Кіріспе
Ұшу құралы, ұшақтың тік жылдамдығын анықтайтын аспап (түсу/көтерілу жылдамдығы). Авиацияда вариометр – көтерілу және түсу жылдамдығын көрсететін индикатор (RCDI), көтерілу жылдамдығы индикаторы, тік жылдамдық индикаторы (VSI) немесе тік жылдамдық көрсеткіші (VVI) ретінде де белгілі. Бұл аспап ұшқыштың түсу немесе көтерілу жылдамдығы туралы хабардар ету үшін қолданылады. Ол елге және ұшақ түріне байланысты секундына метр, минутына фут (1 фут/мин = 0,00508 м/с) немесе тораптармен (1 торап ≈ 0,514 м/с) өлшенуі мүмкін. Әдетте ол ұшақтың сыртқы статикалық қысым көзіне қосылады. Қозғалтқышты ұшқанда, әсіресе бұрылу маневрлері кезінде, ұшқыш деңгейде ұшу сақталып отыруын анықтау үшін VSI-ді жиі пайдаланады. Планерде бұл аспап әдеттегі ұшу кезінде, көбінесе дыбыстық сигналмен, ауаның көтеріліп немесе төмендеп жатқанын ұшқышқа хабарлау үшін үздіксіз қолданылады. Планерлер көбінесе бірнеше түрлі вариометрмен жабдықталады. Ең қарапайым түріне сыртқы қуат көзі қажет болмайды, сондықтан батарея немесе қуат көзі орнатылғанына қарамастан жұмыс істей алады. Дыбыстық сигналмен жабдықталған электрондық түрі ұшу кезінде жұмыс істеу үшін қуат көзіне мұқтаж. Бұл құрал ұшақтарды ұшыру және қону кезінде аса пайдалы емес, бірақ аэробуксировка кезінде ұшқыш әдетте суға түсуден аулақ болғысы келеді.
the flight instrument
In aviation, a variometer – also known as a rate of climb and descent indicator (RCDI), rate of climb indicator, vertical speed indicator (VSI), or vertical velocity indicator (VVI) – is one of the flight instruments in an aircraft used to inform the pilot of the rate of descent or climb. It can be calibrated in metres per second, feet per minute (1 ft/min = 0.00508 m/s) or knots (1 kn ≈ 0.514 m/s), depending on country and type of aircraft. It is typically connected to the aircraft's external static pressure source. In powered flight, the pilot makes frequent use of the VSI to ascertain that level flight is being maintained, especially during turning maneuvers. In gliding, the instrument is used almost continuously during normal flight, often with an audible output, to inform the pilot of rising or sinking air. It is usual for gliders to be equipped with more than one type of variometer. The simpler type does not need an external source of power and can therefore be relied upon to function regardless of whether a battery or power source has been fitted. The electronic type with audio needs a power source to be operative during the flight. The instrument is of little interest during launching and landing, with the exception of aerotow, where the pilot will usually want to avoid releasing in sink.
Тарих
1930 жылы Энн Уэлчтің сөзінше, "Кронфельд Александр Липпиш ұсынған вариометрді қолданған алғашқылардың бірі болды". Уэлш "нағыз жылулық сырғанаудың" алғаш рет 1930 жылы А. Галлер мен Вольф Хирттің күшімен орын алғанын, Хирттің өзінің "Мустерле" ұшағында вариометрді пайдаланғанын айтады. Франк Ирвингтің мәлімдемесінше, Артур Кантровиц 1940 жылы жалпы энергия туралы алғашқы рет айтқан. Дегенмен, 1901 жылдың өзінде Уилбур Райт термалдық ағындар туралы былай деп жазған: "Ұшқыштар жетілген дағдыға ие болғанда, олар салыстырмалы түрде қауіпсіздікпен бірнеше сағат бойы ауада қалуға және тұрақты жаттығулар арқылы білімдерін мен дағдыларын арттыруға мүмкіндік алады, соның арқасында жоғары қабаттарға көтеріліп, құстарды кез келген қалаған жерге жеткізуге қабілетті ағындарды іздей алады, алдымен шеңбермен жоғары көтеріліп, содан кейін төмен қарай сырғанап ұшады".
