Dynamiczne szybowanie

Szybowanie dynamiczne to technika latania służąca do pozyskiwania energii poprzez wielokrotne przekraczanie granicy między masami powietrza o różnej prędkości . Takie strefy gradientu wiatru znajdują się na ogół w pobliżu przeszkód i blisko powierzchni, więc technika ta jest przydatna głównie dla ptaków i operatorów szybowców sterowanych radiowo , ale piloci szybowcowi są czasami w stanie szybować dynamicznie w meteorologicznych uskokach wiatru na większych wysokościach .

Szybowanie dynamiczne jest czasami mylone z szybowaniem po zboczu , które jest techniką osiągania wysokości.

Podstawowy mechanizm

Chociaż w szybowaniu dynamicznym można zastosować różne wzorce lotu, najprostszym jest zamknięta pętla w poprzek warstwy ścinania między dwiema masami powietrza w ruchu względnym, np. nieruchomym powietrzem w dolinie i warstwą wiatru nad doliną. Przyrost prędkości można wyjaśnić w kategoriach prędkości lotu i prędkości względem ziemi:

  • Gdy szybowiec rozpoczyna pętlę, powiedzmy w stacjonarnej masie powietrza, prędkość względem ziemi i prędkość lotu są takie same.
  • Szybowiec wchodzi w poruszającą się masę powietrza prawie czołowo, co zwiększa prędkość szybowca.
  • Szybowiec następnie obraca się o 180 °, gdzie jest w stanie utrzymać większość swojej prędkości dzięki pędowi. Musi to nastąpić natychmiast, inaczej prędkość względem ziemi zostanie utracona. Prędkość szybowca względem ziemi, najpierw z bocznym wiatrem, a potem z wiatrem, gdy się obraca, jest teraz wyższa, ponieważ tylny wiatr przyspieszył szybowiec.
  • Pętla jest kontynuowana, gdy szybowiec ponownie wchodzi w nieruchomą masę powietrza i zawraca, utrzymując teraz wyższą prędkość lotu i prędkość względem ziemi.
  • Każdy cykl skutkuje wyższymi prędkościami, aż do punktu, w którym opór uniemożliwia dodatkowy wzrost.

Energia jest pozyskiwana poprzez wykorzystanie różnicy prędkości między dwiema masami powietrza w celu podniesienia obiektu latającego na większą wysokość (lub odpowiednio odwrócenia opadania) po przejściu między masami powietrza.

Dynamic Soaring Loop

pomiędzy poruszającą się i nieruchomą masą powietrza występuje turbulentna warstwa mieszająca. Ponadto siły oporu nieustannie spowalniają samolot. Ponieważ wyższa prędkość powoduje większe siły oporu, istnieje maksymalna prędkość, którą można osiągnąć. Zwykle około 10-krotność prędkości wiatru dla wydajnych projektów szybowców.

Kiedy ptaki morskie wykonują dynamiczne szybowanie, gradienty wiatru są znacznie mniej wyraźne, więc pobór energii jest porównywalnie mniejszy. Zamiast latać w kółko, jak robią to piloci szybowcowi, ptaki zwykle wykonują serię półkoli w przeciwnych kierunkach, w zygzakowaty wzór. Początkowa wspinaczka przez wzniesienie z twarzą pod wiatr powoduje, że nabiera prędkości. Następnie wykonuje obrót o 180° i nurkuje z powrotem przez ten sam gradient, ale w kierunku z wiatrem, co ponownie powoduje, że nabiera prędkości. Następnie wykonuje obrót o 180° na małej wysokości w przeciwnym kierunku, aby stanąć twarzą do wiatru… i cykl się powtarza. Powtarzając manewr w kółko, może poruszać się poprzecznie do wiatru, utrzymując prędkość, co umożliwia mu podróżowanie w kierunku wiatru bocznego w nieskończoność.

Ponieważ opór spowalnia ptaka, dynamiczne szybowanie jest kompromisem między prędkością utraconą w wyniku oporu a prędkością uzyskaną podczas poruszania się po gradacji wiatru. W pewnym momencie wspinanie się wyżej nie przynosi żadnych dodatkowych korzyści, ponieważ gradient wiatru zmniejsza się wraz z wysokością.

Ptaki

Falujący albatros Phoebastria irrorata

Albatrosy są szczególnie biegłe w wykorzystywaniu tych technik i mogą przebyć tysiące mil, zużywając bardzo mało energii. Mewy i rybitwy również wykazują takie zachowanie w locie. Ptaki, które szybują dynamicznie, mają strukturę szkieletu, która pozwala im blokować skrzydła podczas szybowania, aby zmniejszyć napięcie mięśni i wysiłek.

Lord Rayleigh po raz pierwszy opisał dynamiczne szybowanie w 1883 roku w brytyjskim czasopiśmie Nature :

... ptak bez poruszania skrzydłami nie może, ani w nieruchomym powietrzu, ani w jednolitym poziomym wietrze, utrzymać swój poziom w nieskończoność. Przez krótki czas takie utrzymanie jest możliwe kosztem początkowej prędkości względnej, ale ta musi się wkrótce wyczerpać. Ilekroć więc ptak przez pewien czas podąża swoim kursem, nie poruszając skrzydłami, musimy podsumować jedno i drugie
  1. że kurs nie jest poziomy,
  2. że wiatr nie jest poziomy, lub
  3. że wiatr nie jest równomierny.
Jest prawdopodobne, że prawda jest zwykle reprezentowana przez (1) lub (2); ale pytanie, które chcę postawić, dotyczy tego, czy przyczyna sugerowana przez (3) może czasem nie zadziałać.

