Введение
Типы воздушных змеев, способы их привязи и области применения обуславливают разнообразие систем управления. Современные производители, спортсмены, пилоты, ученые и инженеры расширяют их возможности. Системы управления воздушными змеями охватывают широкий спектр методов и технологий, используемых для маневрирования и стабилизации в различных приложениях. Эти системы эволюционировали от простых ручных органов управления до сложных автоматизированных и моторизованных конфигураций, отражая весь спектр применения воздушных змеев – от развлечений и отдыха до научных исследований и выработки энергии. Разработка и совершенствование этих систем управления значительно расширили возможности и области применения воздушных змеев, порой превращая их из традиционных предметов досуга в инструменты для современных задач. Системы управления воздушными змеями на больших высотах, особенно заметные при установлении рекордов, включают в себя передовые механизмы, такие как бортовые регуляторы угла атаки. Эти системы предназначены для управления натяжением леера, часто ограничивая его безопасным порогом для предотвращения обрыва или потери контроля. Высотные воздушные змеи оснащены системами безопасности и отслеживания, такими как радиомаяки для обнаружения на больших расстояниях и стробоскопы для повышения видимости. Сложность этих систем свидетельствует о значительных инженерных и конструкторских усилиях, направленных на максимизацию производительности и безопасности воздушных змеев в сложных условиях. В воздушном бою и для развлечений преобладают системы управления одной леерой, где оператор осваивает определенные движения для управления змеем. Эти движения включают в себя рывки, толчки, отпускание и изменение направления, необходимые для маневрирования змеем по заданным траекториям или ведения воздушного боя. Эволюция систем управления в этой области подчеркивает сочетание мастерства, традиций и технологических инноваций в управлении воздушными змеями. Исторические системы управления, разработанные братьями Райт и Джорджем А. Спраттом, сыграли ключевую роль в развитии авиации, демонстрируя взаимосвязь между технологиями воздушных змеев и развитием полета. Современные системы управления воздушными змеями применяются в различных специализированных областях, включая электрокайт-системы средней длины и высотные ветроэнергетические системы, генерирующие электроэнергию. Электрокайт, управляемые несколькими леерами, используются для регулировки торможения и изменения формы воздушного змея для выполнения определенных функций. Эти воздушные змеи находят применение в спорте, возобновляемой энергетике и научных исследованиях. Системы управления часто сложны и включают в себя запатентованные технологии для управления действующими силами. Аэрофотосъемка с использованием воздушных змеев и управляемые планирующие парашюты демонстрируют универсальность систем управления, адаптируя традиционные методы управления воздушными змеями для таких целей, как фотография, доставка грузов и спортивная парашютная вышка. Постоянно ведутся инновации в области технологий управления воздушными змеями, включая исследования солнечных парусов и плазменных воздушных змеев для космических применений.
Системы управления высокопоставленными попытками на одной линии
На борту использовались механизмы управления углом атаки во время рекордного полета на высоте 2000 футов; разработанный операторами регулятор ограничивал натяжение леера не более чем 100 фунтами, изменяя угол атаки крыла воздушного змея. Леер был оснащен системой контроля: счетчиком выпущенной длины, который не функционировал во время установления рекорда. Однако, в некоторых специальных нижних частях строп использовались амортизаторы и блоки, чтобы снизить воздействие порывов ветра на длинный леер. Контроль над воздушным змеем включает в себя обеспечение видимости системы воздушного змея для других воздушных судов; команда установила на воздушном змее радиомаяк (работающий на двухметровой частоте, обнаруживаемой на расстоянии до 50 миль); для обеспечения видимости стробоскопы были подвешены к носовой части воздушного змея. Управление с помощью катушек и блоков становится критически важным при высокой нагрузке; команде пришлось ремонтировать и заменять детали во время полета.
Вспомогательное управление
Для управления однолинейными воздушными змеями были изобретены и используются вспомогательные устройства. Устройства, расположенные на крыле воздушного змея, могут реагировать на натяжение леера или на угол атаки змея относительно воздушного потока, в котором он летит. Специальные катушечные устройства позволяют контролировать длину и натяжение леера. Перемещение нижнего конца леера влево или вправо, по ветру или против ветра, является частью системы управления однолинейными змеями. Устройства на узде воздушного змея могут быть настроены для изменения относительной длины отдельных строп узды, чтобы установить положение змея и обеспечить его полет в определенной точке возможных положений. Это можно сделать один раз при подготовке змея к полету, но Кеннет С. Говард разработал устройство, которое можно использовать на однолинейных змеях во время полета для изменения настроек: это достигается быстрым и многократным ослаблением леера 19. В первом описанном варианте изобретения, возникающее наклоняющееся движение управляющего рычага 14 и воздействие храповика 22 на зубья II приводят к тому, что рычаг 15 постепенно вращается вокруг пластины 10. Таким образом, можно добиться любого желаемого положения рычага 14, чтобы заставить змея 29 подниматься, пикировать или лететь вправо или влево.
This may be done by rapidly and repeatedly slackening the string 19. In the first described form of the invention the resulting tilting movement of the control arm 14, and the action of the pawl 22 on the teeth II, causes 15 the arm to progressively rotate around the plate 10. Thus, any desired rotated position of the arm 14 may be attained for making the kite 29 climb, dive, or fly to the right or left.|
Системы управления истребителями-машинами
Традиционное управление воздушным змеем одной леской доминирует в состязаниях по запуску змеев, в то время как многолесковое управление пока остается малораспространенным. Оператор змея, управляющий одной леской, стремится освоить движения (рывки, подергивания, отпускания, направленные движения), чтобы временно заставить неустойчивый змей двигаться в том или ином направлении. Цель этих движений – как нападение, так и оборона: уклонение от атаки или подготовка к ней. Конструкция змея требует особого внимания, чтобы движения оператора или пилота обеспечивали ему временную, ограниченную стабильность.
Контроль за установками для змеев
Кайт-системы – это системы для приведения в движение транспортного средства, такого как лодка, багги или транспортное средство с полозьями для снега и льда. Они могут быть такими же простыми, как человек, управляющий воздушным змеем, стоя на специализированном скейтборде, или представлять собой сложные системы, закрепленные на транспортном средстве с механизированным и автоматическим управлением. Они отличаются от традиционных парусов тем, что управляются с помощью лееров, а не поддерживаются мачтами.
Двигательная установка для коммерческого транспорта
Корабли, использующие воздушные змеи, имеют площадь паруса в сотни квадратных метров и требуют специальных точек крепления, системы запуска и спуска, а также управления по проводам. Корабельная движительная система SkySails состоит из большого планерного змея, электронной системы управления змеем и автоматической системы для его убирания. Этот змей, хотя и в десять раз больше, имеет сходство с арковыми змеями, используемыми в кайтсерфинге. Однако змей является надувным, а не рамным. Кроме того, вместо непосредственного натяжения нескольких управляющих строп используется управляющий модуль; только одна стропа проходит на всем протяжении от змея до корабля, а рулевые стропы идут от змея к управляющему модулю. Электропитание модуля подается по кабелям, встроенным в стропу; та же стропа также передает команды от корабля в управляющий модуль. Змей запускается и спускается с помощью анимированной мачты или стрелы, которая захватывает его за переднюю кромку. Мачта также надувает и спускает змей. Когда не используется, мачта и спущенный змей складываются. Для оптимального управления полетом змея необходимо осторожно удлинять управляющую стропу; затем стропа часто разделяется на две, три или четыре основные несущие стропы, соединяющиеся с подвесной системой оператора или пилота. Майк Мейер, автор книг о парапланах, написал книгу "Как добиться правильной высоты подвески". NASA использовало перераспределение массы в пилотируемом самолете Paresev с жесткой рамой змея. Подвесная стропа также была усилена, но другим способом. В спортивных системах парапланов, использующих короткую подвесную стропу, подвесная петля или первый участок подвесной стропы змея представляет собой гибкую стропу, а основные стропы к подвесной системе – это шнуры и иногда стропы, которые также гибкие. Управление углом атаки крыла змея часто достигается пилотом, захватывающим жесткую часть конструкции змея, называемую управляющей рамой, и толкающим или тянущим конструкцию змея влево или вправо, вперед или назад в различных комбинациях; эта система управления чаще всего называется "переносом веса", хотя механически происходит изменение положения массы для изменения центра тяжести всей системы относительно аэродинамического центра давления, чтобы создать управляющие моменты для управления полетом. Место крепления несущей стропы к конструкции змея очень важно, как и во всех змеях; такое соединение или обуздание учитывает аэродинамический центр давления и центр тяжести системы. Ключевая статья Майка Мейера "Устойчивость тангажа и положение центра масс" посвящена этой проблеме управления. Во время полета на параплане, на этапе обучения инструкторы иногда просят студента полностью отпустить треугольную управляющую раму и просто повиснуть. Подвешенный студент (гравитация тянет тело студента вниз, создавая натяжение крыла змея) ощущает, что правильно обузданное и настроенное крыло будет лететь стабильно. Студент понимает, что отпускание управляющей рамы позволяет стабильно лететь при правильной настройке. Однако, поскольку возникают порывы ветра, студент понимает, что полет без управления не является нормальным режимом – пилот змея почти всегда управляет управляющей рамой.
Подвесные планы с коротким привязкой
Здесь немоторизованный воздушный змей привязан к пилоту, который обеспечивает наличие подвесной системы, к которой прикреплен двигатель или мотор, создающий тягу; вся система представляет собой самолет с двигателем, в то время как сам змей остается немоторизованным (это существенно отличается от случая, когда двигатель установлен непосредственно на крыле). Система управления включает в себя систему управления аналогичной конструкции, где пилот не получает тяги от прикрепленного двигателя или мотора; однако при управлении полетом учитыруются корректировки, связанные с положением центра масс. Более того, пока двигатель пилота работает, пилот располагается таким образом, чтобы леер змея был наклонен, обеспечивая тягу крыла привычным для запуска змея способом, когда леер начинается с наветренной стороны и поднимается под углом к подветренной (в данном случае относительным ветром следует считать действующий ветер).
Под прицепом статического каната
Здесь длина стропы буксировочного воздушного змея остается неизменной на протяжении всего полета. Водитель наземного транспортного средства выполняет специальные функции управления. Пилот параплана, управляемого воздушным змеем, контролирует змей несколько иначе, чем при других способах буксировки; эти тонкости изучаются в ходе профессионального обучения. Значительная часть обучения посвящена управлению в нештатных ситуациях.
Под нестатическим прицепом
Комплексная система управления включает оператора лебедки. Длина троса изначально большая, а затем уменьшается по мере намотки буксировочного троса лебедкой; это влияет на решения пилота параплана, использующего кайт. Инструкции по управлению доступны для новых операторов лебедки и пилотов парапланов, желающих использовать этот метод запуска. Этот метод отличается от старта со статической стропы (буксировочный трос остается неизменной длины во время буксировки). Система управления при использовании метода кайтинга с укорачивающимся буксировочным тросом отличается.
Под спуском с помощью банджи-лайн
Системы управления запуском на банжи для парапланов с кайтом имеют свои особенности. Стропа кайта очень эластична: в натянутом состоянии она длинная, а при использовании для запуска – укорачивается. Контроль над углом атаки кайта полностью лежит на пилоте, который часто висит на короткой стропе, управляя треугольным рулевым трапецией или другой частью конструкции, или даже аэродинамическими органами управления. Настоятельно рекомендуется профессиональное обучение. Неэластичный участок банжи используется для защиты пилота в случае обрыва и отскока банжи в его сторону; тормозной парашют на стропе может быть использован для снижения скорости падения освободившегося банжи. Запуск с банжи наиболее часто применяется для взлета со склонов, когда свободный взлет затруднен (рельеф местности или пилоты с ограниченными возможностями ног), или для демонстрационных коротких полетов на ровной местности.
Парапланеры
Нежесткие парапланы Франсиса Рогало, парапланы Домины Джальберта или другие модифицированные полностью гибкие крылья (парусные крылья Barish, крылья KiteShip, парапланы, модифицированные конические парашюты) не предназначены для установки на них двигателя; скорее, стропы управления к немоторизованному крылу крепятся ниже крыла к стационарному или мобильному якорю. Сам якорь может быть оснащен собственным двигателем или мотором тяги, либо же якорь (которым может быть полезная нагрузка, пилот, или и то, и другое) может просто падать под действием силы тяжести, тем самым тянув крыло через стропы. Когда полезная нагрузка или пилот просто снижаются без добавления двигателя, гибкое крыло является парапланом; когда полезная нагрузка или пилот дополнительно оснащены двигателем, немоторизованное гибкое крыло с такой тяговой нагрузкой или пилотом представляет собой двигательную систему летательного аппарата или моторизованный параплан. Системы управления различаются в зависимости от конкретных задач (от сброса военных грузов, автономных моторизованных парапланов или дронов, спортивного парапланеризма, моторизованного спортивного парапланеризма, моделирования парапланов, моторизованного моделирования парапланов). Все варианты объединяет немоторизованный летательный аппарат, независимо от того, оснащена ли нагрузка и/или пилот двигателем.
Парашюты с управляемым плавательным приводом
Эти воздушные змеи свободного полёта представляют собой управляемые парашюты и используются как системы доставки грузов, для спортивного планирования с парашютом или парашютизма, BASE-джампинга, а также парашютизма с моделями. При использовании для доставки чувствительных грузов или перевозки людей быстрое раскрытие из упакованного состояния смягчается за счёт использования слайдера. Крыло остаётся беспилотным и удерживается в воздухе системой строп управления; стропы крепятся к платформам или подвесным системам. Размер и конструкция крыла подбираются в соответствии с конкретным типом применения, где важны параметры упаковки, раскрытия и скорости снижения. Системы управления специализированы для конкретных задач. Системы управления иногда включают дистанционное радиоуправление.
Аэрофотосъемка с помощью воздушных змеев
Воздушные змеи, используемые в аэрофотосъемке с помощью воздушных змеев (KAP), обычно управляются с теми же катушками и лебёдками, что и змеи, используемые для обычного запуска. Наилучшие результаты в KAP, как правило, достигаются на меньшей высоте, чем можно было бы ожидать (30–60 метров), поэтому не требуется никакого специального оборудования. Наиболее сложными являются полеты KAP, когда для получения наилучшего кадра необходимо запускать змея среди высоких деревьев или зданий, поэтому возможность быстрого сматывания линии может быть полезной. Сам фотоаппарат крепится к леске воздушного змея на некотором расстоянии под ним, предпочтительно с использованием шкивной системы, которая позволит камере сохранять горизонтальное положение независимо от колебаний змея. Система Пикаве – один из примеров такой системы. Дальнейшее развитие в аэрофотосъемке с помощью воздушных змеев связано с использованием прямой видеосвязи и радиоуправления для изменения направления камеры. Это превосходит простейшую конструкцию, которая просто делает снимок каждые несколько минут и требует сматывания змея для изменения угла съемки. Недостатком систем радиоуправления является их вес, требующий более сильного ветра для проведения съемки. Таким образом, помимо ясного неба, необходим и сильный ветер, что ограничивает возможности для фотосъемки.
Солнечные паруса и плазменные змеи
Ученые, работающие над одним типом солнечного змея, гордятся тем, что конструкция предусматривает минимальное количество движущихся частей для управления движением змея в космосе и вокруг Земли, Луны, кометы или другого тела Солнечной системы. Группа ученых и инженеров расширяет определение понятия «солнечный змей»; солнечный змей, описанный авторами C. Джеком и C. Уэлчем, использует инерцию своей массы для создания сопротивления фотонному потоку. Управление змеем с целью изменения его ускорения создает условия, аналогичные управлению обычным змеем: отклонение от гравитации для поддержания заданного курса полета позволяет рассматривать солнечный парус как разновидность солнечного змея, использующего фотонный поток. Змей получает начальные данные, отслеживает звезды и управляет тремя элементами для контроля ориентации, что позволяет добиться желаемой траектории полета по указанию наземных операторов. Положение полезной нагрузки изменяется для изменения относительного расположения центра давления и центра масс змея; это достигается, в частности, с помощью пьезоэлектрических актуаторов. Кроме того, элементы конструкции, удерживающие полезную нагрузку, подвергаются дифференциальному нагреву, что приводит к увеличению длины одного из элементов по сравнению с более холодными, и, следовательно, к изменению положения центра масс относительно центра давления змея. Для изменения ориентации также используются миниатюрные фотодвигатели (нагреваемые проволоки), которые корректируют положение змея; эти двигатели не предназначены для придания змею поступательного движения, а служат исключительно для изменения ориентации его паруса. Эти механизмы направлены на обеспечение точного управления при минимальном энергопотреблении для задания направления движения змея. Рабочие группы, занимающиеся разработкой солнечных змеев, рассматривают не менее семнадцати различных способов управления солнечным змеем/солнечным парусом.