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 самолете, используемых для информирования пилота о скорости снижения или набора высоты . [1] Он может быть откалиброван 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 самолета. Обычно он подключается к внешнему источнику статического давления самолета .
В управляемом полете пилот часто использует VSI, чтобы убедиться, что горизонтальный полет сохраняется, особенно во время поворотных маневров. В планировании прибор используется почти непрерывно во время обычного полета, часто со звуковым выходом, чтобы информировать пилота о подъеме или опускании воздуха . Обычно планеры оснащаются более чем одним типом вариометра. Более простой тип не нуждается во внешнем источнике питания и поэтому может работать независимо от того, установлена ли батарея или источник питания. Электронному типу со звуком требуется источник питания для работы во время полета. Прибор малоинтересен во время запуска и посадки, за исключением буксировки в воздухе , где пилот обычно хочет избежать сброса при снижении.
В 1930 году, по словам Энн Уэлч , « Кронфельд ... был одним из первых, кто использовал вариометр, устройство, предложенное Александром Липпишем ». Уэлч продолжает утверждать, что «первое настоящее термическое парение» произошло в 1930 году А. Халлером и Вольфом Хиртом , причем Хирт использовал вариометр в своем Musterle . Фрэнк Ирвинг утверждает, что Артур Кантровиц впервые упомянул полную энергию в 1940 году. Однако еще в 1901 году Уилбур Райт писал о термических потоках: «Когда планирующие операторы достигают большего мастерства, они могут с относительной безопасностью удерживаться в воздухе в течение нескольких часов подряд таким образом, и таким образом, благодаря постоянной практике, настолько повышают свои знания и мастерство, что могут подняться в более высокие слои воздуха и найти потоки, которые позволяют парящим птицам переноситься в любую желаемую точку, сначала поднимаясь по кругу, а затем отплывая под нисходящим углом». [2] [3]
По словам Пола Маккриди , «вариометр по сути является барометрическим высотомером с утечкой, которая заставляет его показывать высоту на мгновение раньше. Он состоит из контейнера, сообщающегося с внешним воздухом таким образом, что давление внутри колбы немного отстает от внешнего статического давления. Измерение скорости набора высоты происходит на основе скорости притока или оттока воздуха из контейнера». [4]
Вариометры измеряют скорость изменения высоты, определяя изменение давления воздуха (статического давления) при изменении высоты. Распространенные типы вариометров включают в себя вариометры на основе диафрагмы, крыльчатки (рупора), натянутой ленты или электрические. Крыльчатый вариометр состоит из вращающейся лопасти, центрированной спиральной пружиной, разделяющей камеру на две части, одна из которых соединена со статическим портом, а другая — с камерой расширения. Электрические вариометры используют термисторы, чувствительные к потоку воздуха, или печатные платы, состоящие из переменных резисторов, соединенных с мембраной крошечной вакуумной полости. [5] [6] [7] [8]
Простой вариометр можно построить, добавив большой резервуар ( вакуумную колбу ) для увеличения емкости хранения обычного прибора для измерения скорости набора высоты самолета. 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 изменяется, и воздух поступает в баллон 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 , а разница между сопротивлениями термисторов вызовет разницу напряжений; она усиливается и отображается пилоту. Чем быстрее самолет поднимается (или опускается), тем быстрее течет воздух. Воздух, вытекающий из баллона, указывает на то, что высота самолета увеличивается. Воздух, поступающий в баллон, указывает на то, что самолет снижается.
Более 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, поскольку им не нужен баллон с воздухом. Они более надежны, поскольку нет баллона, на который могли бы повлиять изменения температуры, и меньше шансов на возникновение утечек в соединительных трубках.
Описанные выше конструкции, которые измеряют скорость изменения высоты путем автоматического определения изменения статического давления при изменении высоты самолетом, называются «некомпенсированными» вариометрами. Термин «индикатор вертикальной скорости» или «VSI» чаще всего используется для прибора, когда он установлен на самолете с двигателем. Термин «вариометр» чаще всего используется, когда прибор установлен на планере или планере.
«Инерционно-управляемый» или «мгновенный» VSI (IVSI) использует акселерометры для обеспечения более быстрого реагирования на изменения вертикальной скорости. [9]
Люди, в отличие от птиц и других летающих животных, не способны напрямую ощущать скорость набора высоты и снижения. [ необходима цитата ] До изобретения вариометра пилотам планеров было очень трудно парить . Хотя они могли легко обнаруживать резкие изменения вертикальной скорости («на месте штанов»), их чувства не позволяли им отличать подъемную силу от нисходящей или сильную подъемную силу от слабой. Фактическую скорость набора высоты/снижения нельзя было даже угадать, если поблизости не было четкого фиксированного визуального ориентира. Нахождение рядом с фиксированным ориентиром означает нахождение вблизи склона холма или земли. За исключением парения над холмом (использование подъемной силы вблизи наветренной стороны холма), это, как правило, очень невыгодные позиции для пилотов планеров. Наиболее полезные формы подъемной силы ( термическая и волновая подъемная сила) встречаются на больших высотах, и пилоту очень трудно обнаружить или использовать их без использования вариометра. После того, как в 1929 году Александр Липпиш и Роберт Кронфельд изобрели вариометр , [10] планерный спорт перешел в новую сферу.