Сипаттама
Пол МакКредидің айтуынша, "Вариометр – негізінен биіктік қысымөлшегіш, ол бір сәт бұрынғы биіктікті көрсетуге бейім. Ол сыртқы ауаға жалғасқан контейнерден тұрады, сондықтан колба ішіндегі қысым сыртқы статикалық қысымнан сәл қалып қояды. Көтерілу жылдамдығын өлшеу контейнерден ауаның ағып кіруі немесе шығуы арқылы жүзеге асырылады". Вариометрлер биіктіктің өзгеру жылдамдығын, биіктік өзгерген кезде ауа қысымының (статикалық қысым) өзгеруін анықтау арқылы өлшейді. Вариометрлердің кең таралған түрлеріне диафрагмалық, қанатты (мүйіз), тартылған таспалы немесе электрлік түрлері жатады. Қанатты вариометр айналмалы қанаттан тұрады, ортасында серіппелі пружина орналасқан, бұл камераны екі бөлікке бөледі: біреуі статикалық портына, екіншісі кеңейту камерасына қосылған. Электрлік вариометрлер ауа ағынына сезімтал термисторларды немесе кішкентай вакуум қуысының мембранасына қосылған өзгермелі кедергілерден тұратын схемалық тақтарды пайдаланады. Қарапайым вариометрді әдеттегі ұшақ көтерілу жылдамдығының аспабының сақтау сыйымдылығын арттыру үшін үлкен резервуарды (вакуумдық колбаны) қосу арқылы жасауға болады. Оның ең қарапайым электрондық түрінде, аспап ауа ағынын өлшеуге арналған құрылғы арқылы сыртқы атмосфераға қосылған ауа бөтелкесінен тұрады. Ұшақтың биіктігі өзгерер кезде, ұшақтың сыртындағы атмосфералық қысым да өзгереді және ауа бөтелкеге ағып, бөтелке ішіндегі және ұшақ сыртындағы қысымды теңестіреді. Ауа ағынының жылдамдығы мен бағыты екі термистордың бірін салқындату арқылы өлшенеді және термисторлардың кедергілері арасындағы айырмашылық кернеудің айырмашылығын тудырады; бұл күшейтіліп, ұшқышқа көрсетіледі. Ұшақ қаншалықты жылдам көтерілсе (немесе төмен түссе), ауа ағыны да соншалықты жылдам болады. Бөтелкеден ауаның шығуы ұшақтың биіктігі артып бара жатқанын көрсетеді. Бөтелкеге ауаның кіруі ұшақтың төмендеп бара жатқанын көрсетеді. Жаңа вариометрлердің конструкциялары атмосфераның статикалық қысымын қысым датчиктерін пайдалана отырып тікелей өлшейді және ауа ағынын өлшеудің орнына ауа қысымының өзгеруінен биіктіктегі өзгерістерді тікелей анықтайды. Бұл конструкциялар ауа бөтелкесіне қажеттілік болмағандықтан кішірек болады. Олар сенімдірек, себебі температура өзгерісіне сезімтал бөтелке жоқ және қосылыс түтікшелерінде ағып кету мүмкіндігі азайды. Жоғарыда сипатталған конструкциялар, ұшақтың биіктігі өзгерер кезде статикалық қысымның өзгеруін автоматты түрде анықтау арқылы биіктіктің өзгеру жылдамдығын өлшейтін "компенсацияланбаған" вариометрлер деп аталады. "Тік жылдамдық көрсеткіші" немесе "VSI" термині аспапты қуатты ұшаққа орнатқанда жиі қолданылады. "Вариометр" термині аспапты жолақ ұшағына немесе желкенді ұшаққа орнатқанда жиі қолданылады. "Инерциялық жетек" немесе "Тез" VSI (IVSI) тік жылдамдықтың өзгеруіне жылдам жауап беру үшін акселерометрлерді пайдаланады.
