Введение
В авиации вариометр, также известный как указатель скорости набора высоты и снижения (RCDI), указатель скорости набора высоты, указатель вертикальной скорости (VSI) или указатель вертикальной скорости (VVI), – один из авиационных приборов, используемых для информирования пилота о скорости снижения или набора высоты. 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 воздушного судна. Обычно он подключен к внешнему источнику статического давления воздушного судна. В полете с работающим двигателем пилот часто использует VSI для контроля горизонтального полета, особенно при выполнении маневров поворота. В планерном полете прибор используется практически постоянно во время нормального полета, часто с звуковым сигналом, чтобы информировать пилота о восходящих или нисходящих потоках воздуха. Обычно планеры оснащаются несколькими типами вариометров. Более простой тип не требует внешнего источника питания и, следовательно, может функционировать независимо от наличия аккумулятора или источника питания. Электронный тип с звуковым сопровождением требует источника питания для работы во время полета. Прибор мало полезен во время взлета и посадки, за исключением буксировки, когда пилот обычно стремится избежать освобождения в нисходящем потоке.
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.
История
В 1930 году, по словам Энн Уэлч, "Кронфельд был одним из первых, кто использовал вариометр – прибор, предложенный Александром Липпишем". Уэлч далее утверждает, что "первый настоящий полёт на восходящих потоках" произошел в 1930 году благодаря А. Галлеру и Вольфу Хирту, причем Хирт использовал вариометр в своем Musterle. Фрэнк Ирвинг отмечает, что Артур Кантровиц впервые упомянул полную энергию в 1940 году. Однако еще в 1901 году Уилбур Райт писал о термиках: "Когда пилоты планеров приобретут достаточную квалификацию, они смогут с относительной безопасностью оставаться в воздухе часами, таким образом, постоянной практикой повышая свои знания и навыки, чтобы подниматься в верхние слои воздуха и искать потоки, позволяющие парящим птицам перемещаться в любую желаемую точку, сначала поднимаясь по спирали, а затем планируя под углом снижения".
Описание
По словам Пола МакКреди, "вариометр – это, по сути, высотомер давления с утечкой, которая стремится показывать высоту, соответствующую моменту времени чуть ранее. Он состоит из контейнера, соединенного с внешней атмосферой таким образом, что давление внутри него незначительно отстает от внешнего статического давления. Измерение скорости подъема основано на скорости притока или оттока воздуха из контейнера". Вариометры измеряют скорость изменения высоты, определяя изменение воздушного давления (статического давления) при изменении высоты. Существуют различные типы вариометров, в том числе на основе диафрагмы, пластины (рога), натянутой ленты или электрические вариометры. Вариометр с пластиной состоит из вращающейся пластины, центрированной пружиной, разделяющей камеру на две части: одна соединена со статической трубкой, а другая – с расширительной камерой. Электрические вариометры используют термисторы, чувствительные к воздушному потоку, или печатные платы, состоящие из переменных резисторов, подключенных к мембране крошечной вакуумной полости. Простой вариометр можно создать, добавив большой резервуар (вакуумный сосуд) для увеличения емкости хранения обычного авиационного прибора измерения скорости подъема. В своей простейшей электронной форме прибор представляет собой воздушный баллон, соединенный с внешней атмосферой через чувствительный расходомер. При изменении высоты полета атмосферное давление за пределами самолета меняется, и воздух поступает в воздушный баллон или выходит из него, чтобы уравновесить давление внутри баллона и снаружи самолета. Скорость и направление воздушного потока измеряются путем охлаждения одного из двух самонагревающихся термисторов, а разница в сопротивлении термисторов создает разность напряжений, которая усиливается и отображается пилоту. Чем быстрее самолет набирает (или теряет) высоту, тем быстрее движется воздух. Вытекающий из баллона воздух указывает на увеличение высоты полета. Поток воздуха в баллон указывает на снижение высоты. Более современные конструкции вариометров непосредственно измеряют статическое давление атмосферы с помощью датчика давления и определяют изменения высоты непосредственно по изменению давления воздуха, а не по измерению воздушного потока. Эти конструкции, как правило, более компактны, поскольку не требуют воздушного баллона. Они также более надежны, так как на баллон не влияют изменения температуры и меньше вероятность утечек в соединительных трубках. Конструкции, описанные выше, которые измеряют скорость изменения высоты, автоматически определяя изменение статического давления при изменении высоты полета, называются "некомпенсированными" вариометрами. Термин "вертикальный указатель скорости" или "VSI" чаще всего используется для обозначения прибора при установке на самолете с двигателем. Термин "вариометр" чаще используется при установке прибора на планере. "Инерциальный" или "мгновенный" VSI (IVSI) использует акселерометры для обеспечения более быстрой реакции на изменения вертикальной скорости.
Цель
Люди, в отличие от птиц и других летающих животных, не способны непосредственно ощущать скорость набора и потери высоты. До изобретения вариометра пилотам планеров было очень трудно совершать полёты в восходящих потоках. Хотя они могли легко замечать резкие изменения вертикальной скорости ("чувствовать в кресле"), их органы чувств не позволяли им различать подъем от опускания, или сильный подъем от слабого. Фактическую скорость набора/потери высоты даже невозможно было угадать, если поблизости не было чёткой фиксированной визуальной точки отсчёта. Нахождение рядом с фиксированным ориентиром означает близость к склону холма или к земле. За исключением полётов с использованием наветренного склона холма, это, как правило, невыгодные позиции для пилотов планеров. Наиболее эффективные восходящие потоки (термики и волновой подъём) встречаются на больших высотах, и пилоту очень сложно их обнаружить или использовать без вариометра. После изобретения вариометра в 1929 году Александром Липпишем и Робертом Кронфельдом, спорт планерного полёта вышел на новый уровень. Вариометры также стали важными в дельтапланеризме, где пилот, находясь в открытом воздухе, слышит ветер, но нуждается в вариометре, чтобы определить области восходящих или нисходящих потоков воздуха. На ранних этапах развития дельтапланеризма вариометры не были необходимы для коротких полётов или полётов вблизи гребня. Однако вариометр стал ключевым инструментом, когда пилоты начали совершать более длительные полёты. Первым портативным вариометром для использования в дельтапланах стал вариометр Colver, представленный в 1970-х годах компанией Colver Soaring Instruments, что способствовало развитию кросс-кантри полётов с использованием термиков. 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.
Общая компенсация энергии
Однако, по мере развития парусного спорта, стало ясно, что эти очень простые "некомпенсированные" приборы имеют свои ограничения. Информация, которая действительно необходима пилотам планера для полёта, – это общее изменение энергии, испытываемое планером, включающее как высоту, так и скорость. Некомпенсированный вариометр будет просто показывать вертикальную скорость, что может привести к так называемому "термическому зацеплению", то есть изменению высоты, вызванному исключительно отклонением ручки управления. Если пилот оттянет ручку на себя, планер поднимется, но также замедлится. Однако, если планер набирает высоту без изменения скорости, это указывает на реальный восходящий поток, а не на "подъём от отклонения ручки". Компенсированные вариометры учитывают также скорость полёта, поэтому используется общая энергия (потенциальная и кинетическая), а не только изменение высоты. Например, если пилот нажимает на ручку вперёд, ускоряясь при пикировании, некомпенсированный вариометр покажет только потерю высоты. Но пилот может оттянуть ручку, обменивая избыточную скорость на высоту. Компенсированный вариометр использует как скорость, так и высоту для индикации изменения общей энергии. Таким образом, пилот, который толкает ручку вперёд для набора скорости при пикировании, а затем оттягивает её для восстановления высоты, не заметит изменений в общей энергии на компенсированном вариометре (если не учитывать потери энергии на сопротивление воздуха). По словам Гельмута Райхмана, "слово 'вариометр' буквально означает 'измеритель изменений', и именно в этом его следует понимать. Без дополнительной информации остаётся неясным, какие именно изменения измеряются. Простые вариометры – это индикаторы скорости подъёма. Поскольку фактический набор и потеря высоты, отображаемые на этих приборах, зависят не только от движения воздушных масс и характеристик планера, но и в значительной степени от изменения угла атаки (отклонения руля высоты), это делает практически невозможным получение полезной информации, например, о местоположении термиков. В то время как индикаторы скорости подъёма показывают изменение высоты и, следовательно, изменение потенциальной энергии планера, вариометры общей энергии показывают изменение общей энергии планера, то есть как его потенциальной энергии (обусловленной высотой), так и кинетической энергии (обусловленной скоростью полёта)". Вариометры общей энергии установлены лишь на очень немногих самолётах. Пилоты самолётов с двигателями больше заинтересованы в истинной скорости изменения высоты, поскольку они часто стремятся поддерживать постоянную высоту или стабильный набор или снижение.