Вариометры также стали важными в дельтапланеризме с запуском с ног, где пилот, находящийся на открытом воздухе, слышит ветер, но нуждается в вариометре, чтобы помочь ему или ей обнаружить области восходящего или нисходящего воздуха. В раннем дельтапланеризме вариометры не были нужны для коротких полетов или полетов вблизи подъема хребта. Но вариометр стал ключевым, когда пилоты начали совершать более длительные полеты. Первым портативным вариометром для использования в дельтапланах был вариометр Colver, представленный в 1970-х годах компанией Colver Soaring Instruments, [11] который способствовал расширению этого вида спорта до полетов в термических потоках по пересеченной местности. [12] [13] В 1980-х годах компания Ball Variometers Inc., основанная в 1971 году Ричардом Хардингом Боллом (1921–2011), выпустила наручный вариометр, работающий от 9-вольтовой батареи. [14] [15]
Однако по мере развития планерного спорта было обнаружено, что эти очень простые «некомпенсированные» приборы имели свои ограничения. Информация, которая действительно нужна планеристам для парения, — это общее изменение энергии, испытываемое планером, включая как высоту, так и скорость. Некомпенсированный вариометр будет просто показывать вертикальную скорость планера, что приводит к возможности « термического потока на ручке », т. е. изменения высоты, вызванного только воздействием ручки. Если пилот потянет ручку назад, планер поднимется, но также и замедлится. Но если планер поднимается без изменения скорости, это показатель реальной подъемной силы, а не «подъемной силы ручки».
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 вперед, ускоряясь по мере того, как самолет пикирует, некомпенсированный вариометр показывает только, что высота теряется. Но пилот может потянуть ручку назад, снова обменяв дополнительную скорость на высоту. Компенсированный вариометр использует как скорость, так и высоту для указания изменения полной энергии. Таким образом, пилот, который толкает ручку вперед, пикируя, чтобы набрать скорость, а затем снова тянет ее назад, чтобы набрать высоту, не заметит изменения полной энергии на компенсированном вариометре (пренебрегая потерей 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, отображаемые на этих приборах, зависят не только от движения воздушных масс и производительности планера, но и в значительной степени от изменений угла атаки ( движений руля высоты )... Это делает практически невозможным извлечение полезной информации, такой как, например, расположение термических потоков . В то время как индикаторы скорости набора высоты показывают изменения высоты и, следовательно, изменения потенциальной энергии планера, вариометры полной энергии показывают изменения полной энергии планера, то есть как его потенциальной энергии (из-за высоты), так и его кинетической энергии (из-за скорости воздуха)». [5]
Большинство современных планеров оснащены вариометрами с компенсацией полной энергии .
Полная энергия самолета составляет:
1.
где - потенциальная энергия, а - кинетическая энергия. Таким образом, изменение полной энергии равно:
2.
С
3. Потенциальная энергия пропорциональна высоте.
где масса планера и ускорение свободного падения
и
4. Кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости,
затем из 2:
5.
6. Обычно это преобразуется в эффективное изменение высоты путем деления на ускорение свободного падения и массу самолета, поэтому:
Вариометры полной энергии используют мембранный компенсатор, компенсацию Вентури или компенсируются электронным способом. Мембранный компенсатор представляет собой эластичную мембрану, которая изгибается в соответствии с полным давлением (пито плюс статическое) от скорости воздуха. Таким образом, эффекты скорости воздуха нейтрализуют увеличение снижения из-за ускорения или уменьшение снижения из-за замедления. Компенсатор Вентури обеспечивает зависящее от скорости отрицательное давление, так что давление уменьшается по мере увеличения скорости, компенсируя повышенное статическое давление из-за снижения. По словам Хельмута Райхмана , «...наименее чувствительная точка крепления Вентури, по-видимому, находится в верхней четверти вертикального киля, примерно в 60 см (2 футах) впереди передней кромки». Типы компенсаторов Вентури включают Irving Venturi (1948), Althaus Venturi, Hüttner Venturi, Brunswick Tube, Nicks Venturi и Double-Slotted Tube, разработанную Bardowicks of Akaflieg Hannover, также известную как Braunschweig Tube. [5] [8] [16] [17]
Очень немногие самолеты с двигателем имеют вариометры полной энергии. Пилоты самолетов с двигателем больше заинтересованы в истинной скорости изменения высоты, поскольку они часто хотят удерживать постоянную высоту или поддерживать устойчивый подъем или снижение.
