 г.
  6. ^ ab Росс Пайпер (2007), Необыкновенные животные: Энциклопедия любопытных и необычных животных , Greenwood Press .
  7. ^ Летучая рыба, Exocoetidae National Geographic . Проверено 10 августа 2014 г.
  8. ^ abc Кучера, У. (2005). «Макроэволюция летучих рыб, управляемая хищниками, выведенная на основе поведенческих исследований: исторические противоречия и гипотеза» (PDF) . Анналы истории и философии биологии . 10 : 59–77. Архивировано из оригинала (PDF) 20 августа 2007 года.
  9. ^ abc Fish, FE (1990). «Конструкция крыла и масштабирование летучей рыбы с учетом летных характеристик» (PDF) . Журнал зоологии . 221 (3): 391–403. doi :10.1111/j.1469-7998.1990.tb04009.x. Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2013 года.
  10. ^ Фиш, Ф. (1991). «На плаву и молитве» (PDF) . Ученые . 3 (1): 4–7. Архивировано из оригинала (PDF) 2 ноября 2013 года.
  11. ^ Гарланд, Т. младший; Лосос, Дж. Б. (1994). «10. Экологическая морфология двигательной активности чешуйчатых рептилий». Экологическая морфология: интегративная биология организмов (PDF) . Чикаго: Издательство Чикагского университета. стр. 240–302 . Проверено 14 июля 2009 г.
  12. ^ Джейн, Британская Колумбия (декабрь 1986 г.). «Кинематика передвижения наземных змей» (PDF) . Копейя . 1986 (4): 915–927. дои : 10.2307/1445288. JSTOR  1445288. Архивировано из оригинала (PDF) 30 октября 2006 г. . Проверено 15 июля 2009 г.
  13. ^ Аб Соча, Джей-Джей (август 2002 г.). «Кинематика – Планирующий полет в райской древесной змее» (PDF) . Природа . 418 (6898): 603–604. Бибкод : 2002Natur.418..603S. дои : 10.1038/418603a. PMID  12167849. S2CID  4424131 . Проверено 14 июля 2009 г.[ мертвая ссылка ]
  14. ^ Вэй, К. (май 2005 г.). «Внутри JEB – змеи улетают». Журнал экспериментальной биологии . 208 (10): i – ii. дои : 10.1242/jeb.01644. S2CID  84133938.
  15. ^ Эрнст, CH; Цуг, Г. Р. (1996). Змеи под вопросом: Книга ответов Смитсоновского института . Издательство Смитсоновского института . стр. 14–15.
  16. ^ "Исследователи раскрывают тайны полета змей". 12 мая 2005 года . Проверено 27 ноября 2007 г.
  17. ^ "BBC Earth - Летающая ящерица Дракона" . Проверено 5 октября 2021 г.
  18. ^ Эмерсон, С.Б., и Кёль, МАР (1990). «Взаимодействие поведенческих и морфологических изменений в эволюции нового типа локомотора: «летающих» лягушек». Эволюция , 44 (8), 1931–1946.
  19. ^ Эмерсон, С.Б., Трэвис, Дж., и Кёль, МАР (1990). «Функциональные комплексы и аддитивность производительности: тестовый пример с« летающими »лягушками». Эволюция , 44(8), 2153–2157.
  20. ^ НАСА: Три силы на планере или планирующем животном.
  21. ^ Справочник по полетам на планерах , публикация FAA 8083-13, стр. 3-2.
  22. ^ Самолет Eta. Архивировано 13 ноября 2017 г. на сайте Wayback Machine. Сюжеты характеристик самолетов Eta - по состоянию на 11 апреля 2004 г.
  23. ^ Летные качества самой крупной летучей птицы.
  24. ^ Техническая конференция abc по космическим кораблям, стр. 258
  25. ^ Актон, Джеймс М. (2015). «Гиперзвуковое планирующее оружие». Наука и глобальная безопасность . 23 (3): 191–219. Бибкод : 2015S&GS...23..191A. дои : 10.1080/08929882.2015.1087242. S2CID  67827450.
  26. ^ Джексон, Стивен М. (2000). «Угол планирования у рода Petaurus и обзор планирования у млекопитающих». Обзор млекопитающих . 30 (1): 9–30. дои : 10.1046/j.1365-2907.2000.00056.x. ISSN  1365-2907.
  27. ^ аб Хиллье, Эрнест Р., «Аэродинамика входа в условия возвращения на Луну, полученная в ходе полета Аполлона-4 (AS-501)», NASA TN D-5399, (1969). стр. 16
  28. ^ Вандер, Боб (2003). Полярные планеры и скорость полета... это просто! . Миннеаполис: Парящие книги и принадлежности Боба Вандера. стр. 7–10.
  29. ^ Справочник по полетам на планерах, FAA-H-8083-13 . Министерство транспорта США, ФАУ. 2003. с. С 5-6 по 5-9. ISBN 9780160514197.
  30. ^ Уэлч, Джон (1999). Современное летное искусство Ван Сикла . Город: Макгроу-Хилл Профессионал . стр. 856–858. ISBN 0-07-069633-0. Существует четыре основных типа подъемной силы, которые может использовать парящий пилот....
  31. ^ Райхманн, Гельмут (2005). Стрекенгельфлюг . Моторбух Верлаг. ISBN 3-613-02479-9.
  32. ^ [Отчет Нидерландского института экологии об использовании волновой подъемной силы птицами]