Чистый вариометр
Второй тип компенсированного вариометра – вариометр Netto, или вариометр воздушной массы. Помимо TE-компенсации, вариометр Netto учитывает собственную скорость снижения планера при заданной скорости (полярная кривая), скорректированную с учетом нагрузки на крыло из-за водяного балласта. Вариометр Netto всегда будет показывать ноль в спокойном воздухе. Это обеспечивает пилота точным измерением вертикального движения воздушной массы, что критически важно для финального захода на посадку (последнего полёта к конечной точке назначения). В 1954 году Пол МакКреди описал коррекцию скорости снижения для вентури полного потока энергии. МакКреди утверждал: «В спокойном воздухе планер имеет разную скорость снижения на каждой воздушной скорости; было бы лучше, если бы вариометр автоматически добавлял скорость снижения и, таким образом, показывал вертикальное движение воздуха, а не планера. Коррекция может быть выполнена различными способами. Вероятно, наиболее эффективный – использовать вентури полного потока энергии и динамическое давление от трубки Пито». Относительный вариометр Netto показывает вертикальную скорость, которой достигнет планер, ЕСЛИ он будет лететь с тепловой скоростью, независимо от текущей воздушной скорости и тангажа. Это значение рассчитывается как показание Netto минус минимальная скорость снижения планера. Когда планер входит в спираль для набора высоты, пилоту необходимо знать вертикальную скорость планера, а не воздушной массы. Относительный вариометр Netto (иногда называемый супер Netto) включает в себя g-датчик для определения режима набора высоты. В режиме набора высоты датчик обнаруживает ускорение (гравитация плюс центробежное) выше 1 g и дает команду относительному вариометру Netto прекратить вычитание полярной скорости снижения планера, скорректированной с учетом нагрузки на крыло, на время действия этого режима. В некоторых ранних моделях Netto вместо g-датчика использовался ручной переключатель.
Электрометрические вариометры
В 1954 году МакКреди указал на преимущества аудиовариометра: «Есть много преимуществ, если индикация вариометра представлена пилоту звуком. Вариометр необходимо постоянно контролировать, как и любой другой прибор, за исключением полета вслепую. Если пилот может получать показания на слух, он может улучшить свой полет в термиках, наблюдая за соседними планерами, и существенно улучшить общий полет, изучая облачные образования для последующего использования». В современных планерах большинство электронных вариометров генерируют звук, частота и ритм которого зависят от показаний прибора. Обычно звуковой тон повышается с увеличением скорости набора высоты и понижается до глубокого стона при увеличении скорости снижения. При наборе высоты тон часто прерывается, а частота прерываний может увеличиваться с ростом скорости набора, в то время как при снижении тон не прерывается. Вариометр обычно молчит в спокойном воздухе или при восходящих потоках, которые слабее типичной скорости снижения планера при минимальной скорости снижения. Этот звуковой сигнал позволяет пилоту сосредоточиться на внешнем обзоре, а не на приборах, что повышает безопасность и дает пилоту больше возможностей для поиска перспективных облаков и других признаков восходящих потоков. Вариометр, который издает такой звуковой сигнал, известен как «аудиовариометр». Усовершенствованные электронные вариометры в планерах могут предоставлять пилоту дополнительную информацию от GPS-приемников. Таким образом, дисплей может отображать пеленг, расстояние и высоту, необходимые для достижения цели. В крейсерском режиме (используемом при прямолинейном полете) вариометр также может давать звуковую индикацию правильной скорости полета в зависимости от того, поднимается или опускается воздух. Пилоту достаточно ввести предполагаемое значение настройки МакКреди, которое представляет собой ожидаемую скорость набора высоты в следующем подходящем термике. Наблюдается тенденция к использованию более продвинутых вариометров в планерах в качестве бортовых компьютеров (с индикацией вариометра), которые также могут предоставлять информацию о контролируемом воздушном пространстве, списках точек поворота и даже предупреждениях о столкновениях. Некоторые из них также сохраняют данные GPS о местоположении во время полета для последующего анализа.
Радиоуправляемый взлет
Вариометры также используются в радиоуправляемых планерах. Каждая система вариометра состоит из радиопередатчика, установленного в планере, и приемника на земле, используемого пилотом. В зависимости от конструкции, приемник может отображать текущую высоту планера и показывать, набирает или теряет он высоту – часто с помощью звукового сигнала. Система также может предоставлять другие виды телеметрии, отображая параметры, такие как скорость и напряжение батареи. Вариометры, используемые в радиоуправляемых планерах, могут быть с компенсацией полной энергии или без нее. Вариометры не являются обязательными для радиоуправляемых планеров; опытный пилот обычно может определить, поднимается планер или опускается, полагаясь только на визуальные ориентиры. Использование вариометров запрещено в некоторых соревнованиях по планерному спорту среди радиоуправляемых планеров.