Pierwszy przypadek opisany powyżej przez Rayleigha to prosty lot ślizgowy, drugi to szybowanie statyczne (z wykorzystaniem termiki , fal zawietrznych lub szybowania po zboczu ), a ostatni to szybowanie dynamiczne.

Załogowy samolot

W swojej książce Streckensegelflug z 1975 r. (Opublikowanej w języku angielskim w 1978 r. Jako Cross-Country Soaring przez Soaring Society of America ) Helmut Reichmann opisuje lot wykonany przez Ingo Rennera szybowcem Glasflügel H-301 Libelle nad Tocumwal w Australii 24 października 1974 r. Tego dnia na powierzchni nie było wiatru, ale powyżej inwersji na 300 metrach wiał silny wiatr o prędkości około 70 km/h (40 węzłów ). Renner wziął hol na około 350 m, skąd zanurkował stromo z wiatrem, aż wszedł w nieruchome powietrze; następnie wykonał zakręt o 180 stopni (z dużym g ) i ponownie wspiął się na górę. Przechodząc przez inwersję, ponownie napotkał wiatr o prędkości 70 km/h, tym razem jako wiatr czołowy. Dodatkowa prędkość powietrza, jaką to zapewniało, umożliwiła mu odzyskanie pierwotnej wysokości. Powtarzając ten manewr, z powodzeniem utrzymywał swoją wysokość przez około 20 minut bez obecności wznoszącego się powietrza, chociaż szybko dryfował z wiatrem. W późniejszych lotach Pik 20 udoskonalił technikę, dzięki czemu był w stanie wyeliminować znoszenie z wiatrem, a nawet posuwać się naprzód pod wiatr.

Bezzałogowy statek powietrzny

Dynamiczna technika szybowania jest przystosowana w bezzałogowych statkach powietrznych w celu zwiększenia ich osiągów w warunkach odrzutu. Poprawia to wytrzymałość i zasięg samolotu w trudnych warunkach. [ wymagane wyjaśnienie ]

Statek kosmiczny

Zaproponowano dynamiczne szybowanie jako sposób podróżowania w przestrzeni międzygwiezdnej .

Szybowiec sterowany radiowo

Dynamiczne szybowanie szybowcem R/C w pobliżu Idaho Falls w stanie Idaho. Kierunek wiatru jest od prawej do lewej.

Pod koniec lat 90. szybownictwo sterowane radiowo obudziło pomysł dynamicznego szybowania („odkrycie” w dużej mierze przypisane szybowcowi RC, Joe Wurtsowi). Piloci szybowcowi sterowani radiowo wykonują dynamiczne szybowanie, wykorzystując zawietrzną stronę elementów naziemnych, takich jak grzbiety, siodła, a nawet rzędy drzew. Jeśli grzbiet jest skierowany w stronę wiatru i ma stromą tylną (zawietrzną) stronę, może spowodować oddzielenie przepływu od szczytu wzgórza, w wyniku czego warstwa szybkiego powietrza porusza się nad szczytem objętości powietrza stojącego lub o przepływie wstecznym za wzgórzem. Gradient prędkości lub uskok wiatru może być znacznie większy niż w przypadku ptaków lub pełnowymiarowych szybowców. Wyższe nachylenie pozwala na odpowiednio większą ekstrakcję energii, co skutkuje znacznie wyższymi prędkościami samolotu. Modele wielokrotnie przekraczają warstwę ścinania, lecąc po okrągłej ścieżce, penetrując szybko poruszający się wiatr czołowy po przelocie w górę tylnej strony, obracając się, by lecieć z wiatrem, nurkując w dół przez warstwę ścinania w stojące powietrze i ponownie obracając się, aby odlecieć z powrotem po tylnej stronie wzgórza. Obciążenia spowodowane gwałtownym skręcaniem z dużą prędkością (najszybsze modele mogą ciągnąć ponad 100 Gs ) wymagają znacznego wzmocnienia strukturalnego kadłuba i skrzydła. Z tego powodu dynamiczne modele szybujące są zwykle budowane z materiałów kompozytowych .

Na dzień 19 stycznia 2021 r. najwyższa zgłoszona prędkość względem ziemi dla dynamicznego szybowania sterowanego radiem wynosiła 548 mil na godzinę (476 węzłów). Nie ma oficjalnej organizacji sankcjonującej, która poświadcza prędkość, więc rekordy są wymienione nieoficjalnie na podstawie odczytów z dział radarowych, chociaż wykorzystuje się również analizę materiału wideo i innych źródeł. Ostatnio niektóre modele zaczęły mieć na pokładzie telemetrię i inne instrumenty do rejestrowania takich rzeczy, jak przyspieszenie, prędkość powietrza itp.

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Dynamic_soaring&oldid=1135083908 ”