Steigungsflug

Das dynamische Hochfliegen (englisches dynamisches Hochfliegen ) ist eine Flugtechnik, mit der die Energie wiederholt durch die Grenze zwischen zwei Luftmassen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten geleitet wird. Solche Gebiete mit einem signifikanten Gefälle der Windgeschwindigkeit befinden sich entweder in Bodennähe oder in einem Gebiet, das durch ein Hindernis geschützt ist, beispielsweise hinter einem Hügel. Daher wird diese Technik hauptsächlich von Vögeln oder ferngesteuerten Segelflugzeugen verwendet. Es kommt auch vor, dass einige Segelflugzeugpiloten wie Ingo Renner es benutzen. Die Höchstgeschwindigkeit, die ein Pilot von ferngesteuerten Segelflugzeugen erreicht, beträgt 882 km / h, die Spencer Lisenby am 19. Januar 2021 erreicht hat.

Steigungsflug wird manchmal mit Hangflug verwechselt . Im letzteren Fall fliegt der Pilot leicht stromaufwärts des Hügels und nutzt die vertikale Ablenkung des Windes.

Grundprinzip

Im Gradientenflug können verschiedene Arten von Flugbahnen verwendet werden. Der einfachste Mechanismus ist eine vertikale Schleife durch die beiden sich relativ bewegenden Luftmassen. Der Geschwindigkeitsgewinn während einer Schleife erklärt sich aus der Tatsache, dass beim Übergang des Segelflugzeugs von einer Luftmasse zur anderen seine Bodengeschwindigkeit praktisch konstant bleibt, da der Erdreferenzrahmen praktisch galiläisch ist . Die Erhöhung der Geschwindigkeit kann entweder mit der Luftgeschwindigkeit oder der Bodengeschwindigkeit erklärt werden. Die Geschwindigkeitsverstärkung ist ungefähr doppelt so groß wie die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der oberen und der unteren Schicht. Die ideale Flugbahn wird in der folgenden Animation gezeigt und im Dropdown-Feld ausführlich beschrieben.

Ideale Flugbahn und Demonstration des Geschwindigkeitsgewinns

Sei v h die Windgeschwindigkeit in der hohen Position und v b die Windgeschwindigkeit in der niedrigen Position. Zur Vereinfachung der Argumentation wird angenommen, dass die Reibungsverluste vernachlässigbar sind. Wir vernachlässigen auch die Auswirkungen der Schwerkraft, die gering sind, wenn die Höhenänderung gering ist, und neigen auch dazu, sich beim Auf- und Abstieg gegenseitig zu kompensieren. Sei v s0 die Fahrgeschwindigkeit des Segelflugzeugs zu Beginn.

. . Die Fahrgeschwindigkeit wird dann

Es wird dann beobachtet, dass die Fahrgeschwindigkeit zugenommen hat. Wir haben:

Während eines Zyklus erhöhte sich die Fahrgeschwindigkeit um das Zweifache der Differenz zwischen der Windgeschwindigkeit in der oberen und unteren Schicht.  

Energie wird extrahiert, indem die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den beiden Luftmassen während der 180-Grad-Halbumdrehungen, die die Luftmassen (geringfügig) verlangsamen, (geringfügig) verringert wird. Es ist anzumerken, dass die auf der Ebene des Segelflugzeugs ins Spiel gebrachten Energien im Vergleich zu den von den Luftmassen ins Spiel gebrachten Energien völlig vernachlässigbar sind.


Dynamische Flugschleife

Vögel

Einige Seevögel schweben dynamisch, tauchen in die Tröge der Wellen ein und steigen über den Wellenkamm auf . Der Albatros verwendet diese Technik üblicherweise, um Entfernungen von Tausenden von Kilometern in der Südsee ohne nennenswerte Flügelschläge zurückzulegen. Wenn der Vogel über dem Wellenkamm gegen den Wind fährt, befindet er sich in Gegenwart eines starken Gegenwinds und daher wird seine Luftgeschwindigkeit wichtig. Durch Drehen um 180 Grad und Tauchen findet er sich wieder vor der Welle geschützt, seine Luftgeschwindigkeit steigt wieder an. Wenn Sie diesen Zyklus von vorne beginnen, kann der Vogel fast unbegrenzt fliegen, ohne viel Aufwand, außer um Kurven zu fahren. Dies liegt daran, dass der Vogel dem Gradienten der Windgeschwindigkeit Energie entzieht.

Lord Rayleigh war der erste, der 1883 in der britischen Fachzeitschrift Nature den Gradientenflug beschrieb  : "... ein Vogel, der seine Flügel nicht bearbeitet, kann weder in ruhiger Luft noch bei gleichmäßigem horizontalen Wind sein Niveau auf unbestimmte Zeit halten. Eine solche Wartung ist am möglich Kosten einer anfänglichen Relativgeschwindigkeit, aber diese muss bald erschöpft sein. Wann immer also ein Vogel seinen Kurs für einige Zeit verfolgt, ohne seine Flügel zu bearbeiten, müssen wir entweder schließen

  1. dass der Kurs nicht horizontal ist,
  2. dass der Wind nicht horizontal ist oder
  3. dass der Wind nicht gleichmäßig ist.
Es ist wahrscheinlich, dass die Wahrheit normalerweise durch (1) oder (2) dargestellt wird; aber die Frage, die ich stellen möchte, ist, ob die in (3) vorgeschlagene Ursache manchmal nicht in Kraft tritt. "