Мақсаты
Адамдар, құстар мен басқа ұшатын жануарлардан өзгеше, көтерілу және құлау жылдамдықтарын тікелей сезе алмайды. Вариометр ойлап табылғанға дейін желкенді ұшқыштар үшін ұшу өте қиын болды. Олар тік жылдамдықтың ("сезімталдықпен") кенеттен өзгеруін байқауға қабілетті болғанымен, олардың сезімдері көтерілу мен құлауды, күшті көтерілу мен әлсіз көтерілуді ажырата алмады. Нақты, жақын жердегі көзге көрінетін нысан болмаса, көтерілу/құлау жылдамдығын тіпті болжау да мүмкін емес еді. Нысанға жақын болу – тау беткейіне немесе жерге жақын болуды білдіреді. Жотамен ұшу кезінде (жотаның жел соққан жағына жақын жердегі көтерілуді пайдалану) басқа жағдайларда, мұндай жағдай желкенді ұшқыштар үшін көбінесе тиімсіз болып табылады. Көтерілудің ең пайдалы түрлері (термик және толқынды көтерілу) биіктеп ұшуда кездеседі және пилоттың оларды вариометрсіз анықтауы немесе пайдалануы өте қиын. 1929 жылы Александр Липпиш және Роберт Кронфельд вариометрді ойлап тапқаннан кейін, желкенді ұшу жаңа деңгейге көтерілді. Вариометрлер аяқпен ұшып ұшуда да маңызды рөл атқарды, онда ашық ауадағы ұшқыш желді естиді, бірақ ауаның көтерілу немесе құлау аймақтарын анықтау үшін вариометрдің көмегі қажет. Алғашқы желкенді ұшу кезінде қысқа қашықтыққа немесе жотаға жақын ұшулар үшін вариометрлер қажет болған жоқ. Бірақ ұшқыштар ұзақ қашықтыққа ұшуды бастағанда, вариометрдің маңызы артты. Желкенді планерлерде қолданылған алғашқы портативті вариометр – Colver Variometer, ол 1970 жылдары Colver Soaring Instruments компаниясы ұсынған, бұл спортты трансұлттық термик ұшуға дейін кеңейтуге септігін тигізді. 1980 жылдары 1971 жылы Ричард Хардинг Болл (1921–2011) құрған Ball Variometers Inc. компаниясы 9 вольттық батареямен жұмыс істейтін білезікке тағылатын вариометр шығарды.
Жалпы энергия өтемақысы
Дегенмен, жолжарыс спорты дамыған сайын, осы өте қарапайым "компенсацияланбаған" құралдардың шектеулері бар екені анықталды. Планер ұшқыштарына қажетті ақпарат – планердің энергиясының толық өзгерісі, оның ішінде биіктігі мен жылдамдығы. Компенсацияланбаған вариометр жай ғана планердің тік жылдамдығын көрсетеді, бұл "таяқ арқылы термиялық көтерілу" мүмкіндігін тудырады, яғни биіктіктегі өзгеріс тек таяқтың қозғалысынан туындайды. Егер ұшқыш таяқты артқа тарса, планер көтеріледі, бірақ сонымен бірге баяулайды. Ал егер планер жылдамдығы өзгермейтін болса, бұл нақты көтерілудің белгісі, "таяқ арқылы көтерілу" емес. Компенсацияланған вариометрлер ұшақтың жылдамдығы туралы ақпаратты да қамтиды, сондықтан жалпы энергия (потенциалдық және кинетикалық) ғана емес, биіктіктің өзгеруі де ескеріледі. Мысалы, егер ұшқыш ұшақ төмен түсіп бара жатқанда жылдамдығын арттыру үшін таяқты алға итерсе, компенсацияланбаған вариометр тек биіктіктің төмендеп бара жатқанын көрсетеді. Бірақ ұшқыш таяқты кері тартып, артық жылдамдықты биіктікке ауыстыра алады. Компенсацияланған вариометр жылдамдық пен биіктіктің екеуін де пайдаланып, жалпы энергияның өзгеруін көрсетеді. Осылайша, ұшқыш таяқты алға итеріп, жылдамдықты арттыру үшін секіріп, содан кейін биіктікті қалпына келтіру үшін кері тартса, компенсацияланған вариометрде жалпы энергияның