stringtranslate.com

Планирующий полет

Планирующий полет — это полет летательных аппаратов тяжелее воздуха без использования тяги ; термин «планирование» также относится к этому режиму полета у животных. [1] Он используется планирующими животными и летательными аппаратами, такими как планеры . Этот режим полета включает в себя полет на значительное расстояние по горизонтали по сравнению с его снижением, и поэтому его можно отличить от в основном прямого спуска вниз, как у круглого парашюта.

Хотя человеческое применение планирующего полета обычно относится к самолетам, разработанным для этой цели, большинство самолетов с двигателем способны планировать без мощности двигателя. Как и в случае с устойчивым полетом, для планирования обычно требуется применение аэродинамического профиля , такого как крылья самолетов или птиц, или планирующая мембрана планирующего опоссума . Однако планирование может быть достигнуто с помощью плоского ( неизогнутого ) крыла, как у простого бумажного самолетика , [2] или даже с помощью метания карт . Однако некоторые самолеты с подъемными телами и животные, такие как летающая змея, могут достичь планирующего полета без каких-либо крыльев, создавая сплющенную поверхность под ним.

Самолеты («планеры»)

Большинство крылатых самолетов в той или иной степени способны планировать, но существует несколько типов самолетов, предназначенных для планирования:

Основное применение человеком в настоящее время — рекреационное, хотя во время Второй мировой войны военные планеры использовались для перевозки войск и оборудования в бой. Типы самолетов, 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 восходящий воздух, а затем планировать, прежде чем найти следующий источник подъемной силы. Когда это делается на планерах (планерах), этот вид спорта известен как планеризм , а иногда как парение. Для самолетов, запускаемых с ног, это известно как дельтапланеризм и парапланеризм . Радиоуправляемые планеры с фиксированными крыльями также парят среди энтузиастов.

В дополнение к моторным планерам , некоторые самолеты с двигателем предназначены для обычных планеров во время части полета; обычно при посадке после периода полета с двигателем. К ним относятся:

Самолеты, не предназначенные для планирования, могут быть вынуждены выполнять планирующий полет в чрезвычайной ситуации, например, при отказе всех двигателей или истощении топлива. См. список рейсов авиакомпаний, требующих планирующего полета . Планирование в вертолете называется авторотацией .

Планирующие животные

Птицы

Ряд животных развили планирование по отдельности много раз, без единого предка. Птицы, в частности, используют планирование, чтобы минимизировать использование энергии. Крупные птицы особенно искусны в планировании, в том числе:

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

Млекопитающие

Патагия на белке-летяге

Для помощи в планировании у некоторых млекопитающих развилась структура, называемая патагием . Это перепончатая структура, натянутая между различными частями тела. Она наиболее развита 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 живота, которая доходит до кончика каждого пальца, объединяя переднюю конечность с телом. Патагий летучей мыши состоит из четырех отдельных частей:

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

Другие млекопитающие, такие как планирующие опоссумы и летяги, также планируют, используя патагий, но с гораздо меньшей эффективностью, чем летучие мыши. Они не могут набирать высоту. Животное взлетает с дерева, расставляя конечности, чтобы обнажить планирующие мембраны, обычно для того, чтобы перебраться с дерева на дерево в тропических лесах в качестве эффективного средства как для поиска пищи, так и для уклонения от хищников. Эта форма древесного передвижения распространена в тропических регионах, таких как Борнео и Австралия, где деревья высокие и широко расставлены.

У белок-летяг патагий простирается от передних до задних конечностей по всей длине каждой стороны туловища. У сахарного планера патагий простирается между пятым пальцем каждой руки и первым пальцем каждой ноги. Это создает аэродинамическое крыло , позволяющее им планировать на расстояние 50 метров и более. [4] Этот планирующий полет регулируется изменением кривизны мембраны или движением ног и хвоста. [5]

Рыбы, рептилии, земноводные и другие планирующие животные

Помимо млекопитающих и птиц, планировать умеют и другие животные, в частности, летучие 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 воздуха на переднем крае волн, чтобы покрывать расстояния до 400 м (1300 футов). [6] [7] Чтобы выплыть из воды вверх, летучая рыба двигает хвостом до 70 раз в секунду. [8] Затем она расправляет грудные плавники и слегка наклоняет их вверх, чтобы обеспечить подъемную силу. [9] В конце скольжения она складывает грудные плавники, чтобы снова войти в море, или опускает хвост в воду, чтобы оттолкнуться от воды и подняться для другого скольжения, возможно, меняя направление. [8] [9] Изогнутый профиль «крыла» сравним с аэродинамической формой крыла птицы. [10] Рыба способна увеличить свое время в воздухе, летая прямо или под углом к ​​направлению восходящих потоков, созданных комбинацией воздушных и океанических течений . [8] [9]

Змеи рода Chrysopelea также известны под общим названием «летающая змея». Перед тем как спрыгнуть с ветки, змея изгибается в форме буквы J. Вытянув свое тело вверх и в сторону от дерева, она втягивает живот и расправляет ребра, превращая свое тело в «псевдовогнутое крыло» [11] , все время совершая непрерывное змеевидное движение боковой волнообразности [12] параллельно земле [13], чтобы стабилизировать свое направление в воздухе и безопасно приземлиться. [14] Летающие змеи способны планировать лучше, чем белки-летяги и другие планирующие животные , несмотря на отсутствие конечностей, крыльев или каких-либо других выступов, похожих на крылья, планируя через лес и джунгли, в которых они обитают, на расстояние до 100 м. [13] [15] Их цель в основном предсказывается баллистикой ; Однако они могут осуществлять некоторый контроль положения в полете , «скользя» в воздухе. [16]

Летающие ящерицы рода Draco способны к планирующему полету с помощью перепонок, которые могут удлиняться, образуя крылья (патагии), образованные увеличенным набором ребер. [17]

Планирующий полет развился независимо среди 3400 видов лягушек [18] из семейств Нового Света ( Hylidae ) и Старого Света ( Rhacophoridae ). [19] Эта параллельная эволюция рассматривается как адаптация к их 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 самолет в полете

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

Когда самолет или животное опускается, воздух, движущийся над крыльями, создает подъемную силу . Подъемная сила действует немного вперед от вертикали, поскольку она создается под прямым углом к ​​воздушному потоку, который идет немного снизу, когда планер опускается, см. угол атаки . Эта горизонтальная составляющая подъемной силы достаточна для преодоления сопротивления и позволяет планеру ускоряться вперед. Несмотря на то, что вес заставляет самолет снижаться, если воздух поднимается быстрее скорости снижения, будет происходить набор высоты.

Соотношение подъемной силы и лобового сопротивления

Сопротивление против скорости. L/DMAX происходит при минимальном общем сопротивлении (например, паразитном плюс индуцированном)
Коэффициенты сопротивления и подъемной силы в зависимости от угла атаки. Скорость сваливания соответствует углу атаки при максимальном коэффициенте подъемной силы

Коэффициент подъемной силы, или отношение L/D , — это величина подъемной силы, создаваемой крылом или транспортным средством, деленная на сопротивление, которое оно создает при движении по воздуху. Более высокое или более благоприятное отношение L/D обычно является одной из основных целей при проектировании самолета; поскольку необходимая подъемная сила конкретного самолета определяется его весом, обеспечение этой подъемной силы при меньшем сопротивлении напрямую приводит к лучшей экономии топлива и характеристикам набора высоты.

Влияние скорости полета на скорость снижения можно изобразить с помощью полярной кривой . Эти кривые показывают скорость полета, при которой может быть достигнуто минимальное снижение, и скорость полета с наилучшим отношением L/D. Кривая имеет форму перевернутой буквы U. По мере снижения скорости величина подъемной силы быстро падает около скорости сваливания. Пик 'U' приходится на минимальное сопротивление.

Поскольку подъемная сила и сопротивление пропорциональны коэффициенту подъемной силы и сопротивления, соответственно умноженному на один и тот же коэффициент (1/2 ρ воздуха v 2 S), отношение L/D можно упростить до коэффициента подъемной силы, деленного на коэффициент сопротивления или Cl/Cd, и поскольку оба они пропорциональны скорости воздуха, отношение 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 летают под некоторым небольшим углом атаки , это означает, что компонент силы направлен назад. Задний компонент этой силы (параллельный относительному ветру) рассматривается как сопротивление. На низких скоростях самолет должен создавать подъемную силу с большим углом атаки, что приводит к большему индуцированному сопротивлению. Этот термин доминирует на низкоскоростной стороне графика сопротивления, левой стороне U.

