Парящий полет

[Val]

Введение

@@Все видели самые разные самолеты. А вот планер видели не все. Самое близкое к планеру из того, что можно легко увидеть в наше время - параплан и дельтаплан.

@@Многие даже не представляют, как может что-то летать без мотора. Действительно, на планер (и самолет) действует сила сопротивления воздуха и сила тяжести. Если с силой тяжести успешно борются крылья, то с сопротивлением у самолета борется сила тяги движетеля (реактивного или винтового). У планера с этим бороться нечему. Почему же он летит? А почему с горы едут санки, лыжи? С силой сопротивления борется сила тяжести. Так что планер может лететь, не теряя скорости, только "скатываясь с горки". Но это же не интересно. Запустил планер, он достаточно быстро опустился вниз… Здесь надо вспомнить, что и самолет и планер летят относительно воздуха, а не относительно земли.

 

Парение

@@Достаточно найти место, где воздух движется вверх быстрее, чем опускается планер, и задача неограниченных по времени полетов решена. Такой полет и называется парящим. Эти потоки воздуха называются восходящими и их довольно много. Достаточно понаблюдать полет пушинок летом или снежинок зимой.

 

Планер парит в термике

 

@@Вообще-то, парящий полет в природе очень распространен. Именно такой полет используют крупные птицы, которые способны долго летать. Например, альбатрос вообще не может летать с помощью силы мышц ощутимое время, а ведь он большую часть жизни проводит в воздухе… "Гордо реет буревестник над седой равниной моря…" - это тоже о парении. Более того, именно такая погода для него является почти идеальной. Если говорить о способных к парению птицах, которых можно часто увидеть, то это вороны, чайки, ласточки (правда, последние редко парят).

 

Буревестник над волнами, парит в динамике

 

Орел парит в термике

 

Планер и самолет

@@Почему полеты на планере могут быть интересными? Маленький тест: представьте море и на нем нечто плавающее, сделанное человеком.

@@Представили? Почти у всех должно получиться среди прочих судов и нечто парусное (или большой парусник, или яхта). Планер относится к самолетам точно так же, как парусники относятся к моторным судам. Если в полете на самолете борьба со стихией является чем-то вредным для полетов, то в случае планера - стихия держит его в воздухе, так же как ветер позволяет двигаться паруснику. Так что, если вы хотите полностью управлять полетом - лучше самолет, а вот ежели вам хочется это делать, вместе с "духами воздуха" - планер.

@@Маленькая цитата с одного из модельных форумов (привожу ее очень приблизительно):

А. - У нас сегодня был порывистый ветер 5м/с. Мы почти не летали - страшно (модели самолетов с ДВС ("бензиновые" моторчики, довольно тяжелые).
Б. - А у нас был ветер 7м/с с порывами до 12. Великолепно полетали в динаме на планерах. Море адреналина.

@@Странно? Если подумать, то ничего странного. Вообще-то ветер моделям самолетов с ДВС "до лампочки"… пока он в воздухе. Но нужно его посадить. А вот это проблематично. Есть приличный шанс его разбить на посадке. В отличие от этого, те, кто летает в динаме, готовы к тому, что слегка повредят модель на посадке, да и, при кажущейся хрупкости планера, он легче переносит "неудачное" приземление, чем самолет. Кроме того, сажать планер намного проще, чем самолет: в тихую погоду достаточно отпустить ручки управления и он сам более-менее удачно приземлится…

 

О ветре

@@Немного о ветре. Если Вы еще не забыли уроки природоведения (или географии) в школе, то помните, что бывают пассаты - ветер постоянной силы и направления, независящий от времен года; муссоны - ветер, направление и сила которого зависит от времени года; бризы - ветер, сила и направление которого зависит от времени суток. В прогнозах погоды еще говорят про циклоны и антициклоны. Реально дующий ветер - это сумма всего этого плюс много чего еще. Ветер состоит из вихрей.

@@Что такое вихрь? Все видели снимки циклонов из космоса - типичный вихрь. Вызван этот вихрь сочетанием движения воздуха и вращением Земли. Но вихрь - это не обязательно что-то большое и сильное. Если провести ладонью или ложкой по воде, то увидишь маленькие водоворотики "прицепленные" к краям и водоворотики, оторвавшиеся от краев и медленно движущиеся по воде. Это тоже вихри. В аэродинамике вихрем называется просто движение воздуха или жидкости по кругу. Это движение можно легко увидеть, просто взмахнув веником над "пушистой" пылью. Пушинки будут двигаться по кругу. Одним из свойств вихрей является их долгая жизнь. Если говорить формально, то вихрь может "погибнуть", только встретившись с поверхностью какого либо тела или с вихрем встречного направления. Реально вихрь захватывает со временем все больший объем воздуха (жидкости), а скорость его вращения уменьшается.

@@На ветер налагаются вихри местного происхождения - термические (разная окраска земли и разная облачность), динамические - неровности рельефа. Так что, кроме вихря в тысячи километров в диаметре на него наложены вихри в десятки-сотни километров в диаметре. Все это воспринимается как медленно изменяющийся ветер. На все это наложены вихри диаметром от километра до десяти. Они уже могут быть и вертикальными и горизонтальными. Это - порывы ветра в метеорологическом смысле этого слова (десятки минут). От местных препятствий (деревья, дома, холмики и так далее, отрыв термических "пузырей") возникают вихри диаметром единицы - сотни метров. Именно они представляют опасность для моделей самолетов (если ветер ровный, то посадить модель достаточно легко, но порывчиком ветра ее может наклонить, а запаса высоты, чтобы исправить положение, уже нет). Свойство небольших вихрей: они рождаются у земли, могут складываться и вычитаться, чем выше - тем слабее.

@@Можно доказать, что набегание ветра даже на гладкий пологий склон может усиливать "мелкие вихри". Представьте, что вы - частица воздуха в ветре, находящаяся невысоко над землей. Перед вами появляется склон, поднимающийся вверх. Единственное направление, куда вам можно двигаться - вдоль склона. А где-то очень высоко над вами движутся такие же частицы ветра, но перед ними склона нет. Чтобы подниматься вверх, вам придется "расталкивать" их, тоже заставляя пониматься вверх. Это замедлит ваше движение. Если вы двигаетесь быстрее верхних (находитесь в попутной части вихря), то, потеряв немного "сил", легко преодолеете их сопротивление. Если же двигаетесь медленнее (находитесь во встречной части вихря), то почти все "силы" придется отдать на это "расталкивание". Если теперь внимательно посмотрите на оба варианта, то увидите, что вихрь усилился.

@@Вихри очень долго живут, даже небольшие. Наверное, почти все видели кольца дыма и маленькие водоворотики, которые возникают за препятствием на речке. И то и другое - вихри. На поверхности воды небольшой реки, если нет ветра, можно увидеть очень много "следов" вихрей даже там, где нет видимых препятствий. Или ощутить эти вихри кожей, просто стоя на дне…

@@Динамические восходящие потоки обтекания (жутко и непонятно звучит!!!). А ведь вы уже увидели, как они возникают, когда представляли себя частицей ветра перед склоном. Если ветер набегает на склон, то он отклоняется вверх. И выше склона они тоже есть (вы сами заставляли подниматься частицы ветра, которые были выше склона). Так что для создания восходящих потоков динамического происхождения нужен склон и дующий на него ветер. Авиамоделисты часто называют эти потоки просто динамиками (или динамой).

 

О термиках

@@Полностью это звучит приблизительно так: "Восходящие потоки воздуха термического происхождения" (Тоже очень симпатичное и очень понятное название). Самое забавное, один из видов таких потоков все видели. Это - столб дыма. Дым теплый, воздух при нагревании расширяется, становится легче окружающего воздуха и по закону Архимеда "всплывает", то есть поднимется вверх. Большая часть термиков, естественно, невидима (дым вы видите из-за того, что в нем есть частички сажи, золы или мелкие капельки воды, вроде тумана). То, что вы видите выходящим из носика кипящего чайника - это не пар, а туман, получившийся из него в результате охлаждения окружающим воздухом.

@@Все видели неоднократно, что дым может или подниматься вверх, или стелиться над землей. Из этого вытекает, что нужны некие условия для возникновения термиков. Первое условие очевидно - теплая поверхность, которая нагреет воздух над собой.

@@Второе условие намного сложнее. Когда воздух поднимается вверх, он расширяется. А при расширении газ охлаждается. Если температура окружающего воздуха окажется ниже "остывшего" теплого воздуха, он будет продолжать подниматься. Как только температуры сравняются - перестанет.

@@Как "выглядит" термик? Все видели, как закипает чайник. У дна образуются пузыри, которые потом отрываются и поднимаются вверх. Точно так же "выглядит" термик у земли. Ровная, равномерно нагретая земля может быть покрыта "одеялом" теплого воздуха и он может никуда не подниматься. Чтобы воздух мог подниматься, нужно, чтобы другой воздух занял его место внизу. Так что нужно создать какую-нибудь неоднородность, чтобы возник "пузырь", возвышающийся над этим одеялом (или был теплее). Тогда он по закону Архимеда будет иметь большую силу "всплытия" и пойдет вверх, а его место займет соседний воздух. Роль "затравки" может выполнять приблудный вихрь, дерево, холмик…

@@На малых высотах (до нескольких сотен метров) термик "выглядит" обычно, как отдельные "пузыри" воздуха, движущиеся вверх. Поднимаясь выше, отдельные пузыри сливаются вместе, и образуется столб воздуха (как столб дыма), поднимающегося вверх. Скорость восходящих потоков обычно растет с ростом высоты (по аналогии с дымовой трубой - чем она выше, тем сильнее тяга). Верхний конец термика часто бывает виден - это кучевые облака. Они живые. Воздух в термике охлаждается, пары воды (та самая "влажность воздуха", о которой говорят, рассказывая о погоде) превращаются в туман, увеличивая облако. На другом его крае в это же время туман может "высыхать" превращаясь обратно в пар.

 

Модели планеров

@@Модели планера в целом крупнее моделей самолета. Модель самолета с размахом крыльев больше полутора метров уже не называют маленькой, а модели планера с таким размахом считаются небольшими. Что сложнее сделать? Конструктивно модель планера проще модели самолета, но у планера важнее "вылизать" аэродинамику. Если в модели самолета двигатель позволяет компенсировать мелкие огрехи, которые увеличат его сопротивление, то в планере плата одна: более быстрая потеря высоты.

@@О полете. Продолжу аналогии с плаванием по воде. Полет на самолете можно сравнить с плаванием на моторном судне. А с чем можно сравнить полет на планере? Понятно, что это нечто безмоторное, но что? Тут получается очень много сильно разных вариантов.

@@Полет в термиках - восходящих потоках воздуха термического происхождения. Такой полет происходит обычно в приличную погоду (лето, слабый ветер или штиль, клочки кучевых облаков на небе). Сами термики для моделей - невидимые "пузыри" воздуха, поднимающиеся вверх. Надо найти "пузырь", подняться с ним, найти следующий… Сам я почти не летал в термиках, так что даже не знаю, с чем можно сравнить искусство их поиска…

@@Полет в динамиках. Основа "восходящего потока воздуха динамического происхождения" очень проста - если на склон дует ветер, он отклоняется вверх. Так что, если есть ветер и есть неровности рельефа, то должны быть и динамики… теоретически. А практически динамики сильно разные.

@@Если есть травянистый склон высотой больше ста метров и есть ветер, дующий на него, то получится поток, который можно сравнить с пассатом в океане (или штормом, если ветер сильный).

@@Так что полет напоминает плавание по океану… Если судно (планер) достаточно прочное, то его лишь плавно "покачивает на волнах".

@@Если склон такой же высоты, но скалистый, то возникают вихри, которые могут разбить "корабль о прибрежные скалы". То есть "плавание" уже не в открытом океане, а среди скал со всеми вытекающими последствиями и требованиям к управлению моделью. Причем, как и в океане, чем ближе к земле, тем сильнее вихри ветра и волнение (и злее).

@@Склоны небольшой высоты (меньше 50 метров), перед ними есть препятствия (деревья, дома). Сам ветер в этом случае состоит из вихрей разной величины и направления. В результате за секунды - десятки секунд сила и направление ветра может измениться в несколько раз … Тут уже полет может быть похож не на плавание на паруснике, а на сплав по бурной реке на лодке. Нужно постоянно быть готовым к любым "подводным камням, водоворотам". Любая ошибка может оказаться роковой (в лучшем случае - потеря высоты и вынужденная посадка). Еще одна особенность "мелких" динамиков - обычно место для нормальной посадки ограничено. Кстати, буревестники и альбатросы именно в таких вихрях и проводят свою жизнь.

@@Почему я "летаю" на модели планера? Планер - неопределенность в полете: или "рыбная ловля", если условия не очень парительные, или борьба со стихией в случае "хорошей летной погоды". И вообще, меня никогда не прельщали моторные средства передвижения и спорта, а нравились парусники и сплав по речкам.

 

Что же такое планер

@@Что же такое планер? Я бы это сформулировал так: " Планер - летательный аппарат тяжелее воздуха, который, без мотора и потери скорости, способен пролететь с некоторой высоты некоторое расстояние по горизонтали в неподвижном воздухе". Примеры "экзотических" планеров: бумажный голубь, космический аппарат многоразового пользования "Буран". Вообще-то говоря, в русском языке всю ту железяку, которая называется самолет, за исключением двигателя, называют "планер самолета". Отсюда следствие: любой самолет может планировать с выключенным двигателем. Это относится и к современным пассажирским самолетам и к истребителям. Удивительно? И да и нет. Мне известны случаи, когда с заглохшими двигателями благополучно осуществляли посадку истребители (например, МиГ21). При моделировании посадки "Бурана" использовался Ту154, у которого двигатели включались на реверс (то есть в режим торможения), чтобы он так же плохо планировал, как "планер@@Буран" (а "Буран" действительно планер, у него нет двигателей, которые могут работать на посадке).

@@Почему же все же говорят о планерах, а не о самолетах без мотора?Тут придется применить один термин из аэродинамики: аэродинамическое качество. Аэродинамическое качество - это отношение подъемной силы крыла к лобовому сопротивлению (то есть сопротивлению встречного воздуха). Оно же равно отношению пути планера к потере высоты или отношению скорости полета к скорости снижения. У планеров оно очень велико (например, у современных планеров открытого класса оно существенно больше 50).

@@То есть, если такой планер затащить на высоту 10км, то он без мотора, в спокойном воздухе долетит от Москвы до Питера. Представляете себе полет из Москвы в Питер на таком самолете-планере? Объявление стюардессы: " Товарищи пассажиры, мы достигли высоты 11км, теперь двигатели выключены и почти до самой посадки не будет ни шума, ни вибрации…". Реально самолет - это куча компромиссов, в результате чего такого аэродинамического качества у них нет, кроме того, есть еще и "коридоры", имеющие определенную высоту, на которой должен лететь самолет.

@@Почему же тогда отказ двигателя - это ЧП? Причин несколько. Любой отказ - ЧП. Самолету с отказавшим двигателем нужно ровное место на земле, куда он мог бы приземлиться. При отказе двигателя может отказать управление. Даже, если все нормально (управление работает, место есть), то даже пассажирский самолет очень непросто посадить, не говоря уже об истребителе. Простой расчет: пусть аэродинамическое качество равно 10, а скорость планирования 360км/час (это недалеко от истины для пассажирского самолета). В результате простейших вычислений получим вертикальную скорость 10м/с (это эквивалентно падению с 5-ти метровой высоты). Самолет просто разобьется. Так что, для благополучной посадки, его надо будет сперва разогнать до большей скорости, теряя высоту еще быстрее, а в нужный момент (не раньше, ни позже), за счет потери "лишней" скорости уменьшить его скорость снижения.

@@Теперь собственно о планерах и моделях планеров. Это или безмоторные летательные аппараты, или имеющие мотор (мотопланеры), но основной режим полета которых - планирование. Разнообразие и планеров и моделей планеров очень велико. Чем оно вызвано?

 

Мотопланер "Электра"

 

Планер для динамиков

 

@@Назначением и ценой. Рекордный планер открытого класса очень дорог, кроме того, он капризен в управлении и не годится для учебы (да и соревнования бывают для определенных классов планеров).

@@Если говорить о спортивных моделях планеров, то они тоже бывают разных классов для разных соревнований. У нас известны два класса F3B и F3J. Внешне требования к самим моделям очень похожие, но сами модели для этих классов разные. Почему? Соревнования F3B имеют 3 этапа: время полета с точностью приземления, дальность за ограниченное время, скорость на дистанции. То есть модель должна уметь медленно опускаться, иметь высокое аэродинамическое качество на большой скорости и уметь очень быстро летать. Модели класса F3J имеют только один вид соревнований - время полета с посадкой в цель. Соответственно, модели получаются разные.

@@За границей (считая Украину и Прибалтику) популярны соревнования в динамических потоках обтекания. Про виды соревнований в них я толком не знаю, но есть соревнования на скорость полета по маршруту и воздушные бои на планерах (популярно в Чехии).
В дальней загранице популярны метательные модели планеров (запускаются приблизительно так же, как диск или молот метают) и появился класс "москит" (модели меньше 1м в размахе).

@@Так что выбор моделей различных типов для хобби очень велик. Начиная от "схематички", на которую можно поставить рули и "летать" на ней, и кончая планерами, похожими на спортивные модели класса F3B, с очень приличными (и дорогими) формами и характеристиками, и с количеством разных функций управления, приближающимся к десятку. Кроме того, можно построить и модели-копии (полукопии) самолетов и планеров. Они, конечно, будут хуже летать, чем хорошо спроектированная модель планера, но не обязательно совсем плохо.

 

Это модель планера, полукопия Ан224 с "Бураном" на плечах

 

@@Тут я хочу предостеречь тех, кто думает: "Надо добыть чертежи рекордного планера и сделать его модель в масштабе 1:10 или 1:5. Она будет иметь качество 50, что лучше, чем качество у лучших спортивных моделей". К сожалению, так просто в жизни ничего не бывает. Опять придется совершить маленькую экскурсию в аэродинамику. В ней есть понятие о числе Рейнольца. В него входят вязкость воздуха, его плотность, характерный размер тела (обычно - хорда крыла) и скорость. В моделизме обычно считают Re=69*V*X, где V - скорость в м/с, X - размер в миллиметрах. Один из законов аэродинамики говорит о том, что модель будет летать так же, как оригинал, если критерии подобия (в том числе и число Re) выполняются. Это значит, что число Re должно сохраниться. А у вас оно уменьшится минимум в 5 раз (скорее всего, больше, ведь вы не хотите, чтобы ваша модель имела нормальную скорость около 100км/час). А с уменьшением числа Re могут резко ухудшиться свойства крыла.

@@Так что есть очень приличный шанс, что обычный бумажный голубь будет летать лучше вашей супермодели. А практически. У этих планеров хорда на конце крыла около 40см. В масштабе 1:10 получится 4см. Те профили крыла, которые применяются на рекордных планерах, при этих размерах и модельных скоростях и размерах будут иметь громадное сопротивление и плохую подъемную силу.

@@Так что полукопии самолетов (имею в виду планер, похожий на самолет) и планеров делать можно и интересно, но надо учесть: профили крыльев надо применять не оригинальные, а модельные; очень приличную долю сопротивления у самолетов имеют двигатели и фюзеляж; площади рулей лучше сделать больше, чем в оригинале. Модели планеров, сделанные как полукопии самолетов времен второй мировой войны могут неплохо летать (несколько фирм их даже выпускает для продажи, для полетов в динамиках), если подойти творчески. Если делать полукопию планера, то лучше взять за основу что-то нерекордное.

@@Немного о наиболее важных характеристиках планера. Минимальная скорость снижения. Максимальное аэродинамическое качество. Минимальная скорость полета. Диапазон скоростей полета (очень условная величина - диапазон скоростей, в котором аэродинамическое качество остается не хуже какого-то). Устойчивость. Управляемость.

@@Эффективность рулей. Минимальная скорость снижения, минимальная скорость полета, и максимальное аэродинамическое качество величины связанные, но прямой связи нет.

@@Диапазон скоростей полета. С одной стороны, хочется (и иногда необходимо) иметь его пошире (можно летать на разных скоростях, а модель все равно будет хорошо летать), но может усложнить посадку: вы опускаете нос модели, чтобы посадить ее в нужное место, она разгоняется, а когда вы перед посадкой хотите уменьшить ее скорость, она уходит вверх…

@@Устойчивость, управляемость и эффективность рулей тоже связаны. Прямой связи нет, но, чем выше устойчивость, тем хуже управляемость. Эффективность рулей и высокая управляемость - тоже вещь неоднозначная. Чем выше эффективность рулей, тем послушней модель, она быстрее реагирует на ваши действия… Но тем труднее получить полет на оптимальной скорости, да и вообще трудно заставить модель просто лететь прямо в нужном вам режиме. Слабая управляемость - тоже плохо: вы не можете оперативно парировать действия "враждебной стихии" (благодаря которой модель вообще парить может). И еще, очень важно, эффективность рулей быстро падает с уменьшением скорости полета.

@@Так что планер - это очень непросто (с одной стороны), а с другой - бумажный голубь - тоже планер. Надо просто определиться, чего хочется, что можете, и делать или покупать. А потом искать термические "пузыри" или парить в динаме, сражаясь с ветром и размышлять между полетами (на них вообще-то некогда) о недостатках этой конкретной модели и о том, как далека жизнь от всяких теорий (хотя, иногда, кое-что из теории, немного, чуть-чуть похоже на то, что вы наблюдаете живьем).