өзгеруін байқамайды (создыққа байланысты энергия жоғалуын ескермейтін). Гельмут Райхманның айтуынша, "вариометр" сөзі сөзбе-сөз "өзгеріс өлшегіш" дегенді білдіреді және оны осылай түсіну керек. Қосымша ақпарат болмаған жағдайда қандай өзгерістер өлшеніп жатқаны белгісіз болады. Қарапайым вариометрлер – көтерілу жылдамдығын көрсететін құралдар. Бұл құралдарда көрсетілген желкенді ұшақтың нақты көтерілуі мен төмен түсуі тек ауа массасының қозғалысына және желкенді ұшақтың қасиеттеріне ғана емес, сонымен қатар көп жағдайда шабуыл бұрышының өзгеруіне (лифт қозғалысына) байланысты. Бұл пайдалы ақпаратты, мысалы, термиялық ағындардың орналасуын анықтау сияқты, алуды іс жүзінде мүмкін емес етеді. Көтерілу жылдамдығын көрсететін құралдар желкенді ұшақтың биіктігі мен потенциалдық энергиясының өзгеруін көрсетсе, жалпы энергия вариометрлері желкенді ұшақтың жалпы энергиясының өзгеруін көрсетеді, яғни оның потенциалдық энергиясы (биіктіктен) және кинетикалық энергиясы (әуе жылдамдығынан). Қуатты қозғалтқыштары бар ұшақтардың өте азында ғана жалпы энергия вариометрлері бар. Қозғалтқышты ұшақтардың ұшқыштарын биіктіктің нақты өзгеру жылдамдығы көбірек қызықтырады, өйткені олар көбінесе тұрақты биіктікті ұстап тұруды немесе тұрақты көтерілуді немесе төмен түсуді сақтауды қалайды.
Таза вариометр
Компенсацияланған вариометрдің екінші түрі – Netto немесе ауа массасы вариометрі. TE компенсациясынан өзге, Netto вариометрі, су балластынан туындаған қанат жүктемесіне сәйкес реттелген, белгілі бір жылдамдықтағы желкенді ұшақтың ішкі суға түсу жылдамдығын (полярлық қисық) түзетуді жүзеге асырады. Netto вариометрі, ауа тыныш болғанда әрқашан нөлді көрсетеді. Бұл ұшқышқа соңғы ұшулар үшін өте маңызды ауа массасының тік қозғалысын дәл өлшеуге мүмкіндік береді (соңғы мақсатты орналасқан жерге жасалатын соңғы ұшу). 1954 жылы Пол МакКреди жалпы энергия вентури үшін суға түсу жылдамдығын түзету туралы жазды. МакКреди былай деді: «Тыныш ауада желкеннің әр жылдамдықта әртүрлі суға түсу жылдамдығы болады. Вариометр автоматты түрде суға түсу жылдамдығын қосып, желкеннің тік қозғалысының орнына вертикаль ауа қозғалысын көрсетсе, жақсы болар еді. Түзетуді әртүрлі әдістермен жасауға болады. Ең қолайлысы – жалпы энергия вентуриін және Пито түтігінен алынатын динамикалық қысымды пайдалану». Салыстырмалы Netto вариометрі, ұшақ термо жылдамдығымен ұшқанда, ауаның ағымдағы жылдамдығы мен бағытына тәуелсіз қандай тік жылдамдыққа жететінін көрсетеді. Бұл көрсеткіш Netto көрсеткішінен ұшақтың ең төменгі суға түсу жылдамдығын алып тастау арқылы есептеледі. Ұшақ термо айналымына келгенде, ұшқыш ауа массасының емес, ұшақтың тік жылдамдығын білуі керек. Салыстырмалы Netto вариометрі (немесе кейде супер Netto) термо айналымын анықтау үшін g сенсорын қамтиды. Термо айналымы кезінде сенсор 1g-дан жоғары үдеуді (гравитация және центробегті күштердің қосындысы) анықтайды және салыстырмалы Netto вариометріне, ұшақтың қанат жүктемесіне сәйкес түзетілген полярлық суға түсу жылдамдығын азайтуды тоқтату туралы сигнал береді. Кейбір бұрынғы Netto үлгілерінде g сенсорының орнына қолмен қосу/өшіру түймесі қолданылған.