Профильное сопротивление вызывается ударом воздуха о крыло и другие части самолета. Эта форма сопротивления, также известная как сопротивление воздуха , изменяется пропорционально квадрату скорости (см. уравнение сопротивления ). По этой причине профильное сопротивление более выражено на более высоких скоростях, образуя правую часть U-образной формы графика сопротивления. Профильное сопротивление снижается в первую очередь за счет уменьшения поперечного сечения и обтекаемости.

Поскольку подъемная сила постоянно увеличивается до критического угла, это обычно та точка, где суммарное сопротивление минимально, и крыло или самолет демонстрируют наилучшее соотношение L/D.

Конструкторы обычно выбирают конструкцию крыла, которая обеспечивает пик L/D на выбранной крейсерской скорости для самолета с фиксированным крылом, тем самым максимизируя экономичность. Как и все в авиационной технике , аэродинамическое качество не является единственным фактором, который следует учитывать при проектировании крыла. Эффективность при большом угле атаки и плавном сваливании также важны.

Минимизация сопротивления представляет особый интерес при проектировании и эксплуатации высокопроизводительных планеров , самые большие из которых могут иметь коэффициент планирования, приближающийся к 60:1, хотя многие другие имеют более низкие характеристики; коэффициент 25:1 считается достаточным для учебных целей.

Коэффициент скольжения

При полете с постоянной скоростью в неподвижном воздухе планер движется вперед на определенное расстояние за определенное расстояние вниз. Отношение расстояния вперед к расстоянию вниз называется качеством планирования . Качество планирования (E) численно равно отношению подъемной силы к лобовому сопротивлению в этих условиях; но не обязательно равно во время других маневров, особенно если скорость не постоянна. Качество планирования планера меняется в зависимости от скорости полета, но есть максимальное значение, которое часто указывается. Качество планирования обычно мало меняется в зависимости от загрузки транспортного средства; более тяжелое транспортное средство скользит быстрее, но почти сохраняет свое качество планирования. [21]

Коэффициент планирования (или «качество») — это котангенс угла падения, угла планирования (γ). Также это скорость поступательного движения, деленная на скорость снижения (безмоторный самолет):

Число скольжения (ε) является обратной величиной коэффициента скольжения, но иногда его путают.

Примеры

Значение коэффициента планирования в планирующем полете

Полярная кривая, показывающая угол скольжения для лучшей скорости скольжения (лучшее отношение L/D). Это самый плоский возможный угол скольжения в спокойном воздухе, который максимизирует пролетаемое расстояние. Эта воздушная скорость (вертикальная линия) соответствует точке касания линии, начинающейся от начала графика. Планер, летящий быстрее или медленнее этой воздушной скорости, преодолеет меньшее расстояние до приземления. [28] [29]

Хотя наилучшее качество планирования важно при оценке летных характеристик планирующего самолета, его качество планирования в диапазоне скоростей также определяет его успешность (см. статью о планировании ).

Пилоты иногда летают с лучшим L/D самолета, точно контролируя скорость полета и плавно управляя органами управления для уменьшения сопротивления. Однако сила вероятного следующего подъема, минимизируя время, проведенное в сильно нисходящем воздухе, и сила ветра также влияют на оптимальную скорость полета . Пилоты летают быстрее, чтобы быстро пройти через нисходящий воздух, и при движении против ветра, чтобы оптимизировать угол планирования относительно земли. Чтобы достичь более высокой скорости по стране, планеры (планеры) часто загружают водяным балластом , чтобы увеличить скорость полета и, таким образом, быстрее достичь следующей области подъема. Это мало влияет на угол планирования, поскольку увеличение скорости снижения и скорости полета остается пропорциональным, и, таким образом, более тяжелый самолет достигает оптимального L/D при более высокой скорости полета. Если области подъема сильны в этот день, преимущества балласта перевешивают более медленную скорость набора высоты.

Если воздух поднимается быстрее скорости снижения, самолет будет подниматься. На более низких скоростях у самолета может быть худшее качество планирования, но он также будет иметь более низкую скорость снижения. Низкая скорость полета также улучшает его способность круто поворачивать в центре восходящего воздуха, где скорость подъема самая большая. Скорость снижения приблизительно 1,0 м/с - это максимальная скорость, которую мог иметь практический дельтаплан или параплан до того, как он ограничил бы случаи, когда подъем был возможен только при сильно восходящем 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 дельтаплан, но редко могут достичь термического потока из-за их гораздо более высокой поступательной скорости и гораздо более высокой скорости снижения. ( Boeing 767 в инциденте с планером Гимли достиг качества планирования всего 12:1).

Потеря высоты может быть измерена на нескольких скоростях и нанесена на « полярную кривую » для расчета лучшей скорости полета в различных условиях, например, при полете против ветра или в нисходящем воздухе. Другие полярные кривые могут быть измерены после загрузки планера водяным балластом. По мере увеличения массы наилучшее качество планирования достигается на более высоких скоростях (качество планирования не увеличивается).

Парящий

Парящие животные и самолеты могут чередовать скольжение с периодами парения в восходящем воздухе . Используются пять основных типов подъемной силы: [30] термические потоки , подъемная сила хребта , подветренные волны , конвергенции и динамическое парение . Динамическое парение используется преимущественно птицами и некоторыми моделями самолетов, хотя в редких случаях его также достигали пилотируемые самолеты. [31]

Примерами парящего полета птиц являются:

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ volplane Архивировано 26 ноября 2017 г. в Wayback Machine . Бесплатный словарь.
  2. ^ Блэкберн, Кен. "Paper Plane Aerodynamics". Бумажные самолетики Кена Блэкберна. Архивировано из оригинала 1 октября 2012 года . Получено 8 октября 2012 года . Раздел 4.3
  3. ^ «Беспосадочный полет: как фрегат может парить неделями без остановки». NPR . Архивировано из оригинала 5 апреля 2024 года . Получено 2 июля 2016 года .
  4. ^ Страхан, Австралийский музей (1983). Рональд (ред.). Полная книга австралийских млекопитающих: Национальный фотографический индекс австралийской дикой природы (1-е изд.). Сидней: Angus & Robertson . ISBN 0207144540.
  5. ^ "Забавные факты о сахарных летягах". Drsfostersmith.com. Архивировано из оригинала 28 июня 2017 года . Получено 22 июня 2010 года .
  6. ^ Росс Пайпер (2007), Необыкновенные животные: энциклопедия любопытных и необычных животных , Greenwood Press .
  7. ^ Летучая рыба, Exocoetidae National Geographic . Получено 10 августа 2014 г.
  8. ^ abc Kutschera, U. (2005). «Макроэволюция летучих рыб, вызванная хищниками, выведенная из поведенческих исследований: исторические противоречия и гипотеза» (PDF) . Annals of the History and Philosophy of Biology . 10 : 59–77. Архивировано из оригинала (PDF) 20 августа 2007 г.
  9. ^ abc Fish, FE (1990). "Конструкция крыла и масштабирование летучих рыб в отношении 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 г.
  10. ^ Фиш, Ф. (1991). «О плавнике и молитве» (PDF) . Ученые . 3 (1): 4–7. Архивировано из оригинала (PDF) 2 ноября 2013 г.
  11. ^ Garland, T Jr.; Losos, JB (1994). "10. Экологическая морфология локомоторной активности у чешуйчатых рептилий". Экологическая морфология: интегративная организменная биология (PDF) . Чикаго: Издательство Чикагского университета. стр. 240–302. Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 г. Получено 14 июля 2009 г.
  12. ^ Jayne, BC (декабрь 1986 г.). «Кинематика передвижения наземных змей» (PDF) . Copeia . 1986 (4): 915–927. doi :10.2307/1445288. JSTOR  1445288. Архивировано из оригинала (PDF) 30 октября 2006 г. . Получено 15 июля 2009 г. .
  13. ^ ab Socha, JJ (август 2002 г.). «Кинематика – Планирующий полет райской древесной змеи» (PDF) . Nature . 418 (6898): 603–604. Bibcode :2002Natur.418..603S. doi :10.1038/418603a. PMID  12167849. S2CID  4424131 . Получено 14 июля 2009 г. . [ мертвая ссылка ]
  14. ^ Wei, C. (май 2005 г.). «Внутри JEB – Змеи улетают». Журнал экспериментальной биологии . 208 (10): i–ii. doi :10.1242/jeb.01644. S2CID  84133938. Архивировано из оригинала 11 апреля 2021 г. Получено 19 августа 2014 г.
  15. ^ Эрнст, CH; Цуг, GR (1996). Змеи под вопросом: Смитсоновская книга ответов . Издательство Смитсоновского института . С. 14–15.
  16. ^ "Исследователи раскрывают секреты полета змей". 12 мая 2005 г. Архивировано из оригинала 17 января 2012 г. Получено 27 ноября 2007 г.
  17. ^ "BBC Earth – Flying draco lizard". Архивировано из оригинала 6 октября 2021 г. Получено 5 октября 2021 г.
  18. ^ Эмерсон, СБ, и Кёль, МАР (1990). «Взаимодействие поведенческих и морфологических изменений в эволюции нового локомоторного типа: «летающие» лягушки». Эволюция , 44(8), 1931–1946.
  19. ^ Эмерсон, СБ, Трэвис, Дж. и Кёль, МАР (1990). «Функциональные комплексы и аддитивность в производительности: тестовый случай с «летающими» лягушками». Эволюция , 44(8), 2153–2157.
  20. ^ "NASA: Три силы на планере или планирующем животном". Архивировано из оригинала 11 октября 2023 года . Получено 4 февраля 2009 года .
  21. ^ Справочник по полетам на планере , публикация FAA 8083-13, стр. 3-2
  22. ^ Самолет Eta Архивировано 13 ноября 2017 г. на Wayback Machine Графики характеристик самолетов Eta – доступ 2004-04-11
  23. ^ Ксепка, ДТ (2014). «Летные характеристики самой большой летающей птицы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (29): 10624–10629. Bibcode : 2014PNAS..11110624K. doi : 10.1073/pnas.1320297111 . PMC 4115518. PMID  25002475 . 
  24. ^ abc "Space Shuttle Technical Conference pg 258" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 17 декабря 2008 г. . Получено 6 марта 2021 г. .
  25. ^ Acton, James M. (2015). "Hypersonic Boost-Glide Weapons". Science & Global Security . 23 (3): 191–219. Bibcode : 2015S&GS...23..191A. doi : 10.1080/08929882.2015.1087242. S2CID  67827450. Архивировано из оригинала 15 января 2021 г. Получено 6 марта 2021 г.
  26. ^ Джексон, Стивен М. (2000). «Угол скольжения у рода Petaurus и обзор скольжения у млекопитающих». Mammal Review . 30 (1): 9–30. doi :10.1046/j.1365-2907.2000.00056.x. ISSN  1365-2907. Архивировано из оригинала 8 марта 2021 г. Получено 6 марта 2021 г.
  27. ^ ab "Хиллье, Эрнест Р., "Аэродинамика входа в атмосферу при условиях возвращения на Луну, полученных в ходе полета Аполлона 4 (AS-501)", NASA TN D-5399, (1969). стр. 16" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 24 ноября 2021 г. . Получено 6 марта 2021 г. .
  28. ^ Уондер, Боб (2003). Планерные поляры и Speed-To-Fly...Made Easy!. Миннеаполис: Боб Уондер, Soaring Books & Supplies. С. 7–10.
  29. ^ Справочник по полетам на планере, FAA-H-8083-13 . Министерство транспорта США, FAA. 2003. стр. 5-6 по 5-9. ISBN 9780160514197.
  30. ^ Уэлч, Джон (1999). Современное летное мастерство Ван Сикла . Город: McGraw-Hill Professional . С. 856–858. ISBN 0-07-069633-0. Существует четыре основных вида подъемной силы, которые может использовать парящий пилот....
  31. ^ Райхманн, Гельмут (2005). Стрекенгельфлюг . Моторбух Верлаг. ISBN 3-613-02479-9.
  32. ^ [Отчет об использовании волновой подъемной силы птицами, Нидерландский институт экологии]