Französische Übersetzung: "Ein Vogel ohne seine Flügel kann in einer stillen Luftmasse oder in einer Luftmasse mit gleichmäßiger Geschwindigkeit sein Flugniveau nicht auf unbestimmte Zeit aufrechterhalten." Für kurze Zeit kann die Aufrechterhaltung der Flughöhe nur auf Kosten der anfänglichen Fluggeschwindigkeit erfolgen, die schrittweise auf Null reduziert wird. Wenn ein Vogel seinen Kurs für einige Zeit fortsetzt, ohne mit den Flügeln zu schlagen, müssen wir daher folgendes schließen:

  1. seine Flugbahn ist nicht horizontal,
  2. der Wind ist nicht horizontal oder
  3. Die Windgeschwindigkeit ist nicht gleichmäßig.
Die Wahrheit ist wahrscheinlich in den Behauptungen (1) und (2) zu finden. Ich frage mich jedoch, ob die Behauptung (3) in einigen Fällen nicht gültig ist. ""

Der erste von Lord Rayleight beschriebene Fall ist ein einfaches Gleiten, der zweite Fall ist entweder eine Flugsteigung , ein Wärmeflug oder ein Wellenflug . Der letzte Fall ist der Gradientenflug.

Gleiten

In dem Buch Streckensegelflug, das in englischer Sprache unter dem Titel Cross-Country Soaring der Soaring Society of America und in französischer Sprache unter dem Titel La Course en Glider veröffentlicht wurde, beschreibt Helmut Reichmann einen Flug, den Ingo Renner an Bord eines Glasflügel H- Segelflugzeugs durchgeführt hat. 301 Libelle over Tocumwal , Australien im Jahr 1974. An diesem Tag war der Wind am Boden ruhig und über einer Temperaturumkehr von 300 Metern wehte der Wind mit 70  Knoten / h . Renner schleppte bis zu 350 Meter weit, von wo aus er gegen den Wind tauchte, bis er auf die stille Luftmasse stieß; dann machte es eine scharfe 180-Grad-Kurve mit starker Flächenbelastung und stieg dann schnell wieder hoch. Als er durch die Inversionsschicht ging , sah er sich erneut einem Gegenwind von 40 Knoten gegenüber. Die gewonnene Fluggeschwindigkeit ermöglichte es ihm, seine Höhe beizubehalten. Durch Wiederholen des Manövers konnte er seine Höhe 20 Minuten lang ohne Aufzug halten, obwohl er schnell im Wind schwebte. Anschließend verfeinerte er seine Technik an Bord eines Pik 20- Segelflugzeugs und konnte seine Schwanzflosse eliminieren und sich sogar gegen den Wind bewegen. Slater behauptet, dass ein Gradientenflug mit Gradienten von nur 1 m / s / 100 m möglich ist.

Funkgesteuertes Segelflugzeug

Ende der neunziger Jahre hatten Benutzer von ferngesteuerten Segelflugzeugen die Idee, nach einer genialen Idee von Joe Wurts den Gradientenflug zu üben. Piloten von ferngesteuerten Segelflugzeugen führen Gradientenflüge gegen den Wind von Bodenhindernissen wie Hügelkämmen, Klippen usw. durch. Diese Hindernisse können den Wind entweder vollständig stoppen oder sogar lokal umkehren. Der Windgeschwindigkeitsgradient kann viel größer sein als der Gradient, der von Vögeln oder Segelflugzeugen in voller Größe verwendet wird. Daher kann die extrahierte Energiemenge trotz der höheren Flügellasten am Rand der Aufwindzone und der Schutzzone erhöht werden. Aufgrund dieser hohen Belastungen bestehen funkgesteuerte Segelflugzeuge aus Verbundwerkstoffen .

Im Jahr 2014 stellte Bruce Tebo einen Geschwindigkeitsrekord von 813  km / h auf, der einen Kinetic 130 mit 12 kg Ballast bei einem Wind von etwa 90 km / h und Böen von 105 km / h eingesetzt hatte. 2015, dann 2018, schiebt der Pilot Spencer Lisenby den Rekord mit einer Höchstgeschwindigkeit von 825, dann 877 km / h, gemessen mit einem tragbaren Radar, mit einem Transonic DP-Segelflugzeug (3,3 m Flügelspannweite ) . Am 19. Januar 2021 wurde der Rekord erneut mit 882 km / h von seinem Besitzer Spencer Lisenby mit dem DSKinetic Transonic DP-Segelflugzeug gebrochen, das von Bruce Tebo bei der Geschwindigkeitsmessung mit der Radarpistole unterstützt wurde.

Als Faustregel gilt, dass die maximale Geschwindigkeit, die ein ferngesteuerter Segelflugzeug erreichen kann, das Zehnfache der Windgeschwindigkeit beträgt.

Verweise

  1. (in) Lord Rayleight, "  Das Fliegen der Vögel  " , Nature , vol.  27, n o  701,5. April 1883, p.  534-535
  2. (in) Boslough Mark BE , "  Autonome dynamische Höhenflugplattform für verteilte mobile Sensorarrays  " , Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico,2002(abgerufen am 16. Juni 2016 ) , p.  9
  3. (in) Slater AE Um wie ein Albatros zu fliegen , Flight International,22. Oktober 1977( online lesen )
  4. (in) Youtube Video
  5. Liste der Datensätze
  6. Louis Neveu: "  Ohne Motor erreicht dieses ferngesteuerte Flugzeug fast 900 km / h!"  ", Futura Wissenschaften ,23. Januar 2021( online lesen , konsultiert am 23. Januar 2021 )
  7. (in) Philip Richardson, "  Aufwind dynamischer Albatrosse und UAVs  " , Progress in Oceanography , Elsevier , vol.  130,2015( DOI  10.1016 / j.pocean.2014.11.002 )

Externe Links