Электрондық вариометрлер
1954 жылы МакКриди аудиовариометрдің артықшылықтарына тоқталып, былай деді: "Вариометр көрсеткіштерін дыбыс арқылы ұшқышқа жеткізудің көп пайдасы бар. Көру қабілеті шектеулі болмаса, вариометрді басқа ешқандай құралдан гөрі үнемі бақылау қажет. Егер ұшқыш оқуды құлағымен қабылдаса, ол жақын жердегі жолсеріктерді бақылап, термодинамикалық ағындарды пайдаланып, сондай-ақ алдағы бұлттарды зерттеп, жалпы ұшу сапасын жақсарта алады". Қазіргі заманғы жолсеріктердегі көптеген электрондық вариометрлер дыбыс шығарады, оның тоны мен ырғағы құралдың көрсеткіштеріне байланысты өзгереді. Әдетте, вариометр көтерілу жылдамдығы жоғарылағанда дыбыс жиілігі артып, төмендеу жылдамдығы жоғарылағанда төмендейді, тіпті құлаққа жағымсыз үн шығаруға дейін жетеді. Вариометр көтерілуді көрсеткенде, дыбыс үзіліп-үзіліп келеді, ал көтерілу жылдамдығы артуымен үзіліс жиілігі де артады. Ал төмендеу кезінде дыбыс үзілмейді. Вариометр тыныш ауада немесе жолсеріктің ең төменгі жылдамдықпен түсу жылдамдығынан әлсіз көтерілгенде үнсіз болады. Бұл дыбыстық сигнал ұшқыштың аспаптарға қарамастан, сыртқы ортаға назар аударуына мүмкіндік береді, бұл қауіпсіздікті арттырады және перспективалы бұлттар мен көтерілу белгілерін іздеуге қосымша мүмкіндік береді. Осы типтегі дыбыстық сигналды шығаратын вариометр "аудиовариометр" деп аталады. Жолсеріктегі жетілдірілген электрондық вариометрлер GPS қабылдағыштарынан ұшқышқа қосымша ақпарат бере алады. Дисплейде мақсатқа жету үшін қажетті бағыт, қашықтық және биіктік көрсетіледі. Тікелей ұшу режимінде (круиз режимі) вариометр ауаның көтерілуіне немесе төмендеуіне байланысты ұшудың дұрыс жылдамдығы туралы дыбыстық хабарлама бере алады. Ұшқышқа келесі қолайлы термодинамикалық ағында күтілетін көтерілу жылдамдығын білдіретін, шамамен есептелген МакКриди параметрін енгізу жеткілікті. Жолсеріктердегі жетілдірілген вариометрлердің қатарында ұшу компьютерлеріне (вариометр көрсеткіштерімен) көшу байқалады, олар басқарылатын әуе кеңістігі, бұрылыс нүктелерінің тізімі және тіпті соқтығысу туралы ескертулер сияқты ақпаратты ұсына алады. Кейбір құрылғылар ұшу кезінде GPS деректерін сақтап, кейін талдау үшін пайдалануға мүмкіндік береді.
Радиомен басқарылатын ұшу
Вариометрлер радиомен басқарылатын жолтырақта да қолданылады. Әрбір вариометр жүйесі жолтырақтағы радио хабар таратушыдан және ұшқыш пайдаланатын жердегі қабылдағыштан тұрады. Құрылысына қарай, қабылдағыш ұшқышқа жолтырақтың қазіргі биіктігін, сондай-ақ жолтырақтың биіктік жинап жатыр ма әлде төмендеп жатыр ма екенін көрсететін дисплейді, көбінесе дыбыстық сигнал арқылы береді. Жүйе сонымен қатар жылдамдық және батарея кернеуі сияқты параметрлерді көрсету арқылы басқа телеметриялық мәліметтерді де ұсынуы мүмкін. Радиомен басқарылатын жолтырақта қолданылатын вариометрлерде жалпы энергияны толықтыру мүмкіндігі болуы немесе болмауы мүмкін. Вариометрлер радиомен басқарылатын жолтырақта міндетті емес; тәжірибелі ұшқыш көру арқылы жолтырақтың көтеріліп жатыр ма, төмендеп жатыр ма екенін анықтай алады. Кейбір жолтырақтың ұшу жарыстарында радиомен басқарылатын жолтырақтар үшін вариометрлерді қолдануға тыйым салынған.