Вторым типом компенсированного вариометра является Netto или вариометр воздушной массы . В дополнение к компенсации TE, вариометр Netto настраивается на внутреннюю скорость снижения планера на заданной скорости ( полярная кривая ), скорректированную на нагрузку крыла из-за водяного балласта. Вариометр Netto всегда будет показывать ноль в неподвижном воздухе. Это обеспечивает пилота точным измерением вертикального движения воздушной массы, критически важным для финальных планеров (последний планер к конечному пункту назначения).
В 1954 году Пол Маккриди написал о коррекции скорости снижения для полной энергии Вентури. Маккриди заявил: «В неподвижном воздухе... планер имеет различную скорость снижения при каждой скорости полета... было бы лучше, если бы вариометр автоматически добавлял скорость снижения и таким образом показывал вертикальное движение воздуха вместо вертикального движения планера. Коррекцию можно сделать различными способами. Вероятно, самым лучшим является использование полной энергии Вентури и динамического давления от трубки Пито». [4] Как объяснил Райхман, «вариометр Netto показывает подъем и падение воздушной массы (не планера!)... Чтобы получить «чистое» показание, всегда присутствующее полярное падение планера должно быть «компенсировано» из показания. Чтобы сделать это, используют тот факт, что выше скорости для наилучшего скольжения полярная скорость падения планера увеличивается примерно пропорционально квадрату воздушной скорости. Поскольку давление Пито также увеличивается пропорционально квадрату скорости, его можно использовать для «компенсации» эффекта полярного падения планера практически во всем диапазоне скоростей». [5] Том Брандес утверждает: «Netto — это просто немецкий способ сказать «чистое», а система вариометра Netto (или полярный компенсатор) — это просто то, что сообщает вам чистое вертикальное движение воздуха с движением планера или падением, вычтенным из обычных показаний вариометра». [18]
Relative Netto Variometer показывает вертикальную скорость, которую планер достигнет, ЕСЛИ он летит со скоростью термического потока - независимо от текущей скорости воздуха и положения. Это показание рассчитывается как показание Netto минус минимальное снижение планера. Когда планер кружит в термическом потоке, пилоту нужно знать вертикальную скорость планера, а не вертикальную скорость воздушной массы. Relative Netto Variometer (или иногда super Netto ) включает в себя датчик ускорения для обнаружения термического потока. При термическом потоке датчик определяет ускорение (силу тяжести плюс центробежное) выше 1 g и сообщает относительному вариометру Netto прекратить вычитание полярной скорости снижения планера, скорректированной по нагрузке на крыло, на это время. Некоторые более ранние Netto использовали ручной переключатель вместо датчика ускорения.
В 1954 году Маккриди указал на преимущества аудиовариометра: «Можно много выиграть, если показания вариометра будут представлены пилоту в виде звука. За вариометром нужно следить непрерывно больше, чем за любым другим прибором, за исключением слепого полета. Если пилот может получить показания на слух, он может улучшить свой термический полет, наблюдая за близлежащими планерами, и он может существенно улучшить общий полет, изучая облачные образования, 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 уменьшается по частоте до глубокого стона, когда вариометр показывает более высокую скорость снижения. Когда вариометр показывает подъем, тон часто прерывается, и скорость прерывания может увеличиваться по мере увеличения скорости подъема, в то время как во время снижения тон не прерывается. Варио обычно бесшумно работает в неподвижном воздухе или в подъемной силе, которая слабее 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 предоставляя пилоту больше возможностей для поиска многообещающих облаков и других признаков подъема. Вариометр, который производит этот тип звукового тона, известен как «аудиовариометр».
Усовершенствованные электронные вариометры в планерах могут предоставлять пилоту другую информацию с приемников GPS . Таким образом, дисплей может показывать пеленг, расстояние и высоту, необходимые для достижения цели. В крейсерском режиме (используется в прямолинейном полете) вариометр также может подавать звуковой сигнал о правильной скорости полета в зависимости от того, поднимается или опускается воздух. Пилоту нужно просто ввести расчетную настройку MacCready , которая представляет собой ожидаемую скорость подъема в следующем приемлемом термическом потоке.
Наблюдается растущая тенденция использования усовершенствованных вариометров в планерах в сторону бортовых компьютеров (с показаниями вариометра), которые также могут предоставлять информацию, такую как контролируемое воздушное пространство, списки точек поворота и даже предупреждения о столкновении. Некоторые также будут сохранять 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 дисплей, который показывает, набирает ли планер высоту или теряет ее — часто с помощью звукового тона. Система также может предоставлять другие формы телеметрии , отображая такие параметры, как скорость полета и напряжение батареи. Вариометры, используемые в радиоуправляемых планерах, могут иметь или не иметь функцию компенсации полной энергии.
Вариометры не являются обязательными для радиоуправляемых планеров; опытный пилот обычно может определить, поднимается ли планер или опускается, только по визуальным признакам. Использование вариометров запрещено в некоторых соревнованиях по парению для радиоуправляемых